Биполярный транзистор

 

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических  и неэлектрических величин, приеме радио сигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители.

Усилитель - устройство, осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника  к потребителю.

В современных  усилителях, широко применяемых в  промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах  обладают высокой надежностью и  экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу  и размеры, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень  слабые электрические сигналы.

Упрощенно усилитель (усилительный каскад) можно  представить в виде блок-схемы (рис.1.):

 

Данный  усилитель содержит нелинейный управляемый  элемент, как правило биполярный или полевой транзистор, потребитель и источник электрической энергии. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения (у си ленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента, а следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого или потребителя. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону задаваемому входным сигналом.

Основными параметрами усилительного каскада  являются коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току КI=Iвых/Iвх и коэффициент усиления по мощности

Обычно  в усилительных каскадах все три  коэффициента усиления значительно  больше единицы. Однако в некоторых  усилительных каскадах один из двух коэффициентов  усиления может быть меньше единицы, т.е. КU<1 или КI <1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности больше единицы.

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых  в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители  предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные  транзисторные усилители, как и  ламповые, состоят из одного или  нескольких каскадов усиления. При  этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между  ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные  значения резисторов, конденсаторов  и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя  наиболее распространены резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей  базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим  коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим  эмиттером - ОЭ (рис. 1, в).

Рис. 1, а

 

Рис. 1, б

Рис. 1, в

 

Наиболее  распространенной является схема с  ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

 

Таблица 1

Параметры

с общей базой (ОБ)

с общим эмиттером (ОЭ)

с общим коллектором (OK)

Коэффициент усиления по напряжению

30—400

30—1000

<I

Коэффициент усиления по току

<I

10—200

10-200

Коэффициент усиления по мощности

30—400

3000—30000

10—200

Входное сопротивление

50—100 Ом

200—2000 Ом

10—500 кОм

Выходное сопротивление

0,1—0,5 мОм

30—70 кОм

50—100 ОМ


 

Схема замещения  транзистора для малых отклонений  (ОБ, ОК, ОЭ), h-параметр.

 

Усилитель с общим коллектором

Схема усилителя  ОК изображена на рисунке 2

 

 

Рисунок 2 Усилитель  ОК

Расчет  элементов схемы по постоянному  току практически не отличается от подобного расчета элементов  усилителей ОЭ. После выбора рабочей  точки (рисунок 2, б), определяющей режим работы каскада, а также тока делителя в цепи базы находят сопротивления резисторов:

(1)

В отличие  от усилителя по схеме ОЭ схема  с общим коллектором не инвертирует  входной сигнал. Действительно, если на вход эмиттерного повторителя  подать увеличивающееся напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного  тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы  в схеме будут изменяться в  фазе.

Переменное  напряжение, снимаемое с Rнэ, через разделительный конденсатор Ср2 проникает в нагрузку. Эквивалентная схема каскада по переменному току представлена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3. Эквивалентная схема усилителя ОК

 

На  схеме штриховой линией изображено выходное сопротивление источника  питания Rи. Как было указано ранее, оно незначительно и им пренебрегают. Поэтому коллектор транзистора оказывается заземленным, т.е. он является общим для входной и выходной цепи. Что и объясняет наименование усилителя (усилитель ОК), хотя из рисунка 2, а этого явно не видно.

По  сравнению с предыдущими схемами  делитель в цепи базы представлен  своим эквивалентным сопротивлением Rд, которое вычисляется выражением:

.,(2)

 

Определим входное  сопротивление транзистора ,(3)

где Rн экв – эквивалентное сопротивление нагрузки:

. (4)

 

Выражение (3) говорит о том, что в эмиттерном повторителе можно получить очень  большие значения входного сопротивления. Это является одним из основных достоинств каскада ОК.

Окончательное выражение (3) было получено на основе учета  того, что

.

