Схема включения с общим эмиттером – 19. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером. Их зависимость от тока базы и температуры.

Содержание

Каскад с общим эмиттером — Википедия

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).

Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, потому что усиливается и ток, и напряжение.

Общее описание включения транзистора по схеме ОЭ[править | править код]

Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (Ie, Ic, Ib{\displaystyle I_{e},\ I_{c},\ I_{b}} — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) равна нулю:

∑k=13Ik=0,{\displaystyle \sum _{k=1}^{3}I_{k}=0,}
Ic=Ib⋅β,{\displaystyle I_{c}=I_{b}\cdot \beta ,}
Ie=Ic+Ib=Ib⋅(β+1),{\displaystyle I_{e}=I_{c}+I_{b}=I_{b}\cdot (\beta +1),}
где β=α/(1−α){\displaystyle \beta =\alpha /(1-\alpha )} — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, или коэффициент передачи по току база — коллектор;
α=Ic/Ie{\displaystyle \alpha =I_{c}/I_{e}} — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току KI{\displaystyle K_{I}}:

KI=Iout/Iin=Ic/Ib=Ic/(Ie−Ic)=α/(1−α)=β,  β≫1.{\displaystyle K_{I}=I_{out}/I_{in}=I_{c}/I_{b}=I_{c}/(I_{e}-I_{c})=\alpha /(1-\alpha )=\beta ,\ \ \beta \gg 1.}

Входное сопротивление Rin{\displaystyle R_{in}}:

Rin=Uin/Iin=Ube/Ib.{\displaystyle R_{in}=U_{in}/I_{in}=U_{be}/I_{b}.}

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером[править | править код]

Рисунок 1. Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала, нагрузке и источнику питания

На рисунке 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источникам сигнала, питания и нагрузке.

Каскад состоит из:

  • транзистора VT1{\displaystyle VT1};
  • резистора базы Rb{\displaystyle R_{b}}, который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
  • резистора Rc{\displaystyle R_{c}}, преобразующий изменение тока коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также задаёт положение начальной рабочей точки по току.

Для устранения постоянной составляющей входного сигнала источник сигнала подключается ко входу каскада через разделительный конденсатор CP1{\displaystyle C_{P1}}. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке RH{\displaystyle R_{H}} через конденсатор CP2{\displaystyle C_{P2}}. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора RH{\displaystyle R_{H}} может представлять собой различные устройства или схемы, например, электродинамический громкоговоритель, некоторый индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскада[править | править код]

В активном усилительном режиме транзистор VT1{\displaystyle VT1} открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания EP{\displaystyle E_{P}} — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор Rb{\displaystyle R_{b}}.

Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера Ube{\displaystyle U_{b}e} от входного сигнала изменяется мало и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,65 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения Ube{\displaystyle U_{be}} объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном Rc{\displaystyle R_{c}} полностью определяется током, втекающем в базу через резистор Rb{\displaystyle R_{b}}:

Uc=EP−IcRc=EP−βIbRc{\displaystyle U_{c}=E_{P}-I_{c}R_{c}=E_{P}-\beta I_{b}R_{c}}=EP−βRcEP−UbeRb,{\displaystyle =E_{P}-\beta R_{c}{\frac {E_{P}-U_{be}}{R_{b}}},}
где β{\displaystyle \beta } — коэффициент усиления по току транзистора VT1{\displaystyle VT1} в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение Uc{\displaystyle U_{c}}, при заданном Rc{\displaystyle R_{c}} необходимо задать сопротивление в цепи базы Rb{\displaystyle R_{b}} равным:

Rb=βRcEP−UbeEP−Uc.{\displaystyle R_{b}=\beta R_{c}{\frac {E_{P}-U_{be}}{E_{P}-U_{c}}}.}

Входное и выходное сопротивления каскада[править | править код]

Входное Rin{\displaystyle R_{in}} и выходное Rout{\displaystyle R_{out}} сопротивления каскада равны:

Rin=Rb||rb=RbrbRb+rb,{\displaystyle R_{in}=R_{b}||r_{b}={\frac {R_{b}r_{b}}{R_{b}+r_{b}}},}
Rout=Rc||rc=RcrcRc+rc,{\displaystyle R_{out}=R_{c}||r_{c}={\frac {R_{c}r_{c}}{R_{c}+r_{c}}},}
где rb{\displaystyle r_{b}} и rc{\displaystyle r_{c}} — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом ||{\displaystyle ||} сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Усиление сигнала[править | править код]

