 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ
Под транзистором понимают полупроводниковый усилительный прибор, содержащий несколько электронно–дырочных переходов. Наибольшее распространение в настоящее время получили биполярные транзисторы (БТ). БТ представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно–дырочных перехода. В таком транзисторе чередуются по типу электропроводности три области полупроводника. Каждая из областей снабжена отдельным выводом (электродом). В зависимости от порядка чередования областей проводимости различают БТ p-n-p и n-p-n типов. Условное обозначение и диодная схема p-n-p транзистора приведена на рис. 6, а на рис. 7 показаны условное обозначение и диодная схема БТ n-p-n типа.
Электроды транзистора принято называть эмиттером, базой и коллектором. Их в дальнейшем будем обозначать буквами Э, Б, К. Токи и напряжения на электродах в дальнейшем будем обозначать Iэ, Iб. Iк, Uэ,Uб,Uк, а эффективные значения переменных (гармонических) составляющих, соответственно, 
Стрелка в обозначении транзистора на рис. 6 и 7 указывает направление тока эмиттера. В транзисторе p-n-p типа эмиттерный ток считается втекающим, а базовый и коллекторный токи – вытекающими из транзистора. Для транзистора n-p-n типа втекающими считаются базовый и коллекторный токи, а вытекающим – эмиттерный ток. Внутреннее строение и схема подключения питания БТ p-n-p типа показана на рис. 8, а БТ n-p-n типа – на рис. 9. Эти рисунки соответствуют нормальному активному режиму работы транзистора. В этом режиме переход ЭБ открыт, а переход БК – закрыт. Сопротивление перехода ЭБ в нормальном активном режиме мало и соответствует сопротивлению открытого p-n перехода, а сопротивление перехода БК, как и сопротивление закрытого p-n перехода, велико.
Рассмотрим работу БТ p-n-p типа (рис. 8). Под действием приложенного напряжения дырки из эмиттерной области с проводимостью p–типа движутся в базовую область с проводимостью n–типа. Процесс проникновения носителей заряда из эмиттерной области (эмиттера) в базовую область (базу) называется инжекцией. В базовой области дырки частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Конструктивно БТ изготовлен так, что толщина базового слоя оказывается малой. При этом большинство дырок проходят базовую область, не успевая рекомбинировать. Пройдя область базы, дырки втягиваются полем в коллектор и таким образом попадают в область с проводимостью p-типа. Следовательно большая часть дырок из эмиттерной области достигает коллектора. Введём коэффициент передачи тока эмиттера 
, который характеризует относительную долю инжектированных эмиттером носителей заряда, достигших коллектора и создающих ток коллектора. Исходя из этого, связь тока эмиттера с током коллектора можно записать в виде
(10)
В схеме рис. 8 эмиттер инжектирует дырки через низкий потенциальный барьер, а коллекторный потенциал приводит к втягиванию инжектированных дырок в коллекторную область. Изменение потенциала базы изменяет высоту потенциального барьера между эмиттером и базой и, как следствие, приводит к изменению числа инжектированных носителей заряда. Иными словами, базовый ток, или потенциал базы, управляет величиной коллекторного тока.
Процесс работы БТ n-p-n типа аналогичен процессу работы транзистора p-n-p типа с той лишь разницей, что эмиттер (рис. 9) инжектирует в область базы свободные электроны, в которой они частично рекомбинируют с дырками, а коллекторный потенциал способствует втягиванию инжектированных электронов в область коллектора. При этом выражение (10), связывающее эмиттерный и коллекторный токи, сохраняет свою силу и для БТ n-p-n типа.
Коэффициент передачи тока эмиттера зависит от конструкции транзистора, а именно: от толщины переходов, их площади, удельных сопротивлений эмиттерной, базовой и коллекторной областей, а также от температуры и ряда иных факторов. Типовое значение коэффициента передачи тока эмиттера для подавляющего большинства БТ составляет 0.9…0.995, поэтому при расчётах характеристик транзисторных схем, когда неизвестно, можно полагать 
В активном режиме работы транзистора можно пренебречь накоплением зарядов в областях переходов, тогда сумма втекающих в транзистор токов должна равняться сумме токов, вытекающих из транзистора:
(11)
Подставляя (10) в (11), получим
(12)
Из сопоставления (10) и (12) следует, при типовых значениях коэффициента передачи тока эмиттера базовый ток оказывается значительно меньше эмиттерного и коллекторного токов.
