Схема транзистора с общим эмиттером: СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Основные схемы включения транзисторов

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

 

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

 

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30…50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1… 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — C3 для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3.3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 3.7 — 3.9).

Рис. 3.7. Схема с общим истоком (ОИ)

 

Рис. 3.8. Схема с общим стоком (ОС)

По аналогии со схемами включения биполярных транзисто ров полевые включают с общим истоком, общим стоком и с об щим затвором.

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

 

Рис. 3.9. Схема с общим затвором (03)

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 3.7 — 3.9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 3.10 — 3.13). Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Рис. 3.10

 

Рис. 3.11

 

Рис. 3.12

 

Рис. 3.13

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы — транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами — малосигнальной эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры — всё остаётся без изменений, меняется лишь направление источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:
r_б = τ_ос / C_к — объёмное сопротивление базы, где τ_ос — постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а C_к — ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то «постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте» указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:

r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт), где Р_макс — максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) — активное сопротивление эмиттера , где I_э — ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const) — дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает наличие пресловутого эффекта Эрли — эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ. Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h31э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В — 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.
Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:

С_к — ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и С_э — диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками, повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства полупроводников.

Далее на повестке — источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной I_к = α x I_э , где α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с

общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где Rист — выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈ R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u = — β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э ;
K_i = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.

Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б

= U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)] ;
K_i = β + 1 .

Как уже было сказано — данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту сопутствующих им элементов.

 

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

• схема с фиксированным током базы,
• схема с фиксированным напряжением на базе,
• схема с коллекторной стабилизацией,
• схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.

Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье «схема эмиттерной стабилизации». Сейчас нас будут интересовать параметры усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора R_вхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения U_б от тока базы I_б) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора R_вхОЭ зависит от тока базы I_б0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔU_б0 и ΔI_б0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

(2)

где I_б — ток базы в рабочей точке;
U_бэ — напряжение базы в рабочей точке;
I_s — обратный ток перехода эмиттер-база;

— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток I_s, поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

(3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

(4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы r_бб’.

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы R_вых и h₂₁×i_вх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

(5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).

Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление R_и будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление R_и при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

(6)

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. npn транзистор общего назначения КТ3130
3. NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848 (один из лучших транзисторов, известных мне)
4. BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
6. Электротехника и электроника Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.15:

Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I_б, и напряжение на коллекторе U_к, а выходными характеристиками будут ток коллектора I_к и напряжение на эмиттере U_э.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:

В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа)

.

после перегруппирования сомножителей получаем:

(5.30)

Рис. 5.15. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Коэффициент α/(1-α) перед сомножителем I_б показывает, как изменяется ток коллектора I_к при единичном изменении тока базы I_б. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком β.

(5.31)

Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α > 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98÷0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50÷100.

С учетом (5.31), а также I_к0 * = I_к0/(1-α) выражение (5.30) можно переписать в виде:

(5.32)

где I_к0 * = (1+β)I_к0 — тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора I_к0, а величина r_к определяется как r_к * = r_к/(1+β).

Продифференцировав уравнение (5.32) по току базы I_б, получаем β = ΔI_к/ΔI_б. Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I_к при изменении тока базы I_б.

Для характеристики величины β как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как α = γ·κ, где

. Следовательно, . Для величины β было получено значение: β = α/(1-α). Поскольку W/L

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_б вызывают значительные изменения коллекторного тока I_к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Рис. 5.16. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора КТ215В, включенного по схеме с общим эмиттером [24, 29]:а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8929 —

| 7238 — или читать все.

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Схемы включения биполярного транзистора.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера

, на выходе .

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению ) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту

. Тут все понятно А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания

) – уменьшилось напряжение .

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо ) Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу Если резисторы

и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы )

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот ) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Лабораторная работа №5

Электрические параметры.

UКЭ макс.	40 В
UКБ макс.	40 В
IК макс.	400 мА
hКЭ при UКЭ=20 В IЭ=2.5 мА	30¸80
fмакс.	0.5 мГц

Плоскостной транзистор состоит из двух p-n-переходов, один из ко­торых—эмиттерный—включен в прямом направлении, другой— коллек­торный—включен в обратном направлении. Между эмиттерным и кол­лекторным переходами расположена область базы.

Полупроводник базы имеет низкую концентрацию примесей, тол­щина базовой пластины w значительно меньше диффузионной длины L (диффузионной длиной называют расстояние, на которое неосновные носители диффундируют за время жизни).

На рис. 5-1 показана зонная энергетическая диаграмма транзистора р-п-р-типа без подачи напряжений на электроды прибора и в активном ре­жиме. Подача на эмиттерный переход прямого смещения U_э вызы­вает инжекцию дырок из эмиттера в базу. Инжектированные в базу дырки диффундируют к коллекторному переходу. При условии w

Семейство коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ отличается от коллекторных характеристик в схеме ОБ. Все характеристики выходят из начала координат, т.е. при U_кэ=0 ток I_к=0. Это объясняется тем, что при U_кэ=0 цепь коллектор-эмиттер закорочена; кол­лекторный переход подключен параллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое напряжение, равное U_бэ, которое понижает потенци­альный барьер. В результате основные носители заряда переходят из кол­лектора в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, пере­ходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что I_к=0.

Вид входных характеристик транзистора показан на рис. 5-3,б. Обра­тите внимание то, что I_б падает с увеличением обратного смещения кол­лекторного перехода U_кэ. При U_кэ=0 оба перехода – эмиттерный и кол­лекторный – смещены в прямом направлении напряжения U_бэ. В резуль­тате рекомбинационный ток базы велик. Смещение коллекторного пере­хода в обратном направлении |U_кэ|>|U_бэ| переводит транзистор в активный режим с малым током базы. Дальнейшее уменьшение тока базы связано с модуляцией ширины базы коллекторным напряжением.

Наибольшее распространение при расчете транзисторных низ­кочас­тотных схем получили h-параметры. Их преимущество пе­ред собствен­ными параметрами состоит в том, что их удобно определять с помощью измерений в схеме включения транзисто­ра, причем для этого легко соз­дать требуемые режимы по пере­менному току: короткое замыкание на выходе, соответствующее условию DU_вых=0 (или U_вых), и холостой ход на входе, соответственно, DI_вх= 0 (или I_вх= const).

Для определения h-параметров составляется система уравне­ний, в кото­рой независимыми переменными являются DI_вх и DU_вых :

В этой системе имеется четыре параметра с разной размер­ностью: h₁₁,h₁₂,h₂₁,h₁₂.

Зна­чение этих параметров следующее:

h₁₁ — входное сопротивление транзистора при неизменном вы­ходном напряжении:

при U_вых=const;

h₂₂ — выходная проводимость транзистора при неизменном вход­ном токе:

при I_вх=const;

h₂₁ — коэффициент усиления тока при неизменном выходном напря­жении:

при U_вых=const;

h₁₂— коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при неизменном входном токе

при I_вх=const;

Поскольку в систему h-параметров входят сопротивление, проводи­мость и безразмерные величины, их иногда называют смешанными, или гибридными, параметрами. Эти параметры зависят от схемы включения транзистора и в разных схемах имеют разные значения. Поэтому к ин­дексу добавляют букву, обозначающую схему включения.

Определение h-параметров по статическим характеристикам транзи­стора для схемы ОЭ показано на рис. 5-4, где h₁₁ опре­деляется по одной входной характеристике, h₂₂ — по одной вы­ходной, h₁₂ — по двум вход­ным, h₂₁ — по двум выходным. Учи­тывая, что характеристики транзи­стора нелинейны и параметры зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки по малым приращениям токов и напряжений.

Значения h-параметров для разных схем включения связаны соотно­шениями, из которых по h-параметрам одной схемы можно найти h-па­раметры другой. Например:

Кроме того, h-параметры можно выразить через первичные пара­метры транзистора:

В справочниках приводится коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: h_21э=b.

Как видно из приведенных соотношений, a и b соответствен­но равны h_21б и h_21э; определение их по коллекторным характе­ристикам для схем ОЭ и ОБ производится аналогично показан­ному на рис. 5-4, в.

1. Термины и обозначения.

Постоянный ток коллектора	Iк
Постоянный ток эмиттера	Iэ
Постоянный ток базы	Iб
Постоянное напряжение эмиттер-база	Uэб
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ
Постоянная рассеиваемая мощность биполярного транзистора (БТ)	P
Входное дифференциальное сопротивление диода БТ в режиме малого сигнала	h11
Коэффициент обратной связи по напряжению БТ в режиме малого сигнала	h12
Коэффициент передачи тока БТ в режиме малого сигнала	h21
Выходная полная проводимость БТ в режиме малого сигнала при холостом ходе	h22
Максимально допустимый постоянный ток коллек­тора	Iк. макс.
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ. макс.
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность БТ	Pмакс.

2. Цель работы.

2.1. Изучение устройства и принципа действия биполярных транзисто­ров.

2.2. Наблюдение на осциллографе и снятие характеристик транзисторов в схеме с общим эмиттером.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 2629 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Биполярные транзисторы: схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток I_б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I_э = I_б + I_к.

Параметры транзисторов

1. Коэффициенты усиления по напряжению U_эк/U_бэ и току: β = I_к/I_б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
2. Входное сопротивление.
3. Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R_L, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С₁, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R_L, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V_in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V_CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R_L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С₁, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R₁, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R_L вместе равны величине ЭДС: V_CC = I_CR_L + V_CE.

Таким образом, небольшим сигналом V_in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V_БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V_CC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I_C = (V_CC — V_CE)/R_C. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I_C и напряжение V_CE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I_В.

Зона между осью V_CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I_В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I_C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I_В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I_C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Биполярный транзистор

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 9 сентября 2015 · Обновлено 29 августа 2018

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье ?

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока!

Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

5. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ  КАСКАД  НА  БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ  ЭМИТТЕРОМ

            Анализировать работу транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 5.1, а) будем, используя в упрощенном виде малосигнальную эквивалентную схему транзистора.

Составим три эквивалентные схемы для соответствующих диапазонов частот: средних, низких (больших времен), высоких (малых  времен), – используя  правила,  данные  в  гл. 4.

            Эквивалентные схемы для области средних частот (средних времен) каскада с ОЭ приведены на рис. 5.1, б, в. При их построении учтено, что значения емкостей С₁, С₂,

С_Э выбирают такими, чтобы их сопротивления в диапазоне средних частот, под которым обычно понимают диапазон рабочих частот, были достаточно малы и ими в эквивалентной схеме можно было пренебречь. Источник  напряжения  питания  Е замкнут накоротко.

            Упрощенная эквивалентная схема рис. 5.1, в отличается от схемы рис. 5.1, б тем, что в ней не учтено влияние дифференциального сопротивления коллекторного перехода , которое достаточно велико и при небольших сопротивлениях R_K (до десятков кОм, а иногда и выше) его можно не учитывать.

            На малосигнальных эквивалентных схемах направления включения генераторов тока зависят от мгновенного значения полярности входного напряжения. Поэтому они могут со­впадать или быть противоположными направлениям включения генераторов,  характеризующих  статический  режим.

            Статический режим каскада с ОЭ подробно рассмотрен в гл. 3. При ориентировочной оценке тока покоя транзистора можно  использовать  уравнение

где U_БЭО – напряжение база – эмиттер, определяемое из входной характеристики при токе базы I_БО (I_БО^{= I_КО / h_21Э). Уравнение (5.1) справедливо для случаев, когда I_БО во много раз меньше тока делителя I_Д, состоящего из резисторов R₁, R_{2 (IБО <<  IД), и от его значения мало зависит потенциал базы.}}

            Найдем параметры каскада, характеризующие его свойства при усилении сигналов переменного тока, используя эквивалентные схемы рис. 5.1, б. При этом введем допущение, которое не вполне справедливо, но для упрощения им пользуются на практике. Будем считать, что ток базы i_б полностью протекает через  и не ответвляется в цепь коллектора, а ток коллектора i_к не ответвляется в цепь базы и также протекает в цепи эмиттера. Если первое допущение, как правило, выполняется вследствие большого значения , то второе не соответствует действительности. Однако в связи с при­ближенным характером расчета электронных цепей, а также ввиду большого разброса характеристик и параметров актив­ных приборов, достигающего сотен процентов, погрешностями от введения допущений пренебрегают. При уточненном расчете второе допущение учитывают, вводя коэффициент внутренней обратной  связи.

Входное сопротивление

            Если не учитывать сопротивление делителя  R_l|| R₂,  то  входное  сопротивление  каскада

                                                                R_ВХ = u_BX / i_BX,

где   u_BX  — выходное   напряжение  на  зажимах   база – эмиттер; i_BX – входной  ток  базы.

            Как  видно  из  рис. 5.1, в,  входное  напряжение

откуда

                                        

            Для получения полного входного сопротивления необходимо учесть шунтирующее действие сопротивлений R₁ и R₂. Так как  для  переменного  тока  они  включены  параллельно,  то

                            

Основные схемы включения транзисторов

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока). У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:

• Схема с общим эмиттером
• Схема с общей базой
• Схема с общим коллектором

Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией. Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.

Схема с общим эмиттером

Наиболее распространенной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером. Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора. Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.

Что касается амплитудно-частотной характеристики схемы с общим эмиттером, то в данном включении транзистора верхняя частота усиления будет минимальная по сравнению с остальными схемами включения транзистора. Верхняя частота усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, ограничена частотой f_β (f_h31э). [Подробнее]

Схема с общей базой

Схема с общей базой обычно применяется на высоких частотах. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общей базой не усиливает по току. В данной схеме производится усиление только по напряжению. Функциональная схема включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема включения транзистора с общей базой

На этой схеме цепи питания коллектора и базы тоже не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общей базой служит эмиттерное сопротивление транзистора, поэтому входное сопротивление схемы с общей базой мало. Её входное сопротивление самое маленькое из всех схем включения транзистора, однако для данной схемы это не является недостатком, т.к. входное сопротивление высокочастотных усилителей должно быть равно 50 Ом.

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой — самая широкополосная из всех схем включения транзистора, поэтому она широко используется в высокочастотных усилителях радиочастоты. Частотная характеристика схемы с общей базой ограничивается предельной частотой усиления транзистора f_α (f_h31б). [Подробнее]

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором обычно применяется для получения высокого входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления резистора в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.

Амплитудно-частотная характеристика схемы включения транзистора с общим коллектором достаточно широкополосна. Однако полоса пропускания усилителя может быть серьёзно ограничена из-за шунтирования высокого входного сопротивления схемы с общим коллектором паразитными емкостями, поэтому в основном схема с общим коллектором применяется в качестве буферного усилителя с высоким входным сопротивлением. Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. [Подробнее]

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
3. Биполярный транзистор. Часть 5

Вместе со статьей «Схемы включения транзистора» читают:

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление по схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы.

Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:

1 Каскад с общим эмиттером (на схеме показан каскад с фиксированным током базы – это одна из разновидностей смещения транзистора).

2 Каскад с общим коллектором

3 Каскад с общей базой

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен ом), высокое (порядка десятков Килоом) выходное сопротивление. Отличительная особенность – изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть – инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения – входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи – величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в Н21э раз . (Величина «Н21э» – это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером). Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем .

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это – способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого – же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+Н21э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+Н21э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

В практике радиолюбителя иногда приходится использовать параллельное включение транзисторов для увеличения выходной мощности (коллекторного тока). Один из вариантов данного включения приведен ниже:

При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами Вст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы. Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них (в интервале рабочих токов) около 1 вольта (или, по крайней мере, – не менее 0,7 вольта). Данная схема должна применяться с большой осторожностью, так как даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам. Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке. При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток коллектора не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора одного из транзисторов! Количество транзисторов, включенных по этой схеме может быть сколько угодно большим – все зависит от целесообразности.

В радиолюбительской практике иногда необходим транзистор с проводимостью, отличной от имеющегося (например – в выходном каскаде УЗЧ и проч.) . Выйти из положения позволяет схема включения, приведенная ниже:

В данном каскаде используется как правило маломощный транзистор VT1 необходимой проводимости, транзистор VT2 необходимой мощности , но другой проводимости. Данный каскад (в частности) эквивалентен транзистору с проводимостью N-P-N большой мощности с высоким коэффициентом передачи тока базы (h31Э). Если мы используем в качестве VT1, VT2 транзисторы противоположной проводимости – получим мощный составной транзистор с проводимостью P-N-P.

Если в данной схеме применить транзисторы одной структуры – получим так называемый Составной транзистор. Такое включение транзисторов называют Схемой Дарлингтона . Промышленность выпускает такие транзисторы в одном корпусе. Существуют как маломощные (типа КТ3102 и т.п.) так и мощные (например – КТ825) составные транзисторы.

А сейчас поговорим немного о температурной стабилизации усилителя.

Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин : при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора . Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток. Попросту говоря – каскад перестает быть усилительным. Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения. Рассмотренная нами выше схема каскада по схеме с общим эмиттером является схемой с фиксированным током базы. Ток коллектора в данной схеме зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора и должен устанавливаться индивидуально при помощи подбора величины резистора R1. При смене транзистора начальный (при отсутствии сигнала) ток коллектора приходится подбирать заново, так как транзисторы даже одного типа имеют очень большой разброс статического коэффициента усиления тока базы (h31 Э). Другая разновидность каскада – схема с фиксированным напряжением смещения. Эта схема также обладает недостатками, описанными выше:

Для повышения термостабильности каскада необходимо использовать специальные схемы включения:

Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада. Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения отрицательной обратной связи ) расширить диапазон рабочих температур каскада. При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом – осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.

Более качественную стабилизацию температурных параметров каскада усиления можно осуществить, если несколько усложнить схему и применить так называемую » эмиттерную » температурную стабилизацию . Данная схема, несмотря на сложность, позволяет каскаду сохранять усилительные свойства в очень широком интервале рабочих температур. Кроме того, применение данной схемы стабилизации дает возможность замены транзисторов без последующей настройки. Отдельно скажу о конденсаторе С3 . Этот конденсатор служит для повышения коэффициента усиления каскада на переменном токе. Он устраняет отрицательную обратную связь каскада. Емкость этого конденсатора зависит от рабочей частоты усилителя. Для усилителя звуковых частот емкость конденсатора может колебаться от 5 до 50 микрофарад, для диапазона радиочастот – от 0,01 до 0,1 микрофарады (но его в некоторых случаях может и не быть) .

Теперь давайте попробуем расчитать термостабильный каксад по постоянному току:

ВНИМАНИЕ! Данные расчета получаются довольно приблизительные! Окончательный номинал резистора R1 потребуется подобрать при наладке более точно!

Для начала нам нужно определиться с исходными данными для расчета. На верхнем прямоугольнике даны постоянные величины соответственно для германиевого (Ge) и кремниевого (Si) транзистора.

Теперь давайте расчитаем работу каскада по переменному току:

Сначала определяем сопротивление Rэ. Для нашего случая (ток коллектора 1 миллиампер) Rэ = 26 ом,
Далее определим проводимость S = 38.46 микросименса (ориентировочно),
Вычисляем значение R11. Для транзистора типа КТ315Б среднее значение параметра h31э равно 200, отсюда R11 равно 5200,
Величину Rb необходимо определить для вычисления входного сопротивления каскада, являющегося нагрузкой расчитываемого. Она равна (при номиналах резисторов, взятых в нашем примере) 5,75 килоом,
Для упрощения расчета можно не вычислять сопротивление Rн, а принять его равным R3.
Ожидаемый коэффициент усиления данного каскада на транзисторе типа КТ315Б со средним значением h31э равным 200 получается около 40.
Следует иметь в виду, что полученное значение коэффициента усиления каскада весьма приблизительно! На практике это значение может отличаться в 1,5 – 2 раза (иногда – больше) и зависит от конкретного экземпляра транзистора!
При расчете коэффициента усиления транзистороного каскада по переменному току следует учитывать, что этот коэффициент зависит от частоты усиливаемого сигнала. Максимальная частота примененного транзистора должна быть по крайней мере в 15-20 раз выше предельной частоты усиления (определяется по справочнику).

Для написания этой странички использовались материалы из книги «Краткий радиотехнический справочник.» Авторы Богданович и Ваксер, Издательство «Беларусь» 1976 год.

Литература по теме: Небольшой учебник «Азы транзисторной схемотехники» (около 380 килобайт), найденный мной в интернете, можно скачать по этой ссылке .

Книжка «Расчет схем на транзисторах» лежит здесь (довольно древняя – 1969 года издания, но вполне актуальная!) обьем около 8 мБайт.

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30. 50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1. 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — СЗ для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3.3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 3.7 — 3.9).

Рис. 3.7. Схема с общим истоком (ОИ)

Рис. 3.8. Схема с общим стоком (ОС)

По аналогии со схемами включения биполярных транзисто ров полевые включают с общим истоком, общим стоком и с об щим затвором.

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Рис. 3.9. Схема с общим затвором (03)

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 3.7 — 3.9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 3.10 — 3.13). Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

 

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

 

Рис. 3.3. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n-типа с ОЭ

 

Рис. 3.4. Статические характеристики схемы с ОЭ

 

 

Внимательное рассмотрение этих характеристик позволяет сделать ряд полезных заключений о работе транзистора в анализируемой схеме. Естественно, рассматривать следует те участки характеристик, которые соответствуют активному режиму работы транзистора.

Во-первых, из входных характеристик (рис. 3.4,а) видно, что при достижении током базы \({I_Б}_0\) определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение \({U_{БЭ}}_0\), а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока \({I_Б}_0\). Выходные характеристики (рис. 3.4,б) и характеристики передачи (рис. 3.4,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора \({I_К}_0\) (естественно, и на ток эмиттера \({I_Э}_0\), поскольку \(I_Э \approx I_К\)), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения \({U_{КЭ}}_0\).

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора \({I_К}_0\)), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы \({I_Б}_0\), который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения \({U_{БЭ}}_0\). Токи коллектора \({I_К}_0\) и эмиттера \({I_Э}_0\) практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение \(U_{{КЭ}_0}\) не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и непревышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.

На практике получили распространение два способа обеспечения заданного положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 3.5) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6).

 

Рис. 3.5. Схема с фиксированным током базы

 

Рис. 3.6. Схема эмиттерно-базовой стабилизации

 

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора \({I_Б}_0\). Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор \(R_Б\) и эмиттерный переход транзистора \(VT1\). Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток \({I_Б}_0\) целиком определяется напряжением питания \(U_П\) и значением базового сопротивления \(R_Б\):

\({I_Б}_0 \approx \cfrac{U_П}{R_Б} {    } \Large \Rightarrow \normalsize {   } R_Б = \cfrac{U_П}{{I_Б}_0} \).

 

Стабильность тока базы в рассматриваемой схеме приводит к стабильности тока коллектора, поскольку

\({I_К}_0 = \beta_{ст} {I_Б}_0\),

где \(\beta_{ст}\) — статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

 

Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с фиксированным током базы (рис. 3.5).

Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента \(\beta_{СТ}\), т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы \({I_Б}_0\), чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора \({I_К}_0\) (заметим, что в выборе этого параметра практически недопустимы никакие вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления \(R_Б\) будет определяться теми характеристиками, которые присущи именно конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6) и различные ее доработки.

Как следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер—база транзистора. Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах \(R1\), \(R2\), ток через который \({I_д}_0\) значительно превышает все возможные значения тока базы \({I_Б}_0\) (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение \({U_{БЭ}}_0\) на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора \({I_К}_0\) транзистора. Действительно, ведь

\( {U_{БЭ}}_0 = {I_Б}_0 r_Б + {I_Э}_0 r_Э = {I_Б}_0 \left[ r_Б + (\beta_{СТ} + 1) r_Э \right] \approx {I_Б}_0 \beta_{СТ} r_Э = {I_К}_{0} r_Э\)

\( \Large \Downarrow \)

\( {I_К}_{0} \approx \cfrac{{U_{БЭ}}_0}{r_Э}\) 

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области \(r_Э\), остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая типономинал применяемых транзисторов и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще (у нее есть и другие достоинства, сделавшие ее столь популярной).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

ИЗУЧЕНИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Изучение схемы усилителя с общим эмиттером

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Студентка гр. 7501		Винограденко Ю.В.
Преподаватель		Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

2019

Цель работы: ознакомиться с основными типами усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Освоить основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада и методику измерения коэффициента усиления транзистора по току. Научиться снимать основные параметры усилительного каскада – входное и выходное сопротивления, АЧХ.

Используемое оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS, резисторы, конденсаторы, транзистор 2N2222.

Основные теоретические положения.

Каскад с общим эмиттером имеет достаточно высокий коэффициент усиления (пропорциональный β), средние (приемлемые на практике) значения входного и выходного сопротивлений и поэтому широко используется в практической схемотехнике. Главная проблема, возникающая при его использовании – задание рабочей точки транзистора (синоним – смещение транзистора). Дело в том, что в эскизных схемах подразумевается, что ток I_К может как увеличиваться, так и уменьшаться, то есть в отсутствие входного сигнала он должен иметь некоторое определённое значение, которое должно определять падение напряжения на резисторе R_К и, следовательно, выходное напряжение каскада в отсутствие входного сигнала. Поскольку это выходное напряжение имеет минимальное значение, равное нулю (транзистор полностью открыт), а максимальное – E_К (транзистор полностью закрыт), логично задать значение тока I_К в отсутствие входного сигнала таким, чтобы выходное напряжение равнялось E_К/2. В этом случае сопротивление резистора R_К следует выбрать равным E_К/(2I_К0), где I_К0 – значение коллекторного тока в отсутствие входного сигнала. Этот ток должен обеспечить ток базы I_Б0= I_К0/β. Классический способ создания такого тока в каскаде с общим эмиттером показан на рис. 1.

Рисунок 1. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного тока базы (а) и график, иллюстрирующий её работу (б)

Ток базы задаётся резистором R_Б, падение напряжения на котором равно U_RБ ≈ E_К – 0,7В. При условии сопротивление резистора R_Б можно оценить как

При таком задании рабочей точки в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно E_К/2, при положительном входном сигнале ток базы увеличивается и выходное напряжение уменьшается, при отрицательном – увеличивается (рис. 1). Таким образом, выходной сигнал содержит постоянную составляющую и обычно от неё избавляются, применяя разделительный конденсатор. Кроме того, вход каскада не должен быть соединён по постоянному току с источником входного сигнала, поэтому необходимо подключать входной сигнал ко входу каскада также через разделительный конденсатор.

Альтернативный способ задания рабочей точки транзистора изображён на рис. 2. В этом способе используется задание постоянного напряжения на базе транзистора U_БЭ, которое создаётся делителем напряжения на резисторах Rб1 – Rб2:

Два описанных способа задания рабочей точки традиционно используются в любых устройствах на базе биполярного транзистора.

