Исследование одиночных усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1 Исследование однокаскадных усилителей на биполярных и полевых транзисторах.

2 Исследование и сравнение различных схем включения транзисторов.

 

 

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Биполярный транзистор

 

Принцип работы и статические характеристики биполярного транзистора. Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами, предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов. Он имеет 3 области: эмиттер (Э), коллектор (К) и базу (Б). Различают два типа транзисторов: p-n-p (рис.24,а) и n-p-n (рис.24,б).

 

 

а) б)

Рис.24

 

Ниже рассматривается проводимость p-n-p транзистора (рис.25). Постоянные напряжения источников подаются на переход эммитер–база в прямом (проводящем) направлении (10…30 В), на переход коллектор–база в обратном (запирающем) направлении (0,1…0,5 В).

 

Рис. 25

При отключении источника свободные носители зарядов (электроны и дырки) перемещаются в p-n– переходах из одной области в другую вследствие диффузии. Дырки эмиттера переходят в базу, а электроны базы – в эмиттер, образуя диффузионный ток I_диф. В результате этого движения зарядов на границе p и n областей образуются объемные заряды, создающие потенциальный барьер (рис.25б, кривая 1), препятствующий движению основных носителей зарядов – дырок эмиттера в базу, электронов базы в эмиттер. Однако потенциальный барьер не препятствует движению неосновных носителей, образующих дрейфовый ток I_др. Диффузионный и дрейфовый токи создают два равных потока зарядов:

I_диф + I_др = 0, (1)

в результате чего ток в каждом p-n переходе равен 0.

При подключении источников уменьшается потенциальный барьер в переходе эмиттер – база (рис.25б, кривая 2). Дырки эмиттера преодолевают потенциальный барьер и попадают в область базы, создавая ток эмиттера I_э. В области базы небольшая часть дырок рекомбинирует со свободными электронами базы (так как концентрация электронов базы мала), образуя малый ток базы I_б. Большая часть дырок вследствие диффузии и ускоряющего поля коллектора достигают области коллектора в виде тока коллектора I_к. Токи прибора связаны соотношением:

I_э = I_б + I_к. (2)

 

Для анализа работы транзисторов используют статические характеристики. На рис.26 показаны семейства входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.27). Входные характеристики представляют зависимости I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const (рис.26а); выходные – I_к = f(U_кэ) при I_б = const (рис.26б). Входные кривые при изменении напряжения на коллекторе U_кэ в широких пределах изменяются незначительно, поэтому обычно пользуются одной кривой I_б = f(U_бэ), соответствующей среднему значению U_кэ.

 

а) б)

Рис.26

 

Схема включения транзистора. Транзистор включается по трем схемам в зависимости от того, какой электрод является общим (по переменному току) для входной и выходной цепей усилителя: с общим эмиттером (рис.27), с общей базой (рис.28), с общим коллектором (рис.29). Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая рядом преимуществ.

Рис. 27 Рис. 28 Рис.29

 

В таблице 9 сопоставлены параметры усилителей с различными схемами включения транзисторов.

 

Таблица 9

Параметр	Схема включения
С общей базой	С общим эмиттером	С общим коллектором
Входное сопротивление Выходное сопротивление Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по мощности	50÷100 Ом 0,1÷0,5 МОм   30÷400   ≈ 1   30÷400	200÷2000 Ом 30÷70 кОм   30÷1000   10÷200   3000÷30000	10÷500 кОм 50÷100 Ом   ≈ 1   10÷200   10÷200

Усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером. Принципиальная схема усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером приведена на рис.30. Источник переменной э.д.с. e_вх с внутренним сопротивлением R_вн создает на входе схемы входное напряжение U_вх. Усиленное выходное напряжение U_вых снимается с сопротивления нагрузки R_н. При этом выходная мощность усилительного каскада значительно больше входной мощности источника питания E_к.

 

 

Рис.30

 

На рис.31 дан графический анализ работы усилительного каскада в режиме холостого хода (сопротивление нагрузки R_н отключено).

– По цепи базы (+Е_к, резистор R_б, участок база–эмиттер транзистора, земля ) течет ток базы I_б0 и создает положительное напряжение смещения базы относительно эмиттера U_б0, равное:

U_б0 = Е_к – R_к I_б0. (3)

 

Рис. 31

 

– По цепи коллектора (+Е_к, резистор R_к, участок коллектор–эмиттер транзистора, ) течет ток базы I_к0 и создает положительное напряжение смещения коллектора относительно эмиттера U_к0, равное:

U_к0 = Е_к – R_к I_к0. (4)

Величины I_{б0 ,} U_{б0 ,} I_{к0 ,} U_к0 задают режим постоянных токов и напряжений входной и выходной цепей усилителя. На рис.31 это рабочие точки А2 и А3.