Сигнал источника UG{\displaystyle U_{G}} поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника RG{\displaystyle R_{G}} и входное сопротивление каскада Rin{\displaystyle R_{in}}, вызывая входной ток:

Ib∼=UGRG+Rin.{\displaystyle I_{b}^{\sim }={\frac {U_{G}}{R_{G}+R_{in}}}.}

Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление, имеем:

RH′=RH||Rout=RHRoutRH+Rout,{\displaystyle R_{H}^{‘}=R_{H}||R_{out}={\frac {R_{H}R_{out}}{R_{H}+R_{out}}},}

выходное напряжение каскада можно записать как:

Uout=Ic∼RH′=βIb∼RH′=βUGRH′RG+Rin,{\displaystyle U_{out}=I_{c}^{\sim }R_{H}^{‘}=\beta I_{b}^{\sim }R_{H}^{‘}={\frac {\beta U_{G}R_{H}^{‘}}{R_{G}+R_{in}}},}

а коэффициент усиления по напряжению KU{\displaystyle K_{U}}:

KU=UoutUG=βRH′RG+Rin.{\displaystyle K_{U}={\frac {U_{out}}{U_{G}}}={\frac {\beta R_{H}^{‘}}{R_{G}+R_{in}}}.}
Достоинства каскада с ОЭ
  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее из всех каскадов усиление по мощности.
  • Для питания достаточно одного источника питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
  • Более узкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общей базой или с общим коллектором из-за влияния ёмкости коллектор-база, вызывающей Эффект Миллера.

Ключевой режим каскада с общим эмиттером[править | править код]

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике — или в режим отсечки коллекторного тока, или в режим насыщения транзистора, каскад с ОЭ приобретает ключевые свойства и имеет два состояния. Каскад при этом работает в ключевом режиме, как реле (состояния закрыт, открыт) и применяется как логический инвертор в логических элементах, управлением электромагнитными реле, лампами накаливания и др. Как и контактные группы реле, ключевые каскады могут формально считаться нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки — отсечки или насыщения.

Расчет усилителя с общим эмиттером

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

Описание работы

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем Rбэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем Rэ. Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”

Начнем, пожалуй, с Rэ.

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->Rк —–> коллектор—> эмиттер—>Rэ —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как Iэ = Iк + Iб ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина  будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

Rкэ  – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения, где

Расчет усилителя с общим эмиттером

Мы видим, что  на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет  равняться падению напряжения на резисторе Rэ .

А чему равняется падение напряжения на Rэ ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Расчет усилителя с общим эмиттером

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора Rэ . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы Rб и Rбэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит, что бывает крайне редко.  В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к Rэ .

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе Rэ .

б) падение напряжения на резисторе Rэ  – это и есть напряжение на эмиттере Uэ.  Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи Uэ стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение Uб , образованное делителем из резисторов Rб  и Rбэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле Uбэ = Uб – Uэ . Следовательно, Uбэ станет меньше, так как Uэ увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз Uбэ уменьшилось, значит и сила тока Iб , проходящая через базу-эмиттер  тоже уменьшилась. 

е) Выводим из формулы ниже Iк

Расчет усилителя с общим эмиттером

Iк =β х Iб

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток 😉 Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R

э . Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным KU =10Uпит = 12 Вольт.

1) Первым делом находим из даташита  максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт.  Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

Pрас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на Uкэ . Оно должно равняться половине напряжения

Uпит.

Uкэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

Iк = Pрас / Uкэ  = 120×10-3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере Uкэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах Rк  и Rэ . То есть получаем:

Rк + Rэ  = (Uпит / 2) / Iк = 6 / 20х10-3 = 300 Ом.

Rк + Rэ  = 300, а Rк =10Rэ  , так как KU = Rк / Rэ , а мы взяли KU =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10Rэ + Rэ = 300

11Rэ = 300

Rэ = 300 / 11 = 27 Ом

Rк = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы Iбазы из формулы:

Расчет усилителя с общим эмиттером

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

Iб = Iк  / β = 20х10-3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения Iдел , образованный резисторами Rб  и Rбэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток Iб :

Iдел = 10Iб = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

Uэ= Iк Rэ= 20х10

-3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

Uб =  Uбэ + Uэ

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер Uбэ = 0,66 Вольт. Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, Uб =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта. Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на Rб называется U1 , а падение напряжения на

Rбэ будет U2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

Rб = U1 / Iдел = 10,8  / 1,4х10-3 = 7,7 КилоОм. Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

Rбэ = U2 / Iдел = 1,2 / 1,4х10-3 = 860 Ом. Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой цифровой осциллограф и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты:

Расчет усилителя с общим эмиттером

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10.  Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Расчет усилителя с общим эмиттером

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Расчет усилителя с общим эмиттером

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI.

Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.

Лекция 12 микроэлектроника

6.2 Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:

Лучше с землей и двумя источниками

Рис. 6.13. Схема включения транзистора с общим эмиттером

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы

IБ, и напряжение на базе относительно эмиттера UБЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора IК и напряжение на коллекторе UКЭ. Для любых напряжений:

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp-транзистора и положительный в случае npn-транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:. В схеме с общим эмиттером для pnp-транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (6.1): , отсюда получим:

.

(6.36)

После перегруппирования сомножителей получаем:

.

(6.37)

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент знаком β, итак:

.

(6.38)

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора IК при изменении тока базы IБ. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α<1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β>>1). При значениях коэффициента передачи α=0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β=50÷100.

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp-транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).

Рис. 6.13. Выходные ВАХ ОЭ

Рис. 6.14. Входные ВАХ ОЭ

Входные ВАХ.

Рекомбинационный ток базы составляет часть тока эмиттера:

(6.36)

При UКЭ=0 . С увеличением напряжения UБЭ концентрация на переходе ЭБ растет(рис. 6.15,а), градиент концентрации инжектированных дырок растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn-переходе, растет экспоненциально (т. А) и отличается от тока эмиттера только масштабом (6.36).

При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |UБЭ| (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения UКЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

а

б

UКЭ=const, UБЭ – переменное

UБЭ =const, UКЭ– переменное

Рис. 6.15 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при включении в схеме с ОЭ

При этом градиент концентрации дырок в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается и входные ВАХ смещаются вниз.

При UБЭ=0 и отрицательном напряжении на коллекторе (Uкб<<0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок IКЭ0.

В базе, как и в pn-переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки, он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

В активном режиме (|UКЭ|>|UБЭ|>0) поток инжектированных эмиттером дырок p экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом . Часть дырок (1-α) p рекомбинирует в базе в электронами, поступающими из омического контакта базы.

При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы IБ вызывают значительные изменения коллекторного тока IК. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА. Ток базы стократно вызывает увеличение тока коллектора.

По аналогии с (6.34) можно записать:

(6.37)

Учитывая (6.1): , получим:

Учитывая, что

где — сквозной тепловой ток отдельно взятого коллекторного pn-перехода в режиме оторванной базы (при , т. С, режим отсечки). За счет прямого смещения базового перехода (рис. 6.16) ток много больше теплового тока коллектора Iк0.

Рис. 6.16 UБЭ =const, UКЭ– переменное

В режиме насыщения база должна быть обогащена неосновными носителями. Критерием этого режима является равновесная концентрация носителей на КП (UКБ=0). В силу уравнения UКЭ=UКБ+UБЭ, равенство напряжения на коллекторном переходе нулю может иметь место при небольших отрицательных напряжениях между базой и эмиттером. При UКЭ0 и UБЭ<0, оба перехода смещаются в прямом направлении, их сопротивление падает. При малых напряжениях на коллекторе (UКЭ<UБЭ) UКБ меняет свой знак, сопротивление коллекторного перехода резко уменьшается, коллектор начинает инжектировать дырки в базу. Поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера. Ток коллектора меняет свой знак (на выходных ВАХ эта область обычно не показывается).

При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. D). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).

Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 6.17), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.

Рост тока коллектора с увеличением UКЭ определяется уменьшением ширины базы. Коэффициенты переноса æ и передачи тока эмиттера α растут, но коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ растет быстрее α. Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ.

Рис. 6.23 Выходные характеристики pnp-транзистора

а – в схеме с ОБ, б – в схеме с ОЭ

6.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Если входная и выходная цепи имеют общим электродом коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а входным ток базы, то для коэффициента передачи тока справедливо:

(6.42)

Вв таком включении коэффициент передачи тока несколько выше, чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы. Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК, называют эмиттерным повторителем. Однако этот тип включения используется сравнительно редко.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы:

  1. Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180. Это самая распространенная усилительная схема.

