Основные схемы включения биполярных транзисторов

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Усилительным каскадом называется схема с усилительным элементом (лампой, транзистором), предназначенная для усиления по току или напряжению. Существуют три основные схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ), см. рис. 7. Термин «общий» показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей усилительного каскада.

Для расчёта характеристик каскадов применяются два метода: графический и аналитический. Графический метод расчёта является наглядным, но трудоемким, так как требует снятия семейств статических входных и выходных характеристик транзистора (см. лаб. работу № 1). При использовании аналитического метода расчёты можно проводить в основном на уровне собственных параметров транзистора (1.2) – (1.4).

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОЭ

В этой схеме нагрузка - сопротивление R_к - включается в цепь коллектора (рис. 7а). Выходной ток - ток коллектора I_к - больше входного тока - тока базы I_б, так как статический коэффициент усиления транзистора по токуb » 1.Поэтому в схеме ОЭ есть усиление по току, вследствие чего на нагрузочном сопротивлении R_к можно создать большее падение напряжения, чем на входе - между базой и эмиттером, то есть возможно усиление и по напряжению, а значит, и по мощности. Поэтому усилительный каскад по схеме ОЭ получил наибольшее распространение в радиоэлектронных устройствах на биполярных транзисторах.

При включении сопротивления R_к напряжение между кол-
лектором и эмиттером U_кэ отличается от напряжения источника
питания Е на величину падения напряжения на сопротивлении R_к, то есть U_кэ = Е – I_к × R_к, откуда

I_к = E / R_к - U_кэ / R_к . (2.1)

Зависимость I_к = I_к (U_кэ), определяемая формулой (2.1), описывает уравнение нагрузочной прямой, отсекающей на осях U_кэ и I_к отрезки, равные Е и Е / R_к соответственно. Действительно, при U_кэ = 0 ток коллектора I_к = E / R_к и при U_кэ = Е величина I_к = 0. На рис. 8а нагрузочная прямая ГД нанесена на семейство статических выходных характеристик.

	Рис. 8. а) выбор рабочей точки (Р) транзистора по его выходным статическим характеристикам и нагрузочной прямой (ГД) в усилительном каскаде по схеме ОЭ (б)

При заданном токе базы I_бр рабочая точка транзистора определяется как точка пересечения нагрузочной прямой ГД с соответствующей выходной характеристикой - зависимостью тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером, на рис. 8а, например, это точка Р. При изменении тока базы рабочая точка Р перемещается вдоль нагрузочной прямой, определяя своим положением ток коллектора I_кр и напряжение U_кэр между коллектором и эмиттером. Положение рабочей точки на нагрузочной прямой ГД и определяет режим работы транзистора.

Режим отсечки, при котором транзистор закрыт и в цепи коллектора течёт малый ток, создаваемый неосновными носителями, соответствует отрезку БД нагрузочной прямой. Для обеспечения режима отсечки в транзисторе р-n-р типа напряжение между базой и эмиттером U_бэ должно быть положительным или равно нулю. Однако практически напряжение U_бэ в этом режиме может иметь даже небольшую отрицательную величину (не более 0,2-0,3 В). Обычно в усилительном каскаде рабочая точка Р выбирается на участке БВ между малой областью насыщения (U_{к. нас} » 1В) и областью отсечки (U_{к. отс}). Положение рабочей точки зависит от типа усилителя (см. лаб. работу № 4). Для установления рабочей точки необходим определенный ток базы I_бр, обеспечивающий соответствующий ток коллектора I_кр и напряжение U_кэр. Ток базы I_бр можно установить несколькими способами, например, включением сопротивления R_б между источником питания и базой (рис. 8б). Падение напряжения на этом сопротивлении: I_бр×R_б = Е – U_бэр @ Е.Так как U_бэр ~ (0,3 ¸ 0,5) В << Е =9 В, то величину сопротивления R_б можно рассчитать по приближенной формуле:

R_б @ Е / I_{б р} . (2.2)

Обычно 200 кОм < R_б < 500 кОм.

Г р а ф и ч е с к и м м е т о д о м коэффициент усиления каскада по напряжению К = (DU_кэ / DU_бэ) рассчитывается следующим образом. Изменение напряжения DU_кэ вычисляется по выходным, а DU_бэ - по входным характеристикам транзистора (см. рис. 4 и 5) при условии, что рабочая точка может смещаться только вдоль нагрузочной кривой ГД (рис. 8а).

При использовании а н а л и т и ч е с к о г о м е т о д а для входной цепи в схеме ОЭ:

DU_вх = DU_бэ = R_вх DI_б. (2.3)

Если рассматривать выходной ток I_к функцией двух переменных:
I_к = I_к (I_б, U_кэ), то его изменение может быть представлено в виде:

DI_к= (DI_к / DI_б) _{Uкэ = const} DI_б + (DI_к / DU_кэ) _{Iб = const} · DU_кэ =

= b ^.DI_б + DU_кэ / R_вых . (2.4)

В соотношениях (2.3) и (2.4) величины b,R_вх и R_вых - собственные параметры транзистора (1.2)-(1.4). Изменение выходного напряжения (на коллекторе) определяется изменением напряжения на нагрузочном сопротивлении R_к: DU_вых = -DU_кэ = -R_к DI_к . Коэффициент усиления по напряжению определяется следующим выражением:

К º DU_вых / DU_вх = - DU _кэ / DU_бэ = - (b / R_вх) ^. R_S , (2.5)

где

1 / R_S = 1 / R_к + 1 /R_вых. (2.6)

Величину R_S в формуле (2.5) можно рассматривать как общее выходное сопротивление каскада, которое согласно соотношению (2.6) можно рассматривать как параллельное соединение сопротивления нагрузки R_к и выходного сопротивления транзистора R_вых ºR_кэ в схеме ОЭ. Отрицательное значение коэффициента К в формуле (2.5) означает, что входное и выходное напряжения изменяются в противофазе, то есть схема ОЭ инвертирует усиливаемый сигнал.

Таким образом, при заданных параметрах транзистора b,R_вх, R_вых в рабочей точкекоэффициент усиления каскада по напряжению определяется сопротивлением нагрузки в цепи коллектора R_к. Если это сопротивление отсутствует (R_к = 0), то К = 0, то есть усиления по напряжению нет. Если R_к ® ¥,то коэффициент | K | ® К_¥=b R_вых / R_вх >> 1. Однако в реальных схемах обычно к выходу каскада подключается нагрузка, например, следующий каскад усиления, который оказывается
включенным параллельно выходному сопротивлению каскада
(см. лаб. работу № 3). Поэтому для согласования каскадов по сопротивлению целесообразно выбирать сопротивление R_к, не сильно превышающее R_вх следующего каскада. Обычно R_к берётся в пределах
1 кΩ < R_к < 10 кΩ.

Если подключить источник входного сигнала (или последующий усилительный каскад) непосредственно к базе транзистора (соответственно к коллектору), то через источник или нагрузочный каскад может появиться дополнительный постоянный ток и рабочая точка транзистора может сместиться. Чтобы исключить это влияние, используют разделительные конденсаторы С₁ и С₂ (см. рис. 8б). При их наличии подключение сопротивления источника сигнала R_i (или нагрузки R_н) не должно влиять на режим каскада не только по постоянному току, но и по переменному. Поэтому емкость С₁ выбирают из условия, чтобы на низшей рабочей частоте усилительного каскада f_н выполнялось соотношение: 1/2 p f_н С₁<< R_вх = R_бэ. Если значения f_н и R_вх заданы, то разделительная емкость С₁ определяется из условия:

С₁ >>1/2 p f_н R_вх . (2.7)

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОК

(ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ)

В этой схеме сопротивление нагрузки R_э включается в цепь эмиттера (рис. 7б и рис. 9). Поскольку I_э @ I_к, то рабочую точку в схеме ОК можно опять определить с помощью семейства выходных характеристик (см. рис. 8а), нанеся на него нагрузочную прямую, соответст-вующую уже сопротивлению R_э. Соответствующее рабочей точке напряжение смещения на базе устанавливается включением сопротивления R_б, которое рассчитывается по формуле (2.2). Для схемы ОК (рис. 9) изменение выходного тока - тока эмиттера - определяется соотношением (2.4), где DU_кэ = – DI_э R_э, а значит, DI_э (1 + R_э / R _вых) = bDI_б. Обычно выполняется условие:
R_э / R_вых << 1, поэтому в схеме ОК отношение DI_э/DI_б @ b >> 1, то есть усиление по току в данной схеме есть. В схеме ОК между входным и выходным напряжением существует соотношение:

U_вх = U_вых + U_бэ , (2.8)

которое соответствует существованию положительной обратной связи: часть выходного напряжения подается снова на вход усилительного каскада, причём напряжения на входе и выходе совпадают по фазе. Поэтому схема ОК получила название эмиттерного повторителя. В соответствии с соотношением (2.8) U_вых < U_вх, поэтому коэффициент передачи по напряжению в схеме ОК К º DU_вых / DU_вх < 1, то есть усиления по напряжению в данной схеме нет. Расчёт показывает, что

К = 1– (DU_бэ / DU_вх) = (b + 1) R_э / ,(2.9)

где входное сопротивление в схеме ОК:

= DU_вх / DI_б = R_бэ + (b + 1) R_э . (2.10)

Если включить достаточно большое сопротивление в цепь эмиттера (R_э >> R_вх), то величина К®1. Таким образом, в схеме ОК можно добиться увеличения входного сопротивления (по сравнению с = R_бэ в схеме ОЭ) на величину (b+ 1)×R_э. Так как обычно b R_э>> R_вх, то
= b R_э ~ 10⁵ Ом, то есть входное сопротивление в схеме ОК определяется сопротивлением в цепи эмиттера R_э и статическим коэффициентом передачи тока базы b.

Выходное сопротивление в данной схеме = DU_вых / DI_вых =
= R_э < 1 кОм. Поэтому эмиттерный повторитель используется часто как буферный каскад («развязка») во входных и выходных каскадах усилителей, когда нужно согласовать большое внутреннее сопротивление источника усиленного сигнала (в данном случае транзистора) с достаточно малым сопротивлением нагрузки (например, громкоговорителя).

Таблица 3