Краткие сведения из теории. Транзистор – полупроводниковый прибор с несколькими p-n-переходами

Транзистор – полупроводниковый прибор с несколькими p-n-переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три и более вывода. На практике широкое распространение получили биполярные транзисторы (полупроводниковые триоды) с двумя p-n-переходами и чередованием полупроводниковых слоев p-n-p или n-p-n. Крайние слои называются соответственно эмиттером и коллектором, а средний – базой.

Различают три основные схемы включения транзистора в усилительных каскадах: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Название схемы определяется тем, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В усилительных и импульсных устройствах электроники наиболее широко используется схема с ОЭ, которая и исследуется в данной работе (рис 1).

Рисунок 1 – Схема включения транзистора с общим эмиттером

Для анализа процессов в схемах с полупроводниковыми триодами используются семейства входных и выходных характеристик транзистора. Для схемы с ОЭ входной характеристикой является зависимость I_б = f (U_бэ) при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером (рис. 2,а), а выходной – I_к = f (U_кэ) при постоянном токе базы (рис. 2, б). зависимости между токами и напряжениями электродов транзистора могут быть выражены как аналитически, так и графически. В большинстве случаев при расчете и выборе режимов транзисторов, работающих в усилительных схемах, используют графоаналитический метод. По характеристикам, построенным в масштабе, можно определить следующие параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ:

входное сопротивление при

выходное сопротивление при

коэффициент усиления по току при

Для определения отмеченных сопротивлений на характеристиках

Рисунок 2 – Вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. а) – входная характеристика I_б = f(U_бэ) при U_кэ= const; б) – выходная характеристика I_к = f(U_кэ) при I_б= const.

транзистора строят прямоугольные треугольники, совмещая их гипотенузы с необходимыми зависимостями (см. рис 2). Тогда катеты отображают в масштабе требуемые приращения токов и напряжений. следует отметить, что указанные сопротивления зависят от режима работы схемы, т. е. один и тот же параметр имеет различные значения для разных точек характеристик.

Графическое семейство входных и выходных характеристик ис-пользуется при расчете транзисторного усилителя низкой частоты с емкостной связью, выполненного по схеме с ОЭ (см. рис. 1).

Определение параметров элементов усилителя начинается с построения на семействе выходных характеристик (см. рис. 2, б) кривой допустимой мощности, рассеиваемой на транзисторе. Эта кривая строится с использованием выражения P_к = U_кэI_к = const, где P_к – максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора; U_кэ и I_к – напряжение и ток коллектора.

Определив из справочника величину P_к и задаваясь напряжением U_кэ в пределах от нуля до ЭДС источника питания, рассчитываем ток I_к. По полученным данным строим зависимость I_к = f(U_кэ).

Для определения режима работы транзистора на семействе выходных характеристик строится нагрузочная прямая. С этой целью на оси U_кэ отмечается точка 4, соответствующая напряжению источника питания E_п, а на изгибе выходной характеристики с максимальным током базы выбирается точка 1. Нагрузочная прямая проходит через две эти точки. Если построенная линия пересекает кривую допустимой мощности, то следует выбрать точку 1 на выходной характеристике с меньшим током базы. В месте пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой снятой при минимальном токе базы ,ставим точку 2, а на середине отрезка между точками 1 и 2 отмечаем точку покоя 0.

Общее сопротивление эмиттерного и коллекторного резисторов

где E_п – напряжение источника питания, В;

I ‑ ток, определяемый точкой 3 на выходных характеристиках, А.

Сопротивление коллекторного резистора

Сопротивление эмиттерного резистора

Эквивалентное сопротивление входного делителя напряжения

Тогда

где I_ко ‑ коллекторный ток покоя транзистора, А, определяется как ордината точки 0 на нагрузочной прямой.

Емкость разделительного конденсатора

где f_н – минимальная частота входного сигнала, Гц. Можно принять f_н = 50 ÷ 100 Гц.

Емкость конденсатора, шунтирующего эмиттерный резистор, Ф,

.

Если теперь на базу транзистора подать через разделительный конденсатор переменное напряжение с амплитудой U_вх.m, то базовый ток будет изменяться от I_{б макс} до I_{б мин} (см. рис 2). На выходных характеристиках рабочая точка при этом перемещается по нагрузочной линии от максимального тока коллектора I_{к макс} до минимального I_{к мин}, а выходное напряжение усилительного каскада изменяется в пределах от U_{кэ мин} до U_{кэ макс}. Отношение амплитуд U_{вых m} и U_вх.m определяет коэффициент усиления транзистора по напряжению, т. е.

.