Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы – это 3-х электродные приборы с 2- мя P – n – переходами, которые используются для усиления и генерирования электрических колебаний.
Чтобы получить 2 P – n – перехода, необходимы 3 слоя полупроводников разного типа.
Средний слой – база ( Б ).
Наружный слой, являющийся источником носителей заряда – эмиттер ( Э ).
Наружный слой, принимающий заряды – коллектор ( К ).
В схемах обычно один из электродов соединен и с входом и с выходом. Поэтому различают схемы с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.
В качестве основной схемы включения используется схема с общим эмиттером.
Iэ ≈ Iк
Различают 3 типа вольтамперных характеристик ( ВАХ ) биполярного транзистора:
1) Iб =f ( Uбэ ) Uкэ = const – входная;
2) Iк =f ( Uкэ ) I б = const – выходные;
3) Iб =f ( Iк ) – переходная.
Как видно из представленных графиков транзистор является нелинейным элементом, что существенно усложняет расчет и анализ полупроводниковых устройств. При расчете обычно используется графоаналитический метод.
Усилитель напряжения с общим эмиттером
Принцип действия усилителя основан на изменении сопротивления управляемого элемента УЭ.
Основные параметры усилителя:
1) коэффициент усиления по напряжению Кu = Uвых / Uвх ;
2) коэффициент усиления по току Кi = Iвых / Iвх ;
3) коэффициент усиления по мощности Кp = Pвых / Pвх .
Различают усилители напряжения, тока и мощности.
В зависимости от диапазона частот входного сигнала различают:
1)усилители постоянного тока ( УПТ ) – для усиления медленно меняющихся сигналов;
2)усилители низких частот ( от десятков Гц до 15 – 20 кГц );
3)усилители высоких частот ( десятки кГц – сотни МГц );
4)импульсные усилители ( широкополостные ШПУ ) – для усиления импульсных сигналов;
5)избирательные усилители – для узкого диапазона частот.
Рассмотрим работу усилителя напряжения на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.
Коллекторное напряжение определяется по 2 закону Кирхгофа Uк = Ек – Rк Iк.
Это прямая линия ( линия нагрузки ), имеющая наклон. Ее можно построить по 2 точкам на выходных характеристиках транзистора.
1) Iк = 0; Uк = Eк 2) Uк = 0; Iк = Ек / Rк.
Рабочая точка ( РТ ) можно выбрать между точками а и б. Чтобы усиление сигнала происходило без искажений, РТ выбирают в середине линии нагрузки. Для этого с помощью резистора Rб на базу надо подать ток Iб0..
Если на вход усилителя подать сигнал , например, синусоидальной формы, на выходе получим также сигнал синусоидальной формы, но большей амплитуды. При этом выходной сигнал будет в противофазе к входному. Чтобы получить совпадение по фазе, можно подключить еще один каскад.
Коэффициент усиления ненагруженного усилителя Кux ≈ h21 Rк / h11, где h21 – коэффициент передачи тока транзистора ( 10 – 300 );
h11 – входное сопротивление транзистора ( 1 – 1000 Ом ).
Входное сопротивление усилителя Rвх ≈ h11.
Выходное сопротивление усилителя Rвых ≈ Rк.
Емкости С1 и С2 необходимы для отделения постоянной составляющей сигналов от переменной.
При повышении температуры изменяются выходные характеристики транзистора и РТ смещается. Это может привести к искажению выходного сигнала. Для температурной стабилизации усилителя в схему вносятся изменения.
В данной схеме
uбэ = u2 – u1, где
u2 = Ек R''б / ( R'б + R''б ) – напряжение при изменении температуры не меняется;
u1 = Rэ Iэ – с изменением температуры это напряжение меняется, т.к. при этом изменяется ток коллектора, а, следовательно, и ток эмиттера. Если, например, при изменении температуры коллекторный ток увеличился, то формируется цепочка
Iк↑ → Iэ↑ → Uбэ↓ → Iк↓
Получается отрицательная обратная связь, которая стабилизирует работу усилителя.
Данный усилитель усиливает не только напряжение, но также ток и мощность.