Схемы включения транзисторов

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между источником сигнала на входе и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой (ОБ, рисунок 5.5,а), с общим эмиттером (ОЭ, рисунок 5.5,б), с общим коллектором (ОК, рисунок 5.5,в).

 

5.7.1 Основные параметры транзистора по схеме с общей базой (рисунок 5.5,а):

а) коэффициент усиления по току Ток не усиливается, IВЫХ < I вх, что является недостатком схемы;.

б) коэффициент усиления по напряжению

Так как всегда можно подобрать , то >>1, усиление по напряжению в сотни раз;

в) коэффициент усиления по мощности - десятки – сотни;

г) входное сопротивление десятки и сотни омов, малое входное сопротивление является недостатком схемы, так как оно закорачивает источник сигнала, т.е. требуется большой входной ток;

д) выходное сопротивление от сотен килоом до единиц мегом;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

 

5.7.2 Статические характеристики транзистора с общей базой

Основными вольт-амперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики обычно снимаются при нескольких постоянных значениях I_Э и U_КБ. При этом получается семейство статических характеристик:

а) входной характеристикой для схемы с общей базой является зависимость входного тока I_Э от входного напряжения U_ЭБ при фиксированном выходном напряжении U_КБ I_Э = f(U_ЭБ) при U_КБ=const (рисунок 5.6).

Эта характеристика при U_кб=0 подобна вольт-амперной характеристике полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения U_кб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, из-за чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево. При увеличении Iэ характеристика спрямляется;

б) выходными характеристиками транзистора по схеме с ОБ являются зависимости выходного тока коллектора I_к от выходного напряжения U_кб при постоянном входном токе I_э

I_к =f(U _кб)|I_э =const (рисунок 5.7).

При I_э =0 характеристика совпадает с обратной ветвью диода, течет тепловой ток коллекторного перехода I_к0. Как видно из рисунка 5.7, при U_кб=0 и I_э > 0 ток коллектора I_к ≠ 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n -переход в область коллектора. Ток коллектора I_к (ток неосновных носителей) обращается в ноль только при некотором напряжении обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода), когда дрейфовый поток электронов из базы в коллектор компенсируется диффузионным потоком электронов из коллектора в базу (режим двойной инжекции).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом состоянии, достигающий десятков и даже сотен кОм;

в) характеристика прямой передачи тока представляет собой зависимость выходного тока коллектора I_к от входного тока эмиттера I_Э при постоянном значении выходного напряжения U_кб I_К = f(I_э)|U_кб (рисунок 5.8). Так как α < 1, то угол отклонения характеристики от оси абсцисс меньше . При U_кб > 0 характеристика отклоняется к биссектрисе угла, т.к. в результате модуляции базы ток коллектора I_к при постоянном токе эмиттера I_э увеличивается из-за уменьшения толщины базы.

Недостатки схемы включения с ОБ:

а) нет усиления по току (α < 1);

б) мало входное сопротивление R_вх;

в) большая разница между входным и выходным сопротивлениями, вследствие чего невозможно построение многокаскадной схемы с ОБ.

Достоинства:

а) высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности;

б) более высокие рабочие частоты, меньше частотные искажения;

в) меньше температурная нестабильность;

г) высокая линейность характеристик.

Схема с ОБ применяется в стабилизаторах тока и в схемах с более высокой рабочей частотой.

5.7.3 Основные параметры транзистора по схеме с общим эмиттером

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рисунок 5.5,б).

В схеме с общим эмиттером:

а) коэффициент усиления по току | U_кэ=const равен нескольким десяткам и единицам сотен, Параметр β связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

; ;

б) коэффициент усиления по напряжению ,

так как R_н>>R_вх, β>>;1, то K_u>>;1 (сотни);

в) коэффициент усиления по мощности - десятки тысяч;

г) входное сопротивление - сотни омов и единицы килоом. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером больше входного сопротивления схемы с общей базой;

д) выходное сопротивление десятки килом.

Таким образом, R _{вых оэ} < R _{вых об}, R _{вх оэ} > R _{вх об};

е) фазовый сдвиг выходного напряжения φ =π.

 

5.7.4 Статические характеристики транзистора с общим эмиттером

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ.

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость входного тока I_б от напряжения U_бэ, I_б =f(U_бэ) при заданном напряжении U_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рисунок 5.9,а). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость I_Б =f(U_бэ) соответствует ВАХ р-n –перехода, включенного в прямом направлении. При U_кэ>0 в цепи коллектора появляется ток - I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б= I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с общим эмиттером называется зависимость I_к = f(U_кэ) при заданном токе I_б (рисунок 5.9,б). Если I_б=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p -транзистора) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n –транзистора) отсутствует. При U_кэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжения U_бэ и U_кэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы, и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат:

а) кривая совпадает с обратной ветвью p-n перехода;

б) выходные характеристики с ОЭ отличаются от аналогичных с ОБ начальным участком при U_к = 0, I_к = 0, так как разность потенциалов на коллекторном переходе равна нулю;

в) кривая при I_б = 0 соответствует режиму с оборванной базой. Через транзистор течет ток I_к0с – сквозной ток коллектора. I _к0С > I _к0, т.к. течет не только I _к0, но и I_эр.

Определим ток коллектора для схемы с общим эмиттером. Для схемы с ОБ

I_к=aI_э+I_ко=aI_б+aI_к+I_ко;

I_к(1-a)=aI_б+I_ко, отсюда

I_к = ;

, ток коллектора I_к растет сильнее с увеличением температуры. Температурная стабильность хуже, чем в схеме с ОБ;

г) характеристики имеют больший наклон, чем в схеме с ОБ, так как сильно зависит от .При увеличении U_кэ семейства и постоянном токе базы увеличивается U_эб, следовательно, увеличивается ток эмиттера I_э и коллектора I_к.

Характеристики прямой передачи тока приведены на рисунке 5.10:

а) кривые составляют значительно больший угол наклона, чем с ОБ. (I_б масштаб крупнее, чем I_э);

б) отклонение характеристик от прямолинейного закона с увеличением тока базы объясняется снижением времени жизни неосновных носителей в базе с ростом уровня инжекции;

в) смещение характеристик в зависимости от есть следствие модуляции ширины базы и соответственно роста тока коллектора при уменьшении .

 

Достоинства схемы с ОЭ:

а) схема универсальна, имеет усиление по току, напряжению и мощности;

б) малая разница входного и выходного сопротивлений, а также .

Недостатки:

а) сильная зависимость от температуры;

б) хуже линейность характеристик;

в) ниже рабочая частота.

Схема с ОЭ широко используется в усилителях, генераторах и других устройствах.

 

5.7.5 Основные параметры транзистора по схеме с общим коллектором

Схема приведена на рисунке 5.11. Здесь I_ВХ» I_б; I _ВЫХ = I_Э;

а) коэффициент усиления по току равен нескольким десяткам и единицам сотен;

б) коэффициент усиления по напряжению

, т.к. »0, то К_U»1, т.е. усиление по напряжению отсутствует;

в) коэффициент усиления по мощности - десятки тысяч;

г) входное сопротивление - сотни килоомов;

д) выходное сопротивление сотни омов;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

Достоинствами схемы являются:

а) больший динамический диапазон;

б) большое входное сопротивление ;

в) большой коэффициент усиления по току.

Недостаток – отсутствие усиления по напряжению К_u» 1.

Используется как согласующий каскад схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением.