3. Биполярные транзисторы

Рис. 3.1. Устройство транзисторов.

Рис. 3.2. Обозначения тран- зисторов на схемах. Назва- ния выводов.

Это полупроводниковые приборы с двумяp-nпереходами. Они работают как усилители тока. С помощью других элементов их можно использовать для выполнения различных функций, например, для усиления напряжений.

Биполярные транзисторы бывают p-n-pиn-p-nтипа - в зависимости от того, какие полупроводники используются в качестве базы, эмиттера и коллектора (рис. 3.1, 3.2). Транзисторыn-p-nтипа применяются чаще. На схемах транзисторы иногда рисуют без кружка (рис.8.1).

В нормальном режиме работы переход коллектор-база смещен в обратном направлении (полностью или частично закрыт), а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении (открыт). Сопротивление перехода коллектор-база сильно зависит от тока базы.

Работу транзистора можно приближенно описать уравнением

,

где β - коэффициент передачи по току. У мощных транзисторов это число порядка десятков, у маломощных может доходить до нескольких тысяч. Типичное значение β порядка нескольких сотен.

Основные параметры транзисторов: номинальное напряжение коллектор-эмиттер, максимальный ток коллектора, номинальная мощность, коэффициент передачи по току.

Рис. 3.3. Входные характеристики транзистора.

Рис. 3.4. Выходные характери- стики транзистора.

Входные и выходные характеристики

Работу транзистора рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик. Входная характеристика- это зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер (рис. 3.3). По существу, это прямая ветвь ВАХ диода, образованного переходом база-эмиттер. Входные характеристики зависят от напряжения база-коллектор, но эта зависимость слабая, поэтому она не всегда учитывается. В простых расчетах вместо входных характеристик используют среднее значение напряжения база-эмиттер.

Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер для различных токов базы называется выходными характеристиками транзистора (рис. 3.4). Ток коллектора зависит в основном от тока базы, на него мало влияет напряжение коллектор-эмиттер. Поэтому транзистор работает практически как управляемый источник тока - слабый ток базы управляет сильным током в цепи коллектор-эмиттер.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель- это простейший усилитель тока (рис. 3.5). Эмиттерные повторители применяют для усиления сигналов от источников с большим внутренним сопротивлением. Их также используют в качестве выходных каскадов мощных усилителей.

Рис. 3.5. Эмиттерный повторитель. e(t) - источник входного сигнала, R0- внутреннее сопротивление источника вх. сигнала.

Входное и выходное напряжение связаны вторым законом Кирхгофа:

Вначале мы будем предполагать, что . Напряжение база-эмиттер меняется мало (рис. 3.3), приближенно его можно считать постоянным и равным примерно 0,6 В. Поэтому изменения входного и выходного напряжений равны:

То есть, переменную составляющую напряжения входного сигнала эмиттерный повторитель передает нагрузке без изменения. По этой причине усилитель называется эмиттерным повторителем. Заметим, что при передаче и обработке аналоговых (то есть, непрерывных, не цифровых) сигналов основной интерес представляют именно их переменные составляющие.

Найдем коэффициент усиления по току:

,

.

При расчетах переменных составляющих напряжений и токов в нелинейных цепях используют дифференциальные сопротивления (см. п.1). Входное дифференциальное сопротивление эмиттерного повторителя по определению равно отношению приращений входного напряжения и входного тока:

.

Это сопротивление, которое в сотни раз больше сопротивления нагрузки эмиттерного повторителя. Оно является нагрузкой для источника входного сигнала. То есть, источник входного сигнала подключен к большому сопротивлению, поэтому он отдает малый ток и малую мощность. Это важно, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление и малую мощность. Эмиттерный повторитель позволяет изолировать слабый источник от влияния последующих каскадов усилителя.

Рис. 3.7. ВАХ усилителя.

Рис. 3.6. Схема заме- щения усилителя.

Эмиттерный повторитель, как и любой другой усилитель, можно представить в виде источника напряжения или тока с некоторым внутренним сопротивлениемR_вых.(рис. 3.6). Именно так его "видит" нагрузка. СопротивлениеR_вых.называетсявыходным сопротивлениемусилителя. Оно ограничивает ток, который усилитель может отдавать нагрузке.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя проще и естественнее всего найти как дифференциальное сопротивление, то есть, отношение приращения напряжения на выходе усилителя к приращению тока при условии, что э.д.с. источника постоянна (рис. 3.5, 3.7):

.

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, оно в сотни раз меньше внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Поэтому эмиттерный повторитель может отдавать нагрузке большой ток.

Замечание 1. Знак "–" в последнем уравнении появился потому что знак приращения напряжения на выводах источника входного сигнала противоположен знаку приращения напряжения на внутреннем сопротивлении источника: если ток растет, то на зажимах источника напряжение падает, а на внутреннем сопротивлении источника оно растет.

