Меню

Переменная составляющая коллекторного тока

Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

Image

В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор RK, а используя резистор Rб, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение UБЭ, а сопротивление резистора Rб, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
Rб =(GK-UБЭ)/IБ.
Так как UБЭ обычно составляет не более 0,2. 0,3В для германиевых транзисторов и 0,6. 0,8 В — для кремниевых, а напряжение GK измеряется единицами или даже десятками вольт, то UБЭ

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Читайте также:  Вектор тока при индуктивной нагрузке

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник

Усилитель на биполярном транзисторе

Сразу определимся, что обозначает термин «усилитель». Вот как это трактует Wikipedia: «Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным».
В нашем случае речь идет о том, что транзистор будет усилителем тогда, когда мощность сигнала, полученная на его выходе, больше мощности сигнала, поданной на его вход и при этом вид сигнала остается прежним.
При помощи транзисторов можно конструировать различные виды усилителей, но на практике наиболее чаще применяют линейные усилители, или усилители класса А. В них переменный выходной сигнал многократно увеличенный по мощности должен иметь ту же форму, что и входной, т.е. существует линейная зависимость.

Читайте также:  Как определили силу тока из истории

Обычно в исcледовательских работах на вход усилителя на биполярном транзисторе подают синусоидальные колебания. Но звуковой (акустический) сигнал речи, музыки имеет более сложную форму в отличии от синусоидального. Можно ли простым синусоидальным сигналом протестировать реальный звуковой сигнал?
Можно, потому что самый сложный звуковой сигнал, согласно теореме Фурье, состоит из суммы большого числа других синусоидальных колебаний, представляющих собой частотный спектр. Если за основную частоту взять сигнал с частотой равной f1=440Гц, то в акустическом сигнале будут присутствовать, так называемые, вторая гармоника 2f1 с частотой вдвое большей основной частоты равной 2f1=880Гц, третья гармоника которая больше втрое больше основной частоты и равна 3f1=1320ГЦ и т.д. А тональность звука будет зависеть не только от частоты гармоник, а еще и от величин амплитуд отдельных гармоник.
Теоретически число гармоник может быть бесконечно велико, но практика показывает, что с увеличением порядкового номера гармоник их амплитуда уменьшается. Поэтому достаточно учесть только первые 5-7 гармоник, а остальными можно пренебречь из-за их незначительных амплитуд.
Так что, если усилитель хорошо усиливает несколько определенных частот спектра (включая самую низкую и самую высокую), то, очевидно, он хорошо усиливает и самое сложное колебание.

mikrofon

Но в усилителе на биполярном транзисторе во время работы на различных участках схемы действуют одновременно не только переменные но и постоянные напряжения. В результате в цепях протекают одновременно постоянный и переменный токи, или, как говорят, постоянная и переменная составляющие тока . И для того, чтобы разобраться, как появляются и чем отличаются эти токи, нужно определиться из чего состоит звуковой сигнал и как он преобразовывается в электрический сигнал.
Это сделаем на примере работы схемы с угольным микрофоном ( рис.1 ), где рассмотрим как преобразовывается акустический звук в электрический ток. В схеме присутствуют микрофон М , источник питания GB , сопротивление R , нагрузочное сопротивление Rн и разделительный конденсатор С .
Угольный микрофон представляет собой корпус в виде капсулы в котором к металлической мембране 1 прикреплен подвижный электрод 2 , а напротив — неподвижный электрод 6 . Между ними находится графитовый порошок 5 , который имеет свойство при изменении своей плотности изменять электрическое сопротивление.
По схеме в цепь микрофона последовательно включен гальванический элемент GB . Когда на микрофон не подается звук в микрофоной цепи протекает постоянный ток. При подаче звука мембрана микрофона колеблется, нажимая подвижным электродом то сильнее, то слабее на графитовые зерна, в зависимости от величины звукового давления. От этого меняется плотность порошка, а значит меняется и его сопротивление между электродами. Значит при большой величине звука мембрана уплотняет порошок и его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока через микрофон , а при малом звуке сопротивление увеличивается и ток на нагрузке уменьшается. В результате ток в цепи изменяется так же, как и колебания звука.
Следовательно, сам микрофон не является источником напряжения звуковой частоты, а только преобразовывает постоянное напряжение источника питания в электрический звуковой сигнал, величина усиления которого зависит от величины тока GB . А теперь эти электрические процессы рассмотрим на графиках ( рис.2 ).