Таким образом, в нормальном активном режиме работы транзистора основной ток протекает от эмиттера к коллектору.
Найдём связь коллекторного тока с базовым. Выразим из (12) ток эмиттера 
и, подставляя это значение в (10), получим
(13)
где коэффициент
(14)
Называется коэффициентом передачи тока базы. Его типовое значение лежит в пределах 10…200. Из соотношения (14) следует, что
(15)
Для того чтобы подать сигнал на транзистор или снять с него сигнал, требуются две клеммы. Транзистор же имеет три вывода (электрода). Поэтому один из электродов транзистора оказывается общим для входного и выходного сигналов. В зависимости от того, какой из выводов БТ оказывается общим различают схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Рассмотрим основные транзисторные схемы и рассчитаем их характеристики.
1. Эмиттерный повторитель (ЭП). Схема эмиттерного повторителя с однополярным источником питания (Uп = 15 В) приведена на рис. 10. Эмиттерный повторитель используется для согласования каскадов различных радиотехнических устройств по величине входного и выходного сопротивлений. Пусть, например, с первого каскада с большим выходным сопротивлением необходимо подать сигнал на второй каскад с низким входным сопротивлением. Непосредственное соединение выхода первого каскада со входом второго приведёт к тому, что выход первого каскада будет шунтирован входом второго каскада, и на второй каскад будет передаваться незначительная часть выходного напряжения первого каскада. Во избежании указанных осложнений целесообразно между первым и вторым каскадами включить эмиттерный повторитель. Он характеризуется высоким входным и низким выходным сопротивлениями и коэффициентом усиления, близким к единице. Поскольку входное сопротивление эмиттерного повторителя велико, он не будет шунтировать выход первого каскада и значительная часть выходного напряжения первого каскада будет передана на вход эмиттерного повторителя. В силу малости его выходного сопротивления значительная часть выходного напряжения эмиттерного повторителя будет передаваться второму каскаду. Таким образом будут согласованы входное и выходное сопротивления каскадов и обеспечен нормальный режим их работы.
Конденсатор C (рис. 10) предназначен для разделения каскадов по постоянному току. Реактивное сопротивление конденсатора Xc связано с частотой сигнала 
и его ёмкостью соотношением
(16)
Поэтому постоянная составляющая тока не проходит через конденсатор (
∞ при 
). Для того, чтобы переменный сигнал проходил через конденсатор без искажений, необходимо выбрать ёмкость конденсатора большой, а именно такой, чтобы выполнялось условие 
<< 
где 
– входное сопротивление эмиттерного повторителя (3).
Резисторы 
и 
(рис. 10) образуют делитель напряжения, которое обеспечивает нормальный активный режим работы БТ. При этом 
< 
< 
, переход база-коллектор закрыт, а база-эмиттер открыт.
Найдём входное сопротивление эмиттерного повторителя. Будем считать, что ёмкость конденсатора C достаточно велика, чтобы не оказывать существенного влияния на входное сопротивление. Входную часть схемы рис. 10 можно представить в виде соединения сопротивлений , и 
(рис. 11), где - входное сопротивление транзистора со стороны базы. В самом деле, резистор включен между входом и клеммой «земля», резистор включен между входом и клеммой «+» источника питания. Внутреннее сопротивление источников питания, как правило, составляет от долей Ом до нескольких Ом. Поэтому, пренебрегая сопротивлением источника питания, можно считать, что резистор через источник постоянного напряжения с нулевым сопротивлением подключен к клемме «земля».
