Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

1) Основным режимом является активный (нормальный) режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Этот режим соответствует максимальному значению передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала.

2) Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт. Инверсный режим работы способствует значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с нормальным режимом работы. Это происходит потому, что коллектор является более слаболегированной областью, чем эмиттер.

3) Режимнасыщения, при котором оба перехода открыты. Выходной ток не зависит от входного тока и определяется параметрами нагрузки. Режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

4) Режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.Поскольку в таком режиме входной ток равен нулю, то данный режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Режимы насыщения и отсечки применяются совместно для осуществления коммутации как силовых, так и информационных цепей.

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от того, какой вывод транзистора подключен одновременно к входу и выходу схемы, различают три схемы включения транзистора — с общим эмиттером (ОЭ), общей

базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с ОЭ

Данная схема включения биполярного транзистора является наиболее распространённой, так как даёт наибольшее усиление по мощности.

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

приU_к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем , т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по напряжению:

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт, следовательно, составит десятки – сотни.

Коэффициент усиления по мощности:

Коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц кОм. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком.

К недостаткам также относят худшие частотные и температурные свойства (например,в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Работа транзистора характеризуется семействами входных и выходных характеристик.

Входные характеристики показывают зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером, при постоянном напряжении, приложенном к коллектору. Выходные характеристики показывают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном значении тока базы.

Входные характеристики Выходные характеристики

Схема с ОБ.

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается и определяется:

при u_к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор.

Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ:

В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_u.

Входное сопротивление схемы ОБв десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Входные характеристики Выходные характеристики

Схема с ОК.

Схема получила название эмиттерный повторитель.Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передаетсяобратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ:

Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше её:

В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает с входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки – сотни кОм):

а выходное - сравнительно небольшое (сотни Ом – единицы кОм):

Это является немаловажным достоинством схемы.Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала, а также данная схема имеет наименьшее выходное сопротивление.