При отсутствии звука в цепи микрофон М — сопротивление R — источник GB протекает постоянный микрофонный ток Iмо ( постоянная составляющая ) и на сопротивлении R образуется падение напряжения по постоянному току UR , а конденсатор С не пропускает постоянное напряжение. Поэтому на выходе нет напряжения.
При появлении звука в этой же цепи протекает уже ток, состоящий из постоянной составляющей тока Iмm и переменной составляющей тока с амплитудой URm . Переменная составляющая тока проходит через конденсатор и появляется на выходе. Ее амплитуда будет зависит от величины реактивного сопротивления конденсатора Xc и нагрузочного сопротивления Rн .
Из всего этого можно сделать следующие выводы:
— при отсутствии сигнала в цепях схемы присутствует только постоянная составляющая тока, создаваемая источником питания;
— при наличии сигнала в цепях существуют одновременно постоянная и переменная составляющие тока, при этом в один полупериод они имеют одно направление (потенциал) и суммируются, а в другой — противоположного направления и вычитаются.

А теперь,чтобы понять, как работает усилитель на биполярном транзисторе, рассмотрим уже конкретную схему на n-p-n транзиcторе КТ206А, в которой в коллекторную цепь включено нагрузочное сопротивление R= 2 кОм. И на этом примере покажем, что мощность (напряжение и ток) переменной составляющей тока на нагрузке больше, чем мощность на входе транзистора.
Сначала рассмотрим схему на рис.3 , где база транзистора соединена с эмиттером.
В этом случае транзистор закрыт и коллекторный ток Iк ≈ 0, т. к. сопротивление коллекторно — эмиттерного перехода велико (от 0,1 до 1МОм). Поэтому почти все напряжение источника тока GB2 падает на этом переходе (Uкэ ≈ 9В), а на резисторе падение напряжения почти равно нулю (UR ≈ 0).
При подаче на базу транзистора напряжение смещения 0,5 В от источника GB1 ( рис.4 ) появится небольшой базовый ток Iб = 10 μА, величину которого определяем по входной характеристике транзистора.
Данный транзистор имеет коэффициент усиления β = 100, поэтому коллекторный ток будет равен
Iк = β·Iб = 100·10 = 1000 μА = 1 mA.
Этот ток будет образовывать на сопротивлении R падение напряжения
UR = Iк·R =1·10ˉ³·2·10³ = 2 B,
а напряжение между коллектором и эмиттером будет равно разности между напряжением батареи GB2 и падением напряжения на сопротивлении UR : Uкэ = 9 — 2 = 7 B.
Теперь на вход усилителя на биполярном транзисторе от генератора Г подадим синусоидальный сигнал с амплитудой Uг = 20 mB и рассмотрим какой будет выходной сигнал при положительном и отрицательном полупериодах.

При положительном полупериоде ( рис.5 ) напряжение сигнала генератора (переменная составляющая тока) будет суммироваться с напряжением источника тока UGB1 (постоянная составляющая тока) и на входе будет действовать уже сумма напряжений:
Uбэ = UGB1+Uг =0,5+0,02 = 0,52 В.
Из входной характеристики транзистора находим базовый ток уже по напряжению смещения в 0,52. Он увеличится до Iб = 14 μА, а коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·14 = 1400μА = 1,4 mA,
который создаст падение напряжение на сопротивлении:
UR = Iк·R = 1,4·10ˉ³·2·10³ = 2,8 B,
а напряжение коллектор — эмиттер будет равен
Uкэ = UGB2 — UR =9 -2,8 =6,2 B.

При отрицательном полупериоде ( рис.6 ) напряжение генератора будет вычитаться из напряжения источника тока GB1 и на входе транзистора будет напряжение равное
Uбэ = UGB1 — Uг =0,5 — 0,02 = 0,48 В.
Из входной характеристики при таком значении Uбэ базовый ток равен Iб = 6 μА, значить коллекторный ток будет
Iк = β·Iб = 100·6 = 600 μА = 0,6 mA. Падение напряжение на R:
UR = Iк·R = 0,6·10ˉ³·2·10³ = 1,2 B,
а напряжение на к-э переходе:
Uкэ = UGB2 — UR = 9 — 1,2 = 7,8 B. Если сравнить оба состояния ( рис.5,6 ) при подаче сигнала с генератора и с состоянием без входного сигнала ( рис.4 ) можно сделать следующие выводы :
1. При отсутствии сигнала (состояние покоя) на базе транзистора напряжение равно 0,5 В и базовый ток — 10 μА.
Коллекторный ток равен 1 mA, падение напряжение (постоянная составляющая) на нагрузочном сопротивлении равно 2 В, а напряжение на коллекторе -7 В.
2. При подаче входного сигнала амплитуда переменной составляющей базового тока будет равна увеличению базового тока Iб сиг — Iб пок = 14 — 10 = 4 μА, а амплитуда переменного коллекторного тока равна увеличению этого тока Iк сиг — Iк пок = 1,4 — 1 = 0,4 mA.
Следовательно коэффициент усиления транзистора по току, включенный как в данной схеме, равен:
Кi = Iвых/Iвх = 0,4·10ˉ³/0,004·10ˉ³ = 100.
3. При подаче сигнала на усилитель на нагрузочном сопротивлении напряжение увеличивается, по сравнению с напряжением в состоянии покоя, на URсиг — URпок = 2,8 — 2 = 0,8 В.
Это и будет величиной амплитуды выходного сигнала усилителя на биполярном транзисторе. А так как входной сигнал от генератора имеет амплитуду 20 mB, то коэффициент усиления по напряжению будет
Кu = Uвых/Uвх = 0,8/20·10ˉ³ = 40.
Теперь можно определить коэффициент усиления по мощности:
Кр = Кu· Кi = 40·100 = 4000.