Аналогично (3) входное сопротивление транзистора со стороны базы можно записать в виде 
, причём 
, 
, где и 
, соответственно, напряжение и ток базы. Следовательно
. (17)
Ввиду того, что переход база-эмиттер открыт, а сопротивление открытого перехода мало, можно пренебречь падением напряжения на переходе база-эмиттер. Тогда
(18)
Учитывая (12), для амплитуд переменных гармонических составляющих базового и эмиттерного токов можно записать соотношение
(19)
В результате подстановки (18), (19) в (17) с учётом соотношения (15) находим входное сопротивление транзистора со стороны базы
(20)
Тогда входное сопротивление всей схемы эмиттерного повторителя (см. рис. 10) определяется как сопротивление трёх параллельно включенных резисторов 
(рис. 11)
(21)
Сопротивления 
в схеме рис. 10 предназначены для задания рабочей точки транзистора. С их помощью на базу подаётся постоянное смещение 
В целях обеспеченья стабильности рабочей точки транзистора сопротивления выбираются значительно меньше входного сопротивления транзистора со стороны базы (20). Тогда базовый ток оказывается значительно меньше тока, протекающего через резисторы делителя напряжения источника питания 
и, как следствие, практически не влияют на значение Если базовый ток мал, то через делитель напряжения протекает практически один и тот же постоянный ток 
Следовательно, 
Откуда получаем
(22)
где 
(23)
это коэффициент передачи делителя напряжения, состоящего из резисторов 
При << 
согласно (21) входное сопротивление эмиттерного повторителя (рис. 10) определяется в основном сопротивлением делителя
(24)
При указанных на рис. 10 параметрах схемы и β = 100 расчёт входного сопротивления согласно (21) даёт 
кОм, а согласно (24) 
кОм. Как видно, результаты вычисления с использованием (21) и (24) оказываются близкими.
Найдём выражение для коэффициента усиления по напряжению эмиттерного повторителя. Согласно (3) 
Для схемы ЭП 
. Поэтому
. (25)
Поскольку для схемы рис. 10 
и, следовательно, 
то с учётом (25) получим
Так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало по сравнению с 
то падением напряжения на нём можно пренебречь и считать 
Поэтому для ЭП
(26)
При расчёте выходного сопротивления эмиттерного повторителя (рис.10) будем полагать, что к его входу подключен источник гармонического сигнала с внутренним сопротивлением 
Тогда выходную часть схемы рис. 10 можно представить в виде соединения резисторов 
и 
(рис. 12), где 
- сопротивление транзистора со стороны эмиттера. В этом случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя можно найти как сопротивление двух параллельно включенных резисторов.
(27)
Аналогично (3) сопротивление транзистора со стороны эмиттера можно записать в виде 
Тогда, учитывая (18), (19), (15), получим
(28)
По аналогии с рис. 11, представим входную часть схемы эмиттерного повторителя с подключенным источником сигнала в виде рис. 13. Тогда
(29)
где 
- сопротивление параллельно включенных резисторов и источника сигнала 
(30)
Источники сигналов, как правило, имеют низкое внутреннее сопротивление. Поэтому можно считать, что 
. Тогда согласно (30), 
Подставляя последнее соотношение в (29), а (29) в (28), получим
(31)
При низком внутреннем сопротивлении источника сигнала и достаточно большом значении коэффициенте передачи тока базы сопротивление (31) оказывается существенно меньше сопротивления, установленного в цепи эмиттера 
Тогда, используя (27) при 
окончательно получаем
(32)
Например, при 
и 
получаем 
Ом.
Если входной сигнал эмиттерного повторителя имеет большую постоянную составляющую, достаточную для поддержания перехода база-эмиттер в открытом состоянии, то из схемы рис. 10 можно удалить делитель напряжения и конденсатор С. Такая упрощённая схема эмиттерного повторителя показана на рис. 14. Для неё коэффициент усиления и выходное сопротивление определяются выражениями (25) и (32), а входное сопротивление совпадает с сопротивлением транзистора со стороны базы (20) 
Эмиттерный повторитель можно построить и на основе транзистора p-n-p типа. Существует общее правило, согласно которому при замене в любой схеме транзисторов одного типа на транзисторы другого типа необходимо поменять знак питающего напряжения на противоположный и изменить полярность подключения электролитических конденсаторов.
2. Источник тока на транзисторе (ИТ). В радиотехнических устройствахширокое применение находят различные источники тока и напряжения. Под источником напряжения понимают такое устройство, выходное напряжение которого не зависит от величины тока, отдаваемого им в нагрузку, а под источником тока понимают устройство, выходной ток которого не зависит от величины напряжения на нагрузке. Напряжение на нагрузке 
ток в нагрузке 
и сопротивление нагрузки 
связаны соотношением
(33)
При изменении для источника напряжения происходит изменение при заданном а для источника тока – изменение 
при заданном 
. Для выяснения причин, по которым источник сигнала может выступать в роли источника тока или напряжения, рассмотрим схему на рис. 15. В схеме источник сигнала представляет собой генератор с электродвижущей силой 
и внутренним сопротивлением . Для этой схемы
(34)
Выражая из (34) ток нагрузки и подставляя его в (33), получим
(35)
(36)
Если 
то из (35), (36) находим
(37)
(38)
Из соотношений (37) и (38) следует, что изменение величины приводит только к изменению , а ток остаётся неизменным. Таким образом, когда внутреннее сопротивление источника сигнала велико по сравнению с сопротивлением нагрузки, источник сигнала выступает в качестве источника тока.
Если 
то из (35) и (36) получим
(39)
(40)
Согласно (39) и (40) изменение величины приводит к изменению , а напряжение остаётся неизменным. Следовательно, когда внутреннее сопротивление источника сигнала значительно меньше сопротивления нагрузки, источник сигнала выступает в качестве источника напряжения.
С использованием транзисторов можно построить различные схемы источники тока. Простейшая схема источника тока показана на рис. 16. В ней резисторы образуют делитель напряжения источника питания. Делитель напряжения обеспечивает стабильность рабочей точки и нормальный активный режим работы БТ. К выходным клеммам 1 и 2 (рис. 16) источника тока подключена нагрузка с сопротивлением 
Найдём ток, протекающий через нагрузку. Согласно (22) и (23) и при условии, что 
напряжение на базе транзистора относительно общего провода равно
(41)
где 
– напряжение питания схемы. Пренебрегая падением напряжения на открытом эмиттерном переходе (для кремниевого p-n перехода напряжение отпирания составляет 
В), аналогично (18) можно записать
(42)
Ток, протекающий в нагрузке в схеме рис. 16, совпадает с током коллектора. Тогда согласно (10)
(43)
Подставляя (42) в (41), получим 
Используя затем (43), находим ток, протекающий в нагрузке,
(44)
Как видно из выражения (44), ток, протекающий в нагрузке, не зависит от сопротивления нагрузки 
В результате вычислений, согласно (44), для параметров схемы рис. 16 и при 
находим 
мA. Полученное значение тока в нагрузке следует рассматривать как оценочное, поскольку при выводе (44) не учитывалось падение напряжения на переходе база-эмиттер 
С учётом этого падения напряжения получим 
Используя последнее соотношение в (41), (43), находим
. (45)
Расчёт тока нагрузки согласно (45) при типовом значении 
0,6 В, 
и параметрах схемы на рис. 16 даёт 
мA.
Определим максимально допустимое сопротивление нагрузки, при котором ещё не происходит заметного изменения тока в ней. С увеличением сопротивления 
при неизменном токе в нагрузке падение напряжения на ней 
возрастает (33). Из соотношения 
следует, что при этом падает потенциал коллектора 
. Когда потенциал коллектора становится ниже потенциала базы (41), переход база-коллектор открывается и транзистор оказывается в режиме насыщения. В этом режиме оба перехода транзистора открыты, сопротивления переходов становятся значительно меньше сопротивлений 
в схеме рис. 16. В результате получается эквивалентная схема, состоящая из четырёх резисторов 
, соединённых так, как показано на рис. 17. Для такой схемы ток, протекающий в нагрузке, зависит от Следовательно в режиме насыщения транзистора схема, показанная на рис. 16, уже не может являться источником тока.
В качестве максимально допустимого сопротивления нагрузки 
выберем такое значение, при котором транзистор начинает переходить в режим насыщения. Граница режима насыщения определяется условием 
Учитывая, что , получим
(46)
В результате подстановки (41), (44) в (46), находим
(47)
Подставляя значения параметров схемы рис. 16 в выражение (47), находим, что максимально допустимое сопротивление нагрузки составляет 
В используемой нами методике расчёта полагалось, что коллекторный переход находится в закрытом состоянии и, как следствие этого, обладает очень большим (в идеале бесконечным) сопротивлением. Это сопротивление, согласно рис. 16, подключено между выходными клеммами 1 и 2 источника тока. Следовательно, именно сопротивление закрытого коллекторного перехода обеспечивает большую величину (в идеале бесконечную) внутреннего сопротивления источника тока.
3. Токовое зеркало (ТЗ). Для построения источников тока, обладающих относительно высокой температурной стабильностью, часто используется схема токового зеркала (рис. 18). Она включает пару одинаковых транзисторов Т1 и Т2.Причём транзистор Т1 используется в диодном включении, поскольку переход база-коллектор этого транзистора замкнут накоротко. Вместо транзистора Т 1 в схеме рис. 18 можно использовать полупроводниковый диод. Однако при этом возникают трудности, связанные с подбором диода, который должен обладать точно такими же характеристиками, как и эмиттерный переход транзистора Т2. Нагрузка, обладающая сопротивлением 
подключается к клеммам 1 и 2 (рис. 18).
Вычислим основные характеристики токового зеркала. Согласно рис. 18, к эмиттерному переходу транзисторов Т1 и Т2 приложена одна и та же разность потенциалов 
Так как транзисторы Т1 и Т2 одинаковые, то ток, протекающий через эмиттерный переход, является одинаковым для обоих транзисторов. В силу условия (12) в нормальном активном режиме работы транзистора Т2 его базовый ток значительно меньше тока эмиттера. Поэтому практически весь ток 
транзистора Т1 протекает через резистор 
и, следовательно,
(48)
где 
ток, протекающий в резисторе 
Ввиду того, что эмиттерные переходы транзисторов Т1 и Т2 открыты, аналогично (18) можно полагать 
. Тогда
(49)
Ток в нагрузке (рис. 18) совпадает с коллекторным током транзистора Т2 : 
а коллекторный ток связан с током эмиттера соотношением (10). Используя (10), (48), (49), получим
(50)
Согласно (50), для параметров схемы на рис. 18, имеем 
.
Аналогично схеме источника тока (рис. 16), максимально допустимое сопротивление нагрузки определим из условия 
которое задаёт границу между нормальным активным режимом работы транзистора Т2 и режимом насыщения. В силу этого условия, при открытом эмиттерном переходе транзистора Т2 можно записать 
Подставляя в последнее равенство ток нагрузки из (50), находим
(51)
Из выражений (49), (50) видно, что ток в нагрузке не зависит от её сопротивления и «зеркально» повторяет ток в резисторе Отсюда и происходит название схемы «токовое зеркало». Ток в резисторе носит название программирующего тока, поскольку задаёт величину тока нагрузки.
Из выражения (51) для схемы рис. 18 следует, что максимально допустимое сопротивление нагрузки, при котором токовое зеркало ещё можно считать источником тока, составляет 
Ввиду того, что в схеме рис. 18, так же как и в схеме рис. 16, между выходными клеммами 1 и 2 последовательно включен переход база-коллектор, который при нормальном активном режиме работы транзистора Т2 закрыт и имеет очень большое (в идеале бесконечное) сопротивление, внутреннее сопротивление токового зеркала очень велико (в идеале равно бесконечности). Следует отметить, что внутреннее сопротивление источников тока на рис. 16 и 18, можно считать бесконечным только при 
Если 
то транзисторы переходят в режим насыщения, подключенные к выходным клеммам 1 и 2 коллекторные переходы открываются, а их сопротивления резко снижаются. Это приводит к уменьшению внутреннего сопротивления схем, приведённых на рис. 16 и 18.
К достоинству схемы рис. 18 по сравнению со схемой рис. 16 следует отнести то, что она обеспечивает больший диапазон работы по напряжению на нагрузке 
В самом деле, согласно (44), (47), максимальное напряжение на нагрузке для источника тока рис. 16 равно 
а согласно (50), (51) для токового зеркала рис. 18 
При одинаковом напряжении питания 
величина 
для схемы рис. 16 в 
раз меньше, чем для схем рис. 18. Кроме того, выходной ток токового зеркала обладает более высокой температурной стабильностью, чем выходной ток источника тока, построенного по схеме рис. 16.
4. Усилитель с общим эмиттером (ОЭ). Широкое применение в радиотехнических устройствах находят усилительные схемы. Они используются для усиления слабых входных сигналов, а также для формирования выходных сигналов большой мощности. Типичным примером усилительных схем является усилитель с ОЭ (рис. 19). Приведём расчёт основных характеристик этой схемы.
Входную часть схемы рис. 19, аналогично схеме эмиттерного повторителя (рис. 10), можно представить в виде соединения сопротивлений (рис. 11). Следовательно, входное сопротивление усилителя с ОЭ можно рассчитать согласно (21) или согласно приближённой формуле (24). Используя (21) при параметрах схемы рис. 19 и 
получим 
а применяя (24), находим 
Определим выходное сопротивление усилителя, приведённого на рис. 19. Сопротивление 
(рис. 19) включено между выходной клеммой и источником питания. Считая внутреннее сопротивление источника питания пренебрежимо малым, представим, аналогично рис. 11, выходную часть схемы (рис. 19) в виде соединения резисторов и (рис. 20), где – выходное сопротивление транзистора со стороны коллектора. Следовательно, выходное сопротивление схемы рис. 19 определяется выражением
(52)
Коллекторный переход транзистора в нормальном активном режиме закрыт, поэтому можно полагать, что выполняется условие 
При этом условии из выражения (52) находим
(53)
Используя (53) при параметрах схемы рис. 19, получим 
Вычислим коэффициент усиления усилителя с ОЭ (4). Учитывая, что эмиттерный переход транзистора открыт, аналогично (18), можно записать
(54)
Согласно рис. 20, выходное напряжение определяется выражением
(55)
Тогда, используя (4), (10), (54), (55), находим коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОЭ
(56)
Для параметров схемы рис. 19 и 
из выражения (56) получаем 
Знак «минус» в выражении (56) означает, что фаза сигнала в усилителе с ОЭ изменяется на 
радиан, поэтому такой усилитель называют инвертирующим, или инвертором.
Из выражения (56) следует, что для увеличения абсолютной величины коэффициента усиления необходимо увеличивать сопротивление или уменьшать сопротивление Уменьшение сопротивления , согласно (21), приведёт к снижению входного сопротивления, что не желательно. Увеличение сопротивления 
согласно (53), приводит к росту выходного сопротивления, что также не целесообразно. Для разрешения этого противоречия можно поступить следующим образом. Подбором и устанавливается необходимое значение входного сопротивления (21), коэффициента усиления (56), а выходное сопротивление понижается путём подключения эмиттерного повторителя (рис. 14) к выходу схемы ОЭ (рис. 19). В результате получается схема, показанная на рис. 21. Входную часть этой схемы можно представить в виде рис. 11, поэтому её входное сопротивление определяется выражением (21). Коэффициент усиления схемы рис. 21, согласно (25), определяется выражением (56), а выходное сопротивление, согласно (32), (53), равно
(57)
Таким образом, с помощью эмиттерного повторителя удаётся уменьшить выходное сопротивление усилителя в 
раз.