Считая, как и для предыдущих схем, что  весь ток выходного электрода (эмиттера) идет в нагрузку, получаем выражение  для определения коэффициента усиления по току:

. (5)

Проведем  некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:

. (6)

Следовательно, напряжение сигнала на выходе при  подключении нагрузки в цепь эмиттера не увеличивается – оно практически  равно входному (в упрощениях при выводе соотношения (6) не было учтено входное сопротивление делителя Rд). Этим объясняется наименование усилителя – эмиттерный повторитель.

Аналогично  усилителю ОЭ спад усиления на низших частотах эмиттерного повторителя  определяется действием Ср1 и Ср2, а на высших – параметрами транзистора. При выборе разделительных емкостей пользуют соотношения, аналогичные приведенным ранее.

Выходное сопротивление  каскада

.

Из сказанного следует, что каскад эмиттерного повторителя наиболее удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой (Rвх – велико, Rвых – мало, Ki – велико).

Малое выходное сопротивление каскада  делает его идеальным при согласовании усилителя с емкостной нагрузкой.

 

Усилитель с общей базой

 

Принципиальная  и эквивалентная схема по переменному  току усилителя ОБ изображены на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4. Усилитель ОБ

 

 

Расчет  сопротивлений резисторов (после  выбора режима работы каскада), то получим эквивалентную схему для средних частот (рисунок 5).

 

 

 

   (7)

 

Рисунок 5. Эквивалентная схема усилителя ОБ для средних частот.

 

Применив  упрощения, которые были использованы при расчетах предшествующих схем, получим:

,

. (8)

Входное сопротивление каскада. Входящее в  него входное сопротивление транзистора 

. (9)

значительно меньше сопротивления резисторов делителя в цепи базы (rэ<< Rб1 и rэ<< Rб2).

Эквивалентное сопротивление нагрузки Rн экв определяется параллельным соединением Rк и Rн. Поэтому, если rэ<< Rк и rэ<< Rк вх, то усилитель ОБ будет обладать очень большим коэффициентом усиления по напряжению:

,(10)

Учитывая  большое сопротивление дифференциального  резистора обратносмещенного коллекторного перехода для входного сопротивления каскада имеем:

. (11)

 

Усилитель с  общим эмиттером

 

Транзистор  VT представлен его Т-образной схемой замещения, содержащей дифференциальные сопротивления rб, rэ, rк и зависимый источник тока h21э * iб. В его входной цепи возникает переменный ток базы iб. Ток коллектора в основном будет обусловлен источником тока, ток эмиттера – суммой указанных токов. Коллекторный ток замыкается на землю через цепь – резистор Rк, внутреннее сопротивление источника питания Rи. Через разделительный конденсатор Ср1 сигнал, обусловленный током iк появляется в нагрузке. В цепи эмиттера токи замыкаются на землю через Сэ и Rэ.

Для средних частот рабочего диапазона  эквивалентная схема усилителя  может быть упрощена. Упрощения проводят на основании учета соотношений  и на основе того, что емкость коллекторного перехода существенно меньше остальных емкостей. Поэтому всеми разделительными емкостями и емкостью коллекторного перехода можно пренебречь. Малое сопротивление Сэ шунтирует внешний резистор Rэ, практически подсоединяя эмиттер к земле. В результате получим схему рисунка 6.

 

 

Рисунок 6. Эквивалентная  схема усилителя для средних  частот

 

Напоминаем, что коэффициенты усиления определяются, как отношение тока, напряжения и  мощности сигнала нагрузки к соответствующим  величинам на входе. Их можно определить исходя из приведенной схемы. Однако, наиболее часто коэффициенты вычисляют по более простым формулам. Такой подход оправдан в связи со значительным разбросом параметров используемых транзисторов и резисторов. Так, например, коэффициент усиления по току наиболее часто принимают равным статическому коэффициенту передачи тока в схеме ОЭ, т.е.

. (12)

В действительности он равен . Сравнивая это выражение с (12), можно увидеть следующие отличия. Как видно их рисунка, числитель в формуле (12) завышен, а знаменатель – занижен, что должно привести к более высоким оценкам величины коэффициент усиления по току при предлагаемом его определении по (12). Поэтому, чтобы сохранить простоту нахождения Кi, предлагается считать его равным минимальному значению h21э, которое приводится в справочной литературе на используемый транзистор:

. (12¢)

Проведем  некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:

,(13)

где Rк вх – входное сопротивление каскада;

Rн экв эквивалентное сопротивление нагрузки, определяемое параллельным соединением Rк и Rн:

. (14)

Входное сопротивление каскада определяется параллельным соединением резисторов делителя Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора:

,(15)

где Rтр вх – входное сопротивление транзистора, которое можно определить из выражения

,

где Urб и Urэ – падения напряжений на дифференциальных сопротивлениях базы и эмиттера транзистора. Их расшифровка приводит к следующему:

. (16)

Зачастую, это сопротивление и определяет величину входного сопротивления каскада. Учитывая большое сопротивление  дифференциального резистора обратносмещенного коллекторного перехода, для входного сопротивления каскада имеем:

. (17)

 

 

 

 

Характеристики  усилителя ОЭ в области низших и высших частот

 

Эквивалентная схема каскада для низших частот представлена на рисунке 7, а.

 

 

Рисунок 7. Эквивалентная  схема усилителя ОЭ для низших (а) и высших (б) частот

 

По  сравнению с исходной схемой рисунка 4.8. на ней исключены сопротивления  источников питания и емкость  коллекторного перехода в связи  с незначительностью их влияния  при низких частотах переменного  сигнала. На передачу сигнала существенное влияние оказывают емкости Ср1, Ср2 и Сэ, реактивное сопротивление которых увеличивается. При этом разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют прохождению сигнала с входа каскада на его выход, уменьшая тем самым коэффициент усиления каскада в области низших частот.д.ействие блокирующей емкости несколько иное – в области низших частот она перестает шунтировать резистор, Rэ и коэффициент усиления каскада уменьшается за счет действия отрицательной обратной связи. Как было указано ранее, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который для рассматриваемой схемы с достаточной точностью можно определить по формуле:

,(18)

где ,(18¢)

 

Если  задан общий коэффициент частотных  искажений Мн на весь каскад, то эту величину следует распределить между элементами, уменьшающими передачу сигнала в области низших частот и затем определить необходимые значения емкостей. Например, переходную емкость Ср1 можно вычислить по формуле

 

где Мр1 – доля частотных искажений, приходящаяся на данную емкость, причем

 

Эквивалентная схема каскада в области высших частот показаны на рис.7, б. С повышением частоты уменьшается коэффициент  h21э и увеличиваются шунтирующее действие емкости коллекторного перехода Ск, Все это приводит к уменьшению усиления в области высших частот. Количественно уменьшение коэффициента усиления по сравнению со средними частотами оценивают с помощью коэффициента частотных искажений модуль коэффициента усиления в области высших частот.

 

h-параметры  биполярных транзисторов

 

Для расчета и анализа устройств  с биполярными транзисторами  используют h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется 4-мя величинами: Iб, Uбэ, Iк, Uкэ. Две из них можно считать независимыми, а две другие можно выразить через них:

 

Усилительный  каскад с общей базой (ОБ) - одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное - велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью  схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых  схем усилителей "паразитная" обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема  с общей базой наиболее часто  используется для построения высокочастотных  усилителей, особенно вблизи верхней  границы рабочего диапазона частот транзистора.

 

Схема включения  с общей базой

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]

Входное сопротивление  Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление  для схемы с общей базой  мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная  цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход  транзистора.

 

Недостатки  схемы с общей базой:

малое усиление по току, так как α < 1

Малое входное  сопротивление

Два разных источника  напряжения для питания.

 

Достоинства:

Хорошие температурные  и частотные свойства.

Высокое допустимое напряжение.

Биполярный  транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) - электронный тип примесной проводимости, p (positive) - дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова "би" - "два"). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором  и эмиттером. На простейшей схеме  различия между коллектором и  эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора - бо́льшая площадь p - n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

 

Расчет каскада  с общим эмиттером

 

Существует  множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада  на транзисторе ОЭ. Это обусловлено  главным образом особенностями  задания режима покоя каскада. Особенности  усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 8, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания Rk, управляемый элемент - транзистор Tи резистор Rk. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы Cp1, Cp2 являются разделительными. Конденсатор Cp1исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Ek→ R1→ RГ и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника Rk напряжения на базе Uбn в режиме покоя. Функция конденсатора Cp2сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

 

Рис.8

 

Резисторы R1 и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае токC) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя Iбn . Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока Iбn . Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает исходное напряжение на базе Uбn  относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор  R3 является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя Ikn от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора Iko(э) , напряжения Uбэ и коэффициента b. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока Ikn от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока Ikn, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление  отрицательной обратной связи и  ее стабилизирующего действия на ток  Ikn нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 8. Предположим, что под влиянием температуры ток Ikn увеличился. Это отражается на увеличении тока Iэn , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы Iбn  уменьшается, вызывая уменьшение тока Ikn , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока Ikn. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R3 , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока Ikn, а, следовательно, и напряжения Ukэn.

Конденсатор C3 шунтирует резистор R3 по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора C3 привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название  схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора  по переменному току является общим  для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается  в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада  переменного напряжения приводит к  появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе  Rk создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор Cp2 передается на выход каскада - в цепь нагрузки.

 

Рис.9

 

Рассмотрим  основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения  требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ  каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические  построения проводятся с помощью  выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 9, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада Ukэn и Ikn амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения Uвых и тока Ikm ), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рис. 9, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току (а-б), представляющую собой геометрические места точек, координаты U и Ik которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи  с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим  режим холостого хода (точка "a" ) и режим покоя (точка "П") выходной цепи каскада (рис. 9, а). Для точки ”а” Ikn = 0 , Ukэn F =-K и для точки "П" 

 Ikп > Ikm + Ik min, UkэП > Uвых + DU , где Ik min  выбирают из условия работы транзистора в режиме отсечки (Iбmin) , DU, напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки "П" находим значение тока базы Iб = Iбn , соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки "П" на входной характеристике (рис. 9, б).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и  коллекторного тока транзистора  используют линию нагрузки каскада  по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора  равно нулю, так как резистор R3 шунтируется конденсатором C3, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора Cp2 по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания Ek по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на рис. 10, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах. Сопротивление каскада по переменному току

определяется  сопротивлениями резисторов Rk и Rн , включенных параллельно, т. е. . Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

 

Рис.10

 

Поскольку при наличии входного сигнала  напряжение и ток транзистора  представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия  нагрузки по переменному току проходит через точку покоя  "П" (рис. 9, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: DU/DIk = Uвых/Ikm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моделирование

                                                    Рис. 11 (Исходная схема)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 12 (без  конденсатора СP2)

Рис. 13.1 (без  конденсатора СЭ)

 

 

 

 

 

Рис.13.2

 

Рис. 14.1

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.2

Рис. 15.1 (без  конденсатора СР1)

 

 

 

 

 

Рис.15.2

Рис. 16 (без  резистора R2)

 

 

 

 

 

 

Коэффициент усиления по напряжению

,

Uвх=2 [B]

, В

8

12

11,5

10,9

10,6

10,2

10,2

10,1

f, Гц

50

100

500

1000

2000

3000

4000

5000


 

10

10

10

10

10

10

10

9,99

f, кГц

10

20

30

40

50

60

70

80


 

График зависимости  от f

 

 

 

Uвх=0,5 [B]

, В

1,9

4,8

12

11,6

11,5

11,5

11,5

11,4

11,3

f, Гц

50

100

500

1000

2000

3000

4000

5000

6000


 

11,3

11,2

11,2

11,2

11,2

11,1

11,1

11

f, кГц

10

20

30

40

50

60

70

80


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График зависимости  от f

 

Без конденсатора СЭ.

Uвх=0,5 [B]

, В

0,34

0,75

1,4

1,6

1,8

1,8

1,8

1,8

f, Гц

50

100

500

1000

2000

3000

4000

5000

Биполярный транзистор