Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы — транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами — малосигнальной эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.

Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры — всё остаётся без изменений, меняется лишь направление источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:
r_б = τ_ос / C_к — объёмное сопротивление базы, где τ_ос — постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а

C_к — ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то «постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте» указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт), где Р_макс — максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) — активное сопротивление эмиттера , где I_э — ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const) — дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает наличие пресловутого эффекта Эрли — эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ. Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h31э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В — 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.
Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
С_к — ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и С_э — диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками, повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства полупроводников.

Далее на повестке — источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной I_к = α x I_э , где α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где Rист — выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈ R

к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б

+ I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u = — β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э ;
K_i = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема

с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)] ;
K_i = β + 1 .

Как уже было сказано — данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим запасом по максимальной частоте.

К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту сопутствующих им элементов.

 

Усилительный каскад с общим коллектором

Добавлено 5 октября 2017 в 18:40

Сохранить или поделиться

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE

common-collector amplifier 
vin 1 0 
q1 2 1 3 mod1   
v1 2 0 dc 15    
rload 3 0 5k    
.model mod1 npn 
.dc vin 0 5 0.2 
.plot dc v(3,0) 
.end

Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения V_БЭ)

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

common-collector amplifier
vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
vbias 4 0 dc 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02m .78m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения V_БЭ.

Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на V_БЭ = 0,7 вольта

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

\[A_I = { I_{эмиттер} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} + I_{база} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} \over I_{база} } + 1\]

\[A_I =\beta + 1\]

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим коллектором

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

NPN пара Дарлингтона

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

где

• β₁ – бета первого транзистора;
• β₂ – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение V_БЭ, падение напряжение на PN переходах

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

Подведем итоги:

• Усилительный каскад с общим коллектором называется так потому, что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку.
• Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
• Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет синфазно с входным напряжением, что делает каскад с общим коллектором неинвертирующим усилителем.
• Коэффициент усиления по току у усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на самом деле, чуть меньше).
• Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, «переплетающихся» друг с другом так, чтобы эмиттер одного из них был источником тока для базы другого по схеме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления по току равный произведению их собственных коэффициентов усиления по току (β плюс 1).

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общим коллекторомКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуПара ДарлингтонаУчебникЭлектроникаЭмиттерный повторитель

Сохранить или поделиться

Расчёт транзисторных каскадов по схемам с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)

Онлайн калькулятор номиналов элементов схем ОБ и ОК, построенных на
биполярных транзисторах.

Усилительные каскады, выполненные по схеме с общим эмиттером, мы рассмотрели на прошлой странице, осталось всего-то ничего: усилительный каскад с общей базой (ОБ) и каскад с общим коллектором (ОК) — он же эмиттерный повторитель, он же повторитель напряжения. .

1. Каскад на транзисторе с общей базой (ОБ).

Рис.1 Рис.2

На Рис.1 изображена схема ОЭ с предыдущей страницы.
Если верхний вывод блокирующей ёмкости Сэ оторвать от эмиттера и подключить к базе транзистора, а входной сигнал через разделительный конденсатор Ср1 подать на освободившийся эмиттер (Рис.2), то каскад ОЭ преобразуется в классическую схему каскада с общей базой (ОБ).
Расчёт схемы с ОБ по постоянному току производится точно также, как мы это делали на предыдущей странице для каскада ОЭ:
1. I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э + r_э) x (1 + β)] , где Uбэ фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1 и Rб2 ,
2. I_делит = (3…10)I_б ;
3. I_к = I_б x β ;
4. U_к = E_к — I_к x R_к ;
5. R_вых = R_к ll (r_э + r_к ) ;
6. U_э = (0,1…0,2)E_к — для достижения приемлемого эффекта термостабилизации.

А вот по переменному току каскады имеют существенные различия. Схема каскада с общей базой (ОБ), изображённая на Рис.2, обладает следующими характеристиками по переменному току:

7. R_вх = r_э , где r_э (Ом) = 25,6/I_э (мА) — активное сопротивление эмиттера ;
8. K_i = β / (β +1) ;
9. K_u ≈ R_к x β / [r_э x (β +1)] ;

Итак, подытожим основные отличия данного каскада ОБ от каскадов ОЭ:
1. Усилительные каскады на транзисторе с общей базой не инвертируют сигнал;
2. Коэффициент передачи по току каскада c ОБ меньше единицы;
3. Входное сопротивление каскада ОБ значительно ниже входного сопротивления каскада ОЭ.

Крайне низкое входное сопротивление транзисторного каскада с общей базой Rвх (единицы — десятки Ом) уже не позволяет пренебрежительно относиться к выходному сопротивлению предыдущего каскада Rи. К тому же, если данный резистор выполнить внешним, появляется возможность гибкой регулировки усиления каскада.

Формула для коэффициента передачи схемы каскада ОБ с учётом выходного сопротивления источника сигнала (либо внешнего резистора), принимает следующий вид:

9. K_u ≈ R_к x β / [(r_э + R_и ) x (β +1)] ;

2. Каскад на транзисторе с общим коллектором (ОК) — эмиттерный повторитель.

Главным отличительным свойством каскада с ОК являются: высокое входное и низкое выходное сопротивления. Основная его область применения — согласование источника с высоким импедансом с низкоомной нагрузкой. Исходя из этого, было бы не очень правильно упускать из расчётов выходное сопротивление источника сигнала.
На Рис.3 изображена схема эмиттерного повторителя.

Рис.3

Приведём формулы: Rвх = [(Rэ + rэ) x (1 + β)] ll Rб1 ll Rб2 ; Iб = (Uб — Uбэ)/[(Rэ1 + rэ) x (1 + β)] , где Uб фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1 и Rб2, а Uбэ = 0,6…0,7В для кремниевого транзистора и 0,3…0,4 — для германиевого; Uэ = Uб — Uбэ ; Iделит = (3…10)Iб ; Rвых = rэ +Rи / (1 + β) ; Ku = Rэ / [ Rэ + rэ + Rи /(1 + β)] ; Ki = β +1 .

Итак, что мы имеем? Эмиттерный повторитель не инвертирует сигнал, коэффициент передачи по напряжению каскада меньше единицы, усиление происходит только по току.
Ну и по традиции калькулятор.

РАСЧЁТ КАСКАДОВ ОБ и ОК НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Коэффициент передачи тока h31э не постоянен и имеет сложную зависимость от частоты и тока коллектора. В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора: от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких сотен миллиампер — для мощных.

Расчёт разделительных ёмкостей Сp1 и Сp2, а также блокирующей емкости Сб производится точно также, как в случае с каскадами ОЭ.
Т.е. следует задаться номиналами их реактивных сопротивлений Xс = 1/2πƒС (на минимальной рабочей частоте), как минимум, в 10 раз (а лучше в 100) меньшими, чем значения приведённых ниже величин:
X_Cp1вх , где Rвх — входное сопротивление каскада, посчитанное в калькуляторе,
X_Cp2вх посл , где Rвх посл — входное сопротивление последующего каскада,
X_Cбэ .

И ещё раз повторю калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

 

Транзистор с общим коллектором принцип работы. Транзисторы

Страница 1 из 2

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения . Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9…0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9…499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей сре

6.5. Схема включения транзистора с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором и распределение токов в его структуре приведены на рис. 6.14.

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) имеет следующие семейства характеристик:

– выходные I_Э = f (U_ЭК) при постоянном значении тока базы I_Б = const;

– входные I_Б = f (U_БК) при постоянном напряжении U_ЭК = const.

Характеристики схемы с общим коллектором схожи с характеристиками схемы с общим эмиттером, так как они снимаются при условии R_К = R_Э = 0.

Рис. 6.14. Распределение токов в схеме включения транзистора

с общим коллектором

6.6. Схемы включения транзистора как усилителя

электрических сигналов

Одна из основных областей применения биполярного транзистора — усиление электрических сигналов. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, подают на два каких-либо электрода, и с двух электродов схемы снимают усиленный сигнал. В усилительных схемах биполярные транзисторы работают в активном режиме, напряжения на их выводах содержат постоянную и переменную составляющие.

6.6.1. Схема включения транзистора с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 6.15. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой

как усилителя сигналов

6.6.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистора с общим эмиттером как усилителя сигналов приведена на рис. 6.16. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером

6.6.3. Схема включения транзистора с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором как усилителя сигналов приведена на рис. 6.17. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки R_н – в цепь эмиттера.

Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором

Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора.

Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_P и значением сопротивлений входной R_вх и выходной R_вых цепей.

Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:

(6.10) (6.13)

(6.11) (6.14)

; (6.12)

Значения параметров можно представить в виде таблицы (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Параметры основных схем включения транзисторов

Параметры	Схема с общей базой	Схема с общим эмиттером	Схема с общим коллектором
Rвх	Единицы – десятки Ом	Сотни Ом – единицы кОм	Десятки – сотни кОм
Rвых	Сотни кОм –единицы МОм	Единицы – десятки кОм	Сотни Ом – единицы кОм
kI	Немного меньше 1 ( = 0,92-0,999)	Десятки – сотни ( = 10-1000)	Десятки – сотни
kU	Десятки – сотни	Десятки – сотни	Немного меньше 1
kP	Десятки – сотни	Десятки – сотни тысяч	Десятки – сотни

8 Усилительные каскады по схемам с общей базой и общим коллектором

8.1 Каскад с общей базой

С использованием эмиттерной цепи стабилизации рабочей точки построим транзисторный усилительный каскад по схеме с общей базой (рис. 8.1). Входной сигнал подается через разделительный конденсатор С1 в цепь эмиттера транзистора. База по переменной составляющей заземлена с помощью блокировочного конденсатора С_Б. Выходной сигнал снимается с коллектора. Положительное приращение входного напряжения вызывает уменьшение тока эмиттера транзистора и уменьшение падения напряжения на коллекторном сопротивлении, то есть рост напряжения на выходе. Следовательно, каскад с ОБ не инвертирует фазу сигнала при усилении.

Выбор рабочей точки и расчет резисторов можно выполнить по методике, изложенной для схемы рис. 6.1.

Приближенная эквивалентная схема для анализа каскада в области средних частот приведена на рис. 8.2 (закорачиваем все конденсаторы и источник питания Е, так как их сопротивление в рабочем диапазоне частот близко к нулю). Для физической эквивалентной схемы предполагается, что . Это допустимо при условии:

Входное сопротивление транзистора определяется соотношением

.

Входное сопротивление каскадаОно значительно меньше (десятки ом), чем в схеме с ОЭ.

Каскад не усиливает сигнал по току

Коэффициент усиления по напряжению Он такого же порядка как в схеме с ОЭ (десятки ÷ сотни).

Выходное сопротивление каскада , т.к. выходное сопротивление транзистора по схеме с ОБ равно.

Эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних частот может быть определена по выражению Она значительно меньше, чем в схеме с ОЭ. Поэтому каскад с ОБ относится к широкополосным усилительным каскадам.

8.2 Каскад с общим коллектором

На рис. 8.3 приведен вариант построения усилителя по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). При работе в режиме малого сигнала можно выбрать в точке покоя I_Э = I₀ = =(0,5¸1) мА, U_КЭ = U₀ = E/2, ток делителя I_д = 10I_Б = и рассчитать сопротивления резисторов по формулам:

В данном каскаде сопротивления выходной цепи по постоянному и переменному току определяются соотношениями:

Коллектор транзистора по переменному току заземлен (внутреннее сопротивление источника питания Е близко к нулю). Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 подается в цепь базы транзистора VT1, а выходной – снимается с эмиттера. В каскаде действует стопроцентная последовательная ООС по напряжению, в результате которой к участку база—эмиттер транзистора прикладывается разность входного и выходного напряжений.

Эквивалентная схема каскада для средних частот приведена на рис. 8.4. Транзистор заменен приближенной Т-образной схемой замещения. Введено обозначение

Входное сопротивление со стороны базы VT1

Входное сопротивление каскада Оно обычно значительно больше (в десятки ÷ сотни раз), чем в схеме с ОЭ.