Рисунок 2. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного напряжения U_БЭ

Как коэффициент усиления каскада, так и его входное и выходное сопротивления зависят от индивидуальных параметров транзистора (β, r_Б и r_К). Более того, замена транзистора в рабочем усилительном каскаде влечёт за собой необходимость заново устанавливать рабочую точку. Этого можно избежать с помощью введения в каскад последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по току (рис. 3). В этой схеме на вход транзистора (напряжение база- эмиттер) подаётся разность входного сигнала и падения напряжения на резисторе Rэ, которое пропорционально току I_К. Коэффициент усиления каскада определяется уже не индивидуальными параметрами транзистора, а величинами сопротивлений резисторов, входящих в схему:

K_У=R_К/R_Э. Установку рабочей точки в схеме можно также обеспечить заданием тока базы при помощи резистора Rб, или с помощью напряжения на базе, которое задаётся делителем напряжения.

Рисунок 3. Схема усилительного каскада с ОЭ с последовательной ООС по току

Согласно общим положениям теории систем с обратной связью, введение последовательной отрицательной обратной связи по току приводит к тому, что входное сопротивление усилительного каскада значительно увеличивается.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с общим коллектором

Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление.

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).

Схема каскада усиления с коллекторной стабилизацией и схемой включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема с общей базой

Отличительной особенностью схемы с общей базой является малое входное сопротивление. Входным сопротивлением этого усилительного каскада является эмиттерное сопротивление транзистора.

По току схема усилительного каскада с общей базой усилением не обладает. Более того, коэффициент передачи этой схемы меньше единицы.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада, собранного по схеме с общей базой, совпадает с коэффициентом усиления по напряжению схемы с общим эмиттером.  Схема включения транзистора с общей базой используется обычно в высокочастотных усилителях.

Обработка результатов эксперимента

1. Схема с общим эмиттером

1. Схема 1

Рисунок 6. Схема 1 смоделированная в MicroCap

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 0.931мА

• β = 218

Рисунок 7. Собранная схема 1

Рисунок 8. Показания вольтметра на выходе

Расчёты:

,

В собранной схеме R₁ = 7.5кОм, R₂ = 3.3Мом

Подаём входной синусоидальный сигнал

Рисунок 9. Собранная схема с переменным входным сигналом

Рисунок 10. Осциллограмма входного и выходного сигнала

2. Схема 2

Рисунок 11. Схема 2 смоделированная в MicroCap

Сборка схемы

Рисунок 12. Собранная схема 2

Рисунок 13. Показания вольтметра на выходе для схемы 2

Рисунок 15. Показания вольтметра на базе

Рисунок 14. Показания вольтметра на эмиттере

Расчёт:

R₃=7.5кОм,

R₂ = 10кОм, R₄ = 1кОм

Рисунок 16. Схема 2 при входном синусоидальном cигнале смоделированная в MicroCap

Подаём входной синусоидальный сигнал

Рисунок 17. Осциллограмма входного и выходного сигнала

C₁ = 2.2мкФ, C₂ = 2.2мкФ

Рисунок 18. Собранная схема 2 с переменным входным сигналом

Рисунок 19. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы 2

Рисунок 20. АЧХ схемы 2

Расчёт входного сопротивления

2. Схема с общим коллектором

Рисунок 21. Схема с общим коллектором входном синусоидальном сигнале, смоделированная в MicroCap

Рисунок 22. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 0.983мА

• R1 = R2 = 10кОм

• R3 = 7.5кОм

• C1 = C2 = 2.2мкФ

Рисунок 24. Показания вольтметра на выходе

Рисунок 23. Собранная схема с общим коллектором

Рисунок 25. Показания вольтметра на эмиттере

Рисунок 26. Показания вольтметра на базе

Рисунок 27. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общим коллектором

Рисунок 28. АЧХ схемы с общим коллектором

3. Схема с общей базой

Рисунок 29. Схема с общей базой при входном синусоидальном сигнале, смоделированная в MicroCap

Рисунок 30. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 1.121мА

• R₁ = 84кОм, R₃=7.5кОм,

• R₂ = 10кОм, R₄ = 1кОм

• C1 = C2 = 2.2мкФ

Рисунок 31. Собранная схема с общей базой

Рисунок 32. Показания вольтметра на выходе

Рисунок 33. Показания вольтметра на эмиттере

Рисунок 34. Показания вольтметра на базе

Рисунок 35. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой

Рисунок 36. АЧХ схемы с общей базой

Амплитудно-частотные характеристики схем в MicroCap

1. Схема с общим эмиттером

Рисунок 37. АЧХ схемы с общим эмиттером

2. Схема с общим коллектором

Рисунок 38. АЧХ схемы с общей базой

3. Схема с общей базой

Рисунок 39. АЧХ схемы с общим коллектором

Вывод: мы ознакомились с основными типами усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Освоили основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада. Для схемы с общим эмиттером был найден коэффициент усиления по напряжению, который был равен по модулю 7,5. На практике усиление получилось немного меньше – 6,8. АЧХ для данной схемы получилось сходным с теоретическим. В схеме с общим коллектором нет усиления по напряжению, что и можно было наблюдать по осциллограмме. АЧХ так же показывало отсутствие усиления. Для схемы с общей базой значение коэффициента усиления составило 7,5, на практике он получился равным 6,77. АЧХ для данной схемы так же совпало с теоретическим. Было рассчитано входное сопротивление для СОЭ, которое составило 7,6кОм, что примерно близко к предполагаемым 10кОм.

BJT Усилитель с общим эмиттером — курс аналоговой электроники

Базовый усилитель с общим эмиттером BJT имеет очень высокий коэффициент усиления, который может сильно варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Один из распространенных способов решения этих проблем — использование дегенерации эмиттера. Вырождение эмиттера относится к добавлению небольшого резистора (R4) между эмиттером и общим источником сигнала.

В этой схеме вывод базы транзистора является входом, коллектор — выходом, а эмиттер является общим для обоих. Это усилитель напряжения с инвертированным выходом. BJT-усилитель с общим эмиттером является одной из трех основных конфигураций одноступенчатых усилителей на биполярных переходных транзисторах (BJT).

Примечания:
• Измерьте результаты моделирования и сравните их с теоретическими, используя приведенные ниже формулы. Вы можете получить значения формы сигнала, перемещая курсор по графику.Для расчетов вы можете использовать следующее
• Мы используем модель транзистора 2N3904. Если вы правильно построите эту схему в лаборатории, используя транзистор 2N3904, вы должны увидеть аналогичные результаты.
• Используйте Toggle Plot (Переключить график) для просмотра совмещенных или сложенных графиков. Сложенные графики отображают максимальные формы сигналов, тогда как комбинированные формы сигналов показывают их относительные значения.
• Когда вы выбираете конденсатор CE равным 10 нФ, его реактивное сопротивление (при частоте источника сигнала 1 кГц) намного меньше, чем R4, и его можно игнорировать.Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока без CE и вычислите коэффициент усиления по напряжению. \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e + R_4} \ end {уравнение}

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC. Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

I _B можно игнорировать, если \ begin {уравнение} 10R_2 B можно рассчитать, используя KVL как простую схему делителя напряжения. \ begin {уравнение} V_B = {R_2 \ over {R_1 + R_2}} V_S \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение} если I _C намного больше, чем I _B , I _B можно игнорировать \ begin {уравнение} I_E = I_C \ end {уравнение}

Использование KVL (закон напряжения Кирхгофа) \ begin {уравнение} V_B = I_ER_4 + V_ {BE} \ end {уравнение} \ begin {уравнение} V_S = I_CR_3 + V_ {C} \ end {уравнение}

Если вы проектируете, а не анализируете цепь постоянного тока, вам следует выбирать номиналы резистора таким образом, чтобы VC составлял половину напряжения питания.Это необходимо для получения максимального размаха выходного напряжения.

\ begin {уравнение} V_ {C} = {V_S \ более 2} \ end {уравнение}

Анализ переменного тока

Затем мы перерисовываем схему, используя модель малого сигнала BJT. Конденсаторы считаются закороченными по переменному току (R4 закорочен на Ce), а источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать re

\ begin {уравнение} r_e = {v_T \ over I_E} \ end {уравнение}

Так как входное напряжение v _и проходит через r _и и согласно закону Ома

\ begin {уравнение} i_e = {v_i \ over r_e} \ end {уравнение}

Выходное напряжение \ begin {уравнение} v_c = -i_cR_3 \ end {уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \ begin {уравнение} i_e = i_b + i_c \ end {уравнение} Игнорируя i _b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i _c , мы получаем \ begin {уравнение} v_c = -i_eR_3 \ end {уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

© 2021 Emant Pte Ltd Co., рег. № 200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

или усилитель с общим эмиттером

Общий эмиттер Конфигурация

В общая конфигурация эмиттера, база — входной терминал, коллектор — выходной терминал, а эмиттер — общий терминал для ввода и вывода.Это означает, что база клемма и клемма общего эмиттера известны как вход клеммы, тогда как клемма коллектора и общий эмиттер клеммы известны как выходные клеммы.

В общая конфигурация эмиттера, вывод эмиттера заземлен поэтому конфигурация общего эмиттера также известна как заземленная конфигурация эмиттера. Иногда обычная конфигурация излучателя также называется конфигурацией CE, общий эмиттер усилитель или усилитель CE.Общий эмиттер (CE) конфигурация — наиболее широко используемый транзистор конфигурация.

усилители с общим эмиттером (CE) используются, когда большой ток необходимо усиление.

входной сигнал подается между клеммами базы и эмиттера при этом выходной сигнал берется между коллектором и эмиттерные клеммы.Таким образом, вывод эмиттера транзистора является общим как для ввода, так и для вывода и поэтому называется общая конфигурация излучателя.

напряжение питания между базой и эмиттером обозначается V _BE при этом напряжение питания между коллектором и эмиттером равно обозначается V _CE .

В конфигурация общего эмиттера (CE), входной ток или базовый ток обозначается I _B и выводится Ток коллектора обозначается I _C.

усилитель с общим эмиттером имеет среднее входное и выходное сопротивление уровни. Таким образом, коэффициент усиления по току и по напряжению общего эмиттерный усилитель средний. Однако выигрыш в мощности высок.

Кому полностью описать поведение транзистора с конфигурацией CE нам понадобится два комплекта характеристики — входные характеристики и выход характеристики.

Ввод характеристики

входные характеристики описывают взаимосвязь между входными ток или базовый ток (I _B ) и входное напряжение или напряжение база-эмиттер (В _BE ).

Первый, проведите вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось y, а горизонтальная линия представляет ось x.В входной ток или базовый ток (I _B ) берется вместе Ось y (вертикальная линия) и входное напряжение (V _BE ) _{отсчитывается по оси x (горизонтальная линия).}

Кому определить входные характеристики, выходное напряжение V _CE поддерживается постоянным при нулевом напряжении, а входное напряжение V _BE увеличивается от нуля вольт до различных уровней напряжения.Для каждый уровень входного напряжения (В _BE ), соответствующий входной ток (I _B ) записывается.

А Затем строится кривая между входным током I _B и входное напряжение В _BE при постоянном выходном напряжении В _CE (0 вольт).

Далее, выходное напряжение (В _CE ) увеличено с нуля вольт до определенного уровня напряжения (10 вольт) и выход напряжение (В _CE ) поддерживается постоянным на уровне 10 вольт.Пока увеличивая выходное напряжение ( _{В CE} ), входное напряжение (V _BE ) поддерживается постоянным на уровне нуля вольт. После мы поддерживали постоянное выходное напряжение (V _CE ) на уровне 10 вольт, входное напряжение V _BE увеличено с нуля вольт на разные уровни напряжения. Для каждого уровня напряжения входное напряжение (В _BE ), соответствующий вход записывается ток (I _B ).

А Затем строится кривая между входным током I _B и входное напряжение В _BE при постоянном выходном напряжении В _CE (10 вольт).

Это процесс повторяется для более высоких фиксированных значений выходного напряжения (V _CE ).

Когда выходное напряжение ( _{В CE} ) равно нулю и переход эмиттер-база смещен в прямом направлении входным напряжением (V _BE ), переход эмиттер-база действует как нормальный p-n переходный диод.Итак, входные характеристики Конфигурация CE такая же, как и у обычного pn переходной диод.

Падение напряжения кремниевого транзистора составляет 0,7 вольт и на германиевом транзисторе 0,3 вольта. В нашем случае это кремниевый транзистор. Итак, из приведенного выше графика мы видим, что после 0,7 В небольшое увеличение входного напряжения (В _BE ) быстро увеличивает входной ток (I _B ).

В конфигурация с общим эмиттером (CE), входной ток (I _B ) очень мал по сравнению с входным током (I _E ) в общем базовая (CB) конфигурация. Входной ток в CE конфигурация измеряется в микроамперах (мкА) тогда как входной ток в конфигурации CB измеряется в миллиамперы (мА).

В конфигурация с общим эмиттером (CE), входной ток (I _B ) производится в базовой области, которая слегка легирована и имеет небольшая ширина. Таким образом, базовая область производит только небольшой ввод ток (I _B ). С другой стороны, в общей базе (CB), входной ток (I _E ) равен в области эмиттера, которая сильно легирована и имеет большая ширина.Таким образом, область эмиттера производит большой входной сигнал. ток (I _E ). Следовательно, входной ток (I _B ) выпускаемый в конфигурации с общим эмиттером (СЕ) имеет малые размеры, поскольку по сравнению с конфигурацией с общей базой (CB).

Срок для прямого смещения переход эмиттер-база действует как прямой смещенный диод и из-за обратного смещения коллектор-база переход действует как диод с обратным смещением.

Следовательно, в ширина обедненной области на переходе эмиттер-база равна очень мала, тогда как ширина обедненной области на коллектор-база очень большой.

Если выходное напряжение V _CE приложено к коллектор-база еще больше увеличивается, истощение ширина области еще больше увеличивается.Базовая область слегка легированный по сравнению с коллекторной областью. Итак, истощение область проникает больше в базовую область и меньше в коллекторский регион. В результате ширина базовой области уменьшается, что, в свою очередь, снижает входной ток (I _B ) производится в базовом регионе.

От Из приведенных выше характеристик видно, что для более высоких фиксированных значения выходного напряжения V _CE , кривая смещается на правая сторона.Это связано с тем, что для более высоких фиксированных значений выходное напряжение, напряжение отключения увеличивается выше 0,7 вольт. Поэтому, чтобы преодолеть это падение напряжения, нужно больше вводить напряжение V _BE необходимо, чем в предыдущем случае.

Выход характеристики

выходные характеристики описывают взаимосвязь между выходной ток (I _C ) и выходное напряжение ( _{V CE} ).

Первый, проведите вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось y, а горизонтальная линия представляет ось x. В выходной ток или ток коллектора (I _C ) берется по оси y (вертикальная линия) и выходное напряжение (V _CE ) _{снимается по оси x (горизонтальная линия).}

Кому определить выходные характеристики, входной ток или базовый ток I _B поддерживается постоянным на уровне 0 мкА, а выходной ток напряжение V _CE увеличено с нуля до разные уровни напряжения.Для каждого уровня выходного напряжения соответствующий выход ток (I _C ) записывается.

А Затем строится кривая между выходным током I _C и выходное напряжение В _CE при постоянном входном токе I _B (0 мкА).

Когда базовый ток или входной ток I _B = 0 мкА, транзистор работает в области отсечки.В этом области оба перехода смещены в обратном направлении.

Далее, входной ток (I _B ) увеличивается с 0 мкА до 20 мкА путем регулировки входного напряжения (V _BE ). Вход ток (I _B ) _{поддерживается постоянным на уровне 20 мкА.}

Пока увеличение входной ток (I _B ), выходное напряжение ( _{В CE} ) поддерживается постоянным на уровне 0 вольт.

После того, как мы сохранили ввод ток (I _B ) постоянный при 20 мкА, выходное напряжение (V _CE ) увеличено с нуля вольт до другого уровни напряжения. Для каждого уровня выходного напряжения (В _CE ), соответствующий выходной ток (I _C ) записывается.

А Затем строится кривая между выходным током I _C и выходное напряжение В _CE при постоянном входном токе I _B (20 мкА).Эта область известна как активная область транзистора. В этой области переход эмиттер-база смещен в прямом направлении и переход коллектор-база имеет обратное смещение.

Это шаги повторяются для более высоких фиксированных значений входного тока I _B (То есть 40 мкА, 60 мкА, 80 мкА и так далее).

Когда выходное напряжение В _CE снижается до небольшого значения (0.2 V) переход коллектор-база становится смещенным вперед. Этот потому что выходное напряжение V _CE имеет меньшее влияние на переходе коллектор-база, чем входное напряжение V _BE .

Как мы знаем, что переход эмиттер-база уже вперед пристрастный. Следовательно, когда оба соединения смещены вперед, транзистор работает в области насыщения.В этом области, небольшое увеличение выходного напряжения V _CE приведет к быстро увеличивает выходной ток I _C .

Транзистор параметры

Динамический ввод сопротивление (r

_i )

динамический Вход сопротивление определяется как отношение изменения входного напряжения или базовое напряжение (В _BE ) до соответствующего изменения по входному току или базовому току (I _B ), с выходное напряжение или напряжение коллектора (В _CE ) поддерживается на постоянный.

В Конфигурация CE, входное сопротивление очень низкое.

Динамический выходное сопротивление (r _o )
Dynamic выход сопротивление определяется как отношение изменения выходного напряжения или напряжение коллектора (В _CE ) к соответствующему изменение выходного тока или тока коллектора (I _C ), с входным током или базовым током (I _B ), поддерживаемым на постоянный.

В Конфигурация CE, выходное сопротивление высокое.

Коэффициент усиления по току (α)

коэффициент усиления по току транзистора в конфигурации CE определяется как соотношение выходного тока или тока коллектора (I _C ) к входному току или базовому току (I _B ).

