Основные схемы включения транзисторов

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительных или иных каскадах. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Схема с общим эмиттером (ОЭ), изображенная на рис. 4.4, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 4.4. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ)

 

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отно­шение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного перемен­ных токов, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

= I_{вых m} /I_{вх m} = I_{К m} /I_{Б m .} (4.10)

Поскольку ток коллектора в схеме ОЭ в десятки и сотни раз больше тока базы, то составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ харак­теризует статический коэф­фициент усиления по току для схемы ОЭ, обозначаемый β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (R_К = 0), т. е. при постоянном напря­жении участка коллектор — эмиттер:

β =∆ I_К /∆ I_Б при U_КЭ = const. (4.11)

Коэффициент β бывает равным десяткам и даже сотням, а реальный коэф­фициент усиления по току каскада всегда меньше, чем β, так как при вклю­чении нагрузки R_К ток I_К уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменных напряжений:

= U_{вых m} / U_{вх m} = U_{Rк m} / U_{БЭ m} = U_{КЭ m} / U_{БЭ m}. (4.12)

Напряжение база — эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Е_К достигает единиц или десятков вольт. Поэтому имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности полу­чается равным сотням или тысячам:

= P_вых / P_вх = I_{вых m} U_{вых m} / (I _{вх m} U_{вх m})= . (4.13)

Важной величиной, характеризующей транзистор, является его входное сопро­тивление . Для схемы ОЭ:

= U_{вх m} / I_{вх m} = U_{БЭ m} / I_{Б m} (4.14)

и составляет от сотен ом до единиц килоом.

Это вытекает из того, что при U_БЭm, равном десятым долям вольта, ток 1_Бm транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера. Например, если U_{БЭ m} = 200 мВ, а 1_Бm = 0,4 мА, то = 500 Ом. Как видно, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это является существенным недостатком биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ составляет десятки килоом.

Каскад ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжениями существует фазовый сдвиг 180°.

Достоинством схемы ОЭ является удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатками данной схемы по сравнению со схемой ОБ являются худшие частотные и температурные свойства.

Схема с общей базой (ОБ). Хотя эта схема (рис. 4.5) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Рис. 4.5. Включение транзистора по схеме с общей базой

 

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

= I_Кm /I_Эm < 1, (4.15)

так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Важнейшим параметром транзисторов является статический коэффициент передачи тока эмиттера, для схемы ОБ обозначаемый α. Он определяется для режима без нагрузки (R_К = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор — база:

α = ∆I_К /∆I_Э при U_КБ = const. (4.16)

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

= U_КБm / U_ЭБm, (4.17)

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Поскольку коэффициент усиления по мощ­ности равен произведению , a ≈ 1, то примерно равен , т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ:

= U_ЭБm / I_Эm = /(β+1), (4.18)

оно получается в десятки и сотни раз меньше, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Схема с общим коллектором (ОК). Вэтой схеме (рис. 4.6) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники пита­ния E_Б и Е_К всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется сильная отрицательная обратная связь.

Рис. 4.6. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

 

Входное напряжение равно сумме переменного напряжения база — эмиттер U_БЭ и выходного напряжения:

U_вх = U_БЭ + U_вых. (4.19)

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам или сотням. Действительно:

= I_Эm /I_Бm = (I_Кm + I_Бm)/ I_Бm = I_Кm / I_Бm + 1= +1 ≈ β+1, (4.20)

а отношение I_Кm /I_Бm есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Зато коэффициент передачи по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее:

= U_выхm / U_вхm = U_выхm /(U_БЭm + U_выхm) < 1. (4.21)

Напряжение U_БЭm не более десятых долей вольта, а U_выхm при этом со­ставляет единицы вольт, т. е. U_БЭm «U_выхm. Следовательно, ≈ 1. Выходное напряжение по фазе повторяет входное. Поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем.

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет сотни килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно:

= U_вхm / I_вхm = (U_БЭm + U_выхm)/ I_Бm = + (β+1)R_Э . (4.22)

Отношение U_БЭm /I_Бm есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как U_выхm в десятки раз больше U_Бm, то и в десятки и сотни раз превышает входное сопро­тивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно десятки или сотни ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения тран­зисторов сведены в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1.

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
КI	Десятки — сотни	Немного меньше еди­ницы	Десятки —сотни
КU	Десятки —сотни	Десятки — сотни	Немного меньше единицы
КP	Сотни —тысячи	Десятки — сотни	Десятки —сотни
Rвх	Сотни ом — единицы килоом	Единицы — десятки ом	Сотни килоом
Rвых	Десятки килоом	Сотни килоом — едини­цы мегаом	Десятки — сотни ом
Фазовый сдвиг между Uвых и Uвх	180°