Что усиливает транзисторный каскад с общим коллектором

Усилительный каскад с общим коллектором

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 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)

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.

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:

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

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.

Источник

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

Источник

Схема с общим коллектором (каскад с общим коллектором)

Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема подключения усилителя к источнику сигнала и нагрузке приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим коллектором — это усилитель, где коллектор транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Учитывая, что источник питания обладает нулевым сопротивлением для переменного тока, подключение вывода транзистора к источнику питания (стабилизатору напряжения) эквивалентно подключению к общему проводу. Основным преимуществом усилителя с общим коллектором является его большое входное сопротивление, поэтому схема с общим коллектором обычно применяется на низких частотах. С этим связан выбор схемы питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общим коллектором обычно используются стабилизированные по току схемы: схема с коллекторной стабилизацией и схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общим коллектором проводится точно так же как и для схемы с общим эмиттером. Схема с общим коллектором не инвертирует сигнал и не усиливает его по напряжению, поэтому она часто называется эмиттерным повторителем На рисунке 3 показана принципиальная схема усилительного каскада на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с общим коллектором.

Рисунок 3 Схема включения транзистора с общим коллектором (коллекторная стабилизация)

В данной схеме резистор R2 одновременно является резистором нагрузки и элементом коллекторной стабилизации. То, что резистор подключен к эмиттеру транзистора, ситуации не меняет. Ток коллектора все равно протекает через этот резистор и падение напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. Глубина обратной связи по постоянному току определяется соотношением сопротивления резистора R1 и входного сопротивления транзистора.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерная стабилизация)

Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление. Его можно определить по формуле, подобной формуле (4) схемы с общим эмиттером. Однако в данном случае ко входу будет пересчитываться сопротивление цепи эмиттера, которое значительно больше внутреннего сопротивления эмиттера транзистора r_э.

В схеме, приведенной на рисунке 3, в качестве сопротивления R_э используется резистор R2, а в схеме, приведенной на рисунке 4, — резистор R3. При номинале сопротивления этого резистора 1 кОм и h_21э, равным 100, входное сопротивление транзистора будет равно 100 кОм! При таком сопротивлении, расчитывая транзисторный каскад, следует учитывать влияние сопротивления цепи смещения, так как по нему тоже протекает входной ток. Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 Протекание тока по входным цепям эмиттерного повторителя

Как видно из данной схемы, входной ток протекает не только через базу транзистора и резистор R2, но и через резистор R1, источник питания и возвращается к источнику сигнала. В результате входное сопротивление эмиттерного повторителя будет определяться как параллельное включение входного сопротивления транзистора и резистора R1:

Присущая схеме с ОК обратная связь не только увеличивает входное сопротивление, но и уменьшает выходное. Его можно приблизительно считать равным сопротивлению эмиттера транзистора:

Более точно выходное сопротивление схемы с общим коллектором можно определить как параллельное соединение сопротивления эмиттера транзистора и резистора R2:

Высокое входное сопротивление схемы с общим коллектором определило то, что она обычно применяется в качестве входного каскада усилителей, обычно низкочастотных, где паразитные емкости схемы не оказывают влияние на параметры схемы. Низкое выходное сопротивление позволяет применять эмиттерный повторитель для согласования выходного и входного сопротивлений промежуточных каскадов. В высокочастотных усилителях низкое выходное сопротивление позволяет применять этот каскад в качестве выходного.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Схема включения транзистора с общим коллектором» читают:

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник