4. Транзистор в режиме усиления

Параметры, характеризующие усиление.

При использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным.

На рис.8 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки R_н; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, U₁, которое должно быть усилено.

Основным параметрами, характеризующими режим усиления, является следующие:

1. к оэффициент усиления по току , показывающий, во сколько раз переменный ток выходной цепи больше, чем переменный ток во входной цепи;

2. коэффициент усиления по напряжению ,

3. показывающий, во сколько раз переменное напряжение на выходе усилителя больше чем переменное напряжение на входе;

4. коэффициент усиления по мощности , показывающий во сколько раз мощность сигнала на выходе усилителя больше чем мощность на входе.

Усилительные свойства транзистора при различных способах его включения.

С хема с ОБ представлена на рис.9. Сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения E_К. В цепь эмиттера включены источники усиливаемого напряжения U_ВХ и напряжения смещения E_Э, позволяющие установить рабочую точку на практически прямолинейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Для транзистора в схеме с ОБ можно взять следующие типичные значения h-параметров:

Коэффициент усиления по току для схемы с ОБ:

Коэффициент усиления по напряжению

На низких частотах отношение может достигать нескольких тысяч, т.к. входное сопротивление h_11Б мало, сопротивление нагрузки R_н может иметь величину в несколько кОм. Поэтому коэффициент усиления по напряжению может достигать нескольких тысяч.

Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОБ:

и его величина, следовательно, тоже достигает нескольких тысяч единиц (входное сопротивление очень мало).

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

Схема с ОЭ. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером показано на рис.10.

Сопротивление нагрузки R, как в предыдущем случае, включено в коллекторную цепь, напряжение смещения E_Б и напряжение усиливаемого сигнала U_ВХ в цепь базы. Входным током в схеме является ток базы, следовательно, входное сопротивление в данном случае будет значительно выше, чем в схеме с ОБ, так как переменное напряжение на входе в обоих случаях одно и то же, а ток базы существенно меньше тока эмиттера.

Для транзистора в схеме с ОЭ можно взять следующие типичные значения h-параметров:

Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ:

.

Следовательно, в данном случае К_I > 1 (в рассматриваемом случае К_I=50).

Коэффициент усиления по напряжению

имеет примерно такую же величину, как и в схеме с ОБ, потому что:

.

Коэффициент усиления по мощности в раз больше, чем в схеме с ОБ:

.

Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по напряжению схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

Схема с ОК представлена на рис.11. В данном случае сопротивление нагрузки R_н включено в цепь эмиттера, благодаря чему на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным U_ВХ и выходным U_ВыХ напряжениями.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы:

.

Для h-параметров транзистора по схеме с ОК можно взять типичные значения:

.

Коэффициент усиления по напряжению:

.

Так как обычно , то коэффициент усиления по напряжению в этой схеме близок к единице.

Коэффициент усиления по току: .

Он имеет величину, значительно большую единицы, так как (в нашем примере К_I=50).

Схема с ОК отличается также высоким входным сопротивлением:

или .

Нагрузочные характеристики транзистора.

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме напряжение на коллекторе не остаётся постоянным, а зависит от величины тока коллектора. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R в его цепи (см. рис.10)

Это выражение, являющееся уравнением прямой, определяет связь между током и напряжением коллектора при наличии нагрузки и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Нанесём нагрузочную характеристику на семейство выходных статических характеристик транзистора (рис.12).

Для этого найдем точки пересечения данной прямой с осями координат, приравнивая поочередно нулю напряжение коллектора U_КЭ и ток коллектора I_K. При U_КЭ=0, ток - такой отрезок отсекает нагрузочная характеристика на оси таков.

При I_K = 0 находим U_К = Е_К - такой отрезок отсекается этой характеристикой на оси напряжения. Проведя прямую через эти точки, получим выходную нагрузочную характеристику. Точки пересечения нагрузочной характеристики со статическими характеристиками I_K = f(U_К) определяют коллекторный ток I_K и коллекторное напряжение транзистора при заданных I_K, R_H, Е_К. Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик I_Б = f(U_КЭ) точки В, D, А, М, С, Е полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.13), получим требуемую характеристику.

У многих транзисторов входные статические характеристики идут столь узким веером, что подобное построение можно и не делать, а в качестве входной нагрузочной характеристики принять одну из статических входных характеристик.

Расчет режима усиления по характеристикам.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

Для получения неискаженного усиления необходимо, как известно, использовать линейный участок характеристики.

Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных характеристик, выделив на них участок, который с достаточной точностью можно считать линейным. Исходную точку А выбираем посередине этого участка (см. рис.13), для этого во входной цепи транзистора с помощью источника напряжения смещения Е_Б должен быть создан ток смещения I_СМ. Допустимая амплитуда входного тока, как видно из характеристики, должна удовлетворять неравенству I_mБ < I_СМ. В данном случае она может достигать I_mБ=100 – 60 = 40 mкA (см.рис.13).

Мощность, затрачиваемая источником сигнала на входе:

Перенесем на входную характеристику (см.рис.12) исходную точку АА и отметим точки С и В, соответствующие границам линейного участка. При амплитуде напряжения на выходе - U_mK. Мощность на выходе: .

Коэффициент усиления:

.

Схема замещения транзистора.

В о многих случаях свойства транзистора с достаточной для практических целей точностью могут быть отражены электрической моделью, состоящей из относительно небольшого числа элементов. Для того, чтобы электрическая модель транзистора соответствовала своему оригиналу, необходимо, чтобы уравнения, описывающие свойства транзистора, соответствовали экспериментально наблюдаемым зависимостям. Как правило, чем точнее модель аппроксимирует свойства транзистора, тем она оказывается сложнее. Поэтому в зависимости от поставленной задачи стремятся принять такую модель транзистора, которая при требуемой точности является наиболее сложной, т.е. содержит минимальное число элементов. На рис.14 приведена Т-образная схема замещения транзистора. Для маломощных транзисторов параметры имеют следующие значения:

В справочниках обычно не приводят эти величины, поэтому их рассчитывают по известным h-параметрам транзистора, включенного по схеме с ОБ:

;

; .

Параметры схемы замещения r_э и r_к можно сопоставить с реальными сопротивлениями отдельных областей транзистора, рассматривая r_э как дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, а r_к как дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Сопротивление равно сумме распределенного сопротивления базы и диффузионного сопротивления :

.

Диффузионное сопротивление обусловлено воздействием коллекторного напряжения на эмиттерный переход. Изменив в схеме (см.рис.10) общую точку, можно путем несложных преобразований получить схему замещения транзистора при включении с ОЭ.

Для диапазона высоких частот (ВЧ) необходимо учитывать время диффузионного распространения носителей в базе и емкостей переходов .

В данной схеме влияние времени распространения носителей в базе можно учесть, пологая коэффициент передачи тока  в источнике тока I_Э частотно зависимым в соответствии с соотношением:

,

где –коэффициент передачи по току в режиме работы на низкой частоте (НЧ); - предельная частота передачи тока эмиттера, на которой  на 3дБ меньше его значения на НЧ.