Коэффициент усиления транзистора по току: Коэффициент усиления транзистора

Универсальный «бетник» на TL431. Прибор для определения коэффициента усиления по току биполярных транзисторов Датагорцам большой привет!
В моей первой местной статье описано устройство, позволяющее определять коэффициент усиления по току биполярных транзисторов различной мощности обеих структур при значениях тока эмиттера от 2 мА до 950 мА.

На определенном этапе постижения темы усилителестроения я понял, что от двухтактных схем усилителей невозможно добиться высокого качества воспроизведения без тщательного подбора транзисторов в пары. Двухтакт изначально предполагает некую степень симметрии плеч, а, следовательно, ставить транзисторы в макет усилителя стоит только после того, как стало известно, какие параметры имеют транзисторы, которые вы держите в руках.

Это был отправной момент. Помимо этого, авторы многих схем выдвигают требования к параметрам устанавливаемых в схему транзисторов, в частности к их способности усиливать сигнал.
И, наконец, интересовала проблема выбора оптимального начального тока транзистора, чтобы поставить прибор в режим, обеспечивающий максимальную линейность его работы.
Собственно встал вопрос, какие параметры и чем измерять?

Содержание / Contents

В современных изданиях в качестве оценки способности транзисторов усиливать сигнал часто используется статический коэффициент передачи тока h31э.
Далее, покопавшись в своих закромах, я обнаружил транзисторы, завернутые в пожелтевшие бумажки, на которых было написаны значения α (алфа) и β (бета), измеренные в далеких восьмидесятых на аналоговом лабораторном приборе.
В результате чтения литературы и интернет-изданий я отождествил в своем сознании современное h31э и близкое сердцу по молодости β («бета»). Если это не совсем корректно, то пусть меня поправят.

Cтал понятным сленговый термин «бетник», которым до сих пор отдельные разработчики называют прибор для измерения коэффициента усиления транзисторов по току.

С учетом того, что статья написана не для профессионалов, я сошлюсь на популярную советскую книжку Р. А. Свореня, где введено понятие коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером, которое можно рассчитывать в приращениях:

ΔIэ – приращение тока эмиттера,
ΔIб – приращение тока базы.
Тут же указано, что с допустимой погрешностью коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером можно определить, как:
β=Iэ/Iб, где Iэ – ток эмиттера, Iб – ток базы.

В результате измерений, проанализировав полученные числовые значения и графики, я думаю, что уяснил, в чём разница между бета в приращениях (βпр) и просто β.
Для вычисления beta в классике предлагается поддерживать постоянное напряжение Ukэ и, меняя напряжение на базе Uбэ, измерять токи базы Iб и эмиттера Iэ (для βпр – малые приращения этих токов). Собственно это и реализует описываемая ниже конструкция.

Рис. 1 Исходная схема «бетника»
Я изучил много вариантов в Сети. Понравилась статья из «РадиоГазеты», в которой автор писал, что представляемый им «бетник» позволяет измерять коэффициент передачи тока базы маломощных и мощных биполярных транзисторов «p-n-p» и «n-p-n» структуры путём измерения тока базы при фиксированном токе эмиттера.

Схема привлекла своей простотой и логичностью. Несколько забегая вперед, сообщу, что идея осталась неизменной, а вот реализация потребовала правок.

Но сначала рассмотрим, как устройство работает. Схема (рис.1) питается от стабилизированного источника питания 12 Вольт. Переключателем S3 выбирается тип испытуемого транзистора: в верхнем положении «n-p-n», в нижнем «p-n-p». При этом с испытуемым «n-p-n» транзистором образуется схема Дарлингтона, а с транзистором «p-n-p» схема Шикалаи.

Переключателями S1 и S2 к референсному выводу TL431 подключаются различные референсные резисторы. TL431 «стремится» установить на подключенном резисторе напряжение примерно 2,5 Вольта, открывая получившийся составной транзистор в нужной степени для обеспечения необходимого тока через референсный резистор, чем и устанавливается ток через подключенный последовательно с резистором испытуемый транзистор.

В основном ток через транзистор будет определяться омическим сопротивлением резистора и не будет зависеть от параметров испытуемого транзистора.

Подключая различные резисторы, мы автоматически устанавливаем фиксированные токи эмиттера любого подключенного транзистора. Испытуемые транзисторы при этом всегда находятся под одинаковым напряжением Uкэ, равным напряжению питания схемы (12,2 В стабилизированного напряжения) минус 2,5 Вольта, то есть под напряжением 9,7 Вольта.

Дело в шляпе! Осталось измерить ток базы и выполнить расчеты (например, в Excel).

Однако приведённые выкладки столкнулись с жестокой реальностью. Как и все простые схемы, устройство потребовало трепетного отношения к деталям. При изготовлении первого образца печатной платы последовал провал, в результате чего плата отправилась в мусор.

Что произошло? В устройстве (по рекомендации автора схемы бетника) были применены переключатели П2К «из тумбочки». Автор схемы не привёл требований к параметрам цепи, подключаемой в цепь базы измеряемого транзистора. В цепь базы был включен прибор РВ7-22 в режиме миллиамперметра на пределе 0,2 мА. В итоге микросхеме TL431 не «удавалось» открыть Дарлингтон до нужного тока и напряжение на референсном резисторе заметно не достигало 2,5 Вольта.

В процессе опытов «с белыми мышами» пришло понимание, что внутреннее сопротивление прибора (шунта), подключаемого в цепь базы, должно быть минимальным, иначе цепь регулирования загрубляется.

После того, как в цепь базы был включен шунт 0,5 Ом (с параллельным включением милливольтметра), схема заработала, но падение напряжения на двух последовательно включенных переключателях П2К (S1и S2) было заметным.
Неприятно, что в разных положениях переключателей падение напряжения на контактах заметно различалось. Помимо этого падение напряжения на переключателях было нестабильным, то есть менялось от измерения к измерению.

Схема оказалась очень чувствительной к взаимному расположению TL431 и транзистора КТ3102 на плате. Справедливости ради следует сказать, что автор изготавливать печатную плату не советовал.

Кроме применения печатного способа монтажа, я невольно сделал ошибку: изначально расположил TL431 и транзистор КТ3102 на плате на расстоянии примерно 80 мм. Схема отказывалась выходить на 2,5 Вольта на референсных резисторах.

Вот тебе и «попроще», вот тебе и «понадежнее». Вся красота схемы померкла. В этот момент, можно было выбрать другую схему, но тут уж меня «заклинило».

Я сделал следующее:
• переразвёл плату, расположив TL431 и транзистор КТ3102 «впритык» и максимально увеличив ширину токоведущих проводников. Впоследствии этого оказалось недостаточно и пришлось на плату в отдельных местах положить несколько миллиметров припоя;
• применил галетные переключатели ПГК, каждый из которых имел по две галеты. Это позволило все контактные группы запараллелить, тем самым увеличив надежность переключения и снизив переходное сопротивление в месте контакта;
• отказался от последовательного включения переключателей в схеме подключения референсных резисторов. Просто поставил галетный переключатель ПГК с нужным количеством положений
• добавил предел измерения мощных транзисторов на токе эмиттера примерно 1 А.Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.
Отдельной темой явилось определение набора значений токов, необходимых для обеспечения измерений применительно к транзисторам различной мощности. В результате размышлений и чтения справочников образовалась шкала, показанная в Таблице 1.

