Транзистор в режиме усиления

При использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.16 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки Rн; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, , которое должно быть усилено.

Три возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.17. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения , в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цепи включены источники усиливаемого напряжения и напряжения смещения , (ОБ) или (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Основные параметры режима усиления.

Основным параметрами, характеризующими режим усиления, является следующие:

1) коэффициент усиления по току ,

2) коэффициент усиления по напряжению ,

3) коэффициент усиления по мощности ,

4) входное сопротивление

5) выходное сопротивление

Нагрузочные характеристики транзистора.

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным.. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R_Н в его цепи и ток коллектора I_К связаны соотношением:

или (31)

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках при U_к=0 и при . Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.16).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик точки А, B, С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.19), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения U_КЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

 

Связь коэффициентов усиления с h-параметрами.

В нагруженном режиме к уравнениям,связывающим приращения токов и напряжений добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

,

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины получаем

(32)

(33)

Обычно

h₂₂<<1/R_Н, (34)

h₁₁/R_Н>>h₁₂h₂₁, (35)

тогда

(32а)

(33а)

(36)

 

Усилительные свойства транзистора при различных способах включения.

Схема с ОБ

По эквивалентной схеме по переменной составляющей (рис. 20) находим:

1.

2.

3.

4.

 

 

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

Схема с ОЭ

По эквивалентной схеме по переменной составляющей (рис. 21) находим:

Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по мощности схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

Схема с ОК

В схеме с ОК на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным и выходным напряжениями. Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы.

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Эта схема применяется в основном для согласования источника сигнала с большим выходным сопротивлением с нагрузкой, имеющим малое сопротивление, при обеспечении усиления по току.

 

Основные способы задания рабочей точки на входных ВАХ БТ.

На рис.17 для задания рабочего режима входной и выходной цепей используется два источника питания На практике обычно применяется один источник питания – E_к, а режим по постоянному току входной цепи осуществляется схемным путем. На рис.23 приведены некоторые способы задания рабочей точки при включении по схеме с общим эмиттером. Разделительные конденсаторы С₁, С₂, С_Э выбираются с достаточно большой емкостью, их сопротивлением в рабочей области частот можно пренебречь.

Простейшая схема приведена на рис.20а. Эта схема с фиксированным током базы, она называется также схемой со стабилизацией тока базы, т.к. при достаточно большом E_К (E_К>>U_БЭ) I_Б не меняется при изменении U_БЭ вследствие изменения температуры.

Параметры выбранной рабочей точки входной и выходной цепей могут изменяться при изменении температуры в результате изменения токов I_Э и I_Б вследствие изменения токов I_КБО (ОБ) , I_КЭО (ОЭ). Для оценки влияния изменения тока I_КБО (I_КЭО) на ток коллектора I_К используют параметр К_нест – коэффициент нестабильности, определяемый как

К_нест = dI_К /dI_КБО

Простейшая схема не обеспечивает стабильности коллекторного тока при изменении температуры, коэффициент нестабильности велик:

К_нест = dI_К / dI_КБО = 1/(1+h_21Б)=b+1

Схема выбора и стабилизации рабочей точки с резистором между базой и коллектором (рис.18б) позволяет снизить коэффициента нестабильности в [1+h_21Э×(R_К + R_Б)] раз относительно схемы рис.18а:

К_нест = (1 + h_21Э)/(1 + h_21Э(R_К + R_Б)).

Однако данная схема приводит к появлению обратной связи по напряжению а также к снижению входного сопротивления транзистора. Для исключения этих явлений (недостатков) сопротивление R_Б разбивают на две части и заземляют среднюю точку через конденсатор

Для стабилизации рабочей точки транзистора наиболее часто применяют схему с делителем напряжения на базе и резистором в цепи эмиттера, показанную на рис.18в. Сопротивления R₁, R₂ выбираются достаточно малыми, чтобы ток, проходящий через них, во много раз превышал ток базы I_Б, (обычно I_д=(5 ¸10)×I_Б). В этом случае потенциал базы относительно земли почти не зависит от тока базы. В цепь эмиттера включен резистор R_Э, обеспечивающий отрицательную обратную связь по постоянному току. Увеличение тока коллектора (эмиттера) вызывает уменьшение разности потенциалов U_БЭ, что приводит обратно к уменьшению тока коллектора I_К.

return false">ссылка скрыта

Эта схема при правильном выборе параметров обеспечивает высокую стабильность рабочей точки и выходных характеристик с изменением температуры; стабильность режима при замене одного транзистора другим.

Анализ схемы приводит к следующему выражению для коэффициента нестабильности

При правильно спроектированной схеме величина R_эh_21э/(R_э+R₁)>>1, тогда К_нест=1+R₁/R_э. Обычно резистор R₂ берут в несколько раз больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току.