Схемы включения транзистора

Входное и выходное сопротивление каскада

Дело в том, что транзистор оказывает разное сопротивление постоянному и переменному токам. Чтобы в этом убедиться, посмотрим на выходную характеристику транзистора. Она показывает связь между током базы, током коллектора и напряжением на коллекторе.

Выходная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером

Как определить сопротивление постоянному току? Очень просто, по закону Ома: взять напряжение и поделить на силу тока. Давайте вычислим сопротивление в рабочей точке А (см. рисунок). Получается 4.5 В / 4.5 мА = 1 кОм.

В случае переменного тока нужно смотреть на дифференциальное сопротивление. Если простыми словами: насколько сильно меняется ток при изменении напряжения. В приведённом примере, если напряжение на коллекторе меняется от 3 до 7 вольт при фиксированном токе базы, это довольно слабо влияет на ток коллектора, он меняется всего на 0.1 мА. Это соответствует сопротивлению (7-3)/0.1 = 40 кОм. Как видите, сопротивления постоянному и переменному току значительно отличаются.

Аналогичные рассуждения можно провести для входного сопротивления транзисторного каскада, только там нужно рассматривать вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода.

Почему важны все эти сопротивления? Дело в том, что для наибольшей эффективности схемы сопротивления между каскадами должны быть согласованы.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: R_b1, R_b2 и R_E. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой R_E в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор C_E используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин R_b1, R_b2 и R_E должны быть известны напряжение источника питания E_0C и ток покоя I_С. Ориентировочные значения R_b1, R_b2 и R_E могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и U_BE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; U_BE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; U_BE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения U_BE выбирают для больших значений I_С.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения U_B или создания в цепи базы требуемого тока смещения I_B. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение U_BE,равное (в зависимости от I_B) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E_0C или от отдельного источника питания базовых цепей E_0В.

При питании от E_0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Схема с общей базой

Схема с общей базой в упрощённом виде

В схеме с общей базой (ОБ) по входной цепи проходит уже не маленький базовый ток, а весь эмиттерный ток целиком. Из этого вытекают два следствия. Во-первых, коллекторный ток не может быть больше эмиттерного. А, значит, схема с общей базой не даёт усиления по току (по этой причине схему ОБ называют повторителем тока). Во-вторых, входное сопротивление такой схемы очень мало: ток протекает большой, а напряжение база-эмиттер невелико. Большой ток при маленьком напряжении и означает низкое сопротивление.

Что касается выходного сопротивления, оно, наоборот, выше, чем в схеме с ОЭ. Коллекторное напряжение практически не влияет на ток, т.к. цепь коллектора полностью изолирована от командного пункта транзистора, эмиттерного перехода. Маленькое изменение тока при большом изменении напряжения как раз и означает высокое дифференциальное сопротивление.

Отметим, что схема с общей базой не инвертирует сигнал. В схеме с общим эмиттером, когда напряжение на базе растёт, на коллекторе оно падает, т.е. сигнал поворачивается на 180 градусов. В схеме с общей базой такого не происходит, вход и выход находятся в фазе.

Важное преимущество схемы с общей базой — она лучше работает на высоких частотах, поскольку в ней практически к нулю сведён так называемый эффект Миллера. Остановимся на нём чуть подробнее

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h_21e и f_Т (или f_h21b). Зная параметр транзистора h_21e для заданного режима покоя I_E, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |K_i| — коэффициент усиления тока транзистора, Z_ВХ — входное сопротивление транзистора:

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h_21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h_21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки R_H и велико (почти в h_21e раз больше R_H), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала R_Г и мало (почти в h_21e раз меньше R_Г). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором обычно применяется для получения высокого
входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с
общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора
с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема
включения биполярного транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления
схемы включения биполярного транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с
общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления резистора в цепи эмиттера, поэтому
входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения
транзистора.

Амплитудно-частотная характеристика схемы включения биполярного транзистора с общим коллектором достаточно широкополосна.
Однако полоса пропускания усилителя может быть серьёзно ограничена из-за шунтирования высокого входного сопротивления схемы
с общим коллектором паразитными емкостями, поэтому в основном схема с общим коллектором применяется в качестве буферного
усилителя с высоким входным сопротивлением. Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики
высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты.