Биполярный транзистор

 

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических  и неэлектрических величин, приеме радио сигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители.

Усилитель - устройство, осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника  к потребителю.

В современных  усилителях, широко применяемых в  промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах  обладают высокой надежностью и  экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу  и размеры, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень  слабые электрические сигналы.

Упрощенно усилитель (усилительный каскад) можно  представить в виде блок-схемы (рис.1.):

 

Данный  усилитель содержит нелинейный управляемый  элемент, как правило биполярный или полевой транзистор, потребитель и источник электрической энергии. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения (у си ленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента, а следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого или потребителя. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону задаваемому входным сигналом.

Основными параметрами усилительного каскада  являются коэффициент усиления по напряжению Ku=U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току К_I=I_вых/I_вх и коэффициент усиления по мощности

Обычно  в усилительных каскадах все три  коэффициента усиления значительно  больше единицы. Однако в некоторых  усилительных каскадах один из двух коэффициентов  усиления может быть меньше единицы, т.е. К_U<1 или К_I <1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности больше единицы.

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых  в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители  предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные  транзисторные усилители, как и  ламповые, состоят из одного или  нескольких каскадов усиления. При  этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между  ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные  значения резисторов, конденсаторов  и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя  наиболее распространены резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей  базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим  коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим  эмиттером - ОЭ (рис. 1, в).

Рис. 1, а

 

Рис. 1, б

Рис. 1, в

 

Наиболее  распространенной является схема с  ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

 

Таблица 1

Параметры	с общей базой (ОБ)	с общим эмиттером (ОЭ)	с общим коллектором (OK)
Коэффициент усиления по напряжению	30—400	30—1000	<I
Коэффициент усиления по току	<I	10—200	10-200
Коэффициент усиления по мощности	30—400	3000—30000	10—200
Входное сопротивление	50—100 Ом	200—2000 Ом	10—500 кОм
Выходное сопротивление	0,1—0,5 мОм	30—70 кОм	50—100 ОМ

 

Схема замещения  транзистора для малых отклонений  (ОБ, ОК, ОЭ), h-параметр.

 

Усилитель с общим коллектором

Схема усилителя  ОК изображена на рисунке 2

 

 

Рисунок 2 Усилитель  ОК

Расчет  элементов схемы по постоянному  току практически не отличается от подобного расчета элементов  усилителей ОЭ. После выбора рабочей  точки (рисунок 2, б), определяющей режим работы каскада, а также тока делителя в цепи базы находят сопротивления резисторов:

(1)

В отличие  от усилителя по схеме ОЭ схема  с общим коллектором не инвертирует  входной сигнал. Действительно, если на вход эмиттерного повторителя  подать увеличивающееся напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного  тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы  в схеме будут изменяться в  фазе.

Переменное  напряжение, снимаемое с Rнэ, через разделительный конденсатор Ср2 проникает в нагрузку. Эквивалентная схема каскада по переменному току представлена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3. Эквивалентная схема усилителя ОК

 

На  схеме штриховой линией изображено выходное сопротивление источника  питания Rи. Как было указано ранее, оно незначительно и им пренебрегают. Поэтому коллектор транзистора оказывается заземленным, т.е. он является общим для входной и выходной цепи. Что и объясняет наименование усилителя (усилитель ОК), хотя из рисунка 2, а этого явно не видно.

По  сравнению с предыдущими схемами  делитель в цепи базы представлен  своим эквивалентным сопротивлением Rд, которое вычисляется выражением:

.,(2)

 

Определим входное  сопротивление транзистора ,(3)

где Rн экв – эквивалентное сопротивление нагрузки:

. (4)

 

Выражение (3) говорит о том, что в эмиттерном повторителе можно получить очень  большие значения входного сопротивления. Это является одним из основных достоинств каскада ОК.

Окончательное выражение (3) было получено на основе учета  того, что

.

Считая, как и для предыдущих схем, что  весь ток выходного электрода (эмиттера) идет в нагрузку, получаем выражение  для определения коэффициента усиления по току:

. (5)

Проведем  некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:

. (6)

Следовательно, напряжение сигнала на выходе при  подключении нагрузки в цепь эмиттера не увеличивается – оно практически  равно входному (в упрощениях при выводе соотношения (6) не было учтено входное сопротивление делителя Rд). Этим объясняется наименование усилителя – эмиттерный повторитель.

Аналогично  усилителю ОЭ спад усиления на низших частотах эмиттерного повторителя  определяется действием Ср1 и Ср2, а на высших – параметрами транзистора. При выборе разделительных емкостей пользуют соотношения, аналогичные приведенным ранее.

Выходное сопротивление  каскада

.

Из сказанного следует, что каскад эмиттерного повторителя наиболее удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой (Rвх – велико, Rвых – мало, Ki – велико).

Малое выходное сопротивление каскада  делает его идеальным при согласовании усилителя с емкостной нагрузкой.

 

Усилитель с общей базой

 

Принципиальная  и эквивалентная схема по переменному  току усилителя ОБ изображены на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4. Усилитель ОБ

 

 

Расчет  сопротивлений резисторов (после  выбора режима работы каскада), то получим эквивалентную схему для средних частот (рисунок 5).

 

 

 

   (7)

 

Рисунок 5. Эквивалентная схема усилителя ОБ для средних частот.

 

Применив  упрощения, которые были использованы при расчетах предшествующих схем, получим:

,

. (8)

Входное сопротивление каскада. Входящее в  него входное сопротивление транзистора 

. (9)

значительно меньше сопротивления резисторов делителя в цепи базы (rэ<< Rб1 и rэ<< Rб2).

Эквивалентное сопротивление нагрузки Rн экв определяется параллельным соединением Rк и Rн. Поэтому, если rэ<< Rк и rэ<< Rк вх, то усилитель ОБ будет обладать очень большим коэффициентом усиления по напряжению:

,(10)

Учитывая  большое сопротивление дифференциального  резистора обратносмещенного коллекторного перехода для входного сопротивления каскада имеем:

. (11)

 

Усилитель с  общим эмиттером

 

Транзистор  VT представлен его Т-образной схемой замещения, содержащей дифференциальные сопротивления rб, rэ, rк и зависимый источник тока h21э * iб. В его входной цепи возникает переменный ток базы iб. Ток коллектора в основном будет обусловлен источником тока, ток эмиттера – суммой указанных токов. Коллекторный ток замыкается на землю через цепь – резистор Rк, внутреннее сопротивление источника питания Rи. Через разделительный конденсатор Ср1 сигнал, обусловленный током iк появляется в нагрузке. В цепи эмиттера токи замыкаются на землю через Сэ и Rэ.

Для средних частот рабочего диапазона  эквивалентная схема усилителя  может быть упрощена. Упрощения проводят на основании учета соотношений  и на основе того, что емкость коллекторного перехода существенно меньше остальных емкостей. Поэтому всеми разделительными емкостями и емкостью коллекторного перехода можно пренебречь. Малое сопротивление Сэ шунтирует внешний резистор Rэ, практически подсоединяя эмиттер к земле. В результате получим схему рисунка 6.

 

 

Рисунок 6. Эквивалентная  схема усилителя для средних  частот

 

Напоминаем, что коэффициенты усиления определяются, как отношение тока, напряжения и  мощности сигнала нагрузки к соответствующим  величинам на входе. Их можно определить исходя из приведенной схемы. Однако, наиболее часто коэффициенты вычисляют по более простым формулам. Такой подход оправдан в связи со значительным разбросом параметров используемых транзисторов и резисторов. Так, например, коэффициент усиления по току наиболее часто принимают равным статическому коэффициенту передачи тока в схеме ОЭ, т.е.

. (12)

В действительности он равен . Сравнивая это выражение с (12), можно увидеть следующие отличия. Как видно их рисунка, числитель в формуле (12) завышен, а знаменатель – занижен, что должно привести к более высоким оценкам величины коэффициент усиления по току при предлагаемом его определении по (12). Поэтому, чтобы сохранить простоту нахождения Кi, предлагается считать его равным минимальному значению h21э, которое приводится в справочной литературе на используемый транзистор:

. (12¢)

Проведем  некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:

,(13)

где Rк вх – входное сопротивление каскада;

Rн экв эквивалентное сопротивление нагрузки, определяемое параллельным соединением Rк и Rн:

. (14)

Входное сопротивление каскада определяется параллельным соединением резисторов делителя Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора:

,(15)

где Rтр вх – входное сопротивление транзистора, которое можно определить из выражения

,

где Urб и Urэ – падения напряжений на дифференциальных сопротивлениях базы и эмиттера транзистора. Их расшифровка приводит к следующему:

. (16)

Зачастую, это сопротивление и определяет величину входного сопротивления каскада. Учитывая большое сопротивление  дифференциального резистора обратносмещенного коллекторного перехода, для входного сопротивления каскада имеем:

. (17)

 

 

 

 

Характеристики  усилителя ОЭ в области низших и высших частот

 

Эквивалентная схема каскада для низших частот представлена на рисунке 7, а.

 

 

Рисунок 7. Эквивалентная  схема усилителя ОЭ для низших (а) и высших (б) частот

 

По  сравнению с исходной схемой рисунка 4.8. на ней исключены сопротивления  источников питания и емкость  коллекторного перехода в связи  с незначительностью их влияния  при низких частотах переменного  сигнала. На передачу сигнала существенное влияние оказывают емкости Ср1, Ср2 и Сэ, реактивное сопротивление которых увеличивается. При этом разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют прохождению сигнала с входа каскада на его выход, уменьшая тем самым коэффициент усиления каскада в области низших частот.д.ействие блокирующей емкости несколько иное – в области низших частот она перестает шунтировать резистор, Rэ и коэффициент усиления каскада уменьшается за счет действия отрицательной обратной связи. Как было указано ранее, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который для рассматриваемой схемы с достаточной точностью можно определить по формуле:

,(18)

где ,(18¢)

 

Если  задан общий коэффициент частотных  искажений Мн на весь каскад, то эту величину следует распределить между элементами, уменьшающими передачу сигнала в области низших частот и затем определить необходимые значения емкостей. Например, переходную емкость Ср1 можно вычислить по формуле