Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Наиболее распространены в применении транзисторы n-p-n типа, так как они обладают рядом преимуществ. В схемах биполярные транзисторы изображаются следующим образом:

 

Рисунок 6 –Схемное изображение транзисторов.

 

Индексом "б" обозначен базовый вход, "к" обозначает контакт с коллектором, а "э" – эмиттер. Направление стрелки у эмиттера является отличительным признаком типа транзистора (п-р-п или р-п-р) и указывает направление тока эмиттерного перехода. Тогда, коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, а коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. Токи и напряжения на электродах транзисторов p-n-p и n-p-n проводимостей представлены на рисунке 7.

 

 

Рисунок 7 – Токи и напряжения в транзисторах разной проводимости

 

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора, а именно, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (см. рис. 8).

а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.

Рисунок 8 – Существующие схемы включения транзисторов

 

Основные сравнительные технические параметры различных схем включения транзистора приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Технические параметры схем включения транзистора

 

	rвх	rвых	Ku	Ki	Kp	Замечания
ОЭ	среднее	высокое	Большое	Большое	Очень большое	Часто использ.
ОК	очень большое	очень низкое		Большое	Большое	Не часто использ.
ОБ	малое	очень высокое	Большое		Большое	Редко использ.

Наиболее общим и наглядным часто применяющимся показателем свойств транзистора, являются экспериментально снятые статические вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходе при Rн=0. Эти характеристики являются для каждого типа транзистора уникальными и приводятся в его заводских паспортных данных, а также их можно найти в справочниках по полупроводниковым приборам [3,4]. Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики. На практике наиболее часто используют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При подобном включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом является коллектор. На рис.9 приведена принципиальная схема лабораторной установки для определения вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, который поддерживает необходимый ток базы. Величина тока базы I_б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U_бэ измеряется вольтметром, который подключается к предусмотренным для этих целей выводам (Uбэ). Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е_к.

 

 

Рисунок 9 –Лабораторная установка измерения ВАХ транзистора

 

Напряжение коллектора U_кэ измеряется с помощью вольтметра, подключаемого к вывода (Uк). Для измерения коллекторного тока I_к служит миллиамперметр РА2. Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =f₁(I_б) при заданном напряжении U_кэ. В цепи коллектора может протекать неуправляемый тепловой ток. При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и появляется только при U_кэ>0, при этом он направлен навстречу току I_б , как это показано на рисунке 10.

Рисунок 10 –Схема распределения температурных токов транзистора

 

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I_к =f₂(U_кэ)при заданном токе I_б. Если U_бэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) условного транзистора в статическом режиме приведены на рисунке 11.

б)-входные вольт-амперные характеристики транзистора;

в)- выходные вольт-амперные характеристики транзистора.

Рисунок 11 – Входные и выходные ВАХ транзистора.

 

Как видно из входной ВАХ (см.рис. 11-б), транзистор по входу обладает некоторой зоной нечувствительности до определенного напряжения Uбэ, т.е, не обладает усилительными свойствами. У германиевых транзисторов это напряжение меньше, чем у кремниевых и принято считать, что оно составляет 0.3-05 В, а у кремниевых лежит в пределах 0.6-0.9 В (в дальнейшем будем считать равным 0.7В)..

Основным параметром транзистора, как усилительного элемента, для схемы включения с ОЭ в статическом режиме является коэффициент усиления тока базы h_21э:

h_21э=β = I_к / I_б, при U_кэ= const (1)

В справочнике на это специально обращают внимание, указывая, что этот параметр дан для статического режима. У большинства транзисторов величина h_21э лежит в интервале значений h_21э =10 -200.

Параметр h_21э относится к h – параметрам (параметр четырехполюсника)_. В справочниках приводятся еще некоторые h – параметры такие как:

- h _11э - входное дифференциальное сопротивление транзистора, которое определяется из выражения h _11э = Δ U_бэ / Δ I_б, U_кэ=const;

- h_22э - выходная дифференциальная проводимость h_22э = Δ I_к / Δ U_кэ, I_б= const

Эти два параметра относятся к динамическим параметрам.

Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10 ^-4 -10^-5.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R_к, напряжение на коллекторе будет уменьшаться при больших токах коллектора и может достичь нуля. Связь между коллекторным током I_к и напряжением на коллекторе U_к выражается уравнением нагрузочной прямой, которая имеет следующий вид:

I_к=(Е_к - U_к)/R_к (2)

Графически нагрузочная прямая на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис 11-в) пересекается с осями координат в следующих точках: на горизонтальной оси напряжения между коллектором и эмиттером (Uкэ) в точке Ек, когда Iк = 0 и на вертикальной оси коллекторного тока (Iк) в точкеЕк/ Rк, когда транзистор находится в режиме насыщения, можно считать, что транзистор короткозамкнут.

Приведенные графические построения и расчеты используются при проектировании различных усилительных схем на биполярных транзисторах.