.

Основные схемы включения и параметры транзисторов

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис.7.3, общей базой (ОБ) рис.7.6 а, и общим коллектором (ОК) рис.7.6 б. Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.
В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.
Рис.7.5. Временные диаграммы работы транзисторного усилителя 
Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц килом, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков килом.
Рис.7.6. Включение n-p-n транзистора в схему с ОБ (а) и ОК (б) 
К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.
В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до сотен килоом. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.
В схеме с ОК (рис.7.6, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.
Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.
         Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.
Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:
         по току кI = ΔIВЫХ/ IВХ;по напряжению кU = ΔUВЫХ/ ΔUВХ; по мощности кР = кIкU = ΔРВЫХ/ ΔРВХ; а также входное сопротивление RВХ = UВХ/ IВХ; выходное сопротивление RВЫХ = UВЫХ/ IВЫХ.
Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл.7.1. 
Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов
Параметр
Схема ОЭ
Схема ОБ
Схема ОК
кI
Десятки – сотни
Немного меньше единицы
Десятки – сотни
кU
Десятки – сотни
Десятки – сотни
Немного меньше единицы
кР
Сотни –десятки тысяч
Десятки – сотни
Десятки – сотни
RВХ
Сотни ом – единицы килоом
Единицы – десятки Ом
Десятки – сотни килом
RВЫХ
Единицы – десятки килом
Сотни килом – единицы мегаом
Сотни ом – единицы килоом
Фазовый сдвиг между UВЫХ и UВХ
180°
0
0
Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой зависимость токов через транзистор от приложенного напряжения. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.
Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ), показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n-p-n типа для схемы с ОЭ приведены на рис.7.7. Очевидно, что они имеют ярко выраженный нелинейный характер. При этом входные ВАХ (рис.7.7, а) подобны прямой ветви диода, а выходные (рис.7.7, б) характеризуются вначале резким возрастанием выходного тока IК при возрастании выходного напряжения UКЭ, а затем по мере дальнейшего роста напряжения, незначительным его увеличением. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе области насыщения транзистора, когда оба перехода открыты.

Рис.7.7. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора n-p-n типа, включенного с ОЭ 
На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии 0А); отсечки (заштрихованная область ниже линии 0Б, соответствующая закрытому состоянию транзистора); активной (незаштрихованная область между линиями 0А 0Б, соответствующая активному состоянию транзистора). Статические характеристики используют для расчета нелинейных цепей, содержащих транзисторы.
Влияние температуры. Транзисторы, работающие в аппаратуре, нагреваются от окружающей среды, от внешних источников теплоты, например, от расположенных рядом нагретых деталей, и от токов, протекающих через сам транзистор. Изменение температуры оказывает значительное влияние на работу полупроводниковых приборов. При повышении температуры увеличивается проводимость полупроводников и токи в них возрастают. Особенно сильно растет с повышением начальный ток коллектора IК0 (рис.7.7). Возрастание этого тока ведет к изменению характеристик транзистора. Для обеспечения постоянства режимов служит температурная стабилизация, но она полностью не может устранить изменение параметров транзистора.
         Частотные свойства. С повышением частоты усиление, даваемое транзистором, снижается. У этого явления есть две причины. Во-первых, на более высоких частотах сказывается вредное влияние емкостей p-n переходов, особенно емкости перехода коллектор – база СКБ. Эти емкости включены параллельно цепи прохождения сигнала и они совместно с сопротивлениями эмиттерного и коллекторного переходов дают эффект фильтров нижних частот, т.е. с ростом частоты коэффициент передачи уменьшается. Вторая причина снижения усиления на высоких частотах – отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей заряда в транзисторе.
Частотные свойства транзисторов характеризуются граничной частотой усиления fГР, которая соответствует kI = 1, т.е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.
Для построения электронных схем, работающих в области высоких частот, используются высокочастотные транзисторы. Кроме этого применяются специальные схемотехнические приемы, позволяющие повышать рабочую частоту транзисторных схем.