Усилительные свойства биполярного транзистора: характеристики и схемы включения

Как работает биполярный транзистор в качестве усилителя. Какие существуют схемы включения транзистора. Каковы основные параметры усиления биполярного транзистора. Чем отличаются схемы с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Принцип усиления в биполярном транзисторе

Биполярный транзистор способен усиливать электрические сигналы благодаря своей способности управлять большим током коллектора с помощью малого тока базы. Основной характеристикой, определяющей усилительные свойства транзистора, является коэффициент передачи тока базы β:

β = ΔIк / ΔIб

Где ΔIк — изменение тока коллектора, ΔIб — изменение тока базы.

Для современных транзисторов β может достигать значений 100-500. Это означает, что небольшие изменения тока базы вызывают значительно большие изменения тока коллектора.

Основные схемы включения транзистора

Существуют три основные схемы включения биполярного транзистора:

• С общей базой (ОБ)
• С общим эмиттером (ОЭ)
• С общим коллектором (ОК)

Каждая из этих схем имеет свои особенности и области применения.

Схема с общей базой

В схеме с общей базой входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной снимается с коллектора относительно базы. Основные характеристики:

• Коэффициент усиления по току Кi ≈ 1
• Коэффициент усиления по напряжению Кu = 100-1000
• Входное сопротивление низкое (10-100 Ом)
• Выходное сопротивление высокое (0.1-1 МОм)

Схема ОБ обеспечивает хорошее усиление по напряжению, но не усиливает ток. Применяется в высокочастотных усилителях.

Схема с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается с коллектора относительно эмиттера. Основные характеристики:

• Коэффициент усиления по току Кi = β = 100-500
• Коэффициент усиления по напряжению Кu = 100-1000
• Входное сопротивление среднее (1-10 кОм)
• Выходное сопротивление среднее (10-100 кОм)

Схема ОЭ обеспечивает наилучшее усиление как по току, так и по напряжению. Является наиболее распространенной.

Схема с общим коллектором

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается между базой и коллектором, а выходной снимается с эмиттера относительно коллектора. Основные характеристики:

• Коэффициент усиления по току Кi = β+1 ≈ β
• Коэффициент усиления по напряжению Кu ≈ 1
• Входное сопротивление высокое (10-100 кОм)
• Выходное сопротивление низкое (10-100 Ом)

Схема ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но обеспечивает хорошее согласование высокоомного входа с низкоомной нагрузкой.

Коэффициенты усиления транзистора

Усилительные свойства транзистора характеризуются следующими коэффициентами:

1. Коэффициент усиления по току: Ki = ΔIвых / ΔIвх
2. Коэффициент усиления по напряжению: Ku = ΔUвых / ΔUвх
3. Коэффициент усиления по мощности: Kp = Ki * Ku = Pвых / Pвх

Где ΔIвых, ΔUвых, Pвых — изменения выходного тока, напряжения и мощности; ΔIвх, ΔUвх, Pвх — изменения входного тока, напряжения и мощности.

Сравнение усилительных свойств схем включения

Сравним основные характеристики трех схем включения транзистора:

Параметр	ОБ	ОЭ	ОК
Ki	≈1	β	β+1
Ku	100-1000	100-1000	≈1
Rвх	Низкое	Среднее	Высокое
Rвых	Высокое	Среднее	Низкое

Особенности усиления в схеме с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной благодаря следующим преимуществам:

• Высокое усиление как по току, так и по напряжению
• Средние значения входного и выходного сопротивлений
• Возможность управления рабочей точкой транзистора
• Инвертирование фазы сигнала на 180°

Как работает усиление в схеме ОЭ? Входной сигнал изменяет ток базы, что приводит к значительно большему изменению тока коллектора (в β раз). Изменение тока коллектора вызывает изменение напряжения на коллекторном резисторе, которое и является усиленным выходным сигналом.

Частотные свойства схем включения транзистора

Частотные свойства схем включения транзистора различаются:

• Схема ОБ имеет наилучшие частотные характеристики
• Схема ОЭ ограничена на высоких частотах из-за эффекта Миллера
• Схема ОК занимает промежуточное положение по частотным свойствам

На высоких частотах емкостные эффекты в транзисторе начинают играть существенную роль, ограничивая усиление. Схема ОБ менее чувствительна к этим эффектам, поэтому применяется в высокочастотных усилителях.

