Режими роботи біполярного транзистора

 

Залежно від полярності напруги, прикладеної до емітерного і колекторного переходам транзистора, розрізняють чотири режими його роботи:

Активний режим. На емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний — зворотна. Цей режим являється основним режимом роботи транзистора. Внаслідок того, що напруга в ланцюзі колектора значно перевищує напругу, підведену до емітерного переходу, а струми в ланцюгах емітера і колектора практично рівні, слід чекати, що потужність корисного сигналу на виході схеми (у колекторному ланцюзі) може виявитися набагато більше, ніж у вхідному (емітерному) ланцюзі транзистора. Саме ця гіпотеза може бути прийнята як робоча для подальшого дослідження підсилювальних властивостей транзистора.

Режим відсічення. До обох переходів підводиться зворотна напруга. Тому через них проходить лише незначний струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. Практично транзистор в режимі відсічення опиняється замкнутим.

Режим насичення. Обидва переходи знаходяться під прямою напругою. Струм у вихідному ланцюзі транзистора максимальний і практично не регулюється струмом вхідного ланцюга. У цьому режимі транзистор повністю відкритий.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного - пряме. Емітер и колектор міняються своїми ролями — емітер виконує функції колектора, а колектор - функції емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

У підсилювальному каскаді транзистор працює в активному режимі, при цьому емітерний перехід зміщений в прямому напрямі, а колекторний - в зворотному. Прямозміщений емітерний перехід має невеликий опір - дещо Ом. Колекторний перехід, за відсутності інжекції з емітера, має дуже великий опір - декілька МОм, тому в ланцюг колектора можна включати навантаження з великим опором, практично не змінюючи струму колектора.

 

Схеми включення транзисторів

 

Розрізняють три можливі схеми включення транзисторів: із спільною базою (СБ), із спільним емітером (СЕ) і спільним колектором (СК). Така термінологія вказує, який з електродів транзистора є спільний для його вхідної і вихідної ланцюгів.

 

Схема з СБ.

 

На рисунку 2.3 показана схема із загальною базою, у вхідний (емітерну) ланцюг послідовно з джерелом живлення Е₁ включено джерело вхідного сигналу, що виробляє деяку змінну напругу U_BХ.

 

Рисунок 2.3 - Схема включення транзистора із спільною базою

 

Звернемо увагу на те, що в цій схемі через джерело вхідного сигналу (точніше, через внутрішній опір цього джерела) проходить струм емітера Iэ. Струм, що проходить через джерело вхідного сигналу, називають вхідним струмом. Отже, для схеми із спільною базою вірна рівність (2.11)

I_вх = I_Е. (2.11)

 

Вихідним струмом в цій схемі є струм колектора, формула (2.12)

I_вих=I_к (2.12)

 

Якщо під впливом U_вх струм емітера зросте на деяку величину ∆ Iэ, то відповідно зростуть і інші струми транзистора, дивися формулу (2.13)

 

I_Е + ∆ I_Е = I _к + ∆ I _к + I _Б + ∆ I _Б. (2.13)

 

Незалежно від схеми включення транзистори характеризуються диференціальним коефіцієнтом прямої передання струму, який є відношенням вихідного струму до приросту вхідного струму, що викликав його, при постійній напрузі у вихідному ланцюзі. З обліком формули (2.7) для схеми із загальною базою таким коефіцієнтом може служити коефіцієнт передачі струму емітера, формула (2.14)

при Е₂ = const. (2.14)

Оскільки струм емітера - найбільший з усіх струмів транзистора, то схема із загальною базою має малий вхідний опір для змінної складової струму сигналу. Фактично цей опір дорівнює опору r_э емітерного переходу, включеного в прямому напрямі, дивися формулу (2.15)

(2.15)

Низький вхідний опір схеми із спільною базою (одиниці - десятки Ом) є її істотним недоліком, оскільки у багатокаскадних схемах цей опір чинить шунтуючу дію на опір навантаження попереднього каскаду і різко знижує посилення цього каскаду по напрузі і потужності.

 

Схема з СЕ

 

У схемі із спільним емітером, показаній на рисунку 2.4, вхідній сигнал також прикладається к виводам емітера і бази, а джерело живлення колектора включене між виводам емітера і колектора. Таким чином, емітер є спільним електродом для вхідної і вихідної ланцюгів.

Рисунок 2.4 - Схеми включення транзистора із спільним емітером, вхідні і вихідні ВАХ

Основною особливістю схеми із спільним емітером є те, що вхідним струмом в ній є не струм емітера, а малий за величиною струм бази. Вихідним струмом в цій схемі, як і в схемі із загальною базою, являється струм колектора. Отже, коефіцієнт прямої передачі струму для схеми із спільним емітером розраховується по формулі (2.16)

(2.16)

Знайдемо співвідношення між β і α. Для цього скористаємося рівністю равенством ∆Iб = ∆Iе - ∆Iк і підставимо його замість ∆Iб у формулу (2.16), отримаємо формулу (2.17)

(2.17)

Враховуючи, що і якщо α = 0,98 отримаємо β = 0,98\(1 - 0,98) = 49. Таким чином, в схемі із спільним емітером можна отримати коефіцієнт прямої передачі струму близько декількох десятків.

Вхідний опір транзистора в схемі із спільним емітером значно більше, чим в схемі із спільною базою. Це витікає з очевидної нерівності (2.18)

(2.18)

Гідністю схеми із спільним емітером слід також вважати питання ії від одного джерела живлення, оскільки на базу і на колектор подається питаюча напруга одного знаку. Тому схема із спільним емітером нині є найбільш поширеною.

Слід зазначити, проте, що температурна стабільність схеми із спільним емітером виявляється дещо гірше, ніж схеми із загальною базою.

Це можна довести таким чином.

Повний струм колектора розраховують по формулі (2.19)

Iк = α1э + Iкбо (2.19)

 

Ця формула фактично характеризує зв'язок між вихідним і вхідним струмом транзистора для схеми із спільною базою. Знайдемо тепер аналітичне вираження, що характеризує зв'язок вихідного струму (I_К) з вхідним (I_Б) для схеми із спільним емітером. Перетворюючи приведене вище вираження, отримаємо вираження (2.20) - (2.22)

Iк = α(1к+Iб) + Iкбо, (2.20)

(2.21)

Доданок зазвичай означають I_КЭО і називають початковим колекторним струмом (струм I_КЭО проходить через транзистор при обірваному ланцюзі бази, тобто при I_Б = 0). Отже,

I_К = βI_Б + I_КЭО (2.22)

 

Неважко зрозуміти, що при α = 0,95…0,99 в десятки раз більш теплового струму Iкбо, і якщо з ростом температури α змінюється мало, але росте сильніше. Саме тому вихідний струм в схемі із спільним емітером в сильнішому ступені залежить від температури, чим в схемі із спільною базою.

 

Схема з СК

 

У схемі із спільним колектором, дивись рисунок 2.5, вхідний сигнал подається на ділянку база - колектор. Вхідним струмом є струм бази, а вихідним - струм емітера.

 

Рисунок 2.5 - Схема включення транзистора із спільним колектором

 

Коефіцієнт прямої передачі струму для схеми з СК знаходимо по формулі (2.23)

(2.23)

Незважаючи на порівняно великі значення коефіцієнта прямої передачі струму і вхідного опору, схема із спільним колектором практично не дозволяє отримати посилення по напрузі і тому застосовується значно рідше, ніж дві попередні. Схема із спільним колектором застосовується головним чином для узгодження опорів між окремими каскадами багатокаскадного підсилювача або між виходом підсилювача і низькоомним навантаженням.