Читайте также:  При равномерном изменении силы тока в проводнике от 0 до 10 а

Рабочая точка транзистора

Чтобы транзистор работал как усилитель для него выбираются такие параметры по постоянному току, которые обеспечивали бы нормальный режим усиления при подаче входного сигнала.
Перечислим эти необходимые параметры:
1. Напряжение смещения на базе транзистора в режиме покоя называемое Uэбп или Uбэп .
2. Базовый ток покоя Iбп . Он зависит от напряжения смещения Uбэп и они определяют рабочую точку транзистора на его входной характеристике ( рис.7,8 ).
3. Коллекторный ток покоя Iкп , который в β раз больше базового тока покоя.
4. Коллекторное напряжение покоя Uкэп не должно быть меньше 0,8 — 1 В, т.к. при очень малых коллекторных напряжениях базовый ток не управляет коллекторным током, потому что в этом интервале характеристики сливаются в одну линию. На рис.9 этот интервал равен Uо ст .
5. Коллекторные напряжение Uкэп и ток Iкп покоя определяют рабочую точку транзистора на его выходных характеристиках ( рис.9 ).

Если выбрана определенная рабочая точка, то все эти параметры не могут быть произвольными, а связаны между собой и характеризуют только эту рабочую точку транзистора. Это наглядно видно на рис.10 на котором отражены входные, выходные характеристики и характеристика прямой передачи по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами транзистора ( см. «Статические характеристики прямой передачи по току»).
Масштабы величин любых двух соседних характеристик должны быть одинаковы.
На выходных характеристиках изображена рабочая точка транзистора А , с параметрами Iкп = 1 mA и Uкэп = -4,5 В.
Проектируем эту точку на остальные характеристики.
Получается, что чтобы иметь Iкп = 1 mA, надо чтобы ток Iбп = 20 μА был при напряжении смещения Uэбп = 0,15 В.

Одной из важных задач при проектировании транзисторных схем является правильный выбор рабочей точки транзистора.
При подаче определенного напряжения смещения мы этим определяем рабочую точку на входной характеристике, а значит, тем самым определяется базовый и коллекторный токи покоя.
Но когда на вход подается переменное напряжение сигнала ( рис.11 ) напряжение смещения становится то больше, то меньше в зависимости от формы сигнала и рабочая точка А колеблется в интервале между точками 1 и 2 .
Это приводит к колебанию базового, и, соответственно, коллекторного токов. Появляется на входе и выходе переменные составляющие токов с амплитудами Iбm и Iкm . И здесь важно определить величину напряжения смещения в зависимости от амплитуды входного сигнала.
На рис.12 показано как при малом напряжении смещения из двух синусоидальных сигналов с разными по величине амплитудами без искажений усилится только слабый сигнал, а сильный сигнал «обрежется».
А на рис.13 выбрана рабочая точка транзистора Б с бОльшим напряжением смещения и все сигналы усилились без искажений.
Кажется, что из этого можно сделать вывод, что лучше выбрать рабочую точку с большим напряжением смещения, чем морочить голову рассчитывая рабочие точки для каждого каскада в зависимости от величины амплитуды входного сигнала.
Но это так кажется. При выборе бОльшего базового тока входное сопротивление транзистора, которое равно отношению малого изменения напряжения на базе ∆Uб к вызываемому им изменению тока базы ∆Iб ( Rвх = ∆Uб/∆Iб ), уменьшается и возрастает нагрузка по переменному току предыдущего каскада,что приводит к уменьшению его усиления.
На рис.8 приведен пример, как изменяется входное сопротивление от выбора рабочей точки. Точка В находится в начале входной характеристики транзистора с небольшой крутизной. Выберем интервал напряжения на базе от 0,4 до 0,5 вольт. Тогда изменение базового тока будет от 5 до 13 μА. Рассчитаем входное сопротивление:
∆Uб = 0,5-0,4 = 0,1 В; ∆Iб = 13-5 = 8 μА;
Rвх = 0,1/0,008·10ˉ³ = 12,5·10³ Ом = 12,5 кОм.
В точке Б крутизна характеристики больше и в интервале базового напряжения ∆Uб = 0,65-0,55 = 0,1 В будет следующие приращение тока
∆Iб = 68-23 = 45 μА.
Тогда входное сопротивление равно:
Rвх = 0,1/045·10ˉ³ = 2,2·10³ Ом = 2,2 кОм.
В качестве примера бралась входная характеристика маломощного транзистора и поэтому сопротивления хоть и отличаются, но величина их довольно большая.
В транзисторах средней и большой мощности коллекторные напряжения и базовые токи побольше, а входные сопротивления, соответственно, поменьше. Они будут в пределах десятков — сотен Ом, которые могут уже существенно увеличивать нагрузку предыдущего каскада, что может привести к искажению его выходного сигнала.

Выбор рабочей точки транзистора находится в тесной зависимости от амплитуды усиливаемого сигнала.
Например, рабочая точка А ( рис.14 ) выбрана правильно для малого сигнала.
Рабочая точка Б подходит для большого сигнала, а для малого сигнала этот режим не экономичен, т.к. транзистор из-за повышенного базового тока покоя и, соответственно повышенного начального коллекторного тока, будет потреблять больше энергии источника тока.

Транзистор может использоваться не только как линейный усилитель, но и в качестве нелинейного усилителя у которого выходной сигнал отличается от входного.
Поэтому различают несколько классов усиления. Практически этого добиваются путем выбора рабочей точки.

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Переменная составляющая — ток — коллектор

Переменная составляющая тока коллектора , соответствующая второй гармонике, усиливается, детектируется синхронным детектором и регистрируется двухкоординатным самописцем. [1]

Переменная составляющая тока коллектора и является током усиленного сигнала. [2]

Поэтому переменная составляющая тока коллектора будет убывать и соответственно будет уменьшаться коэффициент а, Критической частотой VKP принято называть такую частоту, при которой а уменьшается до 0.7 от своего первоначального значения. [3]

Так как переменная составляющая тока коллектора меньше переменной составляющей тока эмиттера ( на величину тока базы), при включении с общей базой ( ОБ) транзистор не иливает входной ток сигнала, а усиливает лишь напряжение сигнала; из рис. 3.9 а, на котором обозначены направления токов и напряжений сигнала во входной и выходной цепях, видно, что при включении с общей базой транзистор не меняет полярности усиливаемых сигналов. [5]

Усилители мощности класса В ( рис. 10.91) отличаются от усилителей мощности класса А тем, что у них рабочая точка А выбирается так, чтобы переменная составляющая тока коллектора была ограничена половиной периода, как показано на рис. 10.92. В течение второго полупериода тока в цепи коллектора практически нет. Применение трансформатора для подключения приемника, как в усилителе мощности класса А ( рис. 10.88), не дает в данном случае больших преимуществ. [6]

Мы уже отмечали, что в полупроводниковых триодах существует внутренняя обратная связь. Переменная составляющая тока коллектора , проходя через элементы цепи эмиттера, создает в этой цепи некоторое переменное напряжение. Сопротивление Г12 и характеризует такую обратную связь. По величине гп обычно одного порядка с ги и оно может быть найдено из эмит-теряых характеристик. [7]

Переменное напряжение в цепи базы транзистора Т1 управляет током коллектора. Переменная составляющая тока коллектора создает на первом контуре напряжение UKl с максимумом в момент резонанса. В катушке индуктивности контура L возникает ток / к. На втором контуре появляется напряжение UxU, часть которого используется для возбуждения следующего каскада. [9]

Из сказанного следует, что на высокой частоте амплитуда / кг становится меньше возможной амплитуды коллекторного тока на более низкой частоте, т.е. отношение / Кт / / эт с увеличением частоты уменьшается. Кроме того, переменная составляющая тока коллектора отстает по фазе от переменной составляющей тока эмиттера на некоторый угол. [11]

Из сказанного следует, что на высокой частоте амплитуда / кт становится меньше возможной амплитуды коллекторного тока на более низкой частоте, т.е. отношение / кт / / эт с увеличением частоты уменьшается. Кроме того, переменная составляющая тока коллектора отстает по фазе от переменной составляющей тока эмиттера на некоторый угол. [13]

Как видно из рисунка, форма кривой входного тока искажена. Однако наиболее искаженными оказываются переменная составляющая тока коллектора и выходное напряжение. [14]

Рассмотрим принцип действия усилителя с трансформаторной нагрузкой ( фиг. При действии переменного напряжения, получаемого во вторичной обмотке входного трансформатора Tpl, в цепи базы первого транзистора возникает переменная составляющая тока. Изменение тока в цепи базы вызывает соответствующее изменение тока и в цепи коллектора. Переменная составляющая тока коллектора создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, вызывающий в витках вторичной обмотки переменное напряжение, воздействующее на входную цепь второго транзистора. [15]

Источник