Для создания в дальнейшем линейного режима усиления каскада положения рабочих точек по постоянному току А2 и А3 находят следующим образом:

- на выходных характеристиках I_к = f(U_кэ) при I_б = const (рис.31) строят линию сопротивления R_к, используя формулу (4), согласно которой ток I_к равен:

; (5)

 

 

 

Рис. 32

Из формулы (5) следует, что линия R_к проходит через 2 точки на осях: точка B имеет координаты U_к = 0, ; точка С – U_к = Е_к, I_к = 0;

- по точкам пересечения линии R_к c выходными характеристиками строят переходную характеристику I_к = f(I_б);

- затем в середине линейного участка переходной характеристики отмечают рабочую точку А1, которой соответствуют рабочие точки входной цепи (А2: I_б0, U_б0) и выходной (А3: I_к0, U_к0).

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_вх возникает переменная составляющая тока базы i_б, которая приводит к возникновению переменных составляющих тока коллектора i_к и напряжения на коллекторе U_к. Переменное напряжение на коллекторе является выходным усиленным напряжением.

На рис. 32 показаны временные диаграммы токов и напряжений в усилителе на транзисторе (рис.30) в режиме покоя () и в режиме усиления (t > t ₁).

 

При расчете режимов работы усилителя необходимо использовать данные предельно допустимых значений токов, напряжений, мощностей, частоты, а именно:

а) для предотвращения перегрева коллекторного перехода мощность, выделяемая на коллекторе должна быть меньше максимально допустимой мощности P_kmax:

P_k = U_к I_к < P_kmax; (6)

б) для предотвращения пробоя закрытого коллекторного перехода напряжение коллектора U_к должно меньше максимально допустимого напряжения U_kmax:

U_к < U_kmax; (7)

в) для предотвращения перегрева эмиттерного перехода ток эмиттера должен быть меньше максимально допустимого:

I_э < U_эmax; (8)

г) частота входного напряжения должна быть меньше граничной частоты f_гр, при которой коэффициент передачи по току уменьшается до единицы:

f < f_гр. (9)

 

Схема замещения транзистора (для переменных токов и напряжений малой амплитуды). Из анализа работы усилителя на транзисторе (рис.30) видно, что под действием входного переменного напряжения u_вх = U_mвхsinωt входные величины u_б, i_б получают приращения ∆ u_б, ∆ i_б, вызывающие изменения выходных величин:

 

u_б = U_б0 ± Δ u_б; i_б = I_б0 ± Δ i_б;

(10)

u_к = U_к0 ± Δ u_к; i_к = I_к0 ± Δ i_к.

При этом максимальные приращения равны амплитудам переменных составляющих:

u_б = U_б0 ± ∆ U_m0; i_б = I_б0 ± ∆ I_mб;

(11)

u_к = U_к0 ± ∆ U_mк; i_к = I_к0 ± ∆ I_mк.

Если входное напряжение имеет малую амплитуду, то приращения указанных величин также малы, и работа транзистора проходит на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае транзистор может быть представлен в виде линейного четырехполюсника. Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, справедливы также уравнения для малых конечных приращений напряжений и токов: в окрестностях рабочих точек на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.34):

∆ U_б = h₁₁ ∆ I_б + h₁₂ ∆ U_k;

(12)

∆ I_k = h₂₁ ∆ I_б + h₂₂ ∆ U_k,

где при U_кэ = U_кэ0 – входное сопротивление транзистора в Омах; (13)

при U_кэ = U_кэ0 – коэффициент усиления по току; (14)

при I_б = I_б0 – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению; (15)

при I_б = I_б0 – выходная проводимость транзистора в сименсах. (16)

Так как напряжение базы мало зависит от напряжения коллектора U_к, то коэффициент h₁₂ .

На рис.33 изображена схема замещения транзистора, соответствующая уравнениям (12).

h – параметры транзистора можно определить по семействам входных и выходных характеристик. h – параметры хорошо описывают работу транзистора в области низких частот. При работе на высоких частотах коэффициент усиления по току h₂₁ уменьшается из-за инерционности носителей заряда. Кроме того, на повышенных частотах сказывается влияние межэлектродной емкости p-n – перехода коллектор-база.

 

Рис.33

 

Графоаналитический метод расчета параметров усилительного каскада на транзисторе. Существует несколько методов расчета основных параметров, характеризующих работу усилителя: коэффициентов усиления по напряжению K_U, току K_I и мощности K_Р, входного R_вх и выходного R_вых сопротивлений. Наиболее простым является графоаналитический метод, при котором выбор рабочей точки производится графически, а для расчета других параметров пользуются h – параметрами транзистора.

Этот метод рассматривается на примере усилителя на транзисторе по схеме с общим эмиттером (рис.30).

Последовательность анализа работы усилителя указанным методом состоит в следующем:

- сначала графически находят положения рабочих точек по постоянному току входной и выходной цепей (рис.34);

а) б)

Рис.34

 

- указание: если величина сопротивления R_к неизвестна, то линию R_к проводят вблизи точек перегиба кривых I_к = f(U_кэ)| I_б = const так, чтобы она не выходила за пределы рабочей области транзистора и при этом обеспечивала линейность и максимальную крутизну переходной характеристики I_к = f(I_б); кроме того, величина должна быть меньше предельно допустимого значения I_{к max};

- величина сопротивления R_б, обеспечивающее необходимое напряжение смещения базы относительно эмиттера U_б0 и ток базы I_б0 рассчитывается по формуле:

; (17)

- емкость С ₁ разделяет по постоянному току цепь базы и цепь источника усиливаемого напряжения e_вх, R_вн, так как ток покоя базы I_б0 и напряжение U_б0 не зависят от параметра источника R_вн, иначе это приведет к смещению рабочей точки А2 и к появлению искаженной формы усиливаемого напряжения; сопротивление X_{С 1} находят так:

, где R_вх – входное сопротивление усилителя для переменного тока; (18)

- емкость C ₂ разделяет по постоянному току цепь коллектора и нагрузку R_н, которая не должна влиять на режим покоя цепи коллектора – U_к0, I_к0; кроме того, напряжение нагрузки U_вых должно быть переменным:

, где R_вых – выходное сопротивление усилителя для переменного тока; (19)

- после того, как определены рабочие точки по постоянному току входной цепи (U_б0, I_б0) и выходной цепи (U_к0, I_к0), находят h – параметры транзистора по приращениям токов и напряжений указанных рабочих точек (рис.34):

(рис. 11а); (рис. 11б);

(рис.11б); h₁₂ = 0;

- затем составляют схему замещения усилителя с использованием h – параметров транзистора (рис.35); эта схема справедлива для переменных составляющих токов и напряжений, имеющих малые амплитуды; на рис.35 обозначены их действующие значения;

 

Рис. 35

 

- по схеме замещения усилителя находят его основные параметры:

К_Uxx – коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода (нагрузка R_н отключена):

; h ₂₂ R_k << 1; (20)

К_U – коэффициент усиления по напряжению при работе на нагрузку R_н:

; (21)

K_I – коэффициент усиления по току при нагрузке R_н:

; (22)

K_Р – коэффициент усиления по мощности:

K_Р =K_UK_I; (23)

R_вх – входное сопротивление усилительного каскада:

; (24)

R_вых – выходное сопротивление:

; (25)

Примечание: с учетом внутреннего сопротивления источника усиливаемого напряжения R_вн формулы для коэффициента усиления K_U принимают следующий вид:

; (26)

. (27)

При подаче на вход усилительного каскада переменного напря­жения U_вх возникает переменный ток базы i_б,который в соответ­ствии с переходной характеристикой приводит к возникновению пе­ременного тока коллектора i_к. Ток коллектора создает на резисторе R_к падение напряжения, которое является выходным. Важнейшая характеристика усилительного каскада – коэффициент усиления по напряжению К_U=U_вых/U_вх. Так как предел измерения выходного напряжения порядка единиц вольт, а входное напряжение измеряется в милливольтах (рис. 31), то коэффициент усиления может достигать сотен единиц.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за предел линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. Для оценки допустимого диапазона изменения вход­ных напряжений используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от входного (рис.36). Линейный участок амплитудной характеристики позволяет определять диапазон входных напряжений, при которых отсутствуют нелинейные искажения.

 

Рис. 36

 

Усилительный каскад с температурной стабилизацией параметров транзистора. Существенным недостатком биполярного транзистора является зависимость его от температуры. При повышении температуры увеличивается ток коллектора за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторной (выходной) характеристики транзистора и к смещению рабочей точки. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нарушить работу усилителя.

Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор R_э (рис. 37).

 

 

Рис. 37

 

Для создания напряжения смещения базы U_{б 0} в схему включен делитель напряжения R ₁, R _2. При этом постоянное напряжение на базе равно:

; (28)

Повышение температуры приводит к увеличению тока эмиттера I_{э 0} и напряжения R_эI_{э 0}. Это вызывает уменьшение напряжения базы U_{б 0} и тока базы I_{б 0}, что, в соответствии с переходной характеристикой, приводит к уменьшению тока коллектора I_{к 0}. Итак, при изменении температуры ток I_{к 0} поддерживается постоянным.

Однако введение в схему резистора R_э изменяет работу усилительного каскада в режиме усиления – при подаче на вход переменного усиливаемого напряжения U_вх.

Переменная составляющая ток эмиттера i_э~ создает на резисторе R_э переменное напряжение R_эi_э~, действующее в противофазе по отношению к входному напряжению U_вх. Это уменьшает напряжение на базе:

U_в~ = U_вх - R_эi_э~ (29)

 

и, следовательно, уменьшает коэффициент усиления каскада. Для устранения этого явления, называемого отрицательной обратной связью, включают емкость С_э параллельно R_э. Величину емкости берут такой, чтобы сопротивление было много меньше R_э, при этом напряжение R_эi_э~ ≈ 0 и напряжение на базе равно входному напряжению:

 

U_в~ ≈ U_вх. (30)

 

Усилительный каскад с общим коллектором. Широкое применение находит усилительный каскад на транзисторе, соединенном по схеме с общим коллектором. Каскад имеет сильно выраженную отрицательную обратную связь по напряжению (рис. 38).

Рис. 38

Выходное напряжение практически равно входному:

U_вх = U_вых, (31)

так как U_вх= U_вых + U_в~, но U_вых >> U_в~. При этом одинаковы фазы входного и выходного напряжений. Поэтому данный каскад называют эмиттерным повторителем. На рис. 39 показаны временные диаграммы U_вх(t), i_э(t), U_вых(t).

 

 

Рис. 39

 

С помощью схемы замещения данного каскада (рис. 40) находят его параметры K_U, K_I, R_{вх ,} R_вых.

 

 

Рис. 40

 

Так, коэффициент передачи по напряжению равен:

(0,9…0,99); (32)

коэффициент передачи (усиления) по току:

(составляет десятки ед.); (33)

входное сопротивление:

(10³…10⁵ Ом – велико); (34)

выходное сопротивление:

(составляет десятки Ом – мало). (35)

Основное назначение эмиттерного повторителя – согласование высокоомного выходного сопротивления усилительного каскада R_{вых ус} с

низкоомным сопротивлением нагрузки R_н (рис. 41).

 

 

Рис. 41

Полевой транзистор

Полевой транзистор с p-n переходом в области затвора и его работа. Полевой транзистор – это полупроводниковый триод; он состоит из пластин полупроводника р– типа или n– типа, образующих канал, и имеет 3 электрода:

исток (и) – источник основных носителей заряда;

сток (с) – сток основных носителей заряда;

затвор (з) – управляющий электрод.

На рис. 42 даны обозначения полевого транзистора с каналом n– типа (рис. 42а) и каналом p– типа (рис. 42б).

 

 

а) б)

Рис. 42

 

На рис. 43 показан транзистор с каналом n– типа:

 

 

Рис. 43

 

Из рисунка видно, что исток заземлен, сток подключен к «+» источника E_c. ЭДС E_c создает в канале продольное электрическое поле, воздействующее на электроны канала. Электроны, перемещаясь в направлении от источника к стоку, образуют ток стока I_c. Вблизи затвора создана область полупроводника с другим типом проводимости (p– тип). Источник ЭДС E_з создает в канале поперечное электрическое поле, закрывающее p-n– переход (на p-n– переход действует обратное напряжение). В результате этого вблизи затвора образуется слой, обедненный основными носителями заряда – электронами. Ширина слоя увеличивается по мере приближения к стоку, так как в этом направлении увеличивается потенциал поля в канале. Этот слой уменьшает сечение канала, вызывая увеличение сопротивления току стока I_c. При подключении к затвору источника входного переменного напряжения U_вх изменяется величина обратного напряжения p-n – перехода и, следовательно, изменяется ширина канала, влияющая на величину тока I_c и на величину выходного напряжения U_вых = U_cu.

Статические характеристики полевого транзистора (схема с общим истоком). На рис. 44,а приводится входная характеристика, представляющая собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n–перехода. На рис. 44,б даны выходные (стоковые) характеристики I_с = f(U_сu) при U_зu = const. На них различают крутую область 1, пологую (область насыщения) 2 и область пробоя 3.

 

Рис. 44

На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напряжений – на стоке и на затворе, а на пологих участках – функцией только напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров. При определенном напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения (U_{си нас}), плотность заряда электронов у стока становится очень малой – происходит перекрытие канала. Напряжение затвор-исток, при котором толщина канала уменьшается до нуля, называют пороговым напряжением. В этот момент прекращается прирост тока стока, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения на стоке. При этом:

. (36)

Это выражение является уравнением границы между крутой и пологой областями ВАХ (пунктирная линия на рис. 44,б).

Помимо стоковых широко используются стокозатворные (передаточные) характеристики I_с = f(U_зu) при U_сu = const ≥ U_{си нас} (рис. 44,в). Стокозатворная характеристика позволяет выбрать режим транзистора по постоянному току, оценить усилительные свойства транзистора, выяснить характер и оценить уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Анализ стокозатворных ВАХ полевого канального транзистора показывает, что такие транзисторы работают строго при одной полярности напряжения на затворе: если произойдет смена полярности на затворе, то p-n-переход перейдет в прямосмещенное состояние, транзистор перестанет быть униполярным, так как начнется инжекция неосновных носителей в канал. Кроме того, сопротивление входной цепи резко уменьшится, во входной цепи может потечь недопустимо большой ток, что приведет к гибели транзистора. Таким образом, полевой канальный транзистор работает только в режиме обеднения канала.

 

Схемы включения полевого транзистора. Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор (рис. 45); с общим затвором и входом на исток (рис. 46); с общим стоком и входом на затвор – истоковый повторитель (рис. 47).

Схема включения транзистора с общим затвором в реальной практике не получила распространения. Наиболее часто используется схема с общим истоком.

Рис. 45 Рис. 46 Рис. 47

 

Усилитель на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. На рис. 48 дана основная схема усилителя мощности на полевом канальном транзисторе с ОИ.

 

 

Рис. 48

 

Эта схема - лучший усилитель мощности, так как она усиливает и по току и по напряжению.

; (37)

; (38)

. (39)

Кроме того, схему с ОИ можно использовать в качестве фазоинвертора: фазу входного сигнала схема с ОИ на выходе меняет на противоположную (рис. 49).

 

 

Рис. 49

 

Назначение элементов схемы усилителя:

- с помощью резистора в цепи стока R_c создается переменное напряжение на выходе;

- на резисторе в цепи истока R_u создается необходимое постоянное напряжение U_{зu 0}, запирающее p-n– переход в области затвора;

- с помощью резистора R_з (10⁵…10⁶) Ом подается отрицательное напряжение U_{зu 0} на затвор;

- емкости С ₁ и С ₂ разделяют цепи постоянного и переменного тока на входе и выходе усилителя.

 

Усилитель на полевом транзисторе по схеме с общим стоком. На рис. 50 приведена схема на полевом транзисторе со стопроцентной обратной связью по току - истоковый повторитель.

Усиления по напряжению в схеме нет: напряжение на выходе меньше входного; коэффициент передачи напряжения в истоковом повторителе со входа на выход еще меньше, чем в эмиттерном повторителе (0,5-0,7):

. (40)

Не усиливая по напряжению, схема истокового повторителя хорошо усиливает по току, поэтому она может быть использована в качестве усилителя мощности.

 

 

Рис. 50

Главным достоинством схемы с ОС является ее высокое входное сопротивление, которое объясняется тем, что в схеме усилителя действует 100-процентная отрицательная обратная связь по переменной составляющей тока. Имея большое входное и малое выходное сопротивления, схема истокового повторителя широко применяется для согласования высокоомной нагрузки с низкоомной, например, во входных цепях измерительных вольтметров, осциллографов.

 

Сравнивая полевой (канальный) транзистор с биполярным, следует отметить, что:

- входное сопротивление полевого транзистора велико, так как входной ток прибора является обратным током p-n– перехода и это является преимуществом полевого транзистора;

- выходное сопротивление полевого транзистора велико, что уменьшает величину коэффициента усиления по напряжению;

- низкий уровень шумов отличает полевой транзистор от биполярного, так как ток прибора обусловлен движением основных носителей заряда, мало зависящим от температуры.