Биполярный транзистор

 

где Мр1 – доля частотных искажений, приходящаяся на данную емкость, причем

 

Эквивалентная схема каскада в области высших частот показаны на рис.7, б. С повышением частоты уменьшается коэффициент  h21э и увеличиваются шунтирующее действие емкости коллекторного перехода Ск, Все это приводит к уменьшению усиления в области высших частот. Количественно уменьшение коэффициента усиления по сравнению со средними частотами оценивают с помощью коэффициента частотных искажений модуль коэффициента усиления в области высших частот.

 

h-параметры  биполярных транзисторов

 

Для расчета и анализа устройств  с биполярными транзисторами  используют h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется 4-мя величинами: I_б, U_бэ, I_к, U_кэ. Две из них можно считать независимыми, а две другие можно выразить через них:

 

Усилительный  каскад с общей базой (ОБ) - одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное - велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью  схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых  схем усилителей "паразитная" обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема  с общей базой наиболее часто  используется для построения высокочастотных  усилителей, особенно вблизи верхней  границы рабочего диапазона частот транзистора.

 

Схема включения  с общей базой

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]

Входное сопротивление  Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление  для схемы с общей базой  мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная  цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход  транзистора.

 

Недостатки  схемы с общей базой:

малое усиление по току, так как α < 1

Малое входное  сопротивление

Два разных источника  напряжения для питания.

 

Достоинства:

Хорошие температурные  и частотные свойства.

Высокое допустимое напряжение.

Биполярный  транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) - электронный тип примесной проводимости, p (positive) - дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова "би" - "два"). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором  и эмиттером. На простейшей схеме  различия между коллектором и  эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора - бо́льшая площадь p - n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

 

Расчет каскада  с общим эмиттером

 

Существует  множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада  на транзисторе ОЭ. Это обусловлено  главным образом особенностями  задания режима покоя каскада. Особенности  усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 8, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания R_k, управляемый элемент - транзистор Tи резистор R_k. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы C_p1, C_p2 являются разделительными. Конденсатор C_p1исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи E_k→ R₁→ R_Г и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_k напряжения на базе U_бn в режиме покоя. Функция конденсатора C_p2сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

 

Рис.8

 

Резисторы R₁ и R₂ используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае токC) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бn . Резистор R₁ предназначен для создания цепи протекания тока I_бn . Совместно с R₂ резистор R₁ обеспечивает исходное напряжение на базе U_бn  относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор  R₃ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя I_kn от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора I_ko(э) , напряжения U_бэ и коэффициента b. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока I_kn от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I_kn, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление  отрицательной обратной связи и  ее стабилизирующего действия на ток  I_kn нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 8. Предположим, что под влиянием температуры ток I_kn увеличился. Это отражается на увеличении тока I_эn , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы I_бn  уменьшается, вызывая уменьшение тока I_kn , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_kn. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R₃ , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока I_kn, а, следовательно, и напряжения U_kэn.

Конденсатор C₃ шунтирует резистор R₃ по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора C₃ привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название  схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора  по переменному току является общим  для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается  в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада  переменного напряжения приводит к  появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе  R_k создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор C_p2 передается на выход каскада - в цепь нагрузки.

 

Рис.9

 

Рассмотрим  основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения  требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ  каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические  построения проводятся с помощью  выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 9, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада U_kэn и I_kn амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения U_вых и тока I_km ), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рис. 9, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току (а-б), представляющую собой геометрические места точек, координаты U_kэ и I_k которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи  с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим  режим холостого хода (точка ^"a^" ) и режим покоя (точка ^"П^") выходной цепи каскада (рис. 9, а). Для точки ”а” I_kn = 0 , U_kэn F =-K и для точки ^"П^" 

 I_kп > I_km + I_{k min}, U_kэП > U_вых + DU_kэ , где I_{k min}  выбирают из условия работы транзистора в режиме отсечки (I_бmin) , DU_kэ, напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки ^"П^" находим значение тока базы I_б = I_бn , соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки ^"П^" на входной характеристике (рис. 9, б).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и  коллекторного тока транзистора  используют линию нагрузки каскада  по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора  равно нулю, так как резистор R₃ шунтируется конденсатором C₃, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора C_p2 по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания E_k по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на рис. 10, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах. Сопротивление каскада по переменному току

определяется  сопротивлениями резисторов R_k и R_н , включенных параллельно, т. е. . Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

 

Рис.10

 

Поскольку при наличии входного сигнала  напряжение и ток транзистора  представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия  нагрузки по переменному току проходит через точку покоя  ^"П^" (рис. 9, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: DU_kэ/DI_k = U_вых/I_km.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моделирование

                                                    Рис. 11 (Исходная схема)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 12 (без  конденсатора С_P2)

Рис. 13.1 (без  конденсатора С_Э)

 

 

 

 

 

Рис.13.2

 

Рис. 14.1

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.2

Рис. 15.1 (без  конденсатора С_Р1)

 

 

 

 

 

Рис.15.2

Рис. 16 (без  резистора R₂)

 

 

 

 

 

 

Коэффициент усиления по напряжению

,

U_вх=2 [B]

, В	8	12	11,5	10,9	10,6	10,2	10,2	10,1
f, Гц	50	100	500	1000	2000	3000	4000	5000

 

,В	10	10	10	10	10	10	10	9,99
f, кГц	10	20	30	40	50	60	70	80

 

График зависимости  от f

 

 

 

U_вх=0,5 [B]

, В	1,9	4,8	12	11,6	11,5	11,5	11,5	11,4	11,3
f, Гц	50	100	500	1000	2000	3000	4000	5000	6000

 

,В	11,3	11,2	11,2	11,2	11,2	11,1	11,1	11
f, кГц	10	20	30	40	50	60	70	80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График зависимости  от f

 

Без конденсатора С_Э.

U_вх=0,5 [B]

, В	0,34	0,75	1,4	1,6	1,8	1,8	1,8	1,8
f, Гц	50	100	500	1000	2000	3000	4000	5000