Биполярные транзисторы

На рис. показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения.

Структура транзистора типа n-p-n (а)

и его графическое обозначение (б)

Структура транзистора типа p-n-p (а)

и его графическое обозначение (б)

 

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Схема с общей базой (ОБ). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх. Учитывая, что , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

 

 

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Так как , а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

 

 

Схема с общим коллектором (ОК).

Из рис. видно, что переменное входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер u_бэ и выходного напряжения u_вых: u_вх = u_бэ + u_вых.

Отсюда очевидно, что коэффициент усиления по напряжению около единицы, но всегда меньше ее:

К = U_{m вых} /U_{m вх} = U_{m вых} /(U_{m бэ} + U_{m вых}) <1,

где U_{m вх} , U_{m вых} , U_{m бэ} - амплитудные значения соответствующих переменных напряжений.

Коэффициент усиления по току каскада ОК практически такой же, как и в схеме включения с общим эмиттером: K_i = I_{m э} /I_{m б} = (I_{m к} + I_{m б})/I_{m б} = 1+ I_{m к} /I_{m б}.

Здесь I_{m к} /I_{m б} - есть коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Каскад с общим коллектором фазу сигнала не переворачивает, т. е. сдвига фазы между входным и выходным напряжениями нет. Таким образом, выходное напряжение почти равно входному и совпадает с ним по фазе, как бы повторяя входное напряжение. Поэтому каскад с общим коллектором обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель обладает самым большим среди всех схем включения транзистора входным сопротивлением.

Большое входное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его в качестве согласующего устройства между усилительным каскадом и высокоомным источником сигнала и т. д. Это является важным свойством данной схемы.

.

Основные параметры схем включения транзисторов

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
Коэффициент усиления по току	Десятки - сотни	Около единицы (немного меньше)	Десятки - сотни
Коэффициент усиления по напряжению	Десятки - сотни	Десятки - сотни	Около единицы
Коэффициент усиления по мощности	Сотни - десятки тысяч	Десятки - сотни	Десятки - сотни
Входное сопротивление	Сотни Ом - единицы килоом	Единицы - десятки Ом	Десятки - сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы - десятки килоом	Сотни Ом - единицы мегаом	Единицы - сотни Ом
Фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями	1800

 

h – параметры транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (см.рис.). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.

Транзистор в виде четырехполюсника

 

Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:

i₁ – переменная составляющая тока базы;

u₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

i₂ – переменная составляющая тока коллектора;

u₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Существует несколько систем вторичных параметров четырехполюсников - это Y-, Z- и H-параметры. В настоящее время во всех справочниках приводятся Н-параметры, которые считаются основными, поэтому ограничимся рассмотрением только Н-параметров. Эти параметры называют еще гибридными или смешанными параметрами, так как коэффициенты имеют различные размерности. Обозначаются эти параметры буквой Н или h.

Связь h-параметров с токами и напряжениями в транзисторе можно представить следующими уравнениями:

- через приращения:

Du₁ = h₁₁×Di₁ + h₁₂×Du₂; (1)

Di₂ = h₂₁×Di₁ + h₂₂×Du₂, (2)

- через амплитуды переменных составляющих:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2; (3)

I_m2 = h₂₁ I_m1 + h₂₂U_m2. (4)

 

Из приведенных систем уравнений следует, что параметр h₁₁ соответствует входному сопротивлению четырехполюсника при условии постоянства выходного напряжения, т. е. когда амплитуда выходного напряжения U_m2 = 0, h₁₂ соответствует коэффициенту обратной связи по напряжению, h₂₁ - коэффициенту передачи (усиления) по току, h₂₂ - выходной проводимости при соответствующих начальных условиях.

 

Значения h-параметров зависят от типа схемы включения транзистора. Поэтому, в зависимости от того, к какой схеме относятся параметры, дополнительно к цифровым индексам ставятся буквы: «э» - для схемы ОЭ, «б» - для схемы ОБ и «к» - для схемы ОК.