  2. Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот.

  3. Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы — согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

2.2.1. Усилители

Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

Следует отметить, что именно увеличение мощности выходного сигнала, по сравнению с мощностью входного, является характерной особенностью усилителя и отличает его от других преобразующих устройств, в которых изменяется либо напряжение, или электрический ток, а мощность остаётся постоянной (точнее уменьшается, т.к. КПД любого устройства меньше единицы). Примером такого устройства может служить повышающий трансформатор, преобразующий входное напряжение в более высокое выходное, при этом мощность выходного сигнала, за счёт потерь, будет ниже, чем мощность входного.

Рис. 2.11. Обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя

Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе ряд усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и потребителем сигнала.

Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала – транзистор или электронная лампа), цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т.д.

На рис. 2.11 приведена обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя. В общем случае усилитель состоит из входного каскада (с коэффициентом усиления КВХ), одного или нескольких каскадов предварительного усиления (КПУ1 . . . КПУn), и выходного каскада (КВЫХ). Основной задачей входного и выходного каскадов является согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой, обычно это делается с целью обеспечения согласованного режима рабо-

14

2. Теоретическое введение

 

 

ты цепи2. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала до необходимого. Если необходимый уровень выходного сигнала нельзя получить с помощью одного каскада, то ставят дополнительные каскады, в количестве, необходимом для получения нужного уровня выходного сигнала.

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления – коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

КU =

UВЫХ

, КI =

IВЫХ

,

КP =

PВЫХ

=

IВЫХUВЫХ

= КU КI

UВХ

IВХ

PВХ

IВХUВХ

 

 

 

 

 

 

Исходя из определения усилителя (стр. 13) любой усилитель увеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности, однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление одной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения, тока и мощности. Наиболее часто требуется усиление напряжения, поэтому в литературе наиболее распостранён КU , и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще.

При расчёте коэффициента усиления многокаскадного усилителя коэффициенты усиления всех каскадов перемножаются:

КU = КU1 КU2 . . . КUn

Помимо коэффициента усиления, в широко используются ампли- тудно–частотная (АЧХ) и амплитудная характеристики усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис. 2.12) показывает зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты.

Для анализа АЧХ усилителя наибольший интерес представляет участок, на котором коэффициент усиления практически не зависит от частоты и обозначается КСР. Этот участок ограничен в области низких частот нижней граничной частотой fН, а в области высоких — верхней граничной частотой fВ (рис. 2.12). Значения fН и fВ определяются величиной коэффициента частотных искажений,

2В согласованном режим работы выходное сопротивление источника сигнала равно входному сопротивлению нагрузки (например выходное сопротивления источника сигнала и входное сопротивление входного каскада). В этом случае обеспечивается максимальная мощность.

2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

15

Рис. 2.12. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

 

равного отношению коэффициента усиления на средней частоте (fСР), к коэффициенту усиления на нижней (fН) или верхней (fВ) частоте:

M = KUСР или M = KUСР .

KUН KUВ

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают величину √2.

Частоты меньше fН и выше fВ образуют области частотных искажений и не используются в работе усилителя.

Полоса пропускания усилителя f, характеризует диапазон частот, на котором коэффициент искажений M не превышает допустимые значения и определяется как разность между верхней и нижней частотой усилителя:

f= fВ − fН

Взависимости от величин fН и fВ усилители делятся на:

1.Усилители медленно изменяющихся сигналов (или усилители постоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ мала и

приближается к 0 (fН → 0) а верхняя частота может достигать

103 . . . 108Гц

2.Усилители низкой частоты (УНЧ) – нижняя частота равна десяткам герц, верхняя достигает сотен килогерц (для усилителей звуковой частоты (УЗЧ) — fВ = 15 . . . 20кГц)

3.Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон частот начинается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотен мегагерц

UВХmax

Рис. 2.13. Амплитудная характеристика усилителя

16

2. Теоретическое введение

 

 

4.Широкополосные усилители (ШПУ) – усиливают частоты от десятков герц до сотен мегагерц (в основном применяются в импульсной технике)

5.Узкополосные или избирательные усилители – применяются для усиления сигналов в узком диапазоне частот (в идеале усиливается одна частота).

 

UВЫХ, В

 

 

Амплитудная характеристика

 

С

усилителя (рис. 2.13) характеризует

 

 

B

 

зависимость выходного напряжения

 

 

 

 

 

от входного на средних частотах.

 

 

 

 

 

 

При отсутствии входного сигна-

 

 

 

 

 

 

ла (UВХ = 0) на выходе мы имеем

 

A

 

 

 

 

напряжение UШ, обусловленное вну-

 

 

UВХ, MВ

тренними шумами усилителя. Мини-

 

 

 

мальное входное напряжение долж-

 

 

 

 

но быть не менее чем в 2–3 ра-

 

UВХmin UВХmax

 

 

 

 

 

за больше уровня внутренних шумов

(UВХmin > 2 . . . 3UШ). Прямолинейный участок A–B является рабочим. Уча-

сток B–C обусловлен нелинейностью усилительных элементов при высоком уровне сигнала.

Таким образом, при уровне входного сигнала меньше UВХmin мы не сможем отличить полезный сигнал от помех, а в случае UВХ >

выходной сигнал будет иметь нелинейные искажения.

2.2.2. Усилительный каскад с ОЭ

Усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 2.14) является одним из самых распостранённых и применяется в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителях.

Название схемы «с общим эммитером»означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае вывод эмиттера называется общим (обозначается , также используется термин „земля“), а все потенциалы измеряются относительно него.

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p − n

2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

17

 

 

перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ↑, см. рис. 2.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр = UВых ↓).

2.При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина p −n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате

чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓, см. рис. 2.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмит-

тером) увеличивается (RВыхТр ↑), а следовательно увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр =

UВых ↑).

Таким образом, мы видим, что усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного на 180о.

Характер изменения выходного напряжения, при изменении входного от минимального до максимального, определяется статической нагрузочной характеристикой:

Рис. 2.14. Усилительной EК = UКЭ + RКIК каскад с общим

эмиттером

Это выражение получено на основе II за-

кона Кирхгофа (рис. 2.14) и из него хорошо видна роль резистора RК−фактически он определяет характер изменения выходного сигнала, при его отсутствие (RК = 0), напряжение на выходе усилителя будет определятся исключительно источником питания:

EК = UКЭ.

При (RК 6= 0), падение напряжения на RК будет зависеть от величины тока коллектора IК, связанного с величиной тока базы коэффициентом β: IК = βIБ. Отсюда следует, что напряжение на выходе каскада будет по форме повторять напряжение на входе.

Статическая нагрузочная характеристика определяет закон изменения выходного сигнала и строится на выходной характеристике транзистора. Эта характеристика является прямой линией, для

18

2. Теоретическое введение

 

 

построения которой достаточно двух точек, например точек её пересечения с осями. Выходная характеристика транзистора показывает зависимость IК от UК, поэтому рассмотрим значения нагрузочной характеристике при IК = 0 (точка „c”) и UK = 0 (точка „d”) (рис. 2.15):

UК = EК |IК=0

IК =

RК UK=0

Величина э.д.с. источника питания EК выбирается несколько меньше максимально допустимого напряжения на коллекторе, задаваемого в характеристиках транзистора, в пределах EК = (0, 7 . . . 0, 9)UКmax

Характер нагрузочной характеристики и коэффициент усиления, при заданной э.д.с. источника питания EК, определяется величиной нагрузочного резистора RК который, обеспечивает необходимый уровень падения напряжения на выходе каскада и ограничивает ток коллектора.

Рис. 2.15. Нагрузочная

Рис. 2.16. Нагрузочная характеристика с

характеристика

ограничениями (штриховкой выделена

 

область с недопустимыми значениями

 

выходного сигнала)

Положение точек „с” и „d” ограничено сверху максимально допустимыми значениями тока (IКmax), напряжения (UКЭmax) и мощности (PКmax), которые задаются паспортными данными транзистора (рис. 2.16).

Нагрузочная характеристика является основой графоаналитического метода расчёта усилительного каскада.

Усилительный каскад с общей базой — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора

Усили́тельный каска́д с о́бщей ба́зой (аббревиатура — ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей с применением биполярного транзистора.

Соответствует усилителю (каскаду) с общим затвором в случае применения полевого транзистора или каскаду с общей сеткой при использовании электровакуумного триода.

Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но немного меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности.

В этой схеме входной переменный усиливаемый сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. Входное сопротивление каскада очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигналов при усилении периодического, например, гармонического сигнала совпадают при рабочих частотах ниже предельной частоты усиления по мощности. При работе вблизи предельной частоты фаза тока коллектора начинает отставать от фазы тока эмиттера, так как на прохождение неосновных носителей через базовый слой требуется конечное время.

Полезным свойством схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей паразитная отрицательная обратная связь с коллектора на базу, обусловленная эффектом Миллера, снижающая коэффициент усиления на высоких частотах, так как база транзистора по переменному току «закорочена» на «землю». Поэтому схема с общей базой наиболее высокочастотная среди двух других и часто используется для построения высокочастотных усилителей и генераторов, в том числе в диапазоне СВЧ.

Существенно, что термин «общая база» имеет в виду присоединение базы к «земле» именно для сигнала переменного тока. Фактически, в реальных схемах, база редко присоединяется непосредственно к «земле» электрически, а «закорачивание» её на «землю» осуществляется через блокировочный конденсатор достаточной ёмкости обеспечивающей его пренебрежимо малое реактивное сопротивление в диапазоне усиливаемых частот.

  • Коэффициент усиления по току:
Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α,{\displaystyle I_{\text{вых}}/{I_{\text{вх}}}=I_{\text{к}}/I_{\text{э}}=\alpha ,} (α<1),{\displaystyle (\alpha <1),}
  • Входное дифференциальное сопротивление (сопротивление для малого сигнала):
rвх=dUвх/dIвх=dUэб/dIэ.{\displaystyle r_{\text{вх}}=dU_{\text{вх}}/dI_{\text{вх}}=dU_{\text{эб}}/dI_{\text{э}}.}

Входное дифференциальное сопротивление для схемы с общей базой существенно зависит от тока эмиттера и относительно мало. Для маломощных транзисторов при малых токах базы не превышает сотни—единицы кОм, для мощных — единицы—десятки Ом, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный p-n переход транзистора, вольт-амперная характеристика которого близка к таковой у прямосмещённого полупроводникового диода.

  • Выходное дифференциальное сопротивление коллектора существенно выше чем у каскада с общим эмиттером, так как изменения напряжения на коллекторе при фиксированном напряжении на эмиттере относительно базы мало изменяют ток коллектора. Фактически, полное выходное дифференциальное сопротивление каскада представляет собой в эквивалентной схеме параллельное соединение коллекторного резистора и дифференциального выходного коллекторного сопротивления транзистора. Так как дифференциальное выходное коллекторное сопротивления транзистора обычно многократно больше сопротивления коллекторного резистора, то обычно оказывается, что выходное дифференциальное сопротивление каскада практически равно сопротивлению коллекторного резистора.

При включении в коллектор каскада ОБ колебательного контура при построении частотноизбирательного усилителя выходное коллекторное сопротивление слабо нагружает контур и поэтому меньше снижает его добротность.

Преимущества и недостатки усилителя с общей базой[править | править код]

Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы (коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) незначительно изменяются при изменении температуры окружающей среды, высокое выходное дифференциальное сопротивление.

Недостатками схемы являются малое входное дифференциальное сопротивление и отсутствие усиления по току, так как α<1.{\displaystyle \alpha <1.}

Схема включения с общим эмиттером — Мегаобучалка

Введение

Современную жизнь трудно представить без хорошо развитой электроники.

Но современная аппаратура обеспечивается совокупностью электротехнических и электронных устройств различной сложности, состоящих из элементов, к которым приложены электрические напряжения или протекают электрические токи. Сколь угодно сложные электронные устройства, в конечном счете, состоят из разнообразных электронных приборов, обладающих вполне определенными свойствами. Таким образом, чтобы разрабатывать, изготавливать или эксплуатировать различную аппаратуру , следует, прежде всего, знать процессы, происходящие в электронных приборах при различных условиях, а также законы, которым подчиняются эти процессы, т.е. освоить основы электроники.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, UЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

 

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°. Усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.



Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

 

 

Режимы работы биполярного транзистора

 

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы бывают биполярные и полевые.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называют соответственно эмиттером, базой и коллектором.

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор.

В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором.

Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

 

Схемы включения

 

Схема включения с общим эмиттером

 

 

Iвых = Iк

Iвх = Iб

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

 

· Коэффициент усиления по току:

 

Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

 

· Входное сопротивление:

 

Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

 

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току

· Большой коэффициент усиления по напряжению

· Наибольшее усиление мощности

· Можно обойтись одним источником питания

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *