3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

Для каждой из схем включения транзисторов наиболее важными параметрами являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

Как отмечалось выше, исходное состояние транзистора определяется выбором режима его работы, который характеризуется протеканием установившихся в нем токов определенной величины и наличием напряжений как на транзисторе, так и на элементах, соединенных с ним. При подаче входного сигнала ранее имевшие место токи и напряжения в транзисторе изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. Для исключения влияния положения рабочей точки транзистора на его коэффициенты усиления при их анализе используются не абсолютные значения токов и напряжений, а их приращения. Рассмотрим в общем виде коэффициенты усиления транзистора.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:

(5)

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:

(6)

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:

(7)

Входным сопротивлением называется отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока:

(8)

Выходным сопротивлением называется отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока:

(9)

Рассмотрим эти параметры для двух схем включения транзистора. На рисунке 3.16 показано включение транзистора по схеме с О.Б. в динамическом режиме.

Рисунок 3.16 – Транзистор, включённый по схеме

с общей базой в динамическом режиме

Здесь с помощью источника E осуществляется установка рабочей точки на транзисторе, U_ист – источник усиливаемого сигнала, U_вх – входное напряжение, U_н – выходное напряжение. В этой схеме входным и выходным токами являются соответственно ток эмиттера и коллектора. Тогда, в соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме с общей базой будет равен:

Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с О.Б. несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с О.Б. обозначают через α:

(10)

В соответствии с (6), определим коэффициент усиления по напряжению в схеме с О.Б.:

Здесь под R_вх,б понимается входное сопротивление транзистора между эмиттером и базой в схеме с О.Б. в динамическом режиме.

В стабилизаторах R_н составляет 10÷100 Ом.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле (7):

Рассмотрим коэффициенты усиления для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером в динамическом режиме (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 – Включение транзистора по схеме

с общим эмиттером в динамическом режиме

Здесь входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера. Во входной цепи находится напряжение смещения E₁ и источник входного сигнала U_ист. Выходная цепь состоит из источника E₂ и сопротивления нагрузки R_н. Полярность подключения источников такова, чтобы под действием E₁ эмиттерный переход был под прямым напряжением, а коллекторный переход под действием E₂ находился под обратным напряжением. Как и в предыдущих случаях выполняется условие E₂>>E₁.

Коэффициент усиления по току определяем по формуле (5), учитывая, что в этой схеме входным током является ток базы, а выходным ток коллектора:

Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с О.Э. этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).

Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

= 9÷99

Теоретически, при α → 1, что возможно при → 0, значение → ∞.

Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле (6):

Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:

Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме включения с общей базой. Необходимо отметить, что сомножители (дроби), стоящие в коэффициентах усиления по току и по мощности, мало отличаются по величине. Поэтому понятно, что при построении усилителей сигналов используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

3.2.6 Эквивалентная схема транзистора.

При расчёте электрических цепей, содержащих транзисторы, в место транзисторов используются их эквивалентная электрическая схема. Для каждого способа включения транзистора имеет место своя эквивалентная схема. Эквивалентные схемы отображают устройство транзистора и его электрические свойства.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включённого по схеме с общей зоной. На рисунке 3.18,а показана конструкция транзистора, которая ранее уже рассматривалась и представлена на рисунке 3.1.

Рисунок – 3.18 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с

общей базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

При изучении свойств p-n перехода и принципа действия транзистора было установлено, что каждый из p-n переходов обладает определённым омическим сопротивлением. Омическое сопротивление эмиттерного перехода обозначается через .

Как известно, одно из условий функционирования транзистора состоит в том, чтобы эмиттерный переход был под прямым напряжением. В этом случае отсутствует запирающий слой в p-n переходе, а значит сопротивление его мало. Поэтому величина мала и составляет от единиц до десяток Ом. Так же известно, что p-n переход характеризуется барьерной ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключается параллельно .

Сопротивление коллекторного перехода обозначаются через . Известно, что коллекторный переход находится под обратным напряжением, что создает запирающий слой, обладающий большим омическим сопротивлением. Поэтому величина коллекторного сопротивления велика и составляет сотни тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость коллекторного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключена параллельно . Величина барьерной ёмкости достаточно велика и составляет сотни пикофарад. Представленная на рисунок 3.18,а эквивалентная схема является пассивным четырёхполюсником и усилительными свойствами, как транзистор, обладать не может. Для того, чтобы эквивалентная схема обладала усилительными свойствами в неё вводится генератор тока (рисунок 3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общей базой, на величину тока эмиттера, что равно току коллектора:

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером без генератора тока представлена на рисунке 3.19,а. Назначение элементов ()

Рисунок – 3.19 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей

базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

такое же, как и в схеме с общей базой. Однако, как было сказано, транзистор обладает усилительными свойствами, поэтому эквивалентная схема дополняется генератором тока (рисунок 3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с О.Э., на величину тока базы, что равно коллекторному току: