Транзистор имеет три электрода (эмиттер, базу и коллектор) и содержит два p-n - перехода (эмиттерный и коллекторный), которые взаимодействуют между собой.
Термин «транзистор» переводится на русский язык как «управляемое сопротивление».
В схеме с общим эмиттером эмиттерный переход транзистора является входной цепью усилителя, а коллекторный – выходной. Если источник входного сигнала затрачивает меньшую мощность, чем полученная мощность в нагрузке усилителя, то входной сигнал усиливается.
Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером на транзисторах п-р-п-типа и р-п-р-типа показаны на рис. 3.1. Как видно из рис. 3.1, схемы отличаются типом транзисторов, а также полярностью напряжения питания Е К. Усилитель на п-р-п- транзисторе питается положительным напряжением (+ Е К) относительно корпуса, а на р-п-р -транзисторе – отрицательным (– Е К).
Рисунок 3.1 – Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером:
а) на транзисторе n-p-n; б) на транзисторе p-n-p
На схемах рис. 3.1 обозначены:
U вх – входное усиливаемое напряжение;
U вых – выходное усиленное напряжение;
VT – биполярный транзистор;
Е К – напряжение питания;
U бэ – напряжение между базой и эмиттером;
U кэ – напряжение между коллектором и эмиттером;
I 0б – ток смещения в цепи базы;
І б – ток базы;
І к – ток коллектора;
І вх – входной ток;
R б – резистор в цепи базы;
R к – сопротивление нагрузки;
С р1 и С р2 – разделительные конденсаторы.
Усилитель с общим эмиттером (ОЭ), принципиальная схема которого показана на рис. 3.1, а, является делителем напряжения питания Е К, в верхнем плече которого включено сопротивление нагрузки R к, а в нижнем – транзистор VT. Аналогичное утверждение справедливо для схемы усилителя на рис. 3.1, б.
В этом случае коэффициент передачи делителя напряжения питания K п будет равен
,
где RVT – эквивалентное сопротивление коллектор–эмиттер транзистора.
Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора будет равно
U кэ = E K 
. (3.2)
Из формулы (3.2) получаем следующее:
– напряжение U кэ между коллектором и эмиттером является частью напряжения питания Е К;
– напряжение U кэ между коллектором и эмиттером тем больше, чем больше напряжение питания Е К;
– напряжение U кэ никогда не может быть больше напряжения питания:
U кэ < Е К. (3.3)
Поясняя принцип действия усилителя, не следует представлять себе, что входное напряжение U вх как-то поступает к выходу, увеличиваясь в тракте. Это не так.
Входное усиливаемое напряжение U вх управляет изменением сопротивления транзистора RVT по своему закону и, как следует из формулы (3.1), тем самым управляет коэффициентом передачи напряженияпитания K п. Таким образом, в основу принципа действия усилителя положено то, что часть напряжения питания Е К поступает к выходу через делитель напряжения из R к и сопротивления между коллектором и эмиттером транзистора RVT, а входной усиливаемый сигнал U вх управляет коэффициентом передачи K п этого делителя.
Для рассмотрения работы усилителя найдём уравнение линии нагрузки.
Напряжение питания Е К по закону Кирхгофа делится на падение напряжения на сопротивлении нагрузки І к R к и напряжение коллектор-эмиттер U кэ:
Е К = І к R к + U кэ. (3.4)
Из уравнения (3.4), поделив его на R к, получаем уравнение линии нагрузки
І к = 
– 
. (3.5)
   Рисунок 3.2 – Линия нагрузки и режим транзистора
|
Уравнение (3.5) в системе координат (I к, U кэ) первой степени. Поэтому линия нагрузки является прямой линией (нагрузочная прямая), и её можно построить по двум точкам на осях координат (рис. 3.2).
Точка 1: І к = 0; из уравнения (3.5) получаем: U кэ = Е К.
Точка 2: U кэ = 0; из уравнения (3.5) получаем: І к = .
Отрезок прямой 1 – 2 является линией нагрузки.
Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку. Если, например, задана характеристика для тока смещения I 0б = І б", то рабочей будет точка РТ.
Рабочая точка однозначно определяет режим работы транзистора, т.е. совокупность напряжений и токов. Она как бы разделяет напряжение питания Е К на напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U 0кэ и падение напряжения І 0к R к на сопротивлении нагрузки R к, т.е. Е К = U 0кэ + І 0к R к.
Линия нагрузки полностью описывает режим работы транзистора и его изменение.
Так, с помощью линии нагрузки можно определить влияние изменения любого параметра режима. Если, например, изменить ток базы на 
І б, то ток коллектора изменится на І к = h 21э× 
І б и, как следствие, изменится напряжение между коллектором и эмиттером на U кэ. Параметр h 21э – коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером, значение которого приводится в справочнике.
Усилитель работает следующим образом
Принцип действия усилителя поясняет диаграмма его работы (рис. 3.3).
На схеме рис. 3.3 обозначены:
Uт вх – амплитуда входного усиливаемого напряжения;
Uт вых – амплитуда выходного усиленного напряжения;
Іт вх – амплитуда входного тока;
Іт к – амплитуда тока коллектора.
Как видно из рис. 3.3, в схеме усилителя напряжения и токи транзистора изменяются в следующих пределах относительно постоянных составляющих:
– напряжение база-эмиттер
U бэ = U 0бэ 
Uт вх; (3.6)
– напряжение коллектор-эмиттер
U кэ= U 0кэ Uт вых; (3.7)
Рисунок 3.3 – Диаграмма работы усилителя в схеме с общим эмиттером
– ток базы
І б = І 0б Іт вх; (3.8)
– ток коллектора
І к = І 0к Іт к. (3.9)
В схеме, приведенной на рис. 3.1, а, токи протекают по следующим цепям.
Ток базы І б течёт по цепи: плюс источника питания (+ Е К), резистор R б, переход база-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (– Е К).Поскольку протекает ток базы І б, то появляется и ток коллектора І к = h 21э× І б, протекающий по цепи: плюс источника питания (+ Е К), сопротивление нагрузки R к, переход коллектор-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (– Е К).
Эти цепи образуют замкнутые контуры, для которых согласно второму закону Кирхгофа справедливы следующие уравнения:
1) I б R б + U бэ – E К = 0 или I б R б + U бэ = E К;
2) I к R к+ U кэ– E К = 0 или I к R к+ U кэ= E К.(3.10)
В исходном состоянии до момента t 0, т.е. в отсутствии входного напряжения U вх = 0, усилитель находится в состоянии покоя. В этом состояниипараметры режима определяются рабочей точкой и равны только первым слагаемым в формулах (3.6)…(3.9). В рабочей точке постоянные напряжения и токи равны:
– постоянное напряжение база-эмиттер: U бэ = U 0бэ;
– постоянное напряжение коллектор-эмиттер: U кэ = U 0кэ;
– постоянный ток базы: І б = І 0б;
– постоянный ток коллектора: І к = І 0к.
При подаче сигнала появляется входное напряжение U вх. Оно вызывает появление переменных составляющих входного тока І вх, тока коллектора І к и выходного напряжения U вых, мгновенные значения которых расположены вокруг рабочей точки (см. рис. 3.3).
Так, в момент t 1 на входе усилителя действует амплитуда Uт вх положительной полуволны, в результате напряжение база-эмиттер увеличивается до максимального значения: U бэ mах = U 0бэ + Uт вх. Поэтому ток базы также будет максимальным: І б mах = І 0б + Іт б. Так как ток коллектора прямо пропорционален току базы (І к = h 21э× І б), то он также будет иметь максимальное значение: І к mах = І 0к + Іт к.
Напряжение коллектор-эмиттер найдем из выражения (3.4):
U кэ = Е К – І к R к, (3.11)
для момента t 1 найдем его минимальное значение, подставив в выражение (3.11) значение І к = І к mах, получим:
U кэ min= Е К – І к mах R к. (3.12)
В момент t 2 на входе усилителя действует амплитуда входного сигнала Uт вх отрицательной полуволны, поэтому напряжение база-эмиттер уменьшается до минимального значения: U бэ min = U 0бэ – Uт вх. Ток базы также будет минимальным: І б min = І 0б – Іт б. Тогда ток коллектора также будет минимальным: І к min = І 0к – Іт к, так как І к = h 21э× І б.
Напряжение коллектор-эмиттер в момент t 2 определим, подставив в выражение (3.10) значение І к = І к min, получим
U кэ mах = Е К – І к min R к. (3.13)
Как видно из выражений (3.12) и (3.13), максимальный ток коллектора І к mах обусловливает минимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U кэ min. Это объясняется тем, что максимальный ток коллектора І к mах создаёт максимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки R к, которое равно: І к mах R к. Аналогично, минимальный ток коллектора І к min обусловливает максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U кэ mах.
Из этого следует, что усилитель с общим эмиттеромповорачивает фазу входного напряжения на 180°.
2015-04-06
3125
