Усиление сигнала по мощности

Как видно из схемы на рис.4,b, мощность входного сигнала P_вх =J_Э×Е_Э, а мощность выходного сигнала P_вых = J_К V_н.

Усиление по мощности можно характеризовать коэффициентом усиления

. (30)

Из выражения (30) следует, что коэффициент усиления по мощности можно представить в виде произведения коэффициентов усиления по току К_J и по напряжению К_V:

;

; (31)

.

В технической литературе коэффициент усиления по току К_J принято называть коэффициентом передачи токa эмиттера, который для схемы с ОБ обозначается α (или h_21Б) и является одним из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока a очень мало отличается от 1 в меньшую сторону и составляет для современных приборов (0.95¸0.999).

Рассмотрим подробнее, как осуществляется передача тока от эмиттера к коллектору и за счет чего обеспечивается почти стопроцентная передача тока.

Рис.6. Биполярный транзистор р-п-р-типа и его зонная диаграмма при активном режиме

На рис.6 приведен фрагмент транзисторной структуры (в активном режиме) и ее энергетическая диаграмма. Входное напряжение, падая на эмиттерном p⁺-n-переходе, снижает потенциальный барьер для основных носителей, обеспечивая инжекцию дырок в базу транзистора. Встречная инжекция электронов из базы в эмиттер из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода (область эмиттера легирована намного сильнее области базы) очень мала. Если база легирована однородно (бездрейфовый транзистор), то дырки в базе перемещаются только вследствие диффузии, т.е. хаотического теплового движения, для которого нет избранных направлений в пространстве. Дырки в базе – неосновные носители и в течение времени жизни t_p они могут диффундировать в любом направлении в среднем на диффузионную длину L_p. Поскольку толщина активной базы W_Б много меньше L_p, то дырки в своем движении обязательно подтекают либо к эмиттерному, либо к коллекторному переходам. Полем переходов эти дырки выбрасываются из базы либо в коллектор, либо в эмиттер. Та часть дырок, которая возвращается в эмиттер, не дает вклада ни в ток эмиттера, ни, тем более, в ток коллектора. Те же дырки, что собрались коллекторным переходом, обеспечивают вклад и в ток эмиттера, и в ток коллектора.

В процессе перемещения носителей от вывода эмиттера до вывода коллектора часть дырок рекомбинирует с электронами, поступающими в основном из базового вывода транзистора (см. рис.6).

При этом можно выделить пять областей в транзисторе (см. рис.3,b), где возможны потери дырок на рекомбинацию: потери в активной базе, потери в пассивной базе (за счет инжекции дырок через боковые части эмиттерного перехода), потери в эмиттерной области за счет встречной инжекции электронов в эмиттер и последующей рекомбинации этих электронов с дырками, рекомбинационные потери в объемном заряде эмиттерного перехода (этот процесс особенно существенен при малых смещениях на эмиттерном переходе), рекомбинационные потери на поверхностных участках пассивной базы и в области выхода на поверхность кристалла объемного заряда эмиттерного перехода.

Из-за перечисленных потерь дырок на рекомбинацию с электронами ток коллектора в транзисторе оказывается несколько меньше тока эмиттера. Тем не менее, эти потери можно понизить до долей процента за счет грамотной конструкции транзистора, вследствие чего в реальном транзисторе достигается практическое равенство тока коллектора току эмиттера.

Рассмотрим соотношение напряжений входного и выходного. Изменение входного напряжения DV_ВХ можно связать с изменением входного тока DJ_ВХ через входное сопротивление транзистора R_ВХ:

. (32)

Поскольку входной ток – это прямой ток эмиттерного перехода, то он экспоненциально растет с ростом входного напряжения и

~ . (33)

Входное сопротивление прямо смещенного перехода резко падает с ростом прямого смещения, и при приближении входного напряжения к величине контактной разности эмиттерного перехода (0.7 ¸ 0.9 В) входное сопротивление составляет единицы Ом.

Соответственно изменение выходного напряжения DV_вых = DJ_вых×R_н. Тогда коэффициент усиления по мощности

. (34)

Таким образом, усиление по мощности определяется тем, какое сопротивление нагрузки можно поставить в выходной цепи. Выбор оптимального сопротивления нагрузки – самостоятельная многофакторная задача. Здесь же следует отметить, что максимальное R_Н зависит от величины максимального выходного тока:

. (35)

Только при этом условии коллекторный переход может оставаться под обратным смещением. Поэтому для оценки максимального К_{Р max} (для схемы с ОБ) лучше воспользоваться соотношением:

. (36)

Максимальное DV_{ВХ max} » V_Э0 – это контактная разность потенциалов эмиттерного перехода. Максимально возможное DV_{ВЫХ max}=E_К, т.е. равно напряжению питания в выходной цепи. Следовательно,

. (37)

На обратно смещенный коллекторный переход можно подавать достаточно большое напряжение (до пробоя), поэтому E_К >> V_Э0. За счет этого получаем значительное усиление по напряжению и, следовательно, по мощности.