5. Усилитель с общим заземлённым эмиттером (ОЗЭ). Из выражения (56) видно, что для увеличения коэффициента усиления в схеме рис. 19 можно уменьшить до нулевого значения величину сопротивления . Однако при этом уменьшается входное сопротивление транзистора со стороны базы (20). Переход база-эмиттер будет шунтировать сопротивление , в результате чего делитель напряжения, состоящий из резисторов 
уже не сможет задавать постоянную составляющую напряжения на базе (22). Напряжение на базе и рабочая точка транзистора в этом случае будут зависеть от сопротивления открытого эмиттерного перехода. Определим дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. Для этого используем ВАХ p-n перехода 
(58)
где 
– обратный ток насыщения, 
– напряжение на p-n переходе, 
–ток, протекающий через переход, 
– тепловой потенциал, 
– постоянная Больцмана, 
– абсолютная температура, 
– заряд электрона. Запишем ток эмиттера в виде
(59)
где 
обратный ток насыщения перехода. Учитывая (59), найдём дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
В виду того, что переход база-эмиттер открыт, ток эмиттера значительно больше обратного тока насыщения. Поэтому
(60)
При характерных значениях параметров 
получим 
Из соотношения (60) следует, что сопротивление эмиттерного перехода зависит от температуры и протекающего через переход тока. Поэтому в схеме рис. 19 при 
будет наблюдаться сильная нестабильность базового напряжения и рабочей точки транзистора. Во избежание указанных трудностей в схеме рис. 19 производят заземление эмиттера по переменному напряжению, как показано на рис. 22. Для этого параллельно с включают конденсатор СЭ такой ёмкости, чтобы его сопротивление (16) было пренебрежимо мало по сравнению с 
и Поскольку конденсатор СЭ для постоянной составляющей тока представляет собой бесконечно большое сопротивление (разрыв цепи), то режим работы схемы рис. 22 по постоянному току (включая стабилизацию рабочей точки) будет совпадать с режимом работы схемы рис. 19.
Полученные выше выражения для характеристик схемы рис. 19 оказываются справедливыми и для схемы рис. 22, с той лишь разницей, что в эти выражения вместо значения следует подставлять полное сопротивление эмиттерной цепи 
(рис. 23). При достаточно большой ёмкости конденсатора СЭ его сопротивление (16) много меньше и , в результате чего 
Тогда, используя (21), (53), (56), находим входное, выходное сопротивления и коэффициент усиления усилителя с ОЗЭ
, (61)
, (62)
(63)
Подставляя в (61), (62), (63) 
и параметры схемы (22), получим 
Поскольку входное сопротивление и коэффициент усиления схемы рис. 22 сильно зависят от параметров транзистора (
), то для транзисторов различных моделей они могут лежать в интервале 
6. Усилитель с заземлённым эмиттером и обратной связью по постоянному току. Для стабилизации рабочей точки транзистора можно использовать обратную связь по постоянному току. Один из способов такой стабилизации в усилителе с заземлённым эмиттером показан на рис. 24. В отличие от схем рис. 19 и 22 здесь напряжение смещения подаётся на делитель не с источника питания, а с коллектора, в результате чего постоянные составляющие напряжений базы и коллектора могут изменяться только одновременно. Это обеспечивает нормальный активный режим работы транзистора и относительную стабильность его параметров.
При выполнении условия 
практически весь коллекторный ток протекает через резистор . Тогда, аналогично (55), получаем Входное напряжение, согласно рис. 24, можно записать в виде 
Тогда, используя выражения (3), (10), находим коэффициент усиления схемы рис. 24
(64)
При 
(рис. 24) и получаем 
Считая, что коллекторный переход транзистора в закрытом состоянии обладает достаточно большим сопротивлением, аналогично рис. 11, представим входную часть схемы усилителя рис. 24 в виде соединения сопротивлений, показанного на рис. 25. Ток через резистор (рис. 24) равен 
где 
- сопротивление эквивалентное 
но включенное между входом и клеммой «земля» (рис. 25). Тогда входное сопротивление усилителя (рис. 24) определяется выражением
(65)
Для схемы рис. 24 при 
из (65) получим 
Выходную часть схемы рис. 24 аналогично рис. 20 также представим в виде соединения сопротивлений (см. рис. 26), где – внутреннее сопротивление источника сигнала, подключенного на вход схемы, 
входное сопротивление транзистора со стороны базы, которое, согласно (20), можно записать в виде 
В виду того, что сопротивление 
из схемы рис. 26 получаем
(66)
Если в схеме рис. 26 положить 
то для выходного сопротивления усилителя рис. 24 находим более точную, чем (66) формулу
(67)
Вычисления согласно (66), (67) при параметрах схемы рис. 24 дают 
и 
соответственно.
Входное сопротивление (65) и коэффициент усиления (64) схемы рис. 24 также как и схемы рис. 22, зависят от параметров транзистора 
Для транзисторов разных моделей они могут изменяться в пределах 
7. Двухтактный эмиттерный повторитель (ДЭП). Существенным недостатком схем, приведённых на рис. 10, 19, 21, 22, 24, является относительно малый диапазон амплитуд выходных сигналов, при которых отсутствуют нелинейные искажения. Этот связано с тем, что ВА и передаточные характеристики транзисторов носят существенно нелинейный характер. Поэтому линейный режим работы указанных схем может быть достигнут только в том случае, когда в качестве рабочего участка используется малый отрезок ВА или передаточной характеристик транзистора, на котором транзистор ведёт себя как линейный элемент схемы. При напряжении питания + 15 В такой участок, как правило, не превышает нескольких вольт. Поэтому в линейном режиме работы указанных схем затруднительно получить выходной сигнал, амплитуда которого превышала бы 2…3 В. Одним из способов увеличения диапазона возможных амплитуд выходных сигналов является использование двухтактных схем. На рис. 27 приведена схема двухтактного эмиттерного повторителя. В этой схеме используются два транзистора Т1 и Т2, соответственно n-p-n и p-n-p типов, работающие в нелинейном режимах. Работу двухтактного каскада поясняет рис. 28. На рис. 28 цифрой 1 обозначена передаточная характеристика транзистора Т1, а цифрой 2 – передаточная характеристика транзистора Т2. Эмиттерный переход транзистора Т1 открывается только при определённом положительном напряжении 
а эмиттерный переход транзистора Т2 – при отрицательном напряжении В результате этого передаточная характеристика всего двухтактного каскада (кривая 1 – 2) в окрестности точки 0 равна нулю. Изменение входного сигнала на отрезке АВ приводит к появлению горизонтальной ступеньки в выходном сигнале. Входной сигнал на отрезке ВС открывает эмиттерный переход транзистора Т1 и поступает на выход. На отрезке СД вновь эмиттерные переходы транзисторов Т1 и Т2 закрыты, и в выходном сигнале появляется горизонтальная ступенька. На отрезке ДЕ отрицательный входной сигнал открывает эмиттерный переход транзистора Т2 и поступает на выход. В точке Е процесс повторяется сначала. Таким образом, в выходном сигнале образуются горизонтальные ступеньки. Такие нелинейные искажения называются переходными. Главная особенность этих нелинейных искажений состоит в том, что они уменьшаются с увеличением амплитуды сигнала. Тогда как нелинейные искажения из-за нелинейности ВА и передаточной характеристик транзистора с увеличением амплитуды сигнала возрастают. Действительно, с увеличением амплитуды входного сигнала (рис. 28) отрезки АВ и СД начинают занимать всё меньшую часть периода сигнала. В результате длины отрезков АВ и СД в выходном сигнале уменьшаются и при некотором достаточно большом значении амплитуды сигнала горизонтальные участки становятся практически незаметными. В этом случае схема работает в линейном режиме. Линейный режим работы достигается при достаточно сильных сигналах с амплитудой 10…13 В.
В линейном режиме работы двухтактного эмиттерного повторителя входной ток протекает только через один из открытых эмиттерных переходов. Так как в схеме отсутствует резистивный делитель напряжения питания 
, то входное сопротивление ДЭП определяется входным сопротивлением открытого транзистора (20). Выходное сопротивления и коэффициент усиления схемы рис. 27 совпадают с аналогичными характеристиками эмиттерного повторителя рис. 14, которые определяются выражениями (32) и (26), соответственно. Так, например, для схемы рис. 27 при 
согласно (20), (32), (26) находим 
При 
Поиск по сайту: