3.6. Усилительный режим работы транзистора

Между режимами насыщения и отсечки на выходных характеристиках транзистора находится усилительный режим. В этом режиме в некотором диапазоне изменения базовых токов (и соответствующих им базовых напряжений) ток коллектора и соответствующее ему напряжение на коллекторе будут плавно меняться. Соотношение между токами будет определяться величиной коэффициента усиления по току для малого сигнала:

Свойство усиления тока коллектора используется для усиления электрических сигналов. Принцип действия усилителя можно пояснить с помощью схемы простейшего усилительного каскада, приведённого на рис. 3.13. Основой усилителя являются два элемента: сопротивление Rк и транзистор VT.

Рис. 3.13. Схема простейшего усилителя

Под воздействием входного сигнала Uвх изменяются входной ( ) и выходной ( ) токи. Выходной ток значительно превышает входной. В результате в такт с изменением входного сигнала, изменяется падение напряжения на сопротивлении Rк, а следовательно, и выходное напряжение Uвых. = Е – Iк·Rк. При правильно спроектированном усилителе нетрудно получить Uвых > Uвх и Рвых > Рвх.

Поскольку транзистор проводит ток только в одном направлении, а большинство усиливаемых сигналов являются переменными, то для усиления переменного сигнала без искажений транзистор приоткрывают, подавая на вход начальное напряжение смещения с таким расчетом, чтобы рабочая точка находилась на нагрузочной прямой между режимами насыщения и отсечки (см. рис. 3.7). При этом входные и выходные напряжения и токи содержат постоянную и переменную составляющие. Поскольку информационной является только переменная составляющая, то основные параметры усилителя определяются для переменных токов и напряжений с использованием эквивалентных схем для переменного тока. Представление транзистора схемой замещения необходимо для проведения расчетов цепей с транзисторами. Так как значения напряжений и токов переменного сигнала значительно меньше, чем постоянные, то такие схемы называют малосигнальными.

Наиболее точно структуру транзистора отражает Т-образная схема. Т-образная схема замещения транзистора с ОБ (рис. 3.14, а) представляет собой сочетание входного и выходного контуров. Все сопротивления, входящие в эквивалентные схемы, дифференциальные, за исключением омического сопротивления базы r_б.

Рис. 3.14. Эквивалентные малосигнальные схемы транзистора:

а – в схеме с ОБ; б – в схеме с ОЭ

1. r_б – это объемное сопротивление базы. Оно определяется в направлении прохождения базового тока от границы с эмиттерным переходом. Численное значение r_б зависит от типа транзистора и составляет 100 – 400 Ом. Через сопротивление r_б протекают токи входного и выходного контуров, поэтому оно является сопротивлением, посредством которого осуществляется обратная связь в транзисторе

2. r_Э – это дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. Этот параметр характеризует наклон входной характеристики транзистора в рабочей точке:

rэ = Uэ / Iэ, при Uк = const.

Поскольку эмиттерный переход является аналогом прямосмещённого p-n-перехода, то, используя выражение для вольт-амперной характеристики прямосмещённого p-n-перехода (1.19), легко получить формулу для расчёта rэ в виде:

(3.26)

Из этого выражения видно, что величина rэ зависит от постоянного тока в выбранной рабочей точке. Численное значение rэ лежит в пределах от единиц до десятков Ом.

3. Iэ – эквивалентный источник выходного тока, который учитывает составляющую эмиттерного тока, проходящего в коллектор.

4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении:

, при Iэ = const. (3.27)

5. ∙Uкб – напряжение обратной связи – определяет влияние коллекторного напряжения на входную цепь транзистора. Численное значение коэффициента обратной связи  сравнительно мало ( 10^–4 – 10^–3 ), поэтому источник напряжения ∙Uкб в схему замещения часто не вводят.

6. Сэ и Ск – емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответственного перехода. Емкость Сэ, определяемая в основном диффузионной емкостью, составляет сотни пикофарад, а емкость Ск, определяемая в основном барьерной емкостью, – десятки пикофарад. Однако емкость Сэ зашунтирована малым сопротивлением rэ, а емкость Ск – большим сопротивлением rк. Поэтому емкость Ск учитывают на частотах в десятки килогерц, а емкость Сэ – только на частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц.

Т-образная схема замещения транзистора с ОЭ приведена на рис. 3.14, б. Сопротивления r_э и r_б имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме с ОБ. Источник напряжения, учитывающий обратную связь в транзисторе, в схеме замещения не показан ввиду малого значения коэффициента обратной связи.

Поскольку входным током в схеме с ОЭ является ток базы, в выходную цепь схемы замещения введён источник тока I_б. Направления токов такие же, как и в схеме с ОБ. Как было показано выше (3.17), сопротивление коллекторного перехода rкэ значительно меньше, чем r_к в схеме с ОБ. В схеме с ОЭ уменьшается также емкостное сопротивление емкости Ск, что соответствует увеличению емкости коллекторного перехода:

Скэ = Ск(1 + ). (3.28)

Увеличение емкости Скэ приводит к еще большему ее влиянию на работу транзистора в области повышенных частот по сравнению с емкостью Сэ. В связи с этим емкость Сэ в схеме с ОЭ обычно не учитывают.

Дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ  = dIк / dIб (Uкэ = const) является также частотно-зависимым. Граничную частоту f_ в схеме с ОЭ определяют, как и в схеме с ОБ, по снижению коэффициента передачи тока в 2 раз:

f_ = f_ / (1 +  ), (3.29) т. е. частотные свойства транзистора в схеме с ОЭ хуже, чем в схеме с ОБ.

Транзистор – как активный четырехполюсник. H-параметры транзистора. Недостатком физических параметров является невозможность их прямого измерения, поскольку границы раздела слоев и переходов структуры недоступны для подключения измерительных приборов.

При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.15). В четырехполюснике условно изображен транзистор с ОЭ.

Рис. 3.15. Четырехполюсник:

а – схема структурная; б – схема эквивалентная

Связь между входными и выходными напряжениями и токами четырехполюсника выражается системой двух уравнений:

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U_2,

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂ U_2. (3.30)

Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с ОЭ эти токи и напряжения (амплитуда или действующее значение) следующие:

I₁ – ток базы;

U₁ – напряжение база-эмиттер;

I₂ – ток коллектора;

U₂ – напряжение коллектор-эмиттер.

Коэффициенты hij определяют опытным путем. Для их определения делают два опыта: короткого замыкания (КЗ) на выходе и холостого хода (ХХ) на ходе по переменному току.

При КЗ на выходе (напряжение на выходе u₂ = const, а переменное напряжение U₂ = 0) определяют коэффициенты h₁₁ и h₂₁:

– входное сопротивление транзистора;

– коэффициент передачи тока.

При ХХ на входе (входной ток i₁ = const, а переменный ток I₁ = 0) определяют коэффициенты h₁₂ и h₂₂:

– коэффициент обратной связи по напряжению.

– выходная проводимость

Эквивалентная схема транзистора с ОЭ, соответствующая приведенными выше уравнениям четырехполюсника, приведена на рис. 3.15, б.

Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером обозначают буквой «э», а схеме с общей базой – буквой «б».

Можно показать, что

Полученные соотношения для h-параметров можно использовать для выражения физических параметров транзистора через его h-параметры:

rэ = h_11б – (1 - h_21б)* h_12б / h_22б;

rб = h_12б / h_22б;

rк = 1 / h_22б ;

 = h_21б.