Как работает транзистор в схеме с общей базой. Какие преимущества и недостатки имеет такое включение. Где применяются усилители на транзисторах с общей базой. Какие параметры и характеристики важны для этой схемы.
Принцип работы транзистора в схеме с общей базой
В схеме с общей базой (ОБ) база транзистора является общим электродом для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной снимается между коллектором и базой.
Основные особенности схемы с ОБ:
- Входной ток (ток эмиттера) управляет выходным током (током коллектора)
- Коэффициент усиления по току близок к единице
- Входное сопротивление низкое (единицы-десятки Ом)
- Выходное сопротивление высокое (сотни кОм — единицы МОм)
- Нет инверсии фазы выходного сигнала относительно входного
Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой
Для схемы с ОБ характерны следующие статические характеристики:
Входные характеристики
Зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер-база при фиксированном напряжении коллектор-база:
Iэ = f(Uэб) при Uкб = const
Входные характеристики подобны прямой ветви ВАХ диода. При увеличении напряжения Uкб характеристики смещаются влево из-за эффекта модуляции ширины базы.
Выходные характеристики
Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база при фиксированном токе эмиттера:
Iк = f(Uкб) при Iэ = const
Выходные характеристики напоминают семейство горизонтальных прямых. При увеличении тока эмиттера характеристики смещаются вверх параллельно друг другу.
Основные параметры транзистора в схеме с общей базой
Для схемы с ОБ важны следующие параметры транзистора:
- Коэффициент передачи тока α = ΔIк / ΔIэ (близок к 1)
- Входное сопротивление h11б = ΔUэб / ΔIэ (единицы-десятки Ом)
- Коэффициент обратной связи h12б = ΔUэб / ΔUкб (10-3 — 10-4)
- Выходная проводимость h22б = ΔIк / ΔUкб (единицы-десятки мкСм)
Преимущества и недостатки схемы с общей базой
Схема включения транзистора с общей базой имеет свои особенности:
Преимущества:
- Высокий коэффициент усиления по напряжению (до 1000)
- Хорошие частотные свойства (работа до сотен МГц)
- Высокая устойчивость
- Низкий уровень шумов
Недостатки:
- Низкое входное сопротивление
- Отсутствие усиления по току
- Необходимость независимого питания входной и выходной цепей
Применение схемы с общей базой
Благодаря своим особенностям схема с ОБ находит применение в следующих областях:
- Усилители высоких и сверхвысоких частот
- Широкополосные усилители
- Импульсные схемы
- Согласующие каскады с низкоомными источниками сигнала
- Преобразователи сопротивлений
Схема усилителя на транзисторе с общей базой
Типовая схема усилителя с ОБ содержит следующие элементы:
- Источник входного сигнала (генератор)
- Транзистор
- Резистор в цепи эмиттера Rэ
- Резистор в цепи коллектора Rк
- Конденсаторы связи на входе и выходе C1 и C2
- Источники питания Uэ и Uк
База транзистора заземляется по переменному току через конденсатор большой емкости.
Расчет основных параметров усилителя с общей базой
Для схемы усилителя с ОБ можно рассчитать следующие параметры:
Коэффициент усиления по напряжению:
Ku ≈ Rк / rэ
где rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
Входное сопротивление:
Rвх ≈ rэ || Rэ
Выходное сопротивление:
Rвых ≈ Rк
Частотные свойства усилителя с общей базой
Схема с ОБ обладает хорошими частотными характеристиками:
- Верхняя граничная частота определяется временем пролета носителей через базу
- Отсутствует эффект Миллера, снижающий частотные свойства
- Полоса пропускания может достигать сотен МГц
Это делает схему с ОБ привлекательной для высокочастотных применений.
Сравнение схем включения транзистора
По сравнению с другими схемами включения транзистора, схема с ОБ имеет следующие особенности:
| Параметр | ОБ | ОЭ | ОК |
|---|---|---|---|
| Усиление по току | ~1 | β (50-200) | β+1 |
| Усиление по напряжению | Высокое | Среднее | ~1 |
| Входное сопротивление | Низкое | Среднее | Высокое |
| Выходное сопротивление | Высокое | Среднее | Низкое |
| Частотные свойства | Отличные | Хорошие | Средние |
Заключение
Схема с общей базой имеет ряд уникальных свойств, которые делают ее незаменимой в определенных применениях, особенно на высоких частотах. Хотя она и уступает по популярности схеме с общим эмиттером, знание особенностей и характеристик схемы с ОБ необходимо для грамотного проектирования электронных устройств.
Каскад с общей базой | Основы электроакустики
Каскад с общей базой
Различают три основные схемы включения транзистора в усилительных каскадах — с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором . Общий электрод (в данном случае база) по переменному току должен быть заземлен Часть электронов теряется в базе, например, вследствие рекомбинации (взаимной нейтрализации противоположных по знаку зарядов) электронов и дырок. Эти потери учитываются коэффициентом передачи тока эмиттера а. Так что при включении транзистора с общей базой постоянный ток коллектора оказывается равным где 1К0 — неуправляемый ток коллектора (или обратный ток коллекторного перехода). Ток базы при этом равен 1Б = 1Э — 1к, т. е. мал, поскольку при а близком к 1 ток коллектора не намного меньше тока эмиттера.Если переменное напряжение на входе усилительного каскада на биполярном транзисторе UBX не равно нулю, то наряду с постоянной составляющей тока эмиттера появляется его переменная составляющая.
В результате появляется и переменная составляющая тока коллектора. Протекая через резистор RK, она создает на нем переменную составляющую выходного напряжения. Если сопротивление RK велико, то она может в сотни и тысячи раз превосходить UBX. Таким образом, каскад с общей базой, не усиливая ток, может усиливать напряжение и соответственно и мощность.Итак, усиление по напряжению в каскаде с общей базой обусловлено тем, что переменная составляющая входного тока переносится из низкоомной цепи эмиттера в намного более высокоомную цепь коллектора. Так что коэффициент усиления оказывается близким к отношению сопротивлений коллекторной и эмиттерной цепей. При этом сопротивление эмиттерной цепи (входное сопротивление) очень мало, поскольку эмиттерный переход открыт. Примерно оно равно <рт/1э, где (рт — температурный потенциал (его значение при комнатных температурах порядка 25 мВ, так что при токе эмиттера 1э = 1 мА входное сопротивление будет равно всего 25 Ом). К сожалению, из-за конечного времени пролета носителями области базы у каскада с общим эмиттером усиление на высоких частотах начинает снижаться.
Оно понижается на 3 дБ, если частота усиливаемого сигнала достигает частоты fa (эта частота называется граничной частотой транзистора в схеме с общей базой). Многие современные транзисторы имеют fa порядка сотен МГц и выше. Емкости монтажа и самого транзистора могут также ухудшить усиление на высоких частотах.
За что мы так не любим транзисторный усилитель с общей базой Мифом № 1 является то, что довольно сложно организовать цепи питания такого каскада, вплоть до того,
что требуется дополнительный источник питания. Мало того, что такое мнение бытует среди радиолюбителей, так оно усиленно поддерживается в технической литературе. Откройте учебник с описанием работы каскада с ОБ. Первое, что вы увидите, так это горизонтальное расположение транзистора с двумя источниками питания: один в коллекторной цепи, другой в эмиттерной. После прочтения такого материала сразу пропадает какое-либо желание иметь дело с этим каскадом. Развеем этот миф. На верхнем рисунке вы видите знакомую вам схему с общим эмиттером.
Легким движением мыши поворачиваем его вокруг оси и преобразуем в каскад с общей базой. По постоянному току все цепи остаются прежними. Базу по переменному току заземляем с помощью конденсатора Сф, входной сигнал подаем на эмиттер, выходной остается на прежнем месте. Каскад с общей базой готов, никаких трудностей с питанием не возникло, тем более с двумя источниками. С включением транзистора мы разобрались, теперь приступим к изучению его работы, где мифов также достаточно.
Как же работает усилитель с общей базой? Рассмотрим упрощенную схему включения транзистора с общей базой. Направления токов показаны условно, символизируя, что вход — это эмиттер, выход — коллектор, часть тока ответвляется в базу.
Сразу оговорю упрощения и допущения. Обратные токи переходов, ввиду их малости, я не рассматриваю. Для понимания принципа работы и инженерных расчетов это приемлемо. Коэффициент передачи тока для каскада с общей базой меньше единицы, т.к. часть эмиттерного тока ответвляется в базу: Iэ — Iб = Iк.
Соотношение токов имеет величину Iк = α * Iэ , где α< 1 -коэффициент передачи по току для ОБ.
В современных транзисторах коэффициент α близок к единице (0.98 — 0.99), поэтому в практических расчетах можно считать Iэ = Iк. Отсутствие усиления по току совершенно не мешает получить от такого каскада усиление по напряжению, причем, немалое. Существует ещё один миф, что входное сопротивление каскада определяется резистором Rэ , который обязательно должен иметь маленький номинал. Но это не так. Входным током каскада является ток эмиттера транзистора, поэтому входное сопротивление в основном определяется сопротивлением эмиттерного перехода rэ = 25 /Iэ = 25Ом при токе 1мА (собственное сопротивление базы транзистора rб вносит небольшой вклад).
Ток, протекая от входной цепи к выходной, практически не изменяется, поэтому, на резисторах rэ и Rк, он создает падения напряжения пропорциональные величинам этих сопротивлений. Если Rк = 3кОм, то отношение Ku = Rк /rэ составит более 100 — это и есть коэффициент усиления по напряжению.
Таким образом, недостатками каскада являются низкое входное сопротивление и отсутствие усиления по току, но более высокая граничная частота усиления и большее выходное сопротивление. Также каскад имеет более высокую линейность по сравнению с ОЭ. Не верьте утверждениям некоторых писателей, что каскад с общей базой имеет низкое выходное сопротивление в сравнении с другими схемами.
Практические соображения по толкованию работы каскада (усилителя) с общей базой
Для работы n-p-n транзистора необходимо, чтобы потенциал базы был положительным по отношению к эмиттеру, поэтому для открытия транзистора надо эмиттер «утянуть» в минус, т.е входное напряжение должно быть отрицательным. Проанализируем работу каскада на постоянном токе. Эмиттер транзистора с ОБ представляет собой точку с очень низким (динамическим) входным сопротивлением (около 25 Ом при токе 1мА). Поэтому можно принять, что напряжение в ней практически не меняется при изменении входного тока, (этакий виртуальный 0).
В связи с этим, предлагаю рассматривать каскад с ОБ как преобразователь ток-напряжение.
Преобразование входного сигнала в выходной происходит как бы в два этапа:
— Сначала генерируем входной ток в эмиттер Iвх = (Uвх- 0.6) /Rэ,
— Затем в коллекторной нагрузке получаем падение напряжения, обусловленное этим током Uвых = Iвх * Rк (мы приняли, что Iвх = Iвых). Не забываем, что при протекании входного тока напряжение на эмиттере будет равно прямому падению напряжения на переходе — 0.6 В. В исходном состоянии транзистор закрыт, напряжение на коллекторе равно Uпит. При подаче на вход отрицательного напряжения транзистор начинает открываться, через него протекает ток, который создает падение напряжения на коллекторном резисторе. Потенциал коллектора понижается и в пределе станет равным 0. Максимальный ток транзистора при Uк = 0 составляет: Iмакс = Uпит /Rк. Сделаем конкретный пример расчета для постоянного тока: Rэ = 1кОм (Rэ >> rэ), Rк = 10кОм, Uвх = 1В . Входной ток равен Iвх = Iэ = (Uвх-0.6) /Rэ = 1-0.6/1 = 0.4мА. Т.к. ток коллектора равен току эмиттера, то изменение напряжения на коллекторном резисторе составит: Uк = Rк * Iк = Rк * Iэ = 10*0.
4 = 4В. Коэффициент усиления по постоянному напряжению получился равен 4. В данном случае входным сопротивлением каскада является Rэ = 1кОм. Уменьшая это сопротивление, мы увеличим входной ток, который вызывет увеличение выходного тока и выходного напряжения на нагрузке.
Этот пример демонстрирует принцип расчета и понимания работы каскада с ОБ, который оказался не так страшен, как нам его малюют.
Усилитель с общей базой для переменного сигнала Теперь нам легче понять работу усилителя на переменном сигнале. Для усиления переменного напряжения необходимо вывести транзистор на линейный участок рабочей характеристики. На рисунке 2 показаны цепи смещения транзистора, с помощью которых задается режим по постоянному току. Расчет их ничем не отличается от расчетов стандартного усилителя с ОЭ. Ток покоя Iо через транзистор устанавливается в пределах нескольких миллиампер. Переменный сигнал подается в эмиттер через конденсатор. У коллекторного тока транзистора появляется переменная составляющая, т.
е. ток в некоторых пределах изменяется относительно тока покоя согласно изменениям входного напряжения. Проведем небольшие эксперименты с усилителем. Рассмотрим коэффициент передачи каскада от точки 1 до выхода с коллектора. В качестве источника сигнала возьмем генератор сигналов звуковой частоты ГНЧ с низким выходным сопротивлением, менее 100 Ом. Выходное напряжение установим 1В. В качестве Rг поставим внешний резистор 1 кОм. В нагрузке резистор Rк = 10кОм. Для источника сигнала входным сопротивлением каскада является сумма Rг и rэ, т.к. они включены последовательно. Входной ток от источника сигнала равен Iвх = Iэ = Uг /(Rг + rэ) = . Uг /Rг, т.к. rэ — мало. Выходное напряжение при этом составит: Uвых = Rк * Iк = Rк * α*Iэ = Rк * α* Uг /Rг. Принимая α = 1, получим Uвых = Uг * Rк /Rг. Коэффициент усиления равен Ku = Uвых /Uг = Rк /Rг = 10, тогда Uвых = 10 В. Заглянем поглубже и выясним роль входного сопротивления транзистора rэ, ибо нам все уши прожужжали о низком входном сопротивлении каскада с ОБ.
Посмотрим осциллографом, что происходит в точке 2. Мы обнаружим, что там присутствует весьма маленький синусоидальный сигнал, в нашем случае 25 мВ. Величина напряжения сигнала обусловлена делителем напряжения, образованным Rг и rэ: 1В * 25/1000 = 25мВ. Каким образом сигнал на выходе достигает величины в несколько вольт? Это происходит по той причине, что каскад имеет внушительный «собственный» коэффициент усиления по напряжению (от точки 2 до коллектора), определяемый отношением нагрузочного сопротивления и входного сопротивления транзистора: Ku = Rк /rэ = 10000/25 = 400, тогда Uвых = Ku * Uвх = 25 * 400 = 10000 мВ или 10 В. Мы получили тот же результат, что и выше. Делаем вывод:
Результаты исследования усилителя с ОБ совпадают с результатами для каскада с ОЭ. Коэффициент усиления по переменному напряжению определяется отношением коллекторного и эмиттерного (в данном случае Rг) резисторов и не зависит от внутренних параметров транзистора при Rг > rэ.
Транзистор с общей базой.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N4.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА (С ОБЩЕЙ БАЗОЙ И ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Изучить конструкцию и принцип работы биполярного транзистора.
2. Исследовать характеристики транзистора при включении его с общей базой и общим эмиттером.
3. Ознакомиться с малосигнальными параметрами биполярного транзистора.
4. По статическим характеристикам транзистора определить h-параметры и сделать пересчет одной системы малосигнальных параметров в другую.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:
Биполярный транзистор
(обычно просто транзистор) — это
полупроводниковый прибор с двумя
взаимодействующими выпрямляющими
электрическими переходами и тремя (или
более) выводами, усилительные
свойства которого обусловлены явлениями
инжекции и экстракции неосновных
носителей заряда.
Основное
функциональное назначение транзистора
— активный усилительный элемент в схемах
усиления и ключевой элемент в
импульсных схемах. Транзисторы бывают
двух типов: p-n-p и n-p-n-типа. Структура и
схематическое изображение биполярного
транзистора приведены на рис.1. Область
транзистора, расположенную между
электронно-дырочными переходами
называют базой. Примыкающие к ней
области чаще всего делают неодинаковыми.
Область транзистора, основным назначением
которой является инжекция носителей
в базу, называется эмиттером, а
соответствующий переход — эмиттерным;
область, служащую для экстракции
(собирания) носителей из базы, называют
коллектором, а соответствующий переход
— коллекторным. Для повышения коэффициента
инжекции неосновных носителей заряда
эмиттерную область легируют намного
сильнее, чем базовую; коллекторная
область может быть легирована как
сильнее, так и слабее базовой. Площадь
эмиттерного перехода обычно много
меньше площади коллекторного перехода
для повышения коэффициента передачи
эмиттерного или базового тока.
Рис.1. Структура и схематическое изображение биполярного транзистора: а — p-n-p-типа,
б — n-p-n-типа.
Взаимодействие между p-n-переходами будет существовать, если толщина базы будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток. Т.о. взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.
Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещен в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
1)
активный режим — один из p-n-переходов
смещен в прямом направлении, а другой
— в обратном направлении.
2) режим насыщения — оба p-n-перехода смещены в прямом направлении.
3) режим отсечки — оба p-n-перехода смещены в обратном направлении.
В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение).
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное, то включение транзистора считается нормальным, при противоположной полярности напряжений — инверсным.
Транзистор является трехполюсным элементом, поэтому его можно рассматривать как четырехполюсник при условии, что один из полюсов является общим. Т.о., можно выделить три разновидности включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором (рис.
2).Рис.2. Схемы включения биполярного транзистора:
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором.
Как и всякий четырехполюсник, работу транзистора описывают два семейства характеристик: входные и выходные, которые являются основными. Еще два семейства характеристик называют второстепенными. Их можно получить из основных путем перестроения. К ним относятся: характеристики передачи — это семейство характеристик, которые связывают токи или напряжения на выходе с токами или напряжениями на входе и характеристики обратной связи, которые связывают напряжения или токи на входе с напряжениями или токами на выходе.
Семейство входных статических характеристик:
, .
0 Рис.3. Семейство входных статических характеристик транзистора в схеме с общей базой.
Эмиттерный
p-n-переход в активном режиме включен в
прямом направлении, поэтому входные
характеристики транзистора похожи на
прямую ветвь ВАХ диода.
С возрастанием
абсолютного значения напряжения на
коллекторном переходе происходит
смещение входных ВАХ влево, т.е. рост
тока через переход эмиттер-база. Это
объясняется тем, что при нарастании
напряжения Vкб происходит увеличение ширины ОПЗ
перехода коллектор-база, соответственно
уменьшается эффективная толщина
базы. Данное обстоятельство увеличивает
градиент концентрации распределения
неосновных носителей в базовой области
и как следствие рост эмиттерного
тока при неизменном напряжении
эмиттер-база.
Семейство выходных статических характеристик:
Рис.4. Семейство выходных статических характеристик транзистора в схеме с общей базой.
При Iэ=0, ток через коллекторный переход определяется обратным током коллекторного перехода при разомкнутой цепи эмиттера Iкб0 (рис.4).
При
возрастании тока эмиттера происходит
смещение выходных статических
характеристик вверх.
Ток через
коллекторный переход протекает и
при напряжении на коллекторном переходе
равном нулю, что объясняется наличием
градиента концентрации неосновных
носителей в базе при Iэ0.
Для того,
чтобы ток
через коллектор стал равным нулю,
необходимо сместить коллекторный
переход в прямом направлении.
При большом значении напряжения на коллекторном переходе наступает его пробой и характеристики имеют загиб, аналогичный загибу характеристики диода при пробое.
Статические характеристики передачи транзистора:
Рис.5. Статические характеристики передачи транзистора в схеме с общей базой.
Характеристики передачи в первом приближении можно считать прямыми линиями. В действительности коэффициент передачи постоянного тока эмиттера зависит от тока эмиттера.
Статические характеристики обратной связи транзистора:
Рис.
6.
Статические характеристики обратной
связи транзистора в схеме с общей
базой.
Характеристики обратной связи могут быть легко получены из семейства входных статических характеристик путем графического перестроения.
Транзистор с общим эмиттером.
В ходные статические характеристики:
Vкэ=0 Vкэ0
Vкэ
,.
Vэб
Рис.7. Семейство входных статических характеристик биполярного транзистора
в схеме с общим эмиттером.
Ток
базы является алгебраической суммой
рекомбинационного тока в базе,
электронной составляющей эмиттерного
тока и обратного тока коллекторного
перехода. В большинстве случаев ток
базы практически определяется током
рекомбинации в базе, который примерно
пропорционален току эмиттера.
Поэтому
общий вид входной характеристики
напоминает ВАХ p-n-перехода в прямом
смещении (рис.7).
При увеличении напряжения коллектор-эмиттер (по абсолютной величине) характеристики смещаются вправо и вниз. Это связано с тем, что при увеличении Vкэ ширина эффективной области базы и рекомбинационная составляющая тока базы уменьшаются. Т.о., при том же напряжении Vэб с увеличением Vкэ ток Iб снижается. Если напряжение Vкэ не равно нулю, а ток базы равен нулю, то на выводе базы будет наблюдаться напряжение, обусловленное падением напряжения на эмиттерном переходе Vэб, так как. Поэтому входные характеристики при увеличении напряжения коллектор-эмиттер смещаются вниз.
Усилитель с общей базой | Конфигурация, схема, характеристики
В этом руководстве мы узнаем о BJT, сконфигурированном как усилитель с общей базой. Мы увидим различные характеристики усилителя с общей базой, такие как коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по току, входное и выходное сопротивление и т.
д.
[адсенс1]
Краткое описание
Введение
Транзистор с биполярным переходом или просто BJT представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами с чередующимися слоями полупроводникового материала n- и p-типа. Три вывода, соответствующие трем областям транзистора, называются эмиттером, базой и коллектором.
BJT может быть типа npn или pnp в зависимости от конфигурации регионов. Поскольку и электроны, и дырки действуют как носители тока, используется термин «биполярный».
По сути, BJT можно настроить для работы в качестве усилителя или коммутатора. Если биполярный транзистор сконфигурирован как усилитель, амплитуда электрического сигнала, подаваемого на вход, на выходе увеличивается в несколько раз.
Настройка BJT в качестве коммутатора является одним из распространенных и часто используемых приложений транзистора. Работая транзистором в областях отсечки и насыщения, вы можете реализовать электронный переключатель с использованием транзистора.
[адсенс2]
Общая базовая конфигурация
Транзистор может быть сконфигурирован в виде двухпортовой конфигурации тремя способами. Это соединение с общим эмиттером, соединение с общим коллектором и соединение с общей базой. В общей базовой конфигурации терминал является общей точкой для ввода и вывода.
На следующем изображении показаны транзисторы npn и pnp в конфигурации с общей базой. Независимо от типа транзистора, вывод базы в конфигурации с общей базой всегда находится под потенциалом земли.
В конфигурации с общей базой входными переменными являются ток эмиттера i E и напряжение база-эмиттер V BE . Точно так же выходными переменными являются ток коллектора i C и напряжение база-коллектор V CB .
Для полного описания характеристик конфигурации с общей базой, такой как усилитель с общей базой, требуются два набора характеристик.
- Входные характеристики (т.
н. приводные характеристики или передаточные характеристики) - Выходные характеристики (или характеристики коллектора)
н. приводные характеристики или передаточные характеристики)Входные характеристики будут связывать входные переменные, т. е. ток эмиттера i E и базу с напряжением эмиттера V BE , в то время как выходная переменная V CB поддерживается постоянной.
Что касается выходных характеристик, они будут связывать выходные переменные, т. е. ток коллектора i C и напряжение базы к коллектору V CB , в то время как входная переменная ток эмиттера i E остается постоянным.
Выходные характеристики дают нам картину трех областей работы транзистора, т.е. отсечки, активности и насыщения.
Усилитель с общей базой
Усилитель представляет собой электронную схему, увеличивающую амплитуду электрического сигнала. Электроэнергия от источника питания используется для увеличения амплитуды сигнала. Коэффициент усиления усилителя — это величина, определяющая величину усиления, обеспечиваемого усилителем.
Простая схема усилителя может быть разработана с использованием одного транзистора (либо биполярного транзистора, либо полевого транзистора) вместе с несколькими пассивными компонентами. Однотранзисторные усилители для BJT имеют три конфигурации. Это:
- Усилитель с общим эмиттером
- Усилитель с общим коллектором
- Усилитель с общей базой
В этом учебном пособии основное внимание уделяется усилителю с общей базой с его базовой схемой и его рабочими характеристиками, т. е. усилением по напряжению, усилением по току, входным сопротивлением и выходным сопротивлением.
Типичный усилитель с общей базой имеет следующую топологию.
- Вход подается на эмиттер BJT.
- Выходные данные берутся из Коллектора БЮТ.
- Базовая клемма, общая для входа и выхода, часто подключается к земле.
Схема усилителя с общей базой
На следующем рисунке показана типичная схема усилителя с общей базой с конфигурацией смещения делителя напряжения.
База BJT является общей клеммой и заземлена по переменному току из-за конденсатора. Входной сигнал подается на эмиттер через конденсаторную связь. Выход снимается с коллектора, а нагрузка емкостно связана с коллектором.
Характеристики усилителя с общей базой
Все характеристики усилителя с общей базой поясняются в отношении r параметров модели транзистора переменного тока. В качестве альтернативы вы можете использовать параметры h.
Чтобы определить характеристики, нам нужно построить эквивалентную переменному току модель усилителя с общей базой. На следующем изображении показано то же самое.
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по напряжению усилителя CB от эмиттера (вход) до коллектора (выход) определяется как ||R E ) ≈ Ie Rc / Ie (r’e || R E )
Если предположить, что R E >> r’e, то A V ≈ Rc / r’e
Здесь , Rc = R C || R L
r’e = сопротивление эмиттера переменного тока
коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой очень высок без инверсии фазы.
Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по току усилителя CB равен выходному току, деленному на входной ток. В эквивалентном режиме переменного тока Ic — это выходной ток, а Ie — входной ток.
Поскольку Ic ≈ Ie, коэффициент усиления по току Ai ≈ 1.
Входное сопротивление
Входное сопротивление равно эквивалентному сопротивлению, если смотреть на эмиттер. Он определяется как
Rin = Vin / Iin = Ve / Ie = Ie (r’e || R E ) / Ie = r’e || R E
Обычно, R E намного больше, чем r’e.
Если R E >> r’e, то Rin ≈ r’e.
Это означает, что входное сопротивление усилителя с общей базой обычно очень низкое.
Выходное сопротивление
Выходное сопротивление является эквивалентом Thevenin на выходе усилителя с общей базой, смотрящего обратно в усилитель. Сопротивление коллектора переменного тока r’c параллельно с R C и обычно намного больше, чем R C .
Следовательно, Rout ≈ R C
Заключение
Усилитель с общей базой используется реже, чем усилитель с общим эмиттером. Он используется для обеспечения усиления по напряжению без усиления по току. Он используется в качестве усилителя напряжения или буфера в некоторых высокочастотных приложениях.
На основании вышеприведенного анализа можно сделать следующий вывод об усилителе с общей базой.
- Имеет относительно высокий коэффициент усиления по напряжению.
- Коэффициент усиления по току меньше или иногда приблизительно равен 1.
- Низкий входной импеданс.
- Высокое выходное сопротивление.
Усилитель с общей базой — Electronics-Lab.com
Представляем усилитель с общей базой
В этой статье мы представляем последнюю топологию усилителей на биполярных транзисторах, известную как Усилитель с общей базой (CBA). На Рис. 1 ниже представлена электрическая схема АЗС, здесь не показаны какие-либо конкретные цепи смещения или развязывающие конденсаторы.
Некоторые спецификации должны быть выделены для CBA:
- База соединена с землей цепи, отсюда и название «Общая база».
- Входной сигнал поступает на эмиттерную ветвь биполярного транзистора.
- Выходной сигнал поступает на коллекторную ветвь биполярного транзистора.
Далее в статье мы увидим, что во многом УСВ ведет себя оппозиционно по отношению к Усилителю с общим коллектором (ОУС).
Эквивалентная схема
Эквивалентная схема Рис. 1 может быть построена с учетом того, что коллекторная ветвь является идеальным источником тока, а p/n-переход между коллекторной и эмиттерной ветвями ведет себя как диод с малым сопротивлением r e =25 мВ/л вых .
рис. 2 : Эквивалентная схема конфигурации CBA Уже можно ожидать от Рисунок 2 что с I в =I вых +I B (из законов Кирхгофа), коэффициент усиления по току А I =I вых /I в в конфигурации СВА = 10-1931 I 900 (I B /I из )<1 .
Следовательно, коэффициент усиления по току конфигурации CBA строго ниже 1, поэтому усилитель этого типа не может усиливать токи . Однако далее в руководстве мы увидим, что коэффициент усиления по напряжению высок.
Коэффициент усиления по току
Мы уже видели в предыдущем абзаце, что коэффициент усиления по току A I строго меньше единицы. Чтобы получить точную формулу A i , мы считаем, как упоминалось ранее, что I in = I out + I B . Более того, мы определяем I out =β×I B с коэффициентом усиления по току транзистора β. Обратите внимание, что здесь I B ≠I из , в отличие от предыдущих конфигураций усилителя CEA и CCA.
Выходной ток удовлетворяет I OUT = A I × I в = β × I B , когда выделяет I , он приходит:
Разделение Нумератор и денатор на I .
B
Входное сопротивление
Как видно из входа эмиттерной ветви, общее входное сопротивление равно R E //r e , где символ «//» означает, что эмиттер и малый диодный резистор включены параллельно.
Однако сопротивление эмиттера R E всегда намного выше сопротивления малого диода r e , поэтому получается:
eq 2 : Выражение входного сопротивления Следовательно, входное сопротивление конфигурации CBA равно равным малому сопротивлению диода r e между эмиттерной и коллекторной ветвями, это значение импеданса очень мало.
Выходное сопротивление
В реальной конфигурации CBA нагрузка R L подключена параллельно сопротивлению коллектора R C . Таким образом, выходное сопротивление определяется как R out = R C //R L . Если нагрузка выбрана такой, как R L >>R C , выходное сопротивление упрощается до R out = R C .
Коэффициент усиления по напряжению
В дальнейшем считается, как доказано ранее, что А I ≅1 . Таким образом, коэффициент усиления по напряжению для конфигурации CBA определяется соотношением А В = В вых / В вх , где В вых = R С × I вых и в = (R E //r e )×I в . Далее следует, что:
eq 3: Упрощенное выражение коэффициента усиления по напряжению Поскольку сопротивление коллектора удовлетворяет R C >>r e , усиление по напряжению конфигурации CBA очень велико.
Кроме того, мы можем подчеркнуть, что коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CBA такой же, как и для усилителей с общим эмиттером, за исключением того, что знак здесь положительный: сигнал выходного напряжения находится в фазе с сигналом входного напряжения . Эта формула действительна, если считается, что нагрузка R L удовлетворяет требованиям R L >>R C . Однако в общем случае выражение усиления по напряжению имеет вид:
Пример: Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности
В этом разделе мы рассматриваем реальную конфигурацию CBA, представленную в Рис. 3 с сетью делителя напряжения для смещения базы, состоящей из двух резисторов R 1 и R 2 . Кроме того, нагрузка R L включена параллельно коллекторному сопротивлению R C . Обратите внимание, что между основанием и землей добавлен развязывающий конденсатор, чтобы сделать эту диаграмму правильной, но для простоты его значение не указано и не будет учитываться в следующих расчетах.
Наконец, коэффициент усиления по току биполярного транзистора равен β=100 .
Коэффициент усиления по току для этой конфигурации CBA определяется как: что нам нужно значение малого сопротивления диода.
Падение напряжения на сопротивлении коллектора R C определяется как:
Следовательно, ток через сопротивление коллектора равен I C =V C /R C =0,97 В/5 кОм= 194 мкА . Из этого значения следует, что малое сопротивление диода составляет r e = 25 мВ/194 мкА = 129 Ом .
Таким образом, входное сопротивление определяется как:
Поскольку в этой конфигурации R L
Наконец, усиление по напряжению определяется из Уравнение 4 :
Теоретически здесь напряжение может быть увеличено в 34,65 раза.
Однако, как видно из руководства «Введение в электронные усилители», выходное напряжение ограничено напряжением источника питания. Таким образом, выходное напряжение здесь достигает только 2×В , питание =20 В от пика до пика вместо 2×34,65=69,3 В от пика до пика, и будет наблюдаться довольно важный эффект насыщения.
Интересно проверить правильность наших расчетов при определении входного и выходного тока:
- Входной ток определяется как V в /R в =1 В/114,2 Ом, таким образом, I в =8,76 мА .
- Выходной ток определяется как V вых /R вых = 34,65 В/4 кОм, таким образом, I вых = 8,66 мА .
Мы видим, что входной и выходной токи примерно равны и отношение I вых /I вх =0,99 снова дает рассчитанное ранее усиление по току.
Если учесть, что выходное напряжение действительно может быть увеличено в 34,65 раза, коэффициент усиления по мощности A P для этой конфигурации будет равен P =34,3 . Однако, поскольку R L =4×R C , в нагрузку передается только четверть мощности: A P,нагрузка =8,57 .
Использование упрощенного выражения из уравнения 3 R C /r e =5 кОм/129 Ом дает коэффициент усиления по напряжению А В =38,8 . Упрощенное значение усиления по току составляет А I =1 , что, в свою очередь, дает усиление по мощности A P =38,8 вместо 34,3 для реального значения. Таким образом, ошибка E P для усиления мощности:
Заключение
В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты одной из трех элементарных топологий усилителя, известной как 9.
0197 Усилитель с общей базой (CBA). Мы видели, что такая конфигурация не может усиливать токи, так как ее усиление по току примерно равно и строго меньше 1, отсюда и название «токовый буфер/повторитель», часто даваемое CBA. Тем не менее, мы убедились в теории и на примере, что сигнал напряжения может быть сильно усилен, а его усиление по напряжению ограничено только мощностью, подаваемой в коллекторную ветвь. В отличие от усилителя с общим коллектором , входное сопротивление схемы CBA низкое, а выходное сопротивление высокое. Эта функция делает CBA очень полезными для промежуточного звена между входами с низкой нагрузкой и выходами с высокой нагрузкой, например, в радиочастотных цепях. Наконец, мы увидели на примере, как практически рассчитать усиление по напряжению, току и мощности для конфигурации CBA.
В качестве общего заключения, мы рассмотрели в этом руководстве три элементарные конфигурации усилителя на основе биполярного транзистора: усилитель с общим эмиттером (CEA), усилитель с общим коллектором (CCA) и усилитель с общей базой .
Подведем итоги и дадим ниже сравнение этих различных конфигураций:
- По абсолютной величине коэффициент усиления по напряжению одинаков для конфигураций CEA и CBA. Однако СЕА сдвигает сигнал на 180° по фазе, так как он имеет знак «-», поэтому СЕА инвертирует сигнал.
- Входное сопротивление: приблизительно одинаково для конфигураций CEA и CCA.
- Выходное сопротивление: одинаково для конфигураций CEA и CBA.
- Коэффициент усиления по напряжению: высокий для CEA и CBA, ≅1 для CCA.
- Коэффициент усиления по току: высокий для CEA и CCA, ≅1 для CBA.
- Прирост мощности: очень высокий для CEA, высокий для CBA, средний для CCA.
Наконец, из-за их различных характеристик приложения этих трех конфигураций также различны:
- СЕА благодаря высокому коэффициенту усиления по напряжению и току используется в качестве универсального усилителя.
- CCA из-за его высокого входного и низкого выходного сопротивлений используется в качестве понижающего адаптера импеданса.
