Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) является активным полупроводниковым (п/п) прибором, обеспечивающим усиление мощности электрических сигналов.

По структуре транзистор представляет собой прибор с тремя чередующимися (рис.5.1) слоями п/п с электропроводностями разных типов.

Две области, условно названные эмиттером и коллектором, располагаются по краям и имеют одинаковую проводимость, а область, расположенная в центре (база), - другую. На границах разделов слоев образуются два p-n - перехода, на свойствах которых основана работа транзистора. В зависимости от расположения слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n структур. Принцип их работы одинаков, различия заключаются в том, что в транзисторе со структурой n-p-n ток создается электронами, а в транзисторе типа p-n-p - “дырками”. Это обстоятельство необходимо учитывать при включении транзисторов в электрическую цепь. Полярности напряжений на их выводах противоположны по знаку.

          Ошибка! Ошибка связи.

 

Рис. 5.1. Структурные разновидности транзисторов и их условные графические обозначения. Выводы транзисторов: Э - эмиттер; Б - база: К - коллектор

 

30

Рассмотрим принцип работы транзистора. Пусть это будет транзистор структуры p-n-p. Плюс источника питания Е_кэ подключим к эмиттеру, а минус - к коллектору (рис.5.2,а).

 

Ошибка! Ошибка связи.

Рис.5.2. Схемы, поясняющие работу транзистора: а - напряжение на базе отсутствует; б - напряжение на базу подано

 

В этом случае ток через транзистор не пойдет, так как хотя переход эмиттер - база (П1) и находится под прямым (проводящим) напряжением, но переход база-коллектор (П2) находится под обратным (непроводящим) напряжением. Для создания тока в цепи необходимо приложить между базой и эмиттером дополнительное небольшое (порядка нескольких десятых долей вольта) прямое напряжение с помощью источника Е _эб (рис.5.2,б). В этом случае через переход П1 пойдет электрический ток, и в область базы будут инжектироваться (впрыскиваться) дырки. Поскольку область базы делается достаточно узкой (порядка нескольких микрон) и с невысокой концентрацией основных носителей (электронов) для уменьшения процесса рекомбинации пары электрон-дырка, то основная часть дырок ( 95¸99 %) захватывается полем коллектора и перебрасывается через переход П2, создавая ток коллектора I _к . Остальная часть дырок образует ток базы I_б = =I_э - I_к . Соотношения между этими токами характеризуются коэффициентом передачи тока эмиттера a = I_к / I_э  (~ 0,95 ¸ 0,99) и козффициентом передачи тока базы b = I_к / I_б  (~ 10 ¸ 100).

Из сказанного следует, что небольшим током базы можно управлять значительным током коллектора. Это свойство говорит о возможности использования транзистора как усилительного элемента.

В зависимости от того, на какой вывод транзистора подается входной сигнал, с какого вывода снимается усиленный сигнал и какой вывод является

 

31

общим для входной и выходной цепи, существуют три способа (схемы) включения транзистора. Наибольшую популярность получила схема с общим эмиттером (ОЭ), поскольку она дает максимальное усиление сигнала по мощности.

 

 

                      Ошибка! Ошибка связи.

 

 

Рис. 5.3. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

 

На рис. 5.3 источники питания входной и выходной цепей Е_бэ и Е_кэ, соответственно,  задают режим по постоянному току. Предполагается, что у всех источников внутреннее сопротивление равно нулю, как для переменной, так и для постоянной составляющей протекающих через них токов. 

 

       Ошибка! Ошибка связи.

 

 

Рис. 5.4. Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

 

32

Различают статический и динамический режимы работы транзисторного каскада. Статический режим (режим по постоянному току) определяется источниками Е_бэ и Е_кэ. Динамический режим образуется совместным действием источников Е_бэ , Е_кэ и U_вх. Статический режим существует, когда нет входного сигнала U _вх = 0.

На практике питание входной и выходной цепей осуществляется от одного источника Е_к (рис.5.4). С помощью делителя напряжения R1 и R2 на базу транзистора подается необходимое напряжение смещения. Резистор R_к обеспечивает питание коллекторной цепи по постоянному току и преобразует изменение тока коллектора в изменение напряжения на коллекторе, которое и является выходным U_вых . Источником входного сигнала является генератор U_вх . Резистор R_н является внешней нагрузкой. Источник сигнала и нагрузка подключены через разделительные конденсаторы С1 и С2. Конденсаторы обеспечивают разделение цепей по постоянной и переменной составляющей тока.

Для транзисторного каскада (схема ОЭ) его усилительные свойства (см.[1]) записываются с использованием параметров малосигнальной эквивалентной схемы активного четырехполюсника (система h-параметров).

Коэффициент усиления по току

 

                        K _i = I_вых / I _вх = I _k / I _б » b » h ₂₁ ,                                       (5.1)

 

Коэффициент усиления по напряжению

 

                        K _u = U_вых / U_вх = I_k × R^¢_н / I_б ×R_вх » h₂₁× R^¢_н / h₁₁ ,            (5.2)

 

где R^¢_н = R_k × R_н / R_k + R_н , R _вх » h ₁₁ ,

 

Коэффициент усиления по мощности

 

                        K _P = P_вых / P _вх = K _u × K _i  » h²₂₁ × R^¢_н / h₁₁ ,                 (5.3)

 

Входное сопротивление

 

                                     R _вх  = U_вх / I_вх  » h ₁₁ ,                                     (5.4)

 

Выходное сопротивление

 

                                     R _вых  = U_вых / I_вых » R^¢_н ,                                 (5.5)

 

33

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемого каскада имеет вид, изображенный на рис. 4.3 (кривая1). АЧХ характеризуется нижней частотой среза f_сн и верхней частотой среза f_св . Спад усиления на высоких частотах обусловлен инерционными свойствами транзистора, а также влиянием емкостей переходов транзистора. Спад усиления на низких частотах обусловлен влиянием разделительных конденсаторов (С1 и С2 на рис. 5.4), так как сопротивление конденсатора увеличивается с уменьшением частоты.

Следует отметить, что расчет режима усиления с использованием h- параметров корректен лишь при малых амплитудах колебаний и выполняется в линейном приближении. Более точен графоаналитический метод, который учитывает нелинейные свойства транзистора. Рассмотрим этот метод. Для этого воспользуемся входными (рис.5.5,а) и выходными (рис.5.5,б) вольт-амперными характеристиками транзистора. Сначала рассмотрим режим холостого хода, т.е. режим при отключенной внешней нагрузке R_н. Для выходной цепи транзистора справедливо уравнение

 

                                      E_к = U _кэ + I_к × R_к ,                                          (5.6)

 

где Е_к - напряжение источника питания; U_кэ - напряжение между коллектором и эмиттером; I_к - ток коллектора.

На выходных характеристиках уравнению (5.6) будет соответствовать прямая АВ, которая называется линией нагрузки по постоянному току. Построение линии нагрузки удобно осуществить по двум точкам. Полагая U_кэ = 0, из (5.6) получим I_к = E_к / R_к, а при I_к = 0 будем иметь U_кэ = E_к. Угол наклона этой прямой к оси абсцисс F= arctg (R_к). Ток I_к и соответственно U_кэ определяется точкой пересечения вольт-амперной характеристики и линии нагрузки. Эта точка называется рабочей точкой. Положение рабочей точки в статическом режиме называется точкой покоя П. Соответствующие этой точке координаты называются: ток покоя - I_кп и напряжение покоя - U_кэп.

При подаче на базу переменного напряжения рабочая точка будет перемещаться по линии нагрузки. Пока входное напряжение U_{m вх} достаточно мало, форма выходного напряжения будет близка к форме входного (кривая 1 рис.5.5,б). При увеличении входного напряжения с некоторого момента появятся значительные искажения в виде отсечки “верхушек” синусоиды выходного напряжения (кривая 2 рис.5.5,б). Если пренебречь небольшим падением напряжения I_кэо×R_к на коллекторном сопротивлении от протекания обратного тока коллектора I_кэо, максимальная амплитуда положительной полуволны будет U_{m вых max}+ = E_к - U_кэп. Если пренебречь небольшим напряжением насыщения U_кэн транзистора, максимальная амплитуда отрицательной полуволны будет U_{m вых max}^- = U_кэп.

 

 

34

         Ошибка! Ошибка связи.

                                           

                                           а                                            б

 

Рис.5.5. Графоаналитический расчет режима усиления транзисторного каскада (схема ОЭ) : а - входная характеристика, б - выходная характеристика

 

В зависимости от положения точки покоя П ограничение может быть как симметричным (относительно U_кэп), так и несимметричным. Очевидно, что симметричное (U_{m вых max}+ = U_{m вых max}^-) ограничение будет наблюдаться при выборе рабочей точки на середине линии нагрузки E _кэп  = Е _к / 2.

При подключении внешней нагрузки R_н результирующее сопротивление нагрузки транзистора будет сопротивление

 

                                  R^`_н = R _к ×R _н / (R _к + R _н) ,                                  (5.7)

 

Этому сопротивлению соответствует линия проведенная под углом F^{`</sup> = arctg (R<sup>`}_к). Такую линию называют линией нагрузки по переменному току (пунктирная линия на рис.5.5,б). Поскольку при мгновенном значении входного напряжения равным нулю положение рабочей точки для нагруженного и ненагруженного режимов должны совпадать, то линию нагрузки по переменному току следует провести через точку покоя П.

Для нагруженного режима максимальная амплитуда положительной полуволны выходного напряжения U_{m вых max}+ будет определяться точкой В пересечения линии нагрузки по переменному току с осью абсцисс. Из

треугольника ДПВ получаем

 

35

                                    U_{m вых max}+ = R^`_н × I _кп ,                                                              (5.8)

 

Максимальная амплитуда отрицательной полуволны так же как и в ненагруженном режиме будет

 

                                     U_{m вых max} ^- = U _кэп ,                                                (5.9)

 

Если от каскада требуется получить максимальную амплитуду неискаженного сигнала в нагруженном режиме, то рабочую точку покоя нужно выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие

 

                                     U_{m вых max}+ = U_{m вых max} ^- ,                               (5.10)

 

Определим положение рабочей точки для выполнения условия (5.10). Из выражений (5.6) - (5.10) можно получить

 

                                     U _кэп = E_к - I_кп × R_к ,

                                     R^`_н × I _кп = E_к - I_кп × R_к ,

 

откуда находим

 

                                           U_кэп = Е_к ×R ^{`</sup><sub>н</sub> / (R <sub>к</sub> + R<sup>`}_н ) ,                            (5.11)