Таблица1
Мне кажется, что выбранных номиналов токов эмиттера достаточно для контроля всех типов транзисторов. С учетом того, что я поставил перед собой задачу измерения мощных транзисторов на токе примерно 1 А, пришлось установить более мощный по сравнению с исходной схемой блок питания, состоящий из трансформатора ТП115-К7 (2х6Вх1,7А), основного конденсатора фильтра суммарной емкостью 6000,0 uF, диодного моста на диодах 1N5822 и стабилизатора на микросхеме LD1084.
При этом «просадка» напряжения на входе схемы на пределе измерения 960 мА не превышает 0,3%, то есть транзисторы при всех измерениях оказываются под одинаковым напряжением Uк-э.

Узел питания смонтирован навесом на выводах элементов, закрепленных на установленном «вверх ногами» трансформаторе ТП115-К7 и радиаторе от компьютерного блока питания.

В исходной схеме при каждом значении тока включается свой референсный резистор. Я сделал иначе, у меня постоянно включен резистор 1,2 кОм (реально 1250 Ом), а параллельно ему на различных пределах измерения подключаются резисторы, определяющие ток эмиттера испытуемого транзистора.

Покопавшись в тумбочке, и, сходив в магазин, я решил не требовать от себя точных, «целых» значений токов. Впаял имеющиеся резисторы, измерил образовавшиеся сопротивления, рассчитал токи по закону Ома и нанес на переднюю панель. Получился ориентировочный набор значений. Почему ориентировочный? А потому, что напряжение на референсном резисторе чаще всего не составляет искомых 2,5 Вольт.
Вернее так: обычно на резисторе 2,48-2,49 Вольта, а вот в отдельных случаях это напряжение становится другим. Небольшие (в пределах 5%) отклонения напряжения на референсном резисторе я счел допустимым. С учетом того, что всю обработку экспериментов я делаю в Excel, мне это не обременительно.

Для измерения всех типов транзисторов я использую несколько шунтов, которые подключаю к внешним клеммам устройства и на которых измеряю падение напряжения в мили Вольтах. У меня три шунта: 1,0 Ом, 10 Ом и 100 Ом. Для маломощных транзисторов используется шунт 100 Ом, для транзисторов средней мощности 10 Ом и для мощных транзисторов 1,0 Ом. Естественно значения сопротивления шунтов могут быть иными, соответствующими возможностям ваших милливольтметров.

В ряде случаев, напряжение на референсном резисторе оказалось больше обычных 2,48…2,49 Вольта. Например, если вы видите напряжение на референсном резисторе 12 Вольт, это значит, что транзистор звонится накоротко. В моем опыте есть погибшая при измерениях микросхема TL431 (причину до конца мне установить не удалось) и с этого момента, я предпочитаю проверять, как «звонятся» транзисторы перед
измерениями.

Очевидно, что напряжение на референсном резисторе несёт важную информацию об испытуемом транзисторе и о корректности измерения. Я решил напряжение на референсном резисторе измерять инструментально и вывел на клеммы, установленные на передней панели. Таким образом, от идеи исходной схемы, где предполагалось, что токи задаются автоматически, я отказался. Теперь при любом исходе событий я вижу напряжение на известном мне активном сопротивлении, а, значит, могу точно рассчитать ток через транзистор.

Эскиз варианта передней панели прибора представлен ниже.


Рис. 3 Передняя панель устройства

Устройство смонтировано в корпусе компьютерного блока питания. Размещение элементов внутри корпуса показано на рис 4.

Рис. 4Печатная плата токозадающей части имеет следующий вид

Рис. 5. Печатная плата

Печатной платы в Sprint Layout у меня нет. Я привык все рисовать в Corel Draw. Но плата простая, я думаю, при желании отрисовать её в Спринте не представляется трудным. Размеры платы (рис. 5) равны 108х58 мм.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Еще раз обращаю внимание на то, что база транзистора соединена с катодом TL431 печатным проводником минимальной длины. Полезно положить в это место и по линиям прохождения токов на печатной плате слой припоя толщиной в несколько миллиметров, либо пропаять медным проводом.

Не смотря на рекомендации автора исходной схемы о применении транзистора Т1 с β=250, в окончательной версии моего устройства стоит КТ3102 с β=790. Промежуточный вариант с транзистором Т1 с β=450 работал менее устойчиво, в частности заметно влияло сопротивление шунта, включаемого в цепь базы измерительного транзистора.

Рис 6. Монтаж деталей на плате
На монтажном чертеже платы (рис. 7) обозначены отверстия, к которым подключаются провода от переключателя типа транзистора S1, контактные группы которого обозначены на схеме: верхний контакт каждой группы обозначен индексом «в», средний — «с», нижний — «н».
Отверстия для проводов от клемм, к которым подключается амперметр, обозначены «А1» и «А2».

Отверстия для проводов от клемм, к которым подключается вольтметр для измерения напряжения на референсном резисторе, обозначены «V1» и «V2».

Обозначения отверстий «Э», «К», «Б», «+» и «–« в пояснениях не нуждаются.

По периметру платы расположены отверстия, для подключения проводов от галетного переключателя S3. Видно, что отдельные резисторы образованы тремя или двумя резисторами, каждый мощностью 2 Вт.

Рис. 7
Методика измерений проста.
1. Подключаем всё в соответствии с рис 2. Подсоединяем транзистор к проводам с «крокодилами». Мощные транзисторы устанавливаем на радиатор (у меня отдельный радиатор площадью около 350 см2). Транзисторы типа Toshiba 2SA1943 и 2SC5200 я опускал в чашку с водой так, чтобы вода не касалась выводов.
2. Устанавливаем переключатель S1 в соответствии с типом измеряемого транзистора.
3. Устанавливаем предел измерения с минимальным током эмиттера для данного транзистора.
4. Включаем питание прибора переключателем S4.
5. Кратковременно включив тумблер S2 «Измерение», регистрируем напряжение на референсном резисторе и ток базы (напряжение на шунте в милливольтах).
6. Последовательно выбирая пределы измерения (токи эмиттера) переключателем S3, измеряем ток базы и напряжение на референсном резисторе для каждого значения тока эмиттера испытуемого транзистора пока не достигнем максимально возможного тока для данного транзистора.
7. Заносим результаты измерений в таблицу Excel, выполняем вычисления и строим диаграммы.

Допустимы ли измерения мощных транзисторов не на радиаторе, а в чашке с водой? Из моего опыта измерений мне кажется, что, если выводы транзистора необходимо погрузить в воду (например, для корпусов П217, П210, КТ908 и др.), то так можно измерять транзисторы только на этапе предварительного отбора. Речь о воде из-под крана. Возможно, в дистиллированной воде высокой очистки, возникающие при измерении утечки, будут несущественными.

Обращаю отдельное внимание на осторожность при измерении маломощных транзисторов. Транзисторы греются и погибают при использовании значительных токов эмиттера. Так, транзистор КТ3102Г еще «терпит» при токе порядка 77 мА, но практически мгновенно погибает при токе 100 мА и напряжении Uкэ 9,7 Вольт. Признаком использования предельных режимов является то, что показания тока базы на приборе при измерении не останавливаются на месте, а «ползут» при прогреве кристалла.

Ну, вот и финал моего повествования, его самая важная часть. Её величество практика, которая, как известно, является критерием истины.
«Исторически» я начал освоение устройства с измерений мощных транзисторов, но начать изложение результатов я хочу с измерений маломощных транзисторов, в частности транзистора КТ3102Г, который имел выдающийся коэффициент усиления. В силу недостаточности моего опыта он погиб, но дал результаты измерений, с помощью которых я постараюсь ответить на вопрос: чем «β в приращениях» отличается от «просто β» в одной точке?

Я построил зависимость тока эмиттера этого транзистора от тока базы при фиксированном напряжении Uкэ, графики β и β в приращениях.

Рис. 8
При внимательном изучении верхнего графика можно сделать вывод о том, что мы имеем дело с S-образной кривой. График похож на траекторию взлетающего самолета. Начиная с точки пересечения осей координат, имеется небольшой криволинейный отрезок, обращенный выпуклостью вниз. Далее следует относительно прямолинейный отрезок, расположенный под углом к оси абсцисс. И завершает всё криволинейный участок, обращенный выпуклостью вверх.

Для ответа на поставленный в вопрос утрируем кривизну участков характеристики (рис. 9) и поставим на их границах две характерные точки (А и В).

Рис. 9 Вычисление β и βа-в по характеристике транзистора
Вычисляя β как отношение токов в одной точке, мы имеем дело с уравнением прямой, проходящей через начало координат. Практически вычисляем тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, проходящей через ноль и через заданную точку на кривой.

В случае вычисления β в приращениях, речь идет о прямой, проходящей через две точки на кривой. Вычисляем тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, не проходящей через начало координат. Если приращения малые, то мы имеем дело с касательной к кривой в данной точке. Понятно, что прямая, проходящая через точку и начало координат (прямая 1), и касательная в точке (прямая 3) не «обязаны» совпадать. Также понятно, что усилительные свойства транзистора характеризует именно β в приращениях — βпр, на рис. 9 это βа-в.

Однако измерять β в приращениях неудобно. Например, в схеме мультиметра реализовать это сложно. Вот и пользуются просто β.
Почему это возможно? Потому, что начальный участок обсуждаемой кривой для реального транзистора более плоский (Рис 8) и проекция линейного участка характеристики почти попадает в начало координат. В результате β и βпр отличаются незначительно. Собственно это и показывают приведенные графики. Всплеск кривой β в приращениях на начальном участке я связываю с погрешностями при измерениях довольно малых величин.

Для себя же я сделал вывод, что буду пользоваться при подборе транзисторов в пары зависимостью Iэ от Iб. На характеристике видно, с какого момента линия начинает «загибаться» к горизонту. На мой взгляд, это может служить основанием для выбора наиболее линейного участка работы транзистора.

Далее исследуем пару из КТ602 и КТ908. Эту пару транзисторов, например, использует в своих схемах Игорь Семынин. Ниже результаты измерения четырёх транзисторов КТ602Б.

Рис. 10
Отметим линейную форму характеристики до токов эмиттера порядка 50 мА.
Ниже на рис. 11 показаны результаты измерения транзисторов КТ908А. Транзисторы N20, N15, N10, N40 из лучшей (с точки зрения β) четверки. Транзисторы N12 и N17 из худшей пары.
В сухом остатке из партии в 25 штук удалось подобрать: четверку с β≈65; пять пар с β от 55 до 25.
Рис. 11При реализации известной схемы усилителя для наушников И. Семынина я воспользовался рекомендацией интернета: использовать пару Дарлингтона на КТ602Б + КТ908А с суммарной β в пределах 3500-4000. И поставил КТ602Б с β≈70, и КТ908А с β≈50.
При этом для выходного транзистора был установлен ток эмиттера 330 мА. Ток покоя эмиттера КТ602Б составил при этом примерно 6,6 мА. Глядя на графики, можно понять, что таким образом я установил режим входного транзистора в зоне довольно близкой к началу координат.

И становится понятной рекомендация Семынина поставить транзисторы КТ602Б с β≈110, и КТ908А с β≈30. В этом случае ток эмиттера КТ602Б составил бы 11 мА и транзистор работал на более линейном участке. Играет мой усилитель замечательно, но после измерений гложет желание поставить более «правильные транзисторы».

«На сладкое» результаты измерения «народных» транзисторов фирмы Toshiba 2SA1943 и 2SC5200.

Рис. 12
Транзисторы 2SA1943 собрались в три пары N01-N02, N03-N04, N05-N06 с погрешностью менее 10% (рис. 12).
Рис. 13
Транзисторы 2SC5200 «разбежались» больше (рис. 13). Вместе с тем, в парах N01-N05 и N02-N06 различия β укладываются примерно в 10%. Очень хорошей парой являются транзисторы N05-N06. Транзисторы N05 и N06 настолько близки, что на верхнем графике (рис. 13) характеристики почти совместились.

Транзисторы 2SA1943 N05-N06 и транзисторы 2SC5200 N05-N06, на мой взгляд, можно попробовать поставить в параллельный повторитель «Zarathustra» от Дмитрия Киреева (deemon).
Из графиков очевидно, что транзисторы Toshiba 2SC5200 и КТ908А сравнимы по линейности.

А, как же германий, спросите вы? Ну вот, пожалуйста, краткий анонс будущего исследования германиевых транзисторов. Пока транзисторы с низкой граничной частотой.
На рис. 14 показаны результаты измерений четырех транзисторов П217.

Рис. 14

На рис. 15 показаны результаты измерений четырех транзисторов П215.

Рис. 15

На рис. 16 показаны результаты измерений 4 транзисторов П210В.

Рис. 161. Схема бетника из «Радиогазеты», на мой взгляд, работоспособна не во всех ситуациях и не во всех комплектациях.

2. После доработки устройство позволяет измерять коэффициент усиления по току в схеме общим эмиттером для биполярных маломощных транзисторов, транзисторов средней и большой мощности структуры «p-n-p» и «n-p-n».

3. Опыт применения устройства показывает, что измерения осуществляются с высокой производительностью. Основное время уходит на монтаж и демонтаж транзистора на радиатор. За час реально измерить 10-20 транзисторов.

4. Результаты измерений позволяют рассчитывать коэффициент усиления по току, как в отдельных точках, так и в приращениях, а также ориентироваться при выборе тока покоя транзисторов.

5. Оборотной стороной простоты схемы является отсутствие защиты. При подключении «p-n-p» транзистора с закороченным «К-Э» переходом я дважды сжег TL431. Транзисторы (особенно б/у) нужно предварительно звонить.

1. Книга — Р. Сворень, «Транзисторы. Шаг за шагом», 1971 г., стр. 201
2. Исходная статья про неудачный Бетник из Радиогазеты
3. Статья И. Семынина про усилитель для наушников
4. Усилитель «Заратустра» на Веге
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Удачных вам измерений!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

Александр Бочкарев (OLDBO)

РФ, г. Саратов

Мне 58 лет, и в настоящий момент я могу сделать для себя руками то, что раньше не мог.

Основное хобби — гитаростроение. Процесс сложный технологически и не быстрый в освоении.

В поисках нужного звука интересуюсь изготовлением усилителей, ламповых и транзисторных.
Пока доведен до ума только повторитель для наушников И. Семынина.

Пришел сюда учиться. Уважаю людей, достигающих практических результатов и публикующих информацию для начинающих.

При наработке полезных сведений обязуюсь сам писать статьи. Первая статья про бетник.

 

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I_С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярные транзисторы. For dummies / Habr

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Транзистор в режиме усиления — Студопедия

При использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.16 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки Rн; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, , которое должно быть усилено.

Три возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.17. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения , в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цепи включены источники усиливаемого напряжения и напряжения смещения , (ОБ) или (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Основные параметры режима усиления.

Основным параметрами, характеризующими режим усиления, является следующие:

1) коэффициент усиления по току ,

2) коэффициент усиления по напряжению ,

3) коэффициент усиления по мощности ,

4) входное сопротивление

5) выходное сопротивление

Нагрузочные характеристики транзистора.

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным.. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R_Н в его цепи и ток коллектора I_К связаны соотношением:

или (31)

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках при U_к=0 и при . Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.16).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик точки А, B, С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.19), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения U_КЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

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.

Связь коэффициентов усиления с h-параметрами.

В нагруженном режиме к уравнениям,связывающим приращения токов и напряжений добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

,

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины получаем

(32)

(33)

Обычно

h₂₂<<1/R_Н, (34)

h₁₁/R_Н>>h₁₂h₂₁, (35)

тогда

(32а)

(33а)

(36)

Усилительные свойства транзистора при различных способах включения.

Схема с ОБ

По эквивалентной схеме по переменной составляющей (рис. 20) находим:

1.

2.

3.

4.

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

Схема с ОЭ

По эквивалентной схеме по переменной составляющей (рис. 21) находим:

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

Схема с ОК

В схеме с ОК на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным и выходным напряжениями. Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы.

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Эта схема применяется в основном для согласования источника сигнала с большим выходным сопротивлением с нагрузкой, имеющим малое сопротивление, при обеспечении усиления по току.

Основные способы задания рабочей точки на входных ВАХ БТ.

На рис.17 для задания рабочего режима входной и выходной цепей используется два источника питания На практике обычно применяется один источник питания – E_к, а режим по постоянному току входной цепи осуществляется схемным путем. На рис.23 приведены некоторые способы задания рабочей точки при включении по схеме с общим эмиттером. Разделительные конденсаторы С₁, С₂, С_Э выбираются с достаточно большой емкостью, их сопротивлением в рабочей области частот можно пренебречь.

Простейшая схема приведена на рис.20а. Эта схема с фиксированным током базы, она называется также схемой со стабилизацией тока базы, т.к. при достаточно большом E_К (E_К>>U_БЭ) I_Б не меняется при изменении U_БЭ вследствие изменения температуры.

Параметры выбранной рабочей точки входной и выходной цепей могут изменяться при изменении температуры в результате изменения токов I_Э и I_Б вследствие изменения токов I_КБО (ОБ) , I_КЭО (ОЭ). Для оценки влияния изменения тока I_КБО (I_КЭО) на ток коллектора I_К используют параметр К_нест – коэффициент нестабильности, определяемый как

К_нест = dI_К /dI_КБО

Простейшая схема не обеспечивает стабильности коллекторного тока при изменении температуры, коэффициент нестабильности велик:

К_нест = dI_К / dI_КБО = 1/(1+h_21Б)=b+1

Схема выбора и стабилизации рабочей точки с резистором между базой и коллектором (рис.18б) позволяет снизить коэффициента нестабильности в [1+h_21Э×(R_К + R_Б)] раз относительно схемы рис.18а:

К_нест = (1 + h_21Э)/(1 + h_21Э(R_К + R_Б)).

Однако данная схема приводит к появлению обратной связи по напряжению а также к снижению входного сопротивления транзистора. Для исключения этих явлений (недостатков) сопротивление R_Б разбивают на две части и заземляют среднюю точку через конденсатор

Для стабилизации рабочей точки транзистора наиболее часто применяют схему с делителем напряжения на базе и резистором в цепи эмиттера, показанную на рис.18в. Сопротивления R₁, R₂ выбираются достаточно малыми, чтобы ток, проходящий через них, во много раз превышал ток базы I_Б, (обычно I_д=(5 ¸10)×I_Б). В этом случае потенциал базы относительно земли почти не зависит от тока базы. В цепь эмиттера включен резистор R_Э, обеспечивающий отрицательную обратную связь по постоянному току. Увеличение тока коллектора (эмиттера) вызывает уменьшение разности потенциалов U_БЭ, что приводит обратно к уменьшению тока коллектора I_К.

Эта схема при правильном выборе параметров обеспечивает высокую стабильность рабочей точки и выходных характеристик с изменением температуры; стабильность режима при замене одного транзистора другим.

Анализ схемы приводит к следующему выражению для коэффициента нестабильности

При правильно спроектированной схеме величина R_эh_21э/(R_э+R₁)>>1, тогда К_нест=1+R₁/R_э. Обычно резистор R₂ берут в несколько раз больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току.