Коэффициент усиления по напряжению

Выходное напряжение практически повторяет входное и по величине (K = 0,8 ¸0,95) и по фазе, вследствие чего каскад с ОК называют эмиттерным повторителем.

Каскад обеспечивает значительное усиление по току

Выходное сопротивление каскада мало (десятки ом):

Эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних частот

, где .

Обычно .

Каскад с ОК не дает усиления по напряжению, усиливает сигнал по току, отличается большим входным и малым выходным сопротивлением. За счет глубокой ООС по сравнению с каскадом по схеме с ОЭ имеет более широкую полосу пропускания. Чаще всего применяется как согласующий каскад при работе с высокоомным источником сигнала или с низкоомной нагрузкой.

Для повышения входного сопротивления в схеме эмиттерного повторителя, приведенной на рис. 8.5, транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме Дарлингтона, а также используется положительная обратная связь с помощью конденсатора C3.

Коэффициент усиления по току эквивалентного составного транзистора (составленного из транзисторов VT1 и VT2) равен произведению коэффициентов усиления тока базы каждым транзистором

h_21Э » h_21Э(1) h_21Э(2).

Емкость конденсатора выбирается достаточно большой, так что в рабочем диапазоне частот потенциал точки 3 равен потенциалу точки 2, который повторяет потенциал точки 1 (схема является повторителем напряжения). Таким образом, ток i, ответвляющийся в резистор R_б, незначителен:

где ,

Например, при К=0,9 вход будет шунтироваться сопротивлением не R_б, а 10R_б. В 10 раз уменьшится и шунтирующее влияние сопротивления коллекторного перехода транзистора VT1, включенного параллельно R_б.

Входное сопротивление каскада определяется выражением

где

и может достигать единиц мегаом.

5.14. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Полученные в предыдущих разделах соотношения описывают взаимосвязь входных и выходных параметров биполярного транзистора в аналитической форме. Существует и другая форма представления этой взаимосвязи в виде эквивалентных схем, когда реальные процессы в нелинейных устройствах можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления r_э,r_к,r_б, емкости коллекторногоС_Би эмиттерногоС_Дпереходов), активные элементы (генератор токаI_эв коллекторной цепи, источник ЭДС_экU_кв эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой

Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

;

.

Величины коэффициентов ,r_э,r_к,_экдля биполярного транзистора лежат в пределах:

 = 0,95÷0,995,r_э = 1÷10 Ом,r_к = 10÷10⁶Ом,_эк = 10^-3÷10^-5.

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме С_к^*иr_к^*, равных:С_к^* = С_к( + 1), r_к^* = r_к( + 1).

5.15. Составные транзисторы. Схема Дарлингтона

Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом , имеет схемотехническое решение.

Как отмечалось в разделе 5.14, значение коэффициента характеризует качество биполярного транзистора, поскольку чем больше коэффициент, тем эффективнее работает транзистор. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттеромопределяется следующим соотношением:. Для увеличения значения коэффициентанужно либо уменьшить ширину базы биполярного транзистораW, либо увеличить диффузионную длинуL_p. Так как диффузионная длина, то нужно увеличить либо подвижность носителей, либо время жизни_p.Это достаточно трудно, так как необходимо использовать материалы с высокой подвижностью для электронов (например,GaAs,InP), причем только в транзисторахn‑p‑n.

Между тем имеется схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона (рис. 5.19). В составном транзисторе база первого транзистораТ₁соединена с эмиттером второго транзистораТ₂dI_э1 = dI_б2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистораdI_б = dI_б1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистораdI_э2 = dI_э.

Рис. 5.19. Схема составного транзистора

Получим выражение для коэффициента усиления по току для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базыdI_би вызванным вследствие этого изменением тока коллектораdI_ксоставного транзистора следующим образом:

;



;

;

.

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно не составляет несколько десятков (β₁, β₂ >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов  ₁₂и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток первого транзистора I_э1является базовым током второго транзистораdI_б2, то, следовательно, транзисторТ₁должен работать в микромощном режиме, а транзисторТ₂в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторовТ₁иТ₂не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления_ _ ~ 30 суммарный коэффициент усилениясоставит ~ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов Т₁иТ₂.