Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.
Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим коллектором — это усилитель, где коллектор транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором приведена на рисунке 2.
На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Учитывая, что источник питания обладает нулевым сопротивлением для переменного тока, подключение вывода транзистора к источнику питания (стабилизатору напряжения) эквивалентно подключению к общему проводу. Основным преимуществом усилителя с общим коллектором является его большое входное сопротивление, поэтому схема с общим коллектором обычно применяется на низких частотах. С этим связан выбор схемы питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общим коллектором обычно используются стабилизированные по току схемы: и . Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общим коллектором проводится точно так же как и для . Схема с общим коллектором не инвертирует сигнал и не усиливает его по напряжению, поэтому она часто называется эмиттерным повторителем На рисунке 3 показана принципиальная на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с общим коллектором.
В данной схеме R2 одновременно является резистором нагрузки и элементом коллекторной стабилизации. То, что резистор подключен к эмиттеру транзистора, ситуации не меняет. Ток коллектора все равно протекает через этот резистор и падение напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. Глубина обратной связи по постоянному току определяется соотношением сопротивления резистора R1 и входного сопротивления транзистора.
Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.
Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление. Его можно определить по формуле, подобной формуле (4) . Однако в данном случае ко входу будет пересчитываться сопротивление цепи эмиттера, которое значительно больше внутреннего сопротивления эмиттера транзистора r э.
В схеме, приведенной на рисунке 3, в качестве сопротивления R э используется резистор R2, а в схеме, приведенной на рисунке 4, — резистор R3. При его номинале 1 кОм и h 21э, равным 100, входное сопротивление транзистора будет равно 100 кОм! При таком сопротивлении, расчитывая транзисторный каскад, следует учитывать влияние сопротивления цепи смещения, так как по нему тоже протекает входной ток. Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором показаны на рисунке 5.
Как видно из данной схемы, входной ток протекает не только через базу транзистора и резистор R2, но и через резистор R1, источник питания и возвращается к источнику сигнала. В результате входное сопротивление эмиттерного повторителя будет определяться как параллельное включение входного сопротивления транзистора и резистора R1:
Например, при питании усилителя от источника напряжения 5 В, и токе коллектора 1 mA, для получения на выходе максимального динамического диапазона нужно напряжение на эмиттере задать равным 2,5 В. Тогда сопротивление R2 = 2,5кОм, ток базы транзистора iб = 1мА/100 = 10мкА. Сопротивление R1 = (5В − 2,5В − 0,7В)/10мкА = 180кОм. Входное сопротивление каскада Rвх = 100кОм || 180кОм = 64кОм.
Присущая схеме с ОК обратная связь не только увеличивает входное сопротивление, но и уменьшает выходное. Его можно приблизительно считать равным сопротивлению эмиттера транзистора:
Более точно выходное сопротивление схемы с общим коллектором можно определить как параллельное соединение сопротивления эмиттера транзистора и резистора R2:
Литература:
Вместе со статьей "Схема включения транзистора с общим коллектором" читают:
http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/
http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/
Биполярный транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор , один из типов транзистора . Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости . По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative ) - электронный тип примесной проводимости, p (positive ) - дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора , используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» - «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой , электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером . На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора - бо́льшая площадь P-n-перехода . Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.
Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора
Первые транзисторы были изготовлены на основе германия . В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия . Транзисторы на основе арсенида галлия используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах высокочастотных усилителей.
Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E , базы B и коллектора C . В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n -полупроводник, база − p -полупроводник, коллектор − n -полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие невыпрямляющие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и слаболегирована, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам - большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (нецелесообразно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор - инверсное включение).
В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются ) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I э =I б + I к ). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I к = α I э ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0,9-0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора.
Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!
Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера , на выходе .
То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….
Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.
Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.
Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:
Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.
А что же это такое?
Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратно й связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.
И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.
Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту . Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:
Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания ) – уменьшилось напряжение .
То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.
В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:
Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо) Поэтому необходимо создать смещение . Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:
Получили такую красотищу 😉 Если резисторы и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы)
Чем бы еще улучшить нашу схему…
Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:
Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя , но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)
Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).
Схема с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема изображена на рисунке 1. Во всех книжках написано, что эта схема является наиболее распространненой, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.
Рис. 1 - Схема включения транзистора с общим эмиттером
Услительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току?. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R к = 0). Численно он равен:
при U к-э = const
Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k i всегда меньше, чем?, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.
Коэффициент усиления каскада по напряжению k u равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является перемнное напряжение u б-э, а выходным - перемнное напряжение на резисторе, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает едениц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E 2). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.
Важной характеристикой является входное сопротивление R вх, которое определяется по закону Ома:
и составляет обычно от сотен Ом до едениц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°
К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например,в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.
Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.
Рис. 2 - Схема включения транзистора с общей базой
Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.
Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше еденицы:
т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.
Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается? и определяется:
при u к-б = const
Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.
Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.
Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 3. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.
Рис. 3 - Схема включения транзистора с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k i , т. е. нескольким десяткам.
В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.
У которых не меньше чем три вывода. В определенных ситуациях они способны усиливать мощность, генерировать колебания или преобразовывать сигнал. Существует очень много самых разных конструкций этих приборов, и среди них - pnp-транзистор.
Классифицируют транзисторы по полупроводниковому материалу. Они бывают из кремния, германия и др.
Если у транзистора из трех областей две имеют дырочную проводимость, он называется "транзистор с прямой проводимостью", или "транзистор с переходом pnp". Устройство, у которого две области имеют электронную проводимость, называют транзистором с обратной проводимостью, или с переходом npn. Работают оба транзистора одинаково, а разница заключается исключительно в полярности.
Где применяется pnp-транзистор?
В зависимости от того, какие характеристики у транзитора, он может использоваться для самых разных целей. Как уже было сказано, транзистор применяют для генерирования, преобразования и усиления электрических сигналов. За счет того, что входное напряжение или ток изменяются, осуществляется управление током входной цепи. Небольшие изменения параметров на входе приводят к еще большему изменению тока и напряжения на выходе. Такое свойство усиления применяется в аналоговой технике (радио, связь и т. д.).
В наше время для аналоговой техники применяется А вот другая, очень важная отрасль - цифровая техника - почти отказалась от него и использует только полевой. появился намного раньше полевого, потому его в обиходе называют просто транзистором.
Исполнение и параметры транзисторов
Транзисторы конструктивно изготавливаются в пластмассовых и металлических корпусах. Учитывая различное назначение транзисторов, подбираются эти устройства по определенным параметрам. Например, если нужен транзистор для усиления высоких частот, он должен обладать высокой частотой усиления сигнала. А если же транзистор pnp используется в у него должен быть высокий рабочий ток коллектора.
Справочная литература содержит основные характеристики транзисторов:
Фототранзисторы
Фототранзистор - это устройство, чувствительное к который его облучает. В герметичном корпусе такого транзистора проделано окно, к примеру, из прозрачной пластмассы или стекла. Излучение через него попадает в зону базы фототранзистора. Если база облучается, то носители заряда генерируются. Фототранзистор откроется, когда носители заряда перейдут в коллекторный переход, и чем больше будет освещена база, тем ток коллектора станет существеннее.
Без транзисторов нельзя представить современную электронику. Практически ни один серьезный прибор не обходится без них. За годы применения и совершенствования транзисторы существенно изменились, но принцип их работы остается тем же.