коэффициент усиления по току транзистора в конфигурации CE велик.Таким образом, транзистор в конфигурации CE используется для усиление тока.

Как разработать усилитель с общим эмиттером: 7 шагов (с изображениями)

Давайте начнем с сеанса проектирования усилителя CE.Давайте возьмем несколько примеров значений для разработки усилителя CE для понимания.

• Напряжение питания = 15 В, частота = 95 МГц.

Выбор транзистора

Как и прежде, тип транзистора должен быть выбран в соответствии с ожидаемыми требованиями к производительности. Я использую NPN-транзистор BC547 . Чтобы иметь большее усиление, вам необходимо выбрать транзистор с высоким β ( Бета) Значение.

Значение β также называется значением hfe .Вы можете увидеть hfe на ручке мультиметра. Β называется коэффициентом усиления. При высоком значении β транзистор может быть включен с низким базовым током. Мы можем легко определить значение β (бета) с помощью мультиметра.

Расчет резистора коллектора

Необходимо определить ток, необходимый для адекватного управления следующей ступенью. Зная, какой ток должен протекать через резистор, выберите напряжение коллектора, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить равные колебания сигнала вверх и вниз.Вы можете выбрать ток коллектора по своему усмотрению, чтобы на выходе был высокий ток, но ток коллектора должен быть в пределах тока питания. Это определит номинал резистора в соответствии с законом Ома.

Например,

Чтобы найти коллекторный резистор

, я использовал напряжение и ток питания как 15 В и 1 А. Мне нужен ток 0,5 А. на выходе, который находится на коллекторе. Напряжение должно быть вдвое меньше напряжения питания. Итак, наконец, V = 7,5 В и I = 0,5 А (500 мА). По закону Ома

V = IR

7 .5 = 0,5xR

R = 7,5 / 0,5

Сопротивление коллектора R = 15 Ом.

Расчет резистора эмиттера

Обычно для напряжения эмиттера выбирается напряжение около 1 В или 10% от напряжения питания. Это обеспечивает хороший уровень устойчивости схемы по постоянному току. Вычислите сопротивление, зная ток коллектора (фактически такой же, как ток эмиттера) и напряжение эмиттера, которое составляет 10% от напряжения питания.

Например,

Для определения резистора эмиттера

я использовал напряжение питания 15 В.Таким образом, напряжение эмиттера должно составлять 10% от напряжения питания. Ток эмиттера должен быть таким же, как ток коллектора. Таким образом, наконец, V = 1,5 В и I = 0,5 А.

Использование закона Ома V = IR

1,5 = 0,5xR

R = 1,5 / 0,5

Сопротивление эмиттера R = 3 Ом.

Определить базовый ток:

Можно определить базовый ток, разделив ток коллектора на β (или hfe, что по сути то же самое).

Например,

Ток коллектора равен 0.5A. Значение β составляет 300.

Базовый ток = Ток коллектора / β

Базовый ток = 0,5 / 300

Базовый ток = 0,0016A

Базовый ток составляет 1,6 мА.

Определите базовое напряжение

Это легко вычислить, потому что базовое напряжение — это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер. Это принято равным 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.

Например,

Напряжение эмиттера равно 1.5 В. В качестве транзистора используется кремниевый транзистор с напряжением перехода база-эмиттер 0,6 В.

Базовое напряжение = напряжение эмиттера + 0,6

Базовое напряжение = 1,5 + 0,6

Базовое напряжение = 2,1 В

Определите базовый резистор

Требуемое напряжение на базе составляет 2,1 В. Его можно принять примерно как 2В. Выберите соотношение резисторов R1 и R2, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе. Для выбора резисторов R1 и R2 используйте формулу делителя напряжения. Концепция делителя напряжения четко объяснена в STEP 4 .

Vout = (VsxR2 / R1 + R2)

Например,

Резисторы R1 и R2 подключены между 15 В и GND. Поэтому нам нужно использовать формулу делителя напряжения, чтобы узнать фактическое значение резистора, чтобы мы могли получить 2 В на клемме базы транзистора. Напряжение питания равно Vs. Подставьте следующее значение в формулу делителя напряжения. R1 = 1 кОм, R2 = 160 Ом, Vs = 15 В.

Vout = (VsxR2 / R1 + R2)

Vout = (15×160 / 1000 + 160)

Vout = (2400/1160)

Vout = 2V

Таким образом, мы получили ровно 2V на базе с использованием формулы делителя напряжения.

Шунтирующий конденсатор эмиттера

Коэффициент усиления схемы без конденсатора на резисторе эмиттера составляет приблизительно R3 / R4. Чтобы увеличить усиление сигналов переменного тока, добавлен конденсатор С3 обхода эмиттерного резистора. Его следует рассчитать так, чтобы реактивное сопротивление было равным R4 на самой низкой рабочей частоте. Формула для расчета байпасного конденсатора C3 приведена ниже.

C = 1 / (2πf) Xc

Например,

Xc — значение резистора эмиттера (RE), то есть 3 Ом.-12

Таким образом, можно взять примерно 600 пикофарад.

C = 600 пФ.

Определите значение входного конденсатора

Значение входного конденсатора должно равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение -3 дБ на этой частоте. Полный импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, то есть полное сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.

Формула для расчета емкости входного конденсатора:

C = (1 / 2πfR)

Где

R — сопротивление входной цепи. Входная цепь может быть осциллятором или генератором сигналов.

f — частота усиливаемого сигнала переменного тока.

Для примера

Возьмем для примера значение сопротивления входной цепи R = 500 Ом .

Подставьте R = 500 Ом и f = 95 МГц в формулу C = (1 / 2πfR).-12

C = 3,3 пФ.

Практический метод определения сопротивления входной цепи для расчета входного конденсатора объясняется в ШАГ 5.

Определение значения выходного конденсатора

Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается так, чтобы он равнялся сопротивлению цепи на самой низкой частоте. операции. Сопротивление цепи — это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, то есть следующей цепи.

Например,

Для расчета сопротивления эмиттерного повторителя переключите мультиметр в режим сопротивления.Подключите положительный щуп к клемме коллектора транзистора BC547, а отрицательный щуп к земле, где заземлен эмиттерный резистор. Запишите значение сопротивления с помощью мультиметра. Это метод определения сопротивления эмиттерного повторителя.

Пусть сопротивление нагрузки равно 1 кОм. Тогда сопротивление для определения значения выходного конденсатора приведено ниже.

Сопротивление = сопротивление эмиттерного повторителя + сопротивление цепи.

После получения значения сопротивления примените формулу

C = 1 / 2πfR

f — 95 МГц.

Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 3

---

В прошлогоднем выпуске этой поваренной книги для транзисторов серии описаны практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера. В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора — основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей. Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения.Этот раздел поваренной книги серии начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.

ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R _b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания.Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R _L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.

РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)

---

В , рис. 1 , резистор R _b ограничивает входной ток возбуждения базы до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R _b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала — чем больше значение R _b , тем хуже они становятся. Эту проблему можно преодолеть путем шунтирования R _b с конденсатором «ускорения» (обычно около 1n0), как показано пунктиром на диаграмме. На практике R _b должно быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должно превышать R _L x h _fe .

На рисунке 2 показана схема цифрового инвертора / переключателя в версии pnp. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.

РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)

---

Чувствительность цепей , рис. 1 и 2 можно увеличить, заменив Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа.В качестве альтернативы можно создать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рис. 3 или рис. 4 .

Схема Рис. 3 использует два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а выход низкий (насыщенный). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (на V +).

РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах

---

Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.

РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp

---

Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания. Схема работает следующим образом.

РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока

---

Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.

Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.

Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и включает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной питающей шине в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.

ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ

Базовые цифровые схемы , рисунки с 1 по 4 могут использоваться в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты. На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.

Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления по току транзистора Q1) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.

РИСУНОК 6. Простая схема управления реле

---

Текущую чувствительность реле можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, приложив сопротивление менее 2M0 к паре зондов из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.

РИСУНОК 7. Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель

---

Рисунок 8 показывает еще один сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме Рисунок 4 , которому для активации реле требуется вход всего 700 мВ при 40 мкА. R2 обеспечивает полное отключение Q1 и Q2 при разомкнутой цепи входных клемм.

РИСУНОК 8. Драйвер сверхчувствительного реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)

---

ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ

Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока, подавая постоянный ток смещения на ее базу, чтобы ее коллектор принимал постоянное значение наполовину напряжения питания (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем подавать входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на рис. 9 ).

РИСУНОК 9. Простой npn-усилитель с общим эмиттером

---

Первым шагом в разработке схемы базового типа Figure 9 является выбор номинала нагрузочного резистора R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.

Чтобы смещать выход схемы на половину напряжения питания, R1 требуется значение R2 x 2h _fe , и (при номинальном h _fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 — коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.

Точка смещения покоя схемы Рис. 9 зависит от значения Q1 h _fe .Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на рис. 10 , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи постоянного тока между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h _fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h _, , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.

РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи

---

Схема , рис. 10, имеет те же значения ширины полосы пропускания и усиления по напряжению, что и схема , рис. 9, , но имеет меньшее общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току снижает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= A _В ), что дает общее входное сопротивление 2 к7. При желании шунтирующие эффекты цепи смещения могут быть устранены путем использования двух резисторов обратной связи и их развязки по переменному току, как показано на , рис. 11, .

РИСУНОК 11. Усилитель с развязкой по переменному току смещения обратной связи

---

Наконец, максимальная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» Рис. 12 . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.

РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения

---

ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕПИ

На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 — коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.

РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)

---

На рис. 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции. В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора — в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.

РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением

---

На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Такая конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключен последовательно между входным сигналом и базой Q1 — общий эффект заключается в том, что коэффициент усиления по напряжению схемы (между входом и выходом) равняется R2 / R1 и работает при x10 в данном конкретном случае.

РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)

---

Наконец, Рисунок 16 показывает, как можно изменить конструкцию Рисунок 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходной клеммой, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех. емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.

РИСУНОК 16. Широкополосный усилитель

---

ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора — если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторного усилителя напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Схема , рис. 17, действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, причем выход Q1 подается непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор R4 смещения обратной связи питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.

РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

Рисунок 18 показывает альтернативную версию вышеуказанной конструкции, использующую выходной каскад pnp — его производительность такая же, как у Рисунок 17 .

РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

Схема Рисунок 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 — это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 — это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.

РИСУНОК 19. Начальный усилитель с высоким коэффициентом усиления

---

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ

В так называемом транзисторном усилителе с «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.

РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой

---

Цепь , рисунок 20, смещена так же, как , рисунок 12, . Однако обратите внимание, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление напряжения, как и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.

На рисунке 21 показан превосходный широкополосный усилитель — «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным сопротивлением усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 — в режиме с общим эмиттером.

РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель

---

Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.

На рисунке 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой — разделитель фазы с «длинной хвостовой парой», который дает пару противофазных выходов при возбуждении от несимметричного входного сигнала. Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.

РИСУНОК 22. Разделитель фазы «Длиннохвостая пара»

---

База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.

Предположим, что на базу Q2 подается синусоидальный входной сигнал. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере того, как его эмиттерное напряжение растет, он неизбежно снижает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.

Q1, таким образом, работает в режиме с общей базой и дает тот же коэффициент усиления по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя. Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.

Наконец, Рисунок 23 показывает, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами — если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.

РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или длинно-хвостовая пара

---

Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV

---

Shahram Marivani — КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Цель:

Целью этого эксперимента является создание усилителя с общим эмиттером, использующего биполярный переход. транзистор и изучить характеристики разработанного усилителя.Часть дизайна Требование состоит в том, чтобы усилитель демонстрировал максимальное симметричное колебание тока коллектора. для стабильной Q-точки. Еще одна цель этого эксперимента — изучить влияние различных шунтирующие и разделительные конденсаторы на общую производительность усилителя с общим эмиттером. В этом эксперименте будет использоваться транзистор типа 2N3904.

Введение:

Базовая схема усилителя BJT, подобная показанной на рисунке 1, может быть спроектирована так, чтобы демонстрировать различные желаемые характеристики.Важным решением, принимаемым при разработке этого усилителя, является выбор рабочей точки (Q-точка). Эта рабочая точка относится к величине постоянного тока смещения, который протекает через транзистор. Это также относится к результирующим напряжениям постоянного тока на его переходах. В Q-точка такой схемы может быть размещена в любом месте линии нагрузки постоянного тока, в зависимости от выбора. значений компонентов схемы замещения постоянного тока. Расположение Q-точки определяет характеристики искажения переменного сигнала.Правильно расположив точку Q, symetrica1 размах переменного тока коллектора может быть максимальным. В общем, линия нагрузки постоянного тока должен делить линию нагрузки переменного тока пополам, чтобы допустить максимальное количество симметричных изменений в Я _С . Также возможно разработать схему для получения конкретного значения I _CQ . В этом случае Расположение точки Q определяет максимальное симметричное колебание коллектора. ток, а также максимальное количество неискаженных колебаний напряжения в нагрузочном резисторе.

Подготовительные работы:

Разработайте схему, показанную на рисунке 1, вычислив значения R ₁ , R ₂ , R _C и R _E . 2N3904 Следует использовать транзистор NPN. В этой конструкции напряжение смещения между эмиттером и коллектором должно быть 5 В постоянного тока. Ток покоя коллектора составляет 4 мА. Дизайн должен обеспечивать максимум возможный перепад напряжения на выходе усилителя.

Рисунок 1 — Принципиальная схема для задачи проектирования

Лабораторные работы:

1. Подключите схему усилителя, которую вы разработали.Добавьте конденсаторы C1, C2 и C3, как показано на Рисунок 2. Каждый из этих конденсаторов емкостью 10 мкФ. Убедитесь, что положительная полярность этих конденсаторы подключаются к более высокому положительному напряжению в цепи. Возьмем RL равным 1 кОм. Измерьте напряжения смещения постоянного тока на базе, эмиттере и коллекторе. Сравните измеренные напряжения с конструктивным замыслом и расчетом. Сведите в таблицу измеренные и рассчитанные напряжения смещения.

Рисунок 2 — Тестируемая схема усилителя
2. Измерьте частотную характеристику усилителя, начиная с 100 Гц.изменить тест частота, покрывающая верхнюю граничную частоту усилителя. В течение измерения частотной характеристики, применяйте низкие уровни входного сигнала (в порядке нескольких милливольт), чтобы выходной сигнал не искажался. Контролируйте ввод и формы выходных сигналов на осциллографе.
   
   1. Постройте полученную частотную характеристику. На измеренном участке четко указывают нижняя и верхняя частоты среза усилителя.
   2. Какое усиление в средней полосе усилителя?
   3. Рассчитайте полосу пропускания усилителя.
3. Измените C1 на 0,1 мкФ и повторите измерение, выполненное в (2) выше. Ответьте на следующие вопросы;
   
   1. Как этот конденсатор влияет на частоту отсечки усилителя? Какие как это влияет на полосу усиления?
   2. Какое влияние это оказывает на усиление в средней полосе усилителя?
   3. Почему этот конденсатор так влияет на характеристики усилителя?
4. Измените C1 обратно на 10 мкФ, но отключите конденсатор C2.Измерьте частоту отклик усилителя.
   
   1. Постройте полученную частотную характеристику. На измеренном участке четко указывают нижняя и верхняя частоты среза усилителя.
   2. Какое усиление в средней полосе усилителя? Как это соотносится с этим полученный в (2.b)?
   3. Почему этот конденсатор так влияет на усиление в средней полосе усилителя?

В схеме транзистора с общим эмиттером базовый ток класса 12 по физике JEE_Main

Подсказка: Используя формулу тока $ V = IR $, ток, протекающий через напряжение V и сопротивление R.покажите рисунок в схеме транзистора с общим эмиттером, и данные значения: ток базы равен \ [40 \ mu {\ text {A}} \], ток напряжения равен \ [{V_ {CC}} = 10V \], а сопротивление базы составляет $ 245K \ Omega $. Найдите напряжение базового эмиттера \ [{V_ {BE}} \].

Полный пошаговый ответ:
Приведены значения,
Базовый ток равен \ [40 \ mu {\ text {A}} \]
Напряжение тока \ [{I_V} = {V_ {CC}} = 10V \]
Базовое сопротивление $ {R_B} = 245K \ Omega $
Мы знаем,
Входное напряжение $ {I_V} = {V_ {BE}} + ({I_B}) \ times ({R_B}) $
Где,
$ {I_B} $ — это базовый ток, а
$ {R_B} $ — это сопротивление, предлагаемое в базовой области.3} \ Omega) $
При упрощении квадратного члена мы получаем
$ \ Rightarrow (10 — 9.8) V $
При вычитании получаем
$ \ Rightarrow 0.2V $

Следовательно, вариант (B) — это правильный ответ.

Дополнительная информация:
Транзистор с общим эмиттером:
Как таковая конфигурация с общим эмиттером может быть хорошей универсальной схемой для использования во многих приложениях. Также на этом этапе стоит отметить, что усилитель на транзисторах с общим эмиттером инвертирует сигнал на входе.Следовательно, если на вход усилителя с общим эмиттером поступает растущий сигнал, это приведет к падению выходного напряжения.

Примечание: Преимущества усилителя с общим эмиттером:
1. Усилитель с общим эмиттером является инвертирующим и имеет низкий импеданс I / p.
2. Высокое выходное сопротивление
3. Высокое усиление по напряжению.
4. Высокий коэффициент усиления по току.

Недостатки усилителя с общим эмиттером:
1. Высокое выходное сопротивление.
2. Плохо реагирует на высокие частоты.
3. Его высокая термическая нестабильность.
4. Его усиление напряжения крайне нестабильно.

Схема транзистора NPN Работа, характеристики, применение

Введение

Транзистор NPN является одним из типов транзисторов с биполярным переходом (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны. Течение этих электронов от эмиттера к коллектору формирует ток в транзисторе.Обычно NPN-транзисторы являются наиболее часто используемым типом биполярных транзисторов, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Транзистор NPN имеет три вывода — эмиттер, базу и коллектор. Транзистор NPN в основном используется для усиления и переключения сигналов.

На рисунке выше показаны символ и структура транзистора NPN. В этой структуре мы можем наблюдать три вывода транзистора, токи цепи и значения напряжения.Теперь давайте посмотрим на работу транзистора NPN с объяснением.

НАЗАД В начало

Цепь транзистора NPN

На приведенном выше рисунке показана схема транзистора NPN с напряжениями питания и резистивными нагрузками. Здесь клемма коллектора всегда подключена к положительному напряжению, клемма эмиттера подключена к отрицательному источнику питания, а клемма базы управляет состояниями ВКЛ / ВЫКЛ транзистора в зависимости от приложенного к нему напряжения.

НАЗАД В начало

Работа транзистора NPN

Работа транзистора NPN довольно сложна.В приведенных выше схемах подключения мы заметили, что напряжение питания VB подается на клемму базы через нагрузку RB. Вывод коллектора подключен к напряжению VCC через нагрузку RL. Здесь обе нагрузки RB и RL могут ограничивать ток, протекающий через соответствующие клеммы. Здесь клеммы базы и коллектора всегда содержат положительное напряжение по отношению к клемме эмиттера.

Если базовое напряжение равно напряжению эмиттера, то транзистор находится в выключенном состоянии.Если базовое напряжение увеличивается по сравнению с напряжением эмиттера, тогда транзистор становится более переключаемым, пока он не перейдет в полностью открытое состояние. Если на клемму базы подается достаточное положительное напряжение, то есть в полностью включенном состоянии, то генерируются потоки электронов, и ток (IC) течет от эмиттера к коллектору. Здесь базовый вывод действует как вход, а область коллектор-эмиттер действует как выход.

Для правильного протекания тока между эмиттером и коллектором необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было положительным, а также превышало напряжение эмиттера транзистора.Некоторое падение напряжения между базой и эмиттером, например 0,7 В. Таким образом, базовое напряжение должно быть больше падения напряжения 0,7 В, иначе транзистор не будет работать. Уравнение для тока базы биполярного NPN-транзистора определяется следующим образом:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Где,

I _B = базовый ток
В _B = Напряжение смещения базы
В _BE = Входное напряжение база-эмиттер = 0.7V
R _B = Сопротивление базы

Выходной ток коллектора в NPN-транзисторе с общим эмиттером можно рассчитать, применив закон Кирхгофа для напряжения (KVL).

Уравнение для напряжения питания коллектора определяется как

В _CC = I _C R _L + V _CE ………… (1)

Из приведенного выше уравнения ток коллектора для NPN-транзистор с общим эмиттером имеет вид

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

В NPN-транзисторе с общим эмиттером соотношение между током коллектора и током эмиттера определяется как

I _C = β I _B

В активной области NPN-транзистор действует как хороший усилитель.В NPN-транзисторе с общим эмиттером полный ток, протекающий через транзистор, определяется как отношение тока коллектора к току базы IC / IB. Это соотношение также называется «усилением постоянного тока» и не имеет единиц измерения. Это отношение обычно обозначается буквой β, а максимальное значение β составляет около 200. В NPN-транзисторе с общей базой общий коэффициент усиления по току выражается отношением тока коллектора к току эмиттера IC / IE. Это отношение обозначается символом α, и это значение обычно равно единице.

НАЗАД В начало

Взаимосвязь α, β и γ в NPN-транзисторе

Теперь давайте посмотрим на взаимосвязь между двумя параметрами отношения α и β.

α = усиление постоянного тока для схемы с общей базой = выходной ток / входной ток

В общей базе NPN-транзистор выходной ток равен току коллектора (IC), а входной ток — току эмиттера (IE).

α = I _C / I _E ……… .. (2)

Это значение усиления по току (α) очень близко к единице, но меньше единицы.
Мы знаем, что ток эмиттера складывается из малого тока базы и большого тока коллектора.

I _E = I _C + I _B

I _B = I _E — I _C

из уравнения 2, коллектор

I _C = αI _E

I _B = I _E — αI _E

I _B = I _E (1-α)

β = усиление постоянного тока для цепи с общим эмиттером = выходной ток / входной ток

Здесь выходной ток — это ток коллектора, а входной ток — ток базы.

β = I _C / I _B

β = I _C / I _E (1-α)

β = α / (1-α)

Из приведенных выше уравнений связь между α и β можно выразить как

α = β (1-α) = β / (β + 1)

β = α (1 + β) = α / (1-α)

Значение β может варьируются от 20 до 1000 для транзисторов малой мощности, работающих на высоких частотах. Но в целом это значение β может иметь значения в диапазоне от 50 до 200.

Теперь мы увидим взаимосвязь между факторами α, β и γ.

В NPN-транзисторе с общим коллектором коэффициент усиления по току определяется как отношение тока эмиттера IE к базовому току IB. Этот коэффициент усиления по току представлен как γ.

γ = I _E / I _B

Мы знаем, что ток эмиттера

I _E = I _C + I _B

γ = (I _C + I _B ) / I _B

γ = (I _C / I _B ) + 1

γ = β +1

Следовательно, отношения между α, β и γ приведены ниже

α = β / (β + 1), β = α / (1-α), γ = β +1

НАЗАД В начало

Примеры транзисторов NPN

1.Вычислите базовый ток IB для переключения резистивной нагрузки 4 мА биполярного NPN-транзистора, имеющего коэффициент усиления по току (β) 100.

I _B = I _C / β = (4 * 10 ^-3 ) / 100 = 40 мкА

2. Рассчитайте ток базы биполярного NPN-транзистора с напряжением смещения 10 В и входным сопротивлением базы 200 кОм.

Мы знаем, что уравнение для базового тока IB:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Мы знаем значения,

V _BE = 0 .7 В,

В _B = 10 В,

R _B = 200 Ом.

Теперь мы подставляем эти значения в приведенное выше уравнение,

Получаем,

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B = (10-0,7) / 200 кОм = 46,5 uA.

Базовый ток NPN-транзистора 46,5 мкА.

НАЗАД К НАЧАЛУ

Конфигурация общего эмиттера

Схема конфигурации общего эмиттера является одной из трех конфигураций BJT.Эти схемы с общей конфигурацией эмиттеров используются в качестве усилителей напряжения. Обычно биполярные транзисторы имеют три вывода, но при подключении к схеме нам нужно использовать любую одну клемму как общую. Таким образом, мы используем одну из трех клемм в качестве общей клеммы как для входных, так и для выходных действий. В этой конфигурации мы используем терминал эмиттера в качестве общего терминала, поэтому он называется конфигурацией с общим эмиттером.

Эта конфигурация используется как одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером.В этой конфигурации основание действует как входной терминал, коллектор действует как выходной терминал, а эмиттер — как общий терминал. Работа этой схемы начинается с смещения клеммы базы, так что прямое смещение перехода база-эмиттер. Небольшой ток в базе управляет током, протекающим в транзисторе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов на выходной стороне.

Этот усилитель с общим эмиттером дает инвертированный выходной сигнал и может иметь очень высокое усиление.На это значение усиления влияют температура и ток смещения. Схема усилителя с общим эмиттером чаще всего используется в конфигурации, чем другие конфигурации BJT, из-за ее высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, а также эта конфигурация усилителя обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности.

Коэффициент усиления по току для этой конфигурации всегда больше единицы, обычно типичное значение составляет около 50. Эти усилители конфигурации в основном используются в приложениях, где требуются усилители низкой частоты и радиочастотные цепи.Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером показана ниже.

НАЗАД В начало

Выходные характеристики NPN-транзистора

Семейство кривых выходных характеристик биполярного транзистора приведено ниже. Кривые показывают взаимосвязь между током коллектора (IC) и напряжением коллектор-эмиттер (VCE) при изменении тока базы (IB). Мы знаем, что транзистор находится в состоянии «ВКЛ», только когда к его базовому выводу относительно эмиттера приложен хотя бы небольшой ток и небольшое количество напряжения, в противном случае транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ».

На ток коллектора (IC) больше всего влияет напряжение коллектора (VCE) на уровне 1,0 В, но это значение IC не сильно влияет выше этого значения. Мы уже знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. т.е. IE = IC + IB. Ток, протекающий через резистивную нагрузку (RL), равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора определяется следующим образом:

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

Прямая линия обозначает «линию динамической нагрузки», которая соединяет точки A (где V _CE = 0) и B (где I _C = 0).Область вдоль этой линии нагрузки представляет собой «активную область» транзистора.

Кривые характеристик конфигурации общего эмиттера используются для расчета тока коллектора, когда заданы напряжение коллектора и ток базы. Линия нагрузки (красная линия) используется для определения точки Q на графике. Наклон линии нагрузки равен сопротивлению нагрузки, обратному сопротивлению.