Замечание 2. На схеме рис. 3.5. в качестве нагрузки используется эмиттерный резистор. Иногда нагрузку подключают параллельно эмиттерному резистору, при этом ее сопротивление намного меньше сопротивления резистора: .

Усилитель напряжения

Схема простейшего усилителя напряженияна биполярном транзисторе показана на рис. 3.8. От эмиттерного повторителя ее отличает то, что в цепь коллектора включен резисторR_к, а также то, что выходное напряжение и выходной ток снимаются теперь с коллектора. Покажем, что рассматриваемая цепь усиливает напряжение, и найдем коэффициент усиления.

Рис. 3.8. Усилитель напряжения.

Как и для эмиттерного повторителя, для цепи рис. 3.8. изменение напряжения источника сигнала равно изменению напряжения резистора в цепи эмиттера:

.

Если ток выхода (ток нагрузки) мал по сравнению с током коллектора, то .

Далее, ,, откуда,.

Поэтому

По 2 закону Кирхгофа .

Так как напряжение питания постоянно, то из последнего равенства следует

, откуда коэффициент усиления по напряжению

.

Замечание 3. Предположение о том, что ток нагрузки мал по сравнению с током коллектора, обычно выполняется на практике.

Замечание 4. Коэффициент усиления оказался отрицательным. Это означает, что усилитель инвертирует фазу входного сигнала, то есть, возрастанию входного напряжения соответствует убывание выходного напряжения.

Входное сопротивление усилителя напряжения определяется так же, как и для эмиттерного повторителя:

.

Выходное сопротивление усилителя напряжения равно сопротивлению коллекторного резистора. Чтобы показать это, перейдем от схемы рис. 3.8 к эквивалентной схеме рис. 3.9, в которой транзистор вместе с эмиттерным резистором заменим источником тока. (Как было сказано, биполярный транзистор работает в режиме, близком к идеальному источнику тока. Любой элемент, включенный последовательно с источником тока, можно не принимать во внимание, так как он не влияет на состояние остальной части цепи.)

Эквивалентную схему представим для переменных составляющих напряжений и токов. Источник питания считаем идеальным. В этом случае его внутреннее сопротивление

Рис. 3.9. Экви- валентная схема усилителя напряжения.

равно нулю, и он не создает никакого сопротивления переменному току. Поэтому мы заменим его перемычкой.

Выходное сопротивление, как и для эмиттерного повторителя, рассчитаем по приращениям напряжения и тока нагрузки при условии постоянного тока источника:

Замечание 5. Рассмотренные схемы усилителей обладают отрицательной обратной связью по напряжению. Случайное возрастание тока в цепи коллектор-эмиттер ведет к росту напряжения на эмиттерном резисторе. Это приводит к уменьшению напряжения база-эмиттер и уменьшению тока базы. Вследствие уменьшения тока базы ограничивается рост тока в цепи коллектор-эмиттер.

Усилители напряжения без резистора в цепи эмиттера применяются очень редко, так как изменения температуры и напряжения питания из-за отсутствия обратной связи сильно влияют на состояние цепи.

Замечание 6. Рассмотренные схемы называются схемами с общим эмиттером, потому что эмиттер включен как в цепь источника входного сигнала, так и в цепь нагрузки. Схемы с общим эмиттером применяются чаще всего. Бывают также схемы с общей базой и общим коллектором.

Режимы работы транзистора

Если к переходу база-эмиттер приложено отрицательное напряжение (например, у транзистора типа n-p-nпотенциал базы меньше, чем потенциал эмиттера), то этот переход закрыт, ток базы равен нулю, ток коллектора также равен нулю, транзистор полностью закрыт. Сопротивления между любыми его выводами очень большие. Такой режим называется режимом отсечки (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Режимы работы транзистора.

Если ток базы настолько велик, что его дальнейший рост не приводит к росту тока коллектора (то есть, дальнейшее уменьшение сопротивления перехода коллектор-база практически невозможно), то транзистор полностью открыт. Сопротивления между любыми двумя выводами транзистора в этом режиме очень малы, поэтому говорят, что транзистор "стянут в точку". Такой режим называется режимом насыщения.

Если ток коллектора пропорционален току базы, то такой режим называется активным, или линейным.

В цифровых, а также в очень мощных силовых электрических цепях, транзисторы работают, переключаясь между режимами отсечки и насыщения. В аналоговых цепях (то есть, таких, которые обрабатывают непрерывные сигналы), транзисторы чаще всего работают в линейном режиме.

Смещение и точка покоя транзистора

До сих пор мы предполагали, что напряжение источника входного сигнала положительно и больше, чем напряжение база-эмиттер транзистора. Рассмотренные схемы усилителей (рис. 3.5, 3.8) будут нормально работать только при этом условии. Однако, напряжение входного сигнала чаще всего бывает переменной полярности.

Чтобы усиливать также и отрицательные полуволны напряжения и тока, нужно пропустить в цепи база-эмиттер постоянный ток от дополнительного источника - ток смещениябазы, илиток покоябазы i_б0. Этот ток будет задавать некоторый постоянный уровень тока коллектораi_к0-ток покоя коллектора(рис. 3.10), а также соответствующие уровни выходного напряжения и тока - так называемуюрабочую точкутранзистора. Ее еще называютточкой покоя. Транзистор находится в рабочей точке при отсутствии сигнала на входе усилителя.

Ток входного сигнала суммируется с током смещения базы, вызывая увеличение тока коллектора при положительном входном сигнале и уменьшение тока коллектора при отрицательном входном сигнале. Таким образом, происходят колебания тока коллектора, а также тока и напряжения выхода усилителя вокруг точки покоя (рис. 3.10). Точку покоя обычно выбирают посередине между режимами отсечки и насыщения, чтобы обеспечить максимальную амплитуду сигнала на выходе усилителя. Ток нагрузки эмиттерного повторителя при этом равен половине от максимально возможного (от тока в режиме насыщения), а напряжение на выходе усилителя напряжения равно половине напряжения источника. Такой усилитель называется усилителем класса А.

В качестве источника тока смещения базы обычно используют делитель напряжения. На рис. 3.11 этот делитель образуют резисторы R₁иR₂.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Рис. 3.11. Усилительный каскад на биполярном транзисторе.

Рис. 3.12. Эквивалентная схема каскада.

Усилительный каскад, как правило, отделен по постоянному току от источника входного сигнала и от нагрузки усилителя конденсаторамиС_вх.иС_вых.Благодаря этим конденсаторам вход и выход усилителя не влияют на рабочую точку транзистора. Емкость этих конденсаторов выбирается достаточно большой - такой, чтобы сопротивление конденсатораС_вх.на рабочих частотах было намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, а сопротивление конденсатораС_вых.было намного меньше, чем выходное сопротивление усилителя. То есть, начиная с некоторой частоты, конденсаторы должны легко пропускать переменную составляющую тока.

Конденсатор С_эобычно также присутствует в схеме каскада. Он уменьшает полное сопротивление цепи эмиттера, что в соответствии с рассуждениями, использованными для анализа усилителя напряжения, увеличивает коэффициент усиления каскада по напряжению. Сопротивление конденсатораС_эдолжно быть намного меньше сопротивленияR_э:.

Для расчета входного и выходного сопротивления каскада нарисуем эквивалентную схему каскада для переменного тока рис. 3.12. При этом будем пренебрегать малыми сопротивлениями конденсаторов.

Как и у простейшего усилителя напряжения, выходное сопротивление каскада равно R_к.

Как и у эмиттерного повторителя, входное сопротивление транзистора со стороны базы равно (1+β)R_э. Оно велико по сравнению с сопротивлением резисторов делителяR₁иR₂, и оно включено параллельно сR₁иR₂, поэтому входное сопротивление каскада примерно равно сопротивлению параллельно включенных резисторовR₁иR₂:.

Зная входное и выходное сопротивления каскада, получаем требования к конденсаторам С_вх.иС_вых.:,.

Комплементарные усилители

Схемы, в которых задается ток смещения базы (усилители класса А, например, рис. 3.11), обладают малым к.п.д., так как даже при отсутствии входного сигнала через транзистор течет ток i_к0, примерно равный половине тока насыщения, и к транзистору приложено напряжение, примерно в 2 раза меньшее, чем напряжение питания. Кроме того, энергия расходуется в коллекторном и эмиттерном резисторах. Это приемлемо при малых мощностях усилителя и нагрузки.

Рис. 3.13. Простейший комплементарный усилитель.

Рис. 3.14. Попеременное вклю- чение транзисторов.

Если же мощности нагрузки и усилителя велики, и транзистор все время находится в линейном режиме, то он будет потреблять большую мощность и сильно нагреваться. Также велики будут потери энергии в резисторах. Чтобы этого избежать, применяюткомплементарный (двухтактный)усилитель, который представляет собой эмиттерный повторитель, составленный из пары взаимно дополняющих (комплементарных) транзисторов разного типа (рис. 3.13). Один из этих транзисторов усиливает ток положительной полуволны источника входного сигнала, а второй - ток отрицательной полуволны. При отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты (рис. 3.14).

Такие усилители, в которых транзисторы при отсутствии входного сигнала закрыты, называют усилителями класса В. Для них специально выпускают пары транзисторов разного типа (p-n-pиn-p-n) с одинаковыми характеристиками.

Простейшая схема рис. 3.13. обладает недостатком: если напряжение сигнала по абсолютному значению меньше напряжения база-эмиттер, то оба транзистора закрыты. В результате возникает небольшое искажение выходного сигнала. На рис. 3.14. оно не показано. Для его устранения применяют специальные цепи смещения транзисторов.