Применение различных схем включения

Выбор схемы включения транзистора зависит от конкретной задачи:

• ОБ — для высокочастотных усилителей напряжения
• ОЭ — универсальная схема для усиления тока и напряжения
• ОК — для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой

На практике часто применяют каскадное включение транзисторов в разных схемах для достижения оптимальных характеристик усилителя.

Выводы

Биполярный транзистор является эффективным усилительным элементом благодаря способности управлять большим током коллектора с помощью малого тока базы. Различные схемы включения транзистора позволяют получить оптимальные характеристики усиления для конкретных применений. Схема с общим эмиттером обеспечивает наилучшее усиление и является наиболее универсальной.

Усилительные свойства биполярного транзистора

⇐ Предыдущая107108109110111112113114115116Следующая ⇒

Усилительные свойства транзистора можно характеризовать тремя параметрами:

— коэффициентом усиления по току ;

— коэффициентом усиления по напряжению ;

— коэффициентом усиления по мощности ,

где — амплитуды или действующие значения входного и выходного переменного токов и напряжений.

Для расчета усилительных свойств во входную цепь транзистора во всех трех схемах включения включается генератор ЭДС для задания переменного входного сигнала, а во выходную цепь — нагрузочный резистор R_K, на котором выделяется переменный выходной сигнал (см. рис. 3.4-3.6).

 

3.5.1. Схема с ОБ.

В схеме с общей базой (рис.3.4, а) входным током является переменная составляющая тока эмиттера , создаваемая входным напряжением : , а выходным током – переменная составляющая тока коллектора , поэтому коэффициент усиления по току:

, (3. 21)

определяется коэффициентом передачи тока эмиттера транзистора . Таким образом, схема с ОБ не является усилителем тока, что является недостатком этой схемы.

 

 

 

 

Рис. 3.4. Схема включения транзистора с ОБ в усилительный каскад (а) и эквивалентная схема коллекторной цепи (б).

 

Рассмотрим теперь усиление по напряжению . Выходным является переменное напряжение, выделяемое на эквивалентном выходном сопротивлении транзистора при протекании тока . На рисунке 3.4, б показана эквивалентная схема выходной цепи транзистора. Из эквивалентной схемы видно, что по переменному току сопротивление нагрузки R_K включено параллельно

дифференциальному выходному сопротивлению транзистора в схеме с ОБ:

. (3.22)

Таким образом, выходное напряжение определится выражением .

Входное напряжение выделяется на входном сопротивлении транзистора: ,

где (3. 23)

называется входным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОБ. Тогда с учетом (3.22) и (3.23) имеем:

. (3.24)

 

На практике для исключения влияния сопротивления на усилительные свойства транзистора его выбирают из условия . Сопротивление определяется сопротивлением обратно смещенного коллекторного р-п перехода, которое, как известно, составляет величину более 10⁶ Ом. Тогда сопротивление R_K может быть порядка 10⁴ Ом. Входное дифференциальное сопротивление транзистора определяется сопротивлением прямо смещенного эмиттерного

р-п перехода и составляет менее 10² Ом. Учитывая все это получим, что коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОБ

 

и составляет сотни раз. Таким образом, схема с ОБ является хорошим усилителем по напряжению и по мощности, так как .

Малое значение входного и большое значение выходного дифференциальных сопротивлений схемы с ОБ является его существенным недостатком.

Хотя схема с ОБ и не усиливает по току и обладает малым входным и большим выходным сопротивлениями, она, как будет показана далее, обладает хорошими частотными и температурными свойствами, что обуславливает ее применение как усилитель напряжения на практике.

 

3.5.2. Схема с ОЭ

Эта схема, приведенная на рисунке 3.5, является наиболее распространенной, так как обладает лучшими по сравнению со схемой с ОБ усилительными свойствами.

 

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с ОЭ в усилительный каскад.

 

В схеме с общим эмиттером входным током является переменная составляющая тока базы , а выходным током – ток коллектора , поэтому коэффициент усиления по току:

, (3.25)

т.е. определяется коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки и сотни.

