Краткие теоретические сведения

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из двух взаимодействующих p-n-переходов. Свойства такой полупроводниковой структуры могут быть использованы для усиления электрических сигналов.

В зависимости от чередования областей с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью различают два типа структуры биполярных транзисторов: n-p-n (рис.1,а) и p-n-p (рис.1,б). Каждая из областей имеет внешний вывод для включения транзистора в схему. Выводы транзистора имеют следующие названия:

- эмиттер (Э);

- база (Б);

- коллектор (К).

Соответственно, p-n-переходы транзистора носят названия коллекторного и эмиттерного.

Рис. 1. Структура и условные графические обозначения n-p-n (а) и p-n-p (б) транзисторов.

Принцип действия электронных схем, построенных на базе биполярных транзисторов разных структур, одинаков; режим работы транзистора в схеме отличается только полярностью приложенных напряжений.

Так как каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлении, различают 4 режима работы транзистора (таблица 1).

Таблица 1. Режимы работы транзистора.

Режим работы	Смещение переходов транзистора
эмиттерного	коллекторного
Режим отсечки	обратное	обратное
Активный (линейный) режим	прямое	обратное
Режим насыщения	прямое	прямое
Инверсный режим	обратное	прямое

В режиме отсечки транзистор считается полностью закрытым, в режиме насыщения – полностью открытым, эти режимы в основном используются в ключевых схемах и в схемах с дискретными (импульсными) сигналами. Активный режим используется в усилителях, где требуются наименьшие искажения выходного сигнала.

Под усилителем электрических сигналов обычно понимают активный четырёхполюсник, мощность сигнала на выходе которого превышает мощность сигнала на входе. Усиление мощности сигнала осуществляется за счёт потребления энергии от источника питания. Усилители могут строиться путём последовательного включения функциональных звеньев, называемых усилительными каскадами. Такие усилители называются многокаскадными.

Усилительный каскад содержит в своем составе источник питания, усилительный элемент и цепи, задающие режим его работы. В качестве усилительного элемента может быть использован биполярный транзистор.

Как сказано выше, усилитель в общем случае имеет два входных и два выходных зажима. Для реализации усилительных каскадов на биполярных транзисторах используют три схемы включения транзистора, в которых один из электродов является общим для входной и выходной цепей: схему с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК) и с общим эмиттером (ОЭ). На рис. 2. изображены схемы включения транзистора с указанием полярности напряжений и направлений токов для активного режима. В качестве нагрузки по постоянному току в схемах ОЭ и ОБ показаны резисторы R_К, а в схеме ОК – R_Э. Сопротивление нагрузки по переменному току R_Н, из условия согласования, обычно выбирается равным сопротивлению нагрузки по постоянному току.

В схеме с общей базой (рис. 2,а) входным электродом является эмиттер, сигнал снимается с коллектора. Схема ОБ не обеспечивает усиления сигнала по току, но является усилителем напряжения и мощности. Схема имеет низкое входное сопротивление и высокое выходное. Входной сигнал инвертируется (фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением составляет 180^O). К достоинствам схемы с общей базой можно отнести широкополосность её амплитудно-частотной характеристики.

В схеме с общим коллектором (рис. 2,б) входным электродом является база, выходным – эмиттер. Схема ОК не усиливает сигнал по напряжению и не инвертирует его (фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением составляет 0^O), в связи с этим её часто называют эмиттерным повторителем. Так как схема имеет низкое выходное сопротивление при высоком входном, на её базе часто строят выходные каскады усилителей мощности.

Рис. 2. Схемы включения биполярного n-p-n транзистора:

а) с «ОБ»; б) с «ОК»; в) с «ОЭ».

Схема с общим эмиттером (рис. 2,в)имеет наиболее широкое применение, как в аналоговой, так и в цифровой электронике. Это связано с тем, что схема ОЭ даёт максимальное усиление сигнала по мощности по сравнению с двумя другими схемами, так как усиливает сигнал и по току, и по напряжению. Входной сигнал инвертируется (фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением составляет 180^O).

Рассмотрим принцип действия схемы с общим эмиттером. Входным электродом в этой схеме является база транзистора, выходной сигнал снимается с коллектора.

В активном режиме справедливо выражение, связывающее ток коллектора с током базы:

, (1)

где: I_К – ток коллектора, I_Б – ток базы, I_КО – неуправляемый (тепловой) обратный ток коллектора, b - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Пренебрегая сравнительно малым значением I_КО, получим из формулы (1) выражение для коэффициента передачи тока, равного отношению приращения коллекторного (выходного) тока к приращению базового (входного) тока:

. (2)

Для современных биполярных транзисторов коэффициент b может принимать значение от десятков единиц до десятков тысяч.

Коэффициент усиления по напряжению зависит от входного сопротивления транзистора и от сопротивления нагрузки.

Он определяется следующим выражением:

. (3)

При этом входное сопротивление определяется по входной характеристике I_Б=f(U_БЭ) (рис. 5) как отношение приращения входного напряжения к вызванному им приращению входного тока:

_. (4)

Так как коэффициенты усиления по току и по напряжению много больше единицы, схема с общим эмиттером даёт усиление сигнала по мощности. Коэффициент усиления по мощности:

. (5)

Для изучения усилительных свойств транзистора в лабораторной работе используется схема простейшего усилительного каскада (рис. 3).

Рис. 3. Схема простейшего усилительного каскада.

Каскад реализован на транзисторе VT1 структуры n-p-n. Нагрузкой по постоянному току служит резистор R_К. Резистор R_Б задаёт начальный ток базы I_0Б, определяющий режим работы транзистора по постоянному току. Источник сигнала U_ВХ и сопротивление R_Н по постоянному току отделены от схемы каскада разделительными конденсаторами С1 и С2, имеющими в установившемся режиме низкое реактивное сопротивление на частоте сигнала, и высокое (в идеальном случае - бесконечно большое) сопротивление постоянному току. Таким образом, на базе транзистора действует напряжение, содержащее постоянную составляющую U_0Б и переменную составляющую U_ВХ.

Для установки рабочей точки осуществляется анализ входных и выходных характеристик транзистора методами теории цепей. В общем случае, выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном значении входного параметра. Для схемы с общим эмиттером пользуются семейством выходных характеристик, представляющих собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных значениях тока базы (рис. 4).

Рис.4. Выходные характеристики для схемы ОЭ.

Как видно из схемы включения транзистора (рис. 2,в) и схемы каскада (рис. 3), рабочая точка может перемещаться между двумя крайними режимами – режимом отсечки, когда транзистор полностью закрыт, и напряжение на коллекторе практически равно напряжению источника питания, и режимом насыщения, когда ток коллектора не зависит от тока базы и равен I_КН=E_К/R_К (по закону Ома). Таким образом, по полученным двум точкам строится нагрузочная прямая, определяющая режим работы транзистора в схеме (рис. 4).

От положения рабочей точки зависит режим работы транзистора, следовательно, и уровень нелинейных искажений сигнала на выходе каскада. В зависимости от формы выходного сигнала усилители по режиму работы делят на классы «А», «AB», «В», «С», «D».

В линейных усилителях переменного тока в основном используется режим работы класса «А», при котором искажения сигнала минимальны. При этом недостатком режима класса «А» является низкий КПД. Для схемы рассматриваемого в лабораторной работе усилительного каскада условием работы транзистора в линейном режиме класса «А» является напряжение коллектор-эмиттер, равное половине напряжения питания U_0К=Е_К/2. Если это условие не будет соблюдено, режим работы транзистора будет нарушен, и переменная составляющая напряжения на коллекторе будет «обрезаться» на уровне нулевого значения (режим насыщения) или на уровне напряжения питания (режим отсечки), что приведёт к появлению в спектре выходного сигнала нежелательных частотных составляющих (гармоник).

Для задания на коллекторе напряжения покоя U_0К=Е_К/2 необходимо по семейству выходных характеристик определить ток базы покоя I_0Б, соответствующий току базы, при котором была снята характеристика, проходящая через точку пересечения нагрузочной прямой и вертикальной линии, соответствующей значению U_0К. Так же для рабочей точки по семейству выходных характеристик можно определить ток коллектора покоя I_0К.

На рис. 4 так же показана переменная составляющая сигнала на коллекторе транзистора при наличии на входе каскада напряжения, изменяющегося по гармоническому закону. Из рисунка видно, что при входном синусоидальном сигнале ток коллектора изменяется в пределах от I_Кmin до I_Кmах, а напряжение коллектор-эмиттер – в пределах от U_Кmах до U_Кmin.

Входная характеристика (рис.5) (зависимость входного тока от входного напряжения) для транзистора в схеме с общим эмиттером представляет собой зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер I_Б=f(U_БЭ). Для получения статической характеристики напряжение коллектор-эмиттер поддерживается постоянным: U_КЭ=const. По входной характеристике определяется недостающий параметр покоя транзистора, напряжение база-эмиттер покоя U_0Б при токе базы, равном I_0Б (токе покоя, определённом по семейству выходных характеристик).

Рис. 5. Входная характеристика транзистора для схемы ОЭ.

На рис. 5 так же показаны: переменная составляющая напряжения на базе транзистора, изменяющегося от U_Бmin до U_Бmах ; переменная составляющая базового тока, изменяющегося от I_Бmin до I_Бmax.

На практике часто пользуются характеристиками, определяющими зависимость выходной величины от входной. Примером такой характеристики, на которой отчётливо видны три из четырёх возможных режимов работы транзистора (режим отсечки, активный режим и режим насыщения), может служить зависимость I_К=f(I_Б) – передаточная характеристика по току (рис. 6).

Рис. 6. Передаточная характеристика I_К=f(I_Б).

Из зависимости I_К=f(I_Б) видно, что в режиме отсечки, когда ток базы равен нулю, ток коллектора минимален и практически равен нулю. При увеличении тока базы до некоторого значения характеристика имеет вид линейной, причём угол её наклона определяется коэффициентом передачи тока b. Такая линейная зависимость между током коллектора и током базы определяет активный режим работы транзистора.

В режиме насыщения ток коллектора ограничен сопротивлением R_К и численно равен:

.

Ток базы насыщения при этом, соответственно, в b раз меньше тока коллектора I_КН.

Попадание рабочей точки под действием входного сигнала на участки характеристики, соответствующие режимам отсечки и насыщения для линейного усилительного каскада класса А, является недопустимым, так как это приводит к нелинейным искажениям формы выходного сигнала.