Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

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.}

ru.wikipedia.org

Включение транзистора по схеме с общей базой — Мегаобучалка

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал UВХ приложен к переходу эмиттер-база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор с учетом того, что база по переменному сигналу, заземлена (φб≈=0) можно считать, что UВЫХ≈К≈К≈б≈ т.е. UВЫХ≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, "общим электродом" для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Назначение элементов Rб1, Rб2, CP1, CP2 и RК в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительными, в сравнении со схемой с ОЭ, элементами являются Сб и RЭ (ср. рис. 2.3и 2.1). Базовая емкость Сб обеспечивает заземление базы по переменному сигналу. Непосредственное соединение базы с землей возможно только при наличии двух разнополярных источников питания. В самом деле, если φ

б=0 не только по переменному сигналу, а и по постоянному смещению, то для того, чтобы р-n-переход эмиттер-база был открыт (φбЭ), на эмиттер надо подавать постоянное отрицательное напряжение (на коллектор подается положительное напряжение). Чтобы избежать двухполярного питания, на базу подают положительное смещение U=≡ERб1/(Rб1+Rб2) с помощью базового делителя, т.е.

φбб=б≈б==U=

Сопротивление RЭ служит для того, чтобы на эмиттер можно было подавать переменный входной сигнал.

 

 

Схема работает следующим образом. Когда Uвх имеет положительную полярность, φЭ возрастает, в результате чего UбЭбЭб=Э снижается и р-n-переход эмиттер-база частично закрывается. Ток IЭ уменьшается, в результате уменьшается и ток IК≈IЭ, снижается падение напряжения на сопротивлении RК, а потенциал φК=E-I

КRК возрастает. Так как φК≈=Uвых, то мы имеем: при увеличении мгновенного значения Uвх увеличивается и мгновенное значение Uвых. В моменты, когда Uвх имеет отрицательную полярность, происходят аналогичные процессы.



Таким образом, видно, что схема с общей базой не меняет фазу сигнала (Δφ=0)

0говорим, какими параметрами и характеристиками обладает схема с общей базой.

1. Коэффициент передачи (усиления) по напряжению КU равен отношению переменных, составляющих входного и выходного сигналов, т. е.

КU=[Uвых]/[Uвх]=(IКRК)/(IЭRЭ)≡RК/RЭ

откуда следует, что для обеспечения усиления необходимо выбирать значения сопротивлений RК и RЭ так, чтобы RК>RЭ

2. Коэффициент передачи по току Кi, равен отношению

Кi=IВЫХ/IВХ=IК/IЭ≤1

3. Коэффициент усиления по мощности Кр относительно невелик, так как схема с ОБ не усиливает по току.

4.Сдвиг фаз Δφ=0.

5.Входное сопротивление Rвх≡RЭ. При этом возникает следующая дилемма: с одной стороны, исходя из требования RК>RЭ, эмиттерное сопротивление следует выбирать малым; с другой стороны, каскад с низкоомным Rвх будет шунтировать выход предыдущей схемы поэтому RЭ надо выбирать побольше. Реально значение RЭ составляет десятки ом, и схема с ОБ имеет малое входное сопротивление.

6.Выходное сопротивление ненагруженной схемы Rвых определяется параллельным соединением RК и rКЭ+RЭ и составляет обычно сотни омединицы килоом.

7. Амплитудная характеристика Uвых=F(Uвх) имеет линейный участок, ограниченный сверху значением Uвых≡E, и в целом аналогична, амплитудной характеристике схемы с общим эмиттером. Но реально КU в схеме с ОБ ниже, чем КU в схеме с ОЭ, поэтому предельная амплитуда, входного сигнала, который можно усилить без нелинейных искажений, у схемы с ОБ больше, чем у схемы с ОЭ.

8. Амплитудно-частотная характеристика КUU(f) у схемы с ОБ аналогична АЧХ схемы с ОЭ, но в области средних частот идет ниже последней (так как К

UOбUOЭ). На низких частотах разделительные емкости сильнее, чем в схеме с ОЭ, сказываются на работе схемы с ОБ, так как у схемы с ОБ малое Rвх, и эквивалентное сопротивление Ср становится малым в сравнении с Rвх при больших частотах, нежели в схеме с ОЭ. На высоких частотах спад АЧХ схемы с ОБ происходит также немного раньше, чем у схемы с ОЭ, так как RвыхОб немного больше, чем у RвыхОЭ (в силу RК││(rКЭ+RЭ)>RК││rКЭ).

9. Фазочастотная характеристика Δφ=Δφ(f) отлична о нуля на низких частотах (Δφ>0) и на высоких частотах (Δφ<0).

Амплитудная, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики схемы с общей базой приведены на рис. 2.2 (кривые 2).

Включение транзистора по схеме с общим коллектором. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис 2.4. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер.

Коллектор накоротко соединен с источником питания φК=E=const. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают "общим электродом" для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Сопротивления Rб1 и Rб2 (базовый делитель) используются в схеме с ОК, как ив схемах с ОЭ и ОБ, для подачи на базу постоянного напряжения U=≡E(Rб1/(Rб1+Rб2)). Сопротивление RЭ обеспечивает получение переменного выходного сигнала: оно обычно невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (например, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то Rэ выбирают из соотношения Rэ=Rн (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что Rн может быть малым, выбирают Rэ порядка единиц-десятков ом.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем φб=UбЭЭ, а выходной сигнал равен φЭ=IэRэ. Таким образом, Uвх=UбЭ+Uвых.

Увеличение Uвх приводит к тому, что р-n-переход эмиттер-база транзистора становится более открытым, Iэ растет и происходит увеличение Uвых=IэRэ. Весте с тем, рост Iэ вызывает возрастание φЭ, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но φ

Э меняется несколько меньше, чем φб.

Рассмотрим параметры и характеристики схемы с общим коллектором.

1. Коэффициент передачи по напряжению Кu у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения её работы, меньше 1. Получим его значение аналитически:

Uвх=UбЭ+Uвых=UбЭ+IэRэ≡ UбЭ+IкRэ= UбЭ+SUбЭRэ,

Uвых=IэRэ≡SUбЭ

Тогда

Кu=Uвых/Uвх=SRэ/(1+SRэ)<1

2.Коэффициент передачи по току

Кi=Iвых/Iвх=Iэ/Iб>>1

3. Коэффициент усиления по мощности Кр определяется величиной Кi. Таким образом, поскольку Кр>1, то схема с ОК всё-таки является усилителем, хотя главный параметр, интересующий потребителя, - Кu никак не располагает к подобной классификации.

4. Сдвиг фаз в схеме - Δφ=0 (φб и φЭ меняются синхронно).

5. Входное сопротивление у схемы - очень большое. Rвх определяется, как в схеме с ОЭ, параллельным соединением Rб1, Rб2 и эквивалентного сопротивления транзистора r

бЭ=Iб/UбЭ. В схеме с ОК такой же, как и в схеме с ОЭ, порядок величин Iб, но к тому же мало меняется UбЭ (так как при подаче входного переменного сигнала φб и φЭ изменяются синхронно). Обычно Rвх схемы с общим коллектором составляет, килоомы-десятки килоом.

6. Выходное сопротивление Rвых≡Rэ и составляет единицы-десятки ом.

7. Амплитудная характеристика Uвых=F(Uвх) является линейной и имеет угол наклона α<450 (α<450 при Кu=1). Уровень Uвых=E принципиально недостижим, так как даже при полностью открытом транзисторе на нем остается некоторое падение напряжения ΔUкэmin и φЭmax=E-Uкэmin<E.

8.Амплитудно-частотная характеристика Кu=Кu(f). АЧХ схемы с ОК имеет вид, аналогичный АЧХ схем с ОЭ и с ОБ. В области средних частот имеется горизонтальный участок с ординатой, меньшей единицы. Спад из-за наличия разделительных емкостей наблюдается при очень малых частотах, так как Rвх имеет большое значение. Спад из-за наличия Спар наблюдается при относительно больших частотах, так как Rвых - иизкоомное. Таким образом, схема о ОК – самая широкополосная изосновных трех схем включения транзисторов.

9. Фазочастотная характеристика Δφ=Δφ(f) отлична от нуля на низких частотах (Δφ>0) и на высоких частотах (Δφ<0).

Амплитудная, амплитудно-частотная и Фазочастотная характеристики схемы с общим коллектором приведены на рис. 2:2 (кривые 3).

megaobuchalka.ru

5.3. Схема с общей базой

Рис. 5.8

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 5.8. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал Uвx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что Uвыx = к, т. е. Uвыx равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назначение элементов Rб1, Rб2, Сp1, Сp2 и Rк в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (Cб), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу.

Схема работает следующим образом. Когда Uвx имеет положительную полярность, Э возрастает, в результате чего Uбэ= б– эснижается и pn-переход эмиттер – база частично закрывается. Ток Iэ уменьшается, в результате уменьшается и ток IкIэ, снижается падение напряжения на сопротивлении Rк, а потенциал коллектора к= Е IкRк возрастет. Так как кUвыx, то при увеличении мгновенного значения Uвxувеличивается и мгновенное значение Uвыx. При отрицательной полярности Uвxпроисходят аналогичные процессы.

Входное сопротивление схемы Rвх = Rэ׀׀rбэ,где rбэ – эквивалентное сопротивление открытого pn-перехода эмиттер – база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков Ом. Выходное сопротивление Rвых ненагруженной схемы определяется параллельным соединением Rк и эквивалентным сопротивлением rкэ транзистора, включающим закрытый pn-перехода коллектор – база, и поэтому велико. Однако если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится меньшим, чем Rвх. Коэффициент усиления по напряжению

KU = Uвыx/Uвx= (IкRк)/[Iэ(Rэ׀׀rбэ)] ≈ Rк/(Rэ׀׀rбэ) = Rк/Rвх.

При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует Rк и в формулу для KU вместо этого сопротивления следует подставить значение выходного сопротивления, которое меньше Rвх: получается, что KU < 1.

Коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх= Iк/Iэ ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет.

5.4. Сравнение схем включения транзисторов и их применение

Сопоставим параметры трех основных схем включения транзисторов, присваивая им соответствующие индексы:

КUОЭ > КU ОБ > КU ОК, причем КU ОЭ, КU ОБ > 1; КU ОК < 1;

КI ОК> КI ОЭ > КI ОБ, причем КI ОК, КI ОЭ > 1; КI ОБ < 1;

КP у всех трех схем больше 1;

ΔОЭ= 180°, ΔОБ= 0, ΔОК = 0;

RвxОК> RвxОЭ> Rвx ОБ; RвыxОБ> RвыxОЭ > RвыxОК;

fн.грОК< fн.грОЭ< fн. грОБ; fв.гр ОК< fв.грОЭ< fв.гр ОБ;

Δ fОК> Δ fОЭ> Δ fОБf = fв.грfн.гр).

Сравнительный анализ параметров приводит к выводу о том, что схема с ОБ во многих отношениях уступает схеме с ОЭ. Этим обусловлен тот факт, что для усиления сигналов обычно применяют транзисторные схемы с общим эмиттером.

Схема с общей базой предпочтительнее лишь в случае, когда надо при небольшом усилении иметь нулевой сдвиг фаз при прохождении сигнала. Это можно обеспечить и при последовательном соединении двух схем с общим эмиттером (Δ = Δ1 + Δ2= 180° + 180° = 360° = 0°), но такое схемотехническое решение неэкономично.

Схема с ОК в силу своей специфики (КU < 1) используется только как усилитель тока (при этом в эмиттерную цепь включают обмотку трансформатора, катушку электромагнита или другой «токовый» элемент, и схема отличается от изображенной на рис. 4.7). Чаще схему используют в качестве «буферного» каскада, включаемого между усилителем или генератором, с одной стороны, и низкоомной нагрузкой – с другой (например, выходной каскад измерительного прибора). При этом реализуются сразу несколько свойств схемы: сигнал при прохождении через схему с ОК мало меняется по амплитуде (КU < 1, причем подбором величин S и RЭ удается обеспечить КU = 0,8...0,9 и выше) и не меняется по фазе (Δ= 0), иначе говоря, выходной сигнал «повторяет» входной; высокоомное Rвxисключает шунтирование предыдущего каскада, а низкоомное Rвыx позволяет подключить любую нагрузку. По этому своему основному применению схему с ОК обычно называют эмиттерным повторителем («эмиттерным» – потому что выходной сигнал снимается с эмиттера). Раньше использовался также термин «трансформатор сопротивлений», употребляемый в настоящее время очень редко.

studfile.net

Усилительный каскад с общей базой

Добавлено 6 октября 2017 в 12:14

Сохранить или поделиться

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как Rнагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току
common-base amplifier
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0.6 1.2 .02
.plot dc v(3,4)
.end
Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на Rнагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току
common-base amplifier
vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(5,2) v(4)
.end

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

common-base amplifier
vin 5 2  ac 0.1 sin
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
.ac dec 1 2000 2000
.print ac vm(5,2) vm(4,3) 
.end

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0.1 В), или 32,617 дБ:

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх} }\]

\[A_V = { 4,274 В \over 0,10 В }\]

\[A_V = 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(раз)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 32,62 дБ\]

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала. Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения (vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Несмотря на то, что эти анализы будут проводиться в режиме “transfer function” (коэффициент передачи), каждый из них был сначала проверен в режиме временного анализа (построен график напряжения в зависимости от времени), чтобы гарантировать, что вся синусоида сигнала была воспроизведена точно, а не «обрезана» из-за неправильного смещения. Смотрите "*.tran 0.02m 0.78m" в коде ниже, это «закомментирование» оператора временного анализа. Вычисление коэффициента усиления не может основываться на сигналах искаженной формы. SPICE может для нас рассчитать коэффициент усиления небольшого сигнала постоянного напряжения с помощью оператора "*.tf v(4) vin". Выходное напряжение – это v(4), а входное напряжение – это vin.

common-base amp vbias=0.85V
vin 5 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.85
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf v(4) vin
.end
common-base amp current gain
Iin 55 5 0A
vin 55 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.8753
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf I(v1) Iin
.end
Transfer function information:
transfer function = 9.900990e-01
iin input impedance = 9.900923e+11
v1 output impedance = 1.000000e+20

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin.
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin. Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения vbias0.85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Circuit: common-base amp vbias=0.85V        // напряжение смещения 0,85 вольта
transfer_function = 3.756565e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.317825e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA  // напряжение смещения 0,8753 вольта
Transfer function information:
transfer_function = 3.942567e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.255653e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.9V         // напряжение смещения 0,9 вольта
transfer_function = 4.079542e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.213493e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.95V        // напряжение смещения 0,95 вольта
transfer_function = 4.273864e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.158318e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=1.00V        // напряжение смещения 1,00 вольт
transfer_function = 4.401137e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.124822e+02          // входное сопротивление

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование (vbias = 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления (transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Эти несколько приложений включают в себя радиочастотные усилители. База, посаженная на корпус, помогает защитить входной сигнал на эмиттере от входного сигнала на коллекторе, предотвращая нестабильность в радиочастотных усилителях. Схема с общей базой может использоваться на более высоких частотах, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором. Смотрите раздел «Радиочастотный усилитель мощности 750 мВт класса C с общей базой» в главе 9. Более сложную схему можно увидеть в разделе «Усилитель малых сигналов класса A с общей базой и высоким коэффициентом усиления» в главе 9.

Подведем итоги:

  • Транзисторные усилители с общей базой называются так, потому что точки подачи входного напряжения и снятия выходного напряжения совместно используют вывод базы транзистора (игнорируя все источники питания).
  • Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входных и выходных сопротивлений, а также от внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может измениться при изменении постоянного напряжения смещения. Достаточно сказать, коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общей базой может быть очень высоким.
  • Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется коэффициентом α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общей базойКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

7. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общей базой:

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области uКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы Iбвызывают 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.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор - исток и затвор - сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество - отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Схема Дарлингтона:

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора  на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора  включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора  в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

studfile.net

8.2Включение транзистора по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал UВХприложен к переходу эмиттер-база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор с учетом того, что база по переменному сигналу, заземлена (φб≈=0) можно считать, чтоUВЫХ≈К≈К≈б≈ т.е.UВЫХ≈равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, "общим электродом" для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Назначение элементов Rб1, Rб2, CP1, CP2 и RК в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительными, в сравнении со схемой с ОЭ, элементами являются Сб и RЭ (ср. рис. 2.3и 2.1). Базовая емкость Сб обеспечивает заземление базы по переменному сигналу. Непосредственное соединение базы с землей возможно только при наличии двух разнополярных источников питания. В самом деле, если φб=0 не только по переменному сигналу, а и по постоянному смещению, то для того, чтобы р-n-переход эмиттер-база был открыт (φбЭ), на эмиттер надо подавать постоянное отрицательное напряжение (на коллектор подается положительное напряжение). Чтобы избежать двухполярного питания, на базу подают положительное смещение U=≡ERб1/(Rб1+Rб2) с помощью базового делителя, т.е.

φбб=б≈б==U=

Сопротивление RЭ служит для того, чтобы на эмиттер можно было подавать переменный входной сигнал.

Схема работает следующим образом. Когда Uвх имеет положительную полярность, φЭ возрастает, в результате чего UбЭбЭб=Э снижается и р-n-переход эмиттер-база частично закрывается. Ток IЭ уменьшается, в результате уменьшается и ток IК≈IЭ, снижается падение напряжения на сопротивлении RК, а потенциал φК=E-IКRК возрастает. Так как φК≈=Uвых, то мы имеем: при увеличении мгновенного значения Uвх увеличивается и мгновенное значение Uвых. В моменты, когда Uвх имеет отрицательную полярность, происходят аналогичные процессы.

Таким образом, видно, что схема с общей базой не меняет фазу сигнала (Δφ=0)

0говорим, какими параметрами и характеристиками обладает схема с общей базой.

1. Коэффициент передачи (усиления) по напряжению КU равен отношению переменных, составляющих входного и выходного сигналов, т. е.

КU=[Uвых]/[Uвх]=(IКRК)/(IЭRЭ)≡RК/RЭ

откуда следует, что для обеспечения усиления необходимо выбирать значения сопротивлений RК и RЭ так, чтобы RК>RЭ

2. Коэффициент передачи по току Кi, равен отношению

Кi=IВЫХ/IВХ=IК/IЭ≤1

3. Коэффициент усиления по мощности Кр относительно невелик, так как схема с ОБ не усиливает по току.

4.Сдвиг фаз Δφ=0.

5.Входное сопротивление Rвх≡RЭ. При этом возникает следующая дилемма: с одной стороны, исходя из требования RК>RЭ, эмиттерное сопротивление следует выбирать малым; с другой стороны, каскад с низкоомным Rвх будет шунтировать выход предыдущей схемы поэтому RЭ надо выбирать побольше. Реально значение RЭ составляет десятки ом, и схема с ОБ имеет малое входное сопротивление.

6.Выходное сопротивление ненагруженной схемы Rвых определяется параллельным соединением RК и rКЭ+RЭ и составляет обычно сотни омединицы килоом.

7. Амплитудная характеристика Uвых=F(Uвх) имеет линейный участок, ограниченный сверху значением Uвых≡E, и в целом аналогична, амплитудной характеристике схемы с общим эмиттером. Но реально КU в схеме с ОБ ниже, чем КU в схеме с ОЭ, поэтому предельная амплитуда, входного сигнала, который можно усилить без нелинейных искажений, у схемы с ОБ больше, чем у схемы с ОЭ.

8. Амплитудно-частотная характеристика КUU(f) у схемы с ОБ аналогична АЧХ схемы с ОЭ, но в области средних частот идет ниже последней (так как КUOбUOЭ). На низких частотах разделительные емкости сильнее, чем в схеме с ОЭ, сказываются на работе схемы с ОБ, так как у схемы с ОБ малое Rвх, и эквивалентное сопротивление Ср становится малым в сравнении с Rвх при больших частотах, нежели в схеме с ОЭ. На высоких частотах спад АЧХ схемы с ОБ происходит также немного раньше, чем у схемы с ОЭ, так как RвыхОб немного больше, чем у RвыхОЭ (в силу RК││(rКЭ+RЭ)>RК││rКЭ).

9. Фазочастотная характеристика Δφ=Δφ(f) отлична о нуля на низких частотах (Δφ>0) и на высоких частотах (Δφ<0).

Амплитудная, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики схемы с общей базой приведены на рис. 2.2 (кривые 2).

Включение транзистора по схеме с общим коллектором. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис 2.4. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер.

Коллектор накоротко соединен с источником питания φК=E=const. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают "общим электродом" для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Сопротивления Rб1 и Rб2 (базовый делитель) используются в схеме с ОК, как ив схемах с ОЭ и ОБ, для подачи на базу постоянного напряжения U=≡E(Rб1/(Rб1+Rб2)). Сопротивление RЭ обеспечивает получение переменного выходного сигнала: оно обычно невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (например, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то Rэ выбирают из соотношения Rэ=Rн (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что Rн может быть малым, выбирают Rэ порядка единиц-десятков ом.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем φб=UбЭЭ, а выходной сигнал равен φЭ=IэRэ. Таким образом, Uвх=UбЭ+Uвых.

Увеличение Uвх приводит к тому, что р-n-переход эмиттер-база транзистора становится более открытым, Iэ растет и происходит увеличение Uвых=IэRэ. Весте с тем, рост Iэ вызывает возрастание φЭ, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но φЭ меняется несколько меньше, чем φб.

Рассмотрим параметры и характеристики схемы с общим коллектором.

1. Коэффициент передачи по напряжению Кu у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения её работы, меньше 1. Получим его значение аналитически:

Uвх=UбЭ+Uвых=UбЭ+IэRэ≡ UбЭ+IкRэ= UбЭ+SUбЭRэ,

Uвых=IэRэ≡SUбЭ

Тогда

Кu=Uвых/Uвх=SRэ/(1+SRэ)<1

2.Коэффициент передачи по току

Кi=Iвых/Iвх=Iэ/Iб>>1

3. Коэффициент усиления по мощности Кр определяется величиной Кi. Таким образом, поскольку Кр>1, то схема с ОК всё-таки является усилителем, хотя главный параметр, интересующий потребителя, - Кu никак не располагает к подобной классификации.

4. Сдвиг фаз в схеме - Δφ=0 (φб и φЭ меняются синхронно).

5. Входное сопротивление у схемы - очень большое. Rвх определяется, как в схеме с ОЭ, параллельным соединением Rб1, Rб2 и эквивалентного сопротивления транзистора rбЭ=Iб/UбЭ. В схеме с ОК такой же, как и в схеме с ОЭ, порядок величин Iб, но к тому же мало меняется UбЭ (так как при подаче входного переменного сигнала φб и φЭ изменяются синхронно). Обычно Rвх схемы с общим коллектором составляет, килоомы-десятки килоом.

6. Выходное сопротивление Rвых≡Rэ и составляет единицы-десятки ом.

7. Амплитудная характеристика Uвых=F(Uвх) является линейной и имеет угол наклона α<450 (α<450 при Кu=1). Уровень Uвых=E принципиально недостижим, так как даже при полностью открытом транзисторе на нем остается некоторое падение напряжения ΔUкэmin и φЭmax=E-Uкэmin<E.

8.Амплитудно-частотная характеристика Кu=Кu(f). АЧХ схемы с ОК имеет вид, аналогичный АЧХ схем с ОЭ и с ОБ. В области средних частот имеется горизонтальный участок с ординатой, меньшей единицы. Спад из-за наличия разделительных емкостей наблюдается при очень малых частотах, так как Rвх имеет большое значение. Спад из-за наличия Спар наблюдается при относительно больших частотах, так как Rвых - иизкоомное. Таким образом, схема о ОК – самая широкополосная изосновных трех схем включения транзисторов.

9. Фазочастотная характеристика Δφ=Δφ(f) отлична от нуля на низких частотах (Δφ>0) и на высоких частотах (Δφ<0).

Амплитудная, амплитудно-частотная и Фазочастотная характеристики схемы с общим коллектором приведены на рис. 2:2 (кривые 3).

studfile.net

§3. Основные схемы включения транзисторов.

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом(выходом) понимают точки, между которыми действует входное(выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером(ОЭ), общим коллектором(ОК), общей базой(ОБ). Вместо слов с «с общим» иногда говорят «с заземлённым», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

Различают статическийрежим транзистора, при котором на его электроды поданы только напряжения от источников питания, идинамический, при котором кроме этих напряжений на вход транзистора подаётся усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено сопротивление нагрузки. В данном параграфе рассматривается статический режим транзистора и соответствующие этому режиму статические характеристики и параметры транзистора.

Статические характеристики транзистора представляют собой зависимости тока в цепи одного из электродов от изменяющегося питающего напряжения на этом электроде при неизменном питающем напряжении на другом электроде или токе в цепи последнего. Различают входные и выходные характеристики транзисторов. Входные характеристики определяют связь входного тока и входного напряжения, при постоянном выходном напряжении. Несколько одноимённых статических характеристик снятых при различных значениях поддерживаемой постоянной третьей величины и построенных в одной общей системе координат, называют семейством статических характеристик.

Включение транзистора с общей базой (ОБ)

На рис. 6 приведена схема включения транзистора с общей базой.

В схеме с общей базой семейство входных статических характеристик – это зависимости IЭ = f(UЭБ), при UКБ = const

Рис. 7 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Типичное семейство входных характеристик для маломощногоn-p-nтранзистора показано на рис. 7. Отрицательные значения напряженияUЭБсоответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика дляUКБ = 0 практически совпадают с характеристикойp-nперехода. В активном режиме(UЭБ < 0, UКБ > 0)сдвиг характеристик при изменении напряжения на коллекторе обусловлен эффектом Эрли: с ростомUКБпри постоянном токеIЭпрямое напряжение эмиттерного перехода снижается и характеристика сдвигается влево. В режиме насыщения(UЭБ < 0, UКБ < 0) кроме тока инжекции через эмиттерный переход течёт встречный ток электронов, инжектированных в базу из коллектора. При постоянном напряженииUЭБс ростом по модулю напряженияUКБвстречный ток увеличивается, а полный эмиттерный ток уменьшается, то есть приUКБ < 0 характеристики сдвигаются вниз относительно характеристикиUКБ = 0.

Выходные характеристики– это зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы с общей базой семейство выходных характеристикn-p-nтранзистора представлено на рис. 8; здесь параметром служит ток эмиттера:

IK = f(UКБ), при IЭ = const

Область характеристик при UКБ > 0соответствует активному режиму, гдеIК ≈ αIЭ, так какα = 1, тоIКIЭ. Область характеристик приUКБ< 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции, направленный противоположно току коллектора, поэтому полный токIКуменьшается и может даже изменить направление.

При больших напряжениях UКБток резко увеличивается вследствие пробоя коллекторного перехода. Для коллекторного перехода характерен лавинный пробой, что объясняется низкой концентрацией примесей в коллекторе.

В семействе выходных характеристик для транзистора, включённого по схеме с общей базой, нет характеристики соответствующей IЭ = 0. ПриIЭ = 0 в базу из эмиттера не поступают дырки и в цепи коллектора протекает только обратный токIКБ0, который настолько мал, что сливается с горизонтальной осью.

Слабая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения свидетельствует об очень высоком выходном сопротивлении транзистора подключённого по схеме с общей базой:

, при IЭ = const.

Для транзисторов малой мощности Rвых.бимеет порядок сотен тысяч Ом, а для некоторых типов транзисторов может даже превышать 1 МОм.

Из характеристик рис. 7 видно, что малые изменения эмиттерного напряжения вызывают значительные приросты тока эмиттера. Это говорит о том, что транзистор, включённый по схеме с общей базой, имеет малое входное дифференциальное сопротивление.

, приUКБ = const

Для транзисторов малой мощности Rвх.бсоставляет единицы – десятки Ом.

Транзистор, включённый по схеме с общей базой, характеризуется также дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера(просто коэффициент передачи):

, приUКБ = const

Поскольку всегда ΔIK < ΔIЭ, α < 1 (α = 0,96…0,99),то есть транзистор, включённый по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Но в то же время он обладает способностью усиления по напряжению и мощности. Это может быть объяснено следующим образом. Входное сопротивление транзистора мало. Поэтому с помощью малого прироста входного напряжения ΔUЭБможно получить значительный прирост тока ΔIЭ. Этот прирост тока почти полностью передаётся в коллекторную цепь:ΔIKΔIЭ. Благодаря тому, что выходное сопротивление транзистора велико и напряжение коллекторного источникаЕК >> ЕЭ2>>Е1),в коллекторную цепь можно включить нагрузочное сопротивлениеRK, во много раз превышающее входное сопротивление транзистора, от этого прирост коллекторного тока практически не уменьшается. Прирост коллекторного токаΔIKсоздаст прирост падения напряжения на нагрузочном резисторе примерно во столько же раз больший, чем прирост входного напряжения, во сколько разRK> Rвх.б. При этом возникает такой же по величине, но с обратным знаком прирост падения напряжения на коллекторе = ΔIKRK.

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

КUб=

Таким образом, транзистор даёт возможность перейти от цепи малым сопротивлением к цепи с большим сопротивлением, но практически с тем же приростом тока, т.е. транзистор как бы преобразует сопротивление цепи. Наличие усиления по напряжению при ΔIK≈ΔIЭозначает, что транзистор вносит также усиление по мощности.

Выводы:

  1. В схеме с общей базой входная характеристика представляет собой характеристику p-nперехода при прямом включении.

  2. Входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общей базой мало, т.к. малые изменения напряжения на эмиттере вызывают значительные приросты тока эмиттера.

  3. В схеме с общей базой коллекторное напряжение влияет на ток эмиттера. Причём с повышением (по абсолютному значению) коллекторного напряжения ток эмиттера увеличивается (входная характеристика сдвигается влево).

  4. У транзисторной схемы с общей базой ток коллектора очень слабо зависит от коллекторного напряжения. Это означает что выходное сопротивление транзисторной схемы с общей базой очень велико.

  5. Транзистор, включённый по схеме с общей базой, вносит усиление по напряжению и мощности.

  6. Схема не даёт усиления по току.

  7. из-за малого входного сопротивления схема включения транзистора с общей базой потребляет относительно большой ток от источника сигнала.

  8. Чрезмерное большое выходное сопротивление затрудняет согласование с нагрузкой.

Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 9 приведена схема включения транзистора с общим эмиттером.

Рис. 9 Схема включения транзистора с общим эмиттером

Указанные недостатки устраняются, если источник эмиттерного напряжения, а в рабочем (положении и источник сигнала) включить не в эмиттерный, а в базовый провод (рис.9). В этом случае общей точкой подключения входных и выходных транзистора является вывод эмиттера. При таком включении транзистора воздействие приростов напряжения источника Еб1) на эмиттерный переход(а значит и на ток эмиттера) остаётся по существу тем же, что и в схеме с общей базой, поскольку они также приложены между выводами эмиттера и базы. Но теперь источник включён в участок входной цепи с малым током базы. Последний в данном случае является входным токоми поэтому усилительное свойствоVTв схеме с ОЭ характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока Б :

при

Но .

В свою очередь , .

Подставив значение в выражение для , получим

.

При при Т.о.,VT,вкл. по схеме с ОЭ, усиливает приращение тока Б (амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиление по напряжению в данной схеме остаётся примерно таким же, как и в схеме с ОБ, т.е. порядка десятков. Поэтому коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ

Дифференциальное входное сопротивление VTв схеме с ОЭ:

при

значительно больше, чем в схеме с ОБ (сотни Ом.), т.к. при одном и том же приросте напряжения на Эом переходе прирост тока Б много меньше прироста тока Э.

Выходное сопротивление VTв схеме с ОЭ:

при

меньше, чем в схеме с ОБ (десятки кОм.), поскольку один и тот же прирост К-го напряжения в схеме с ОЭ вызывает больший прирост К-го тока, чем в схеме с ОБ. Объясняется это тем, что в схеме с ОЭ небольшая часть напряжения К-го источника (а также приростов К-го напряжения) прикладывается к Э-му переходу (“-” к Э непосредственно, а “+” через К и К-ый переход к Б) [для VTn-p-n]. При этом, например, повышениеUкэ на ΔUкэ вызывает дополнительное понижение φ-го барьера в Э-ом переходе, что приводит к повышению токов Э и К.Кроме того, повышениеUкэ приводит и к увеличениюUкБ , а от этого расширяется К-ый переход , что, в свою очередь приводит к понижению тока базы, ноRвыхэ определяется при условииIБ=const.Поэтому для восстановления прежнего значенияIБ приходится несколько повысить напряжениеUБэ, а от этого возрастают токиIэ иIк.

Входная статическая характеристика для схемы с ОЭ представляет собой зависимость тока Б от напряжения на Б при неизменном напряжении на К:

IБ=f (UБэ) при Uкэ=const.

Рассматривая зависимость тока Б от напряжения на Б, следует иметь в виду, что последнее воздействует на ток Б не непосредственно, а, как и в схеме с ОБ, через ток Э.Так, например, повышение UБэ вызовет увеличениеIэ.При этом за счёт роста составляющихIэnиIэрек увеличется и ток Б.

Рис. 11 – Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

Сравнивая входные статические характеристики VTв схеме с ОЭ с одноимёнными характеристиками для схем с ОБ, можно заметить некоторые различия между ними:

1.В схеме с ОЭ К-ое напряжение не увеличивает входной ток (Б),а уменьшает его, то есть смещает характеристику вправо.

2.Входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при наличии К-го напряжения, имеют отрицательный участок (IБ<0).При малых значениях напряжения на Б (на Э-ом переходе) суммарный ток, образованный составляющими тока БIэnиIэрек, оказывается меньше встречной составляющей-токаIкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением токаIкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением токаIкБо, тоесть втекает в Б.Входная характеристика пересекает горизонтальную ось в точке, для которой выполняется равенство:

Iэn+Iэрек = -IкБо.

Выходная статическая характеристика VT, включённого по схеме с ОЭ (рис.11), представляет собой график зависимости тока К от напряжения на К при неизменном токе Б:

Iкэ=f(Uкэ) при IБ=const.

Поскольку при Uкэ=0 ток К представляет собой диффузионный ток, протекающий в обратном направлении, статические выходные характеристики начинаются не с нуля, а с некоторого отрицательного значения тока.

К-ые характеристики в схеме с ОЭ имеют заметно больший угол наклона к горизонтальной оси, чем в схеме с ОБ. Это говорит о меньшем сопротивлении VTпо сравнению со схемой ОБ.

Выводы:

1.В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

2.VT, включённый по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений, чем в схеме с ОБ.

3.Благодаря указанным преимуществам схемы с ОЭ находит наибольшее применение на практике.

Схема включения с общим коллектрором (ОК)

Статические характеристики ОЭ и ОК примерно одинаковые.

В отличие от схемы с ОЭ в схеме с ОК нагрузочный резистор включают не в цепь К, а в цепь Э и выходное напряжение снимают не с К VT, а с указанного нагрузочного резистора в цепи Э (рис. 12). Особенность данной схемы состоит в том, что входные и выходные напряжения сигнала действуют в одной цепи Б-Э. Причём приросты напряжения, создаваемые источником с-ла, вызывают близкие по значению приросты падения напряжения на нагрузочном резистореRэ, но противоположной полярности. Поэтому непосредственно между Б и Э будет приложена разность указанных приростов напряжения, которая во много раз меньше прироста напряжения источника с-ла, поступающего на БVTв отсутствиеRэ, то есть в схеме с ОЭ. Соответственно будут меньшими и приросты токов вVT, в частности тока Б. Последним объясняется то, что схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включениеVTдифференциальное входное сопротивление (Rвх.к. может

при Uкэ=const.

составлять десятки кОм.).Выходное сопротивление схемы с ОК наименьшее из всех схем включения VTа (десятки-сотни Ом.). Очевидно, что в данной схеме прирост падения напряжения наRэ, то естьUвых всегда меньшеUвх. Это означает, что схема с ОК не даёт усиления по напряжению. В то же время схема с ОК даёт усиление по току и мощности. Статические характеристикиVTснимаются при отсутствии нагрузочного резистора (Rк=Rэ=0). Но в этом случае схема с ОК превращается в схему с ОЭ. Поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

Выводы:

1.Схема с ОК вносит усиление по IиP, но не даёт усиление по напряжению.

2.Схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включения VTвходное и наименьшее выходное сопротивление.

Для удобства сравнения основные свойства всех трёх схем включения транзисторов сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов.

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

Ki

Десятки-сотни

Немного меньше 1

Десятки-сотни

Ku

Десятки-сотни

Десятки-сотни

Немного меньше 1

Kp

Сотни-десятки тысяч

Десятки-сотни

Десятки-сотни

Rвх

Сотни Ом.- единицы кОм.

Единицы-десятки Ом.

Десятки-сотни кОм.

Rвых

Единицы-десятки кОм.

Сони кОм.- единицы МОм.

Сотни Ом.- единицы кОм.

Фазовый сдвиг между Uвых иUвх.

180°

0

0

studfile.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о