Аналогично схеме с ОБ, для коэффициента усиления по напряжению получим:

, (3. 26)

где (3.27)

называется входным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОЭ, а (3.28) называется выходным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОЭ. Знак «минус» в (3.26) означает, что выходное напряжение в схеме с ОЭ противофазно входному напряжению. Учитывая (3.27), (3.23) и (3.14) можно получить, что

, (3.29)

т.е. входное дифференциальное сопротивлениетранзистора в схеме с ОЭ значительно выше, чем в схеме с ОБ и составляет килоомы.

Дифференциальное выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ , наоборот, существенно ниже по сравнению со схемой с ОЭ и обычно ниже 10⁵ Ом. Можно показать, что . (3.30)

Для выполнения условия , сопротивление R_K должно быть порядка 10³ Ом. Тогда , т.е определяется коэффициентом передачи тока базы и составляет сотни раз как и в схеме с ОБ.

Коэффициент усиления по мощности составит величину порядка 10⁴ и более^{раз. Таким образом, достоинством схемы с ОЭ являются сравнительно большое входное сопротивление и высокий коэффициент усиления по мощности.}

Недостатком этой схемы по сравнению с ОБ является худшие частотные и температурные свойства. Ниже будет показано (см. раздел 7.1), что с повышением частоты переменного сигнала усиление в схеме с ОЭ снижается в значительно большей степени, чем в схеме с ОБ. Режим работы транзистора в схеме с ОЭ также сильно зависит от температуры (см. раздел 6.4), что обусловлен большим обратным тепловым током в этой схеме.

 

 

3.5.3. Схема с ОК

На практике вместо схемы 3.2, в широко используется схема включения транзистора с ОК, приведенная на рисунке 3.6. В этой схеме, действительно, коллектор транзистора является общей точкой относительно входной и выходной цепей, так как источник смещения V_ЭК по переменному току практически является короткозамкнутым. Преимуществом этой схемы также является то, что питание цепи коллектора, как и в схемах с ОБ и ОЭ в отличие от схемы рисунка 3. 2, в, осуществляется положительным полюсом.

 

 

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с ОК в усилительный каскад.

 

Из рисунка 3.6 следует, что выходное напряжение полностью обратно передается в противофазе на вход и, поэтому, в этой схеме действует сильная отрицательная обратная связь. Из второго правила Кирхгофа для входной цепи следует, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер и выходного напряжения:

. (3.31)

Из (3.31) следует, что коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК

, (3.32)

т.е схема с ОК не усиливает по напряжению, что является недостатком этой схемы. В реальных схемах U_БЭ обычно не более десятых долей вольта и намного меньше , поэтому К_U близок к единице.

Зато коэффициент усиления по току в этой схеме

(3.33)

намного больше единицы. Таким образом, схема с ОК является хорошим усилителем по току. Коэффициент усиления по мощности практически равен коэффициенту усиления по току, т.е. схема с ОК также хорошо усиливает и по мощности.

Входное сопротивление схемы с ОК

(3.34)

составляет десятки кОм, что является важным достоинством схемы. Действительно, в (3.34) отношение определяет входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ и составляет единицы кОм, а вторая часть в (3.34), учитывая, что , десятки раз превышает входное сопротивление схемы с ОЭ. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, сравнительно небольшое и, как показывают расчеты, составляет сотни Ом.

Схема с ОК, благодаря сильной отрицательной обратной связи, обладает высокой стабильностью параметров, высокой температурной устойчивостью, что является достоинством схемы. Часто схему с ОК называют эмиттерным повторителем, так как входное напряжение практически без искажений повторяется в цепи эмиттера.

Схема с ОК находит применение в качестве усилителей тока и мощности и благодаря высокому входному и малому выходному сопротивлениям применяется для межкаскадного согласования по сопротивлению в многокаскадных схемах. Однако отсутствие усиления по напряжению ограничивает практическое применение этой схемы по сравнению со схемами с ОБ и, особенно, с ОЭ.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте структуру биполярного транзистора.

2. Назовите схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы.

3. Что такое коэффициент инжекции и коэффициент переноса носителей тока и как они зависят от удельной электрической проводимости областей транзистора?

4. Какие составляющие имеют токи эмиттера, коллектора и базы биполярного транзистора?

5. Напишите выражения, устанавливающие связь между токами биполярного транзистора.

6. За счет чего происходит усиление по мощности входного сигнала в схеме включения биполярного транзистора с общей базой?

7. Проведите сравнительный анализ усилительных свойств транзистора в схемах с ОБ, ОЭ и ОК.

 

⇐ Предыдущая107108109110111112113114115116Следующая ⇒

Поделиться с друзьями:

---

Дата добавления: 2015-05-06; Просмотров: 6364; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!

---

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

---

---

Усилительные свойства транзистора

2006-10-22 00:13 (0)

Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока :

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.

Используя параметр , связь между током коллектора I_K и током базы I_б, можно приближенно записать в виде

При включении транзистора по схеме, представленной на рис. 135 (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы является отношением изменения выходного тока к изменению входного тока . Это отношение называется коэффициентом усиления по току К_т:

Так как параметр B у транзистора может иметь значения от ~ 20 до ~ 500 , электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.

Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор R_к, значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.

Изменение тока коллектора на некоторую величину   приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину

Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению К_н :

Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.

Видео

• Физика воздуха. Сжимаемость воздуха.

  2020-05-23

• Что такое электричество? | ПРОСТО ФИЗИКА с Алексеем Иванченко

  2020-05-23

• Курс подготовки к ЕГЭ.

  Физика. Урок №1 Кинематика равномерного движения

  2018-12-22

• Батавские слезки — опыты

  2017-12-15

• Тепловой рычаг — физические опыты

  2017-12-15

• Секрет ЖК-монитора — поляризационная пленка

  2017-12-15

• ЛАЗЕР В ВОДЕ — физические опыты

  2017-12-15

• ЭЛЕКТРОХРОМНАЯ ПЛЕНКА с токопроводящим слоем и жидкокристаллической основой

  2017-12-15

• Урок из космоса.Физика невесомости

  2017-12-12

• Абсолютный ноль — погоня за абсолютным нулём

  2017-12-12

транзисторов — Типы входного сигнала BJT

спросил 2 года, 6 месяцев назад

Изменено 2 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 203 раза

\$\начало группы\$

Какой сигнал мы должны получить на базе транзистора? Это сигнал тока или сигнал напряжения? С другой стороны, какой выходной (усиленный) сигнал мы ожидаем? Это сигнал тока или напряжения?

Они сказали, что выходной ток равен коэффициенту усиления по току, умноженному на базовый ток, поэтому кажется, что они используют ток в качестве базового сигнала, но тогда зачем они добавляют источник напряжения (AC) для подачи сигнала?

• транзисторы
• аналог
• бджт

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

(предполагая слабые сигналы)

Если у вас есть источник тока, вы подаете ток, а базовое напряжение будет принимать любое напряжение, необходимое для приема этого тока.

Если у вас есть источник напряжения, вы подаете напряжение, и характеристики транзистора и импеданс эмиттера работают вместе, чтобы сформировать «входной импеданс», который допускает определенный базовый ток в зависимости от входного напряжения.

На выходе вы получаете ток в соответствии с коэффициентом бета (от входного тока, A/A) или крутизной (gm, от входного напряжения, A/V).

Затем сопротивления нагрузки на коллекторе (Rc) определяют напряжение Vc в соответствии с этим током Ic.

Vc = Питание — Ic * Rc.

Нет никакой разницы между выходным током = входным током * бета или выходным током = входным напряжением * крутизной: это просто вид спереди и вид сбоку на одно и то же лицо.

(Сильный сигнал, например, если напряжение превышает напряжение на шинах питания, становится грязно. Игнорируйте их, пока не разберетесь с поведением слабого сигнала)

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Биполярный транзистор по сути является усилителем тока. Напряжения применяются только для того, чтобы создавать и контролировать эти токи. В частности, выходной ток больше, чем обеспечивается входным сигналом, поэтому его нужно подавать откуда-то еще.

На практике входной и/или выходной ток часто проходит через резистор для преобразования сигнала из/в напряжение.

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Вопрос: « Основной вопрос, который я хотел бы задать, заключается в том, какой сигнал мы подаем на базу транзистора? Это сигнал тока или сигнал напряжения? »

• Когда вы спрашиваете, какой сигнала (напряжения или тока) «подаем на базу» — ответ: Как хотите. Мы можем сделать и то, и другое.

• Однако, если вы хотите узнать, как на самом деле работает транзистор (физически), это означает: Реагирует ли выходной ток Ic на изменение входного тока Ib или входного напряжения Vbe (между B и E)? В этом случае ответ таков: биполярный транзистор — это устройство, управляемое напряжением.

• Обратите внимание, что это утверждение может быть доказано как теоретическими, так и практическими соображениями. Несколько наблюдений подтверждают эту точку зрения. Но следует отметить, что для некоторых расчетов при проектировании и анализе транзисторных каскадов можно, конечно, использовать соотношение Ic=(B*Ib), потому что всегда будет ток базы Ib. Но отношение Ic=(B * Ib) является только корреляционным и не отражает причинно-следственного следствия.

\$\конечная группа\$

11

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

Основные вопросы о транзисторном усилении

Сначала я начну с определения усиления. В самом общем случае усиление — это просто отношение между двумя величинами. Это не означает, что выходное значение больше, чем входное значение (хотя именно так оно используется чаще всего). Также не важно, большое или маленькое текущее изменение.

Теперь давайте перейдем к некоторым часто используемым значениям усиления:

Самый важный (и тот, о котором говорит ваш вопрос) это \$ \beta\$. Он определяется как \$ \beta= \frac {I_c} {I_b} \$, где \$I_c\$ — это ток, входящий в коллектор, а \$I_b\$ — это ток в базу. Если мы немного изменим формулу, мы получим \$I_c=\beta I_b\$, которая является наиболее часто используемой формулой. Из-за этой формулы некоторые люди говорят, что транзистор «усиливает» ток базы.

Как это связано с током эмиттера? У нас также есть формула \$I_c+I_b+I_e=0\$. Когда мы объединяем эту формулу со второй формулой, мы получаем \$\beta I_b + I_b + I_e=0\$. Отсюда мы можем получить ток эмиттера как \$-I_e=\beta I_b + I_b= I_b (\beta + 1)\$ (обратите внимание, что \$ I_e\$ — это ток, протекающий через эмиттер, поэтому он отрицательный).

Отсюда видно, что используя \$\beta\$ как удобный инструмент в расчетах, мы можем увидеть зависимость между током базы транзистора и током эмиттера транзистора. Поскольку на практике \$\beta\$ находится в диапазоне от сотен до тысяч, мы можем сказать, что «маленький» ток базы «усиливается» в «большой» ток коллектора (который, в свою очередь, создает «большой» ток эмиттера). Обратите внимание, что я не говорил о каких-либо дельтах до сих пор. Это потому, что транзистор как элемент не требует изменения тока. Можно просто подключить базу к постоянному постоянному току и транзистор будет нормально работать. Если требуется изменение тока, это происходит не из-за транзистора, а из-за остальной части схемы, которая может блокировать постоянную часть входного тока.

Также используется другое значение, и оно называется \$ \alpha\$. Вот что это такое: \$ \alpha = \frac {I_c} {I_e} \$. Когда мы переставим это, мы увидим, что \$I_c= \alpha I_e\$. Таким образом, \$ \alpha\$ — это значение, на которое усиливается ток эмиттера для получения тока коллектора. В этом случае усиление фактически дает нам меньший выход (хотя на практике \$\alpha\$ близко к 1, что-то вроде 0,98 или выше), потому что, как мы знаем, эмиттерный ток, выходящий из транзистора, равен сумме тока базы и тока коллектора, протекающих через транзистор.

Теперь я немного расскажу о том, как транзистор усиливает напряжение и ток. Секрет в том, что это не так. Усилитель напряжения или тока делает! Сам усилитель представляет собой немного более сложную схему, в которой используются свойства транзистора. Он также имеет входной узел и выходной узел. Усиление напряжения представляет собой отношение напряжения между этими узлами \$A_v = \frac {V_{out}}{V_{in}}\$. Текущее усиление представляет собой отношение токов между этими двумя узлами: \$ A_i=\frac {I_{out}}{I_{in}}\$.