6.7. Краткие характеристики схем включения. Область применения схем

6.7.1. Схема с общей базой

Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой

Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки R_н – в цепь коллектора.

Транзистор не обеспечивает усиления по току, но имеет усиление по напряжению и мощности. Входное сопротивление R_вх мало, а выходное сопротивление R_вых большое. Это создает затруднение при согласовании входного сопротивления с сопротивлением генератора сигналов, а так же при реализации мощности в цепи нагрузки. Схема с общей базой используется редко. Основная область применения – высокочастотные усилители, имеющие малые искажения формы сигналов, низкие уровни шумов или работающие на высоких частотах.

6.7.2. Схема с общим эмиттером

Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Является основной схемой включения. Транзистор обеспечивает значительное усиление по напряжению, току и мощности. Входное сопротивление больше, чем в схеме с общей базой, что облегчает согласование входного сопротивления с сопротивлением генератора сигналов. Это является достоинством схемы. Выходное сопротивление в схеме с общим эмиттером меньше, чем в схеме с общей базой, что тоже определяет преимущество схемы. Однако, данное сопротивление достаточно велико, что позволяет включать сопротивление нагрузки, которое намного больше входного сопротивления, что позволяет получать достаточно высокое усиление напряжения.

6.7.3. Схема с общим коллектором

Коэффициент k_i несколько больше, чем в схеме с общим эмиттером. Усиления по напряжению схема с общим коллектором не дает, входное сопротивление велико, выходное сопротивление мало, что является основным полезным свойством схемы. На основе схемы с общим коллектором строятся эмиттерные повторители, обеспечивающие согласование источников сигналов с большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой.

Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором

6.8. Режимы работы транзистора

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 6.18).

Первая область – активная область или активный режим.

Вторая область – область отсечки.

Третья область – область насыщения или режим насыщения.

Рис. 6.18. Семейство выходных характеристик

Первый режим – активный (режим малого сигнала). Ток на выходе зависит от тока на входе.

Эмиттерный переход П₁ смещен в прямом направлении, а коллекторный П₂ – в обратном.

Активная область используется при работе транзистора при усилении и генерировании монотонно изменяющихся сигналов с малой амплитудой.

Второй режим. Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует и биполярный транзистор усилительными свойствами не обладает. Для обеспечения режима отсечки необходимо: на эмиттерный переход подать запирающее напряжение при запертом коллекторном переходе, через оба перехода протекает ток I_КО.

За счет модуляции базы переход П₁ смещается в прямом направлении. Для обеспечения его надежного запирания предусмотрена цепь смещения для получения положительного потенциала базы относительно эмиттера (для транзисторов p-n-p-типа).

Третий режим. Открыты оба перехода, через транзистор протекает прямой ток, ограничиваемый внешним сопротивлением.

В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть биполярные транзисторы работают в режиме переключения из области насыщения (соответствующая включенному состоянию – кривая А (рис. 6.21)) в область отсечки (соответствующая выключенному состоянию – кривая Б), кратковременно находясь в активном режиме в процессе переключения.

Режим ключа – сочетание режимов отсечки и насыщения, то есть режим большого сигнала. Режим работы биполярного транзистора с включенной нагрузкой выходной цепи называется режимом нагрузки. При работе биполярного транзистора в этом режиме в его входную цепь подают переменный (гармонический или импульсный) сигнал, а в выходную – включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле.

Схема включения биполярного транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи, входным переменным сигналом и источником питания в коллекторной (выходной) цепи и цепи смещения на входе, называют усилительным каскадом (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Схема усилительного каскада

Рис. 6.21. Семейство выходных характеристик

Для выходной цепи, по второму закону Кирхгофа, можно записать уравнение равновесия

U_кэ=Е_к - I_кR_к. (6.7)

Из этого уравнения следует, что с увеличением тока коллектора I_к, напряжение U_кэ уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, изменение напряжения и тока входной цепи приводит к одновременному изменению не только выходного тока, но и выходного напряжения U_кэ.

Это уравнение является уравнением нагрузочной прямой, которая строится на выходных характеристиках по двум точкам, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания.

Прямая АВ (рис. 6.21) – нагрузочная прямая, рабочий ее участок А^/В^/. По нагрузочной прямой строится входная нагрузочная характеристика по соответственным токам базы и напряжениям U_КЭ.

По точкам пересечения нагрузочной прямой со статистическими выходными характеристиками можно найти параметры работы транзистора в режиме нагрузки при U_КЭ=const, R_К= const и разных токах базы.

Рис. 6.22. Семейство входных характеристик

За входную нагрузочную характеристику принимается одна из статических (обычно для U_КЭ= -5В). Для полного воспроизведения на выходе усиливаемого входного сигнала источника тока i_вх, с помощью источника смещения постоянного тока напряжением U_БЭ, задают точку покоя (рабочую точку) усилительного каскада, которой соответствует определенный постоянный ток покоя на входе I_Б(0) и на выходе I_К(0) при отсутствии переменного сигнала.

Выбором значения U_БЭ можно задать необходимый режим (класс) усиления. Выходные характеристики имеют ограничения по максимальным значениям тока коллектора, напряжения U_КЭ и мощности, рассеиваемой на коллекторе.