Усилительный каскад на транзисторе. Многокаскадное усиление

Усилители биологических сигналов на транзисторах структурно состоят из соединенных в цепочки элементарных звеньев, которые полу­чили название усилительные каскады. Основой каждого каскада явля­ется усилительный прибор - транзистор.

В основе работы транзистора лежит свойство p-n перехода. Эта структура образуется на границе раздела полупроводников с различным типом проводимости. К полупроводникам относятся материалы с удель­ным сопротивлением, r = 10^-5 - 10^-8 Ом ^. м.

Структура p-n перехода приведена ниже на рисунке:

Р n

- +

- +

- +

Е _р-n

При контакте двух полупроводников на границе их раздела образуется зона объемного заряда за счет диффузии основных носителей в зоны с противоположной проводимостью. В области объемного заряда образуется поле напряженностью Е_p-n и при этом протекают два тока: ток диффузии (за счет градиента концентраций) , ток реком­бинации и ток дрейфа основных носителей заряда. В условиях равновесного состояния перехода суммарная составляющая токов равна нулю.

При приложении внешнего поля (Е_ист), оно либо суммируется с полем объемного заряда, или вычитается из него в зависимости от по­лярности. Такие включения называются соответственно прямым и обрат­ным.

При обратном включении Е_общ = Е_ист + Е_p-n, зона объемного заряда расширяется и ток через прибор равен нулю. При прямом включении Е_общ = Е_ист - Е_p-n, и через p-n переход течет ток.

Структура, состоящая из двух p-n переходов называется тран­зистором. Транзистор бывает p-n-p и n-p-n структуры. Рассмотрим принцип действия транзистора типа p-n-p.

- + + -

I_э - + + - I_к

- + + -

- + + -

I_б

+ Е_э - + Е_к -

P-n переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, р-n переход между базой и коллектором - коллекторным. При данном подключении источников тока эмиттерный переход является открытым, т.е. сопротивление транзистора (входное сопротивление) мало; коллекторный переход является закрытым, поэтому выходное сопротивление транзистора велико. Так как эмиттерный переход является открытым, основные носители тока (дырки) под действием приложенного входного напряжения Е_э устремятся в базу, создавая ток эмиттера (I_э), где часть из них рекомбинирует с электронами (основными носителями тока в n-полупроводнике) и образуют ток базы (I_б). Однако, вследствие малой толщины базы транзистора, величина этого тока мала и большая часть дырок устремится в коллектор, который закрыт для электронов и открыт для дырок. При этом будет создаваться ток коллектора (I_к). По закону сохранения электрического заряда

I_э = I_б + I_к. Так как I_б мал, I_э @ I_к.

Напряжение на входе транзистора равно падению напряжения на входном сопротивлении и поэтому может быть вычислено по формуле: U_вх = I_э ^. R_вх.

Наряжение на выходе транзистора равно падению напряжения на выходном сопротивлении транзистора:

U_вых=I_к ^. R_вых.

Коэффициент усиления транзистора по напряжению можно вычислить по формуле: К_ус = U_вых/ U_вх =( I_к ^. R_вых)/( I_э ^. R_вх).

Из этой формулы видно, что так как токи эмиттера и коллектора приблизительно равны, а выходное сопротивление гораздо больше входного сопротивления транзистора, о чём говорилось выше, коэффициент усиления транзистора по напряжению гораздо больше единицы, т.е. малые изменения напряжения на входе транзистора приводят к гораздо большим изменениям выходного напряжения, но при этом, так как ток коллектора повторяет ток эмиттера, форма выходного напряжения соответствует форме входного напряжения.

Транзисторы на схемах изображаются следующим образом:

p-n-p n-p-n

Если транзистор включать по определенной схеме вместе с сопро­тивлениями и емкостями, то получится усилительный каскад. Существу­ют три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ), и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространен каскад с ОЭ :

- Е_п

R₁ R_к

U_вых

С₁ С₂

R₂

Cхема усилителя переменного тока на транзисторе,включенного по схеме с ОЭ

В этой схеме сопротивления R₁ и R₂ являются делителем напряжения и за счёт только одного коллекторного источника питания создают необходимое напряжение между базой и эмиттером.

С₁ и С₂ - разделительные конденсаторы. Они не пропускают постоянную составляющую входного и выходного напряжения, так как данный усилитель служит для усиления только переменных токов. R_к - сопротивлении коллекторной нагрузки. Для увеличения коэффициента усиления и получения наилучших па­раметров используется последовательное включение одиночных каскадов. Такие усилители называются многокаскадными. Для много­каскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэф­фициентов.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется амплитудной характеристикой УБП? При каких условиях она снимается? Начертите график амплитудной характеристики УБП.Как определяется частотный диапазон УБП для переменного и постоянного токов

2. Многокаскадный усилитель на транзисторах, назначение элементов схемы, основное преимущество.

3. Причины возникновения частотных искажений и методы их устранения. Допустимый уровень частотных искажений при снятии биологических сигналов?

4. Причины необходимости усиления физиологических сигналов. Основные параметры физиологических сигналов, что они характеризуют. (привести примеры сигналов).

5. Что называется частотной характеристикой УБП, при каких условиях она снимается? Начертите график частотной характеристики УБП.

6. Методика создания р-n перехода, процессы на границе раздела полупроводников. Принцип действия полупроводникового диода (привести рисунки, подтверждающие принцип действия).