Усиление по току и напряжению

Усиление по току и напряжению

Каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.

Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора Сб – в подразделе 2.6.

Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением Rн усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор Ср2.

Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.

Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).


Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот

Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): KU, KI, Rвх и Rвых.

Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h11Э.

Таким образом, можно записать:

. (2.59)

Для нахождения входного сопротивления транзистора h11Э можно воспользоваться формулой:

, (2.60)

где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;

– омическое сопротивление базовой области транзистора;

h21Э = bст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.

Обычно входное сопротивление транзистора h11Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов Rк, Rн и выходного сопротивления транзистора, то есть

. (2.61)

Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора Rк – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство Rн >> Rк.

Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением

, (2.62)

где RК экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле

. (2.63)

Коэффициент усиления тока каскада равен:

(2.64)

Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада

В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также блокировочного конденсатора Сб.

Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид

. (2.65)

В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных Ср1, Ср2 и блокировочного Сб конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что Сб >> Ср, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение

, (2.66)

где KU – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);

w – значение текущей угловой частоты от 0 до wн.

Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением

(2.67)

. (2.68)

С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора Cб должна быть приблизительно в h21Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, то есть Сб » Cр×h21э (на практике Сб выбирают емкостью сотни микрофарад).

Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих wн, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода СК. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде

, (2.69)

tвн = СК(Rк // Rн) – постоянная времени, учитывающая влияние нагрузки, где СК = 1 . 80 пФ и зависит от типа транзистора;

tвVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;

w – значение текущей угловой частоты от wв до ¥.

Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя wв (рисунок 2.32) можно найти из выражения

(2.70)

Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:

— усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);

— каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);

— в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;

— ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току KI = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.


Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.


Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

, (2.71)

где h21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h21Б = aст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области rЭ, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

. (2.72)

Из выражения (2.72) следует, что поскольку aст > Rн коэффициент усиления тока KI » aст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rЭ.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость СКБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.


Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, Cp1 и Cp2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор Rэ выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.


Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через Rэкв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

. (2.74)

Если Rэ > Rвх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Читайте также:  Сервер видеонаблюдения ip камеры linux

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

. (2.76)

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

. (2.77)

Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ сильно зависит от тока эмиттера iЭ, то с увеличением тока эмиттера сопротивление rЭ существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается Rвых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, Rвых = 100 . 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что rЭ > Rн, при выполнении условия Rн > Rэ выражение (2.78) можно записать в виде

. (2.79)

Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений KU = 0,9 . 0,9995.

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: rЭ > Rэ÷çRн. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

. (2.80)

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8955 — | 7623 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.

Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора Сб – в подразделе 2.6.

Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением Rн усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор Ср2.

Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.

Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).


Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот

Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): KU, KI, Rвх и Rвых.

Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h11Э.

Таким образом, можно записать:

. (2.59)

Для нахождения входного сопротивления транзистора h11Э можно воспользоваться формулой:

, (2.60)

где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;

– омическое сопротивление базовой области транзистора;

h21Э = bст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.

Обычно входное сопротивление транзистора h11Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов Rк, Rн и выходного сопротивления транзистора, то есть

. (2.61)

Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора Rк – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство Rн >> Rк.

Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением

, (2.62)

где RК экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле

. (2.63)

Коэффициент усиления тока каскада равен:

(2.64)

Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада

В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также блокировочного конденсатора Сб.

Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид

. (2.65)

В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных Ср1, Ср2 и блокировочного Сб конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что Сб >> Ср, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение

, (2.66)

где KU – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);

w – значение текущей угловой частоты от 0 до wн.

Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением

(2.67)

. (2.68)

С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора Cб должна быть приблизительно в h21Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, то есть Сб » Cр×h21э (на практике Сб выбирают емкостью сотни микрофарад).

Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих wн, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода СК. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде

, (2.69)

tвн = СК(Rк // Rн) – постоянная времени, учитывающая влияние нагрузки, где СК = 1 . 80 пФ и зависит от типа транзистора;

tвVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;

w – значение текущей угловой частоты от wв до ¥.

Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя wв (рисунок 2.32) можно найти из выражения

(2.70)

Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:

— усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);

— каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);

— в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;

— ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току KI = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.


Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.


Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

, (2.71)

где h21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h21Б = aст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области rЭ, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Читайте также:  Сколько стоит лайк в инстаграмме

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

. (2.72)

Из выражения (2.72) следует, что поскольку aст > Rн коэффициент усиления тока KI » aст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rЭ.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость СКБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.


Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, Cp1 и Cp2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор Rэ выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.


Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через Rэкв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

. (2.74)

Если Rэ > Rвх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

. (2.76)

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

. (2.77)

Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ сильно зависит от тока эмиттера iЭ, то с увеличением тока эмиттера сопротивление rЭ существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается Rвых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, Rвых = 100 . 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что rЭ > Rн, при выполнении условия Rн > Rэ выражение (2.78) можно записать в виде

. (2.79)

Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений KU = 0,9 . 0,9995.

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: rЭ > Rэ÷çRн. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

. (2.80)

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8955 — | 7623 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Читайте также:  Iphone хрипит звук в наушниках

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером


Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой


Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором


Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector