Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного

Тема 8. Транзисторная схемотехника.

Транзистор в линейном режиме.

Рассмотрим три основные схемы включения транзисторов с учетом всех элементов, обеспечивающих режим по постоянному току и гальваническую развязку по переменному току . При этом ограничимся рассмотрением схем включения биполярных транзисторов: схемы включения полевых (канальных) транзисторов аналогичны схемам включения биполярных транзисторов и, если не учитывать некоторые нюансы, могут быть получены из последних "заменой электродов" - т. е. исток должен быть включен вместо эмиттера, затвор вместо базы, сток - вместо коллектора. В качестве транзисторов выберем приборы n-p-n-типа. В этом случае, как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включение транзисторов р-n-р-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n-p-n-транзисторов.

Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Схема принципиальная электрическая усилителя на транзисторе, включенном с общим эмиттером (ОЭ), изображена на рис. 2.1.

Входным электродом является база (точнее, входной сигнал приложен к переходу эмиттер-база, т. е. Uвх=U_бЭ=φ_б - φ_Э, где φ_б и φ_Э – соответственно потенциалы базы и эмиттера). Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение Uвых равно падению

напряжения между коллектором и эмиттером Uкз: Uвых=Uкэ=φ_к - φ_э, где φ_к - потенциал коллектора.

Таким образом, эмиттер является "общим электродом" и для Uвх, и для Uвых, чем и объясняется название схемы. На рис. 2.1 эмиттер заземлен и φ_э=0. В большинстве случаев непосредственное соединение эмиттера с землей применяют редко, но здесь мы рассмотрим именно схему с заземленным эмиттером, так как наличие дополнительных элементов не изменяет основной принцип работы схемы с ОЭ, но сильно усложняет объяснение.

Разделительные конденсаторы Ср₁ и Ср₂ будем считать в диапазоне частот сигнала короткими замыканиями, а для постоянных питающих напряжений они, естественно, представляют собой разрывы. Впоследствии вклад Ср₁ и. Ср₂ в характеристики схемы и их назначение будут оговорены.

Для объяснения работы схемы используем известное из физики полупроводников явление: р-n-переход при подаче на р-полупроводник положительного потенциала (относительно потенциала n-полупроводника) открывается и через переход течет ток; причем в определенных пределах ток прямо пропорционален разности потенциалов на переходе. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R_б1 и R_б2 (R_б1 и R_б2 называют базовым делителем), поэтому φ_б всегда превышает φ_э и переход эмиттер-база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного

положительного напряжения (Uвх₌)=Е(R_б2/(R_б1+R_б2)) поступает также переменный сигнал Uвх_≈ (дня простоты примем, что Uвх_≈ ^- гармонический сигнал), то в моменты, когда Uвх_≈ имеет положительную полярность, р-n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда Uвх_≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется Uвх₌ + Uвх_≈>0), переход частично закрывается и ток уменьшается.

Ток через р-п-переход эмиттер-база называют током эмиттера Iэ. Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I_б<<Iэ и ток коллектора Iк≈Iэ. В свою очередь, ток коллектора Iк течет через сопротивление Rк и создает на нем напряжение ΔU_RK=IкRк. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора

φ_к=Е-ΔU_RK=E-IкRк=E-IэRк

зависит оттого, насколько открыт переход эмиттер-база, т. е. от Uвх.

Для аналитического описания зависимости Iк от U_БЭ, часто используют

параметр S=ΔIк/ΔU_бЭ, который называется крутизной. Крутизна имеет размерность ампер/вольт, ее название связано с очень редко встречающимся в справочниках "сквозными" вольтамперными характеристиками транзисторов.

Итак,

U_вых=φ_к-φ_э=φ_к=Е-I_кR_к=Е-SU_бЭR_к=Е-SR_к(U_вх=+U_вх≈)=Е-SR_кU_вх=-SR_кU_вх≈

Первые два слагаемых (Е-SR_кU_вх=) представляют собой некое постоянное напряжение U_вых= т.е. U_вых=U_вых=+U_вых≈, где U_вых≈=-SR_кU_вх≈.

Таким образом, в схеме с общим-эмиттером, при подаче переменного сигнала на базу транзистора, обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного знаком (т.е. имеет место сдвиг фазы, в схеме, равный 180°), и амплитудой. Коэффициент передачи схемы по напряжению:

К_U=│ U_вых≈/ U_вх≈│=SR_К

Отметим, что использование такого параметра, как крутизна, удобно лишь для объяснения процессов в схеме. В справочниках величина S не приводится, зато обычно имеются входные и выходные вольтамперные характеристики (зависимости I_б от U_бЭ и I_К от U_КЭ, соответственно).

Остановимся еще на некоторых моментах. Во-первых, следует обсудить функциональное назначение емкостей Ср1 и Ср2. Эти емкости представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Допустим, что усилитель построен по двухкаскадной схеме, т. е. состоит из двух схем с общим эмиттером (выход первой схемы соединен с входом второй). В этом случае, очевидно, надо без потерь передать переменный сигнал с коллектора транзистора первой схемы на базу транзистора второй схемы. Проще всего это можно было бы сделать, соединив электроды двух транзисторов накоротко. Но ведь как напряжение на базе, так и напряжение на коллекторе содержат не только переменные, но и постоянные составляющие, причём разные:

φ_б==U_вх=≡E(R_б2/(R_б1+R_б2)),

φ_к==U_вых==E-SR_кφ_б=

Элементом, который пропускает переменный ток, но не пропускает постоянный, является емкость. Именно емкость Ср, называемая разделительной, установленная между двумя каскадами, обеспечивает соблюдение требуемых соотношений:

U_вх2≈=U_вых1≈

U_вх2=≠U_вых1=

(здесь индекс "1" относится к первому каскаду усиления, "2" - ко второму). Теперь оговорим, какими параметрами и характеристиками обладает схема с общим эмиттером.

1.Коэффициент передачи (усиления) по напряжению К_U=SR_К обычно достигает единиц-десятков раз.

2. Коэффициент передачи по току К_i, равен отношению выходного тока к входному. Выходным электродом является коллектор, входным - база, поэтому К_i=I_к/I_б. Но I_б<<I_Э, а I_К≈I_Э, отсюда К_i>>1.

3. Коэффициент передачи по мощности Кр=К_UК_i, как следствие, весьма значителен.

4. Сдвиг фаз в схеме равен 180°.

5. Входное сопротивление R_ВХ определяется параллельным соединением сопротивлений R_б1,R_б2 и эквивалентного сопротивления р-n-перехода эмиттер-база: r_бЭ=I_б/U_бЭ. Обычно значения R_б1 и R_б2, необходимые для обеспечения нормальной работы схемы, составляют единицы-десятки килоом, такой же порядок имеет и r_бЭ (из-за малости I_б). Таким образом, схема имеет относительно небольшое входное сопротивление (единицы килоом).

6. Выходное сопротивление ненагруженной схемы R_ВЫХ определяется в первую очередь значением сопротивления R_К (сотни ом-единицы килоом), а также эквивалентным сопротивлением транзистора r_КЭ=I_К/U_КЭ/I_К (обычно порядок r_КЭ - килоомы).

7. Амплитудная характеристика U_ВЫХ=F(U_ВХ) имеет линейный участок с наклоном α=arctgK_U, ограниченный сверху значением U_ВЫХ≡E (т. е. максимальный входной сигнал, который можно передать без нелинейных искажений, имеет амплитуду U_{ВХ m}=E/K).

8. Амплитудно-частотная характеристика К_U=К_U(f) , где f-частота, имеет на средних частотах равномерный участок, параллельный оси частот. На низких частотах, где емкости С_Р1 и С_Р2 еще не являются короткими замыканиями, и часть сигнала падает на них, АЧХ имеет спад. Спад АЧХ имеет место и на высоких частотах, но там он вызван шунтирующим действием паразитных емкостей Спар (Спар, в частности, "включены" параллельно R_К), а также снижением усилительных свойств транзистора с частотой (снижением S).

9. Фазочастотная характеристика Δφ= Δφ(f). Сдвиг фаз Δφ =180° обеспечивается только на средних частотах. На низких частотах из-за вклада Ср₁ и Ср₂ он больше, на высоких частотах из-за наличия Спар меньше.

Типовые амплитудная, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики схемы с общим эмиттером приведены на рис. 2.2 (кривые 1).