Основные схемы включения

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Во избежание ошибок надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению. Подразделять схемы по тому, какой электрод является общей точкой входной и выходной цепи, также не следует, так как в одной из схем эти цепи совмещены в одну цепь и все точки являются общими.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах, конечно, одинаков, но свойства схем различны, и поэтому надо рассмотреть их более подробно.

Схема с общим эмиттером (ОЭ).Эта схема, изображенная на рис. 26, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Коэффициент усиления по току k_i такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного пере­менного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

k_i = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m к} / I_{m б} . (34)

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то k_i составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров – известный нам статический коэффициент усиления по току(или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ,обозначаемый . Он должен характеризовать только сам транзистор, поэтому его определяют в режиме без нагрузки (R_н = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор – эмиттер:

при u_к-э = const. (35)

Коэффициент бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада k_i всегда меньше, чем , так как при включении нагрузки R_нток i_к уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по на­пряжению k_u равен отношению ампли­тудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база – эмиттер u_б-э, а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки u_R ,или, что все равно, между коллектором и эмиттером – u_к-э:

k_u = U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m R} / U_{m б-э} = U_{m к-э} / U_{m б-э} . (36)

Напряжение база – эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Е₂достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому k_u имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности k_p получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

P_вых = 0,5 I_{m вых} U_{m вых} = 0,5 I_{m к} U_{m к-э} ; (37)

P_вх = 0,5 I_{m вх} U_{m вх} = 0,5 I_{m б} U_{m б-э} , (38)

поэтому

k_p = P_вых / P_вх = I_{m вых} U_{m вых} / (I_{m вх} U_{m вх}) = k_i k_u . (39)

Важная величина, характеризующая транзистор, – его входное сопротивление R_вх. Для схемы ОЭ, по закону Ома

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = U_{m б-э} / I_{m б} (40)

и составляет от сотен ом до единиц килоом.

Это вытекает из того, что при U_{m б-э}, равном десятым долям вольта, ток I_{m б} транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера. Малое входное сопротивление – существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ составляет от единиц до десятков килоом.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинство схемы ОЭ – удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы – худшие по сравнению со схемой ОБ частот­ные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

Схема с общей базой (ОБ).Хотя эта схема (рис. 28) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она лучше схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше еди­ницы:

k_i = I_mк / I_mэ ≈ 1, (41)

так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Важнейший параметр транзисторов – статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый Он определяется для режима без нагрузки (R_н= 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор – база:

при и _к-б= const. (42)

Рис. 28. Включение транзистора по схеме с общей базой

Коэффициент всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току k_i для каскада ОБ всегда меньше так как при включении R_нток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

k_u = U_{m к-б} / U_{m э-б} , (43)

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же, и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы. Поскольку коэффициент усиления по мощности k_p = k_i k_u,, а k_i ≈ 1, то k_p примерно равен k_u т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ

R_вх = U_{m э-б} / I_mэ, (44)

оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение U_{m э-б} равно напряжению U_{m б-э}, а ток I_mэ в десятки раз больше тока I_mб. Входное сопротивление – для схемы ОБ – всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы ом. Такое малое R_вх является существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление в этой схеме получается до сотен килоом.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не изменяется.

Следует отметить, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении мень­шие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Вэтой схеме (рис. 29) действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е₁и Е₂всегда шунтированы конден­саторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми.

Рис. 29. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что выходное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер u_б-э и выходного напряжения:

u_вх = u_б-э + u_вых . (45)

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно,

k_i = I_mэ / I_mб = (I_mк + I_mб)/ I_mб = I_mк / I_mб + 1, (46)

отношение I_mк / I_mб есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

k_u = U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m вых} / (U_{m б-э} + U_{m вых}) < 1. (47)

Напряжение U_{m б-э} не более десятых долей вольта, а U_{m вых} при этом составляет единицы вольт, т. е. U_{m б-э}<< U_{m вых}. Следовательно, k_u ≈ 1. Надо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, так же, как и в схеме ОЭ, но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности, очевидно, равен примерно k_i, т. е. нескольким десяткам.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между u_вых и u_вх нет. Пусть, например, в данный момент подается положительная полуволна u_вх, как показано на рис. 29. Тогда увеличится напряжение u_б-э и возрастет ток эмиттера, который увеличит падение напряжения на резисторе нагрузки. Следовательно, на выходе получится положительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно,

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = (U_{m б-э} + U_{m вых}) / I_mб. (48)

Отношение U_{m б-э} /I_mб есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как U_{m вых} в десятки раз больше U_{m б-э}, то и R_вх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом.