Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общей базой совпадает с коэффициентом усиления схемы с общим эмиттером. Его можно определить по формуле:

Учитывая, что коэффициент усиления по току схемы с общей базой близок к единице, коэффициент усиления по напряжению будет равен отношению сопротивления нагрузки Rк к сопротивлению эмиттера Rэ.

Учитывая, что ток коллектора в схеме с общей базой протекает по сопротивлению R1, включенному параллельно источнику сигнала, получается, что данный усилительный каскад охвачен 100 % параллельной отрицательной обратной связью по току. Это приводит к расширению полосы пропускания усилителя. Малое входное сопротивление усилительного каскада не позволяет шунтировать входной сигнал паразитными емкостями печатной платы и других электронных компонентов схемы. Кроме того, малая проходная емкость Cкэ, образованная последовательным включением эмиттерного и кол-

лекторного переходов, уменьшает значение входной паразитной емкости схемы с общей базой. Все эти факторы приводят к исключительной широкополосности амплитудно-частотной характеристики данного каскада.

1.4. Режимы работы биполярных транзисторов

Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Каждый из p–n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлении.

Взависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

–активный (режим усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

–отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении;

–насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении;

–инверсный – эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный в прямом.

Рассмотрим подробнее каждый из режимов работы транзистора на примере транзистора n–p–n-типа.

18

Активный режим. Поскольку на базу подается положительное напряжение и переход база–эмиттер смещён в прямом направлении, происходит инжекция зарядов из эмиттера в базу. Поскольку область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, которая к тому же имеет малую толщину, только малая доля электронов рекомбинируетв области базы, большая же часть из них достигает коллектора. Переход база–коллектор смещён в обратном направлении, поэтому электроны, добравшиеся до него, втягиваются полем перехода в коллектор – так называемая экстракцияэлектронов в коллектор.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотношениями:

Множитель α называют коэффициентом передачи тока эмиттера.

У современных транзисторов α = 0,99–0,995. Из формулы 1.3 следует, что

Iк =1−αα Iб =βст Iб.

Множитель β называют коэффициентом усиления тока базы. Так как значение α близко к единице, то β может принимать большие значения. Для дискретных n–p–n-транзисторов он лежит в диапазоне от 150 до 400. При расчётах к коэффициенту β следует относиться с осторожностью, поскольку даже среди транзисторов одной серии он может меняться в значительных пределах.

В активном режиме большой ток коллектора управляется малым током базы (или напряжением на переходе база–эмиттер) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. При этом напряжение на коллекторе должно быть выше напряжения на эмиттере, иначе транзистор перейдёт в режим насыщения. Активный режим является основным при усилении малых входных сигналов.

Режим отсечки. Инжекция основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если переход база–эмиттер смещён в прямом направлении. Если напряжение Uбэ меньше пороговой величины (0,6 В для кремниевых транзисторов), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом Iэ = Iб = 0. Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для режима отсечки справедливы условия: Uбэ < 0,6 B или Iб = 0.

19

В режиме отсечки транзистор полностью закрыт, и поскольку ток коллектора стремится к нулю, сопротивление канала транзистора крайне велико, по сути представляя собой разрыв цепи. При расчетах транзистор в режиме отсечки можно просто исключить из схемы.

Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении, носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме ток коллектора максимален и не зависит от тока базы. Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор–база Uкб < –0,4 В. При этом напряжение коллектор–эмиттер не превышает напряжения насыщения: Uкэ < Uкэнас. ЗначениеUкэнас находится в пределах 0,2...0,3 В.

В режиме насыщения сопротивление канала транзистора уменьшается до минимально возможного значения, поэтому при расчётах его можно заменить коротким замыканием. Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются основными, когда они работают в ключевых и логических схемах.

Инверсный режим. Биполярный транзистор является симметричным прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом проводимости располагается между двумя областями с другим типом проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор эмиттера. Такой режим работы биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер изготавливают неодинаковыми, чтобы наибольшее усиление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах (например, в линейных ключевых схемах).

Барьерный режим. В этом режиме база транзистора соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с резистором, ограничивающем ток через него. Подобное включение позволяет работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур, не предъявляя требований к параметрам транзисторов.

20

1.5. ЛФЧХ и ЛАЧХ транзисторного каскада с общим эмиттером

Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (ЛАФЧХ) – это зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала, представленная в логарифмическом масштабе. В иностранной литературе ЛАФЧХ часто называют диаграммой Боде или графиком Боде по имени выдающегося ин-

женера Хенрика Боде (Hendrik Wade Bode).

ЛАФЧХ строится в виде двух графиков: логарифмической амплитудночастотной характеристики (ЛАЧХ) и логарифмической фазочастотной характеристики (ЛФЧХ), обычно располагаемые друг под другом.

Примеры ЛАЧХ и ЛФЧХ простейших RC-фильтров: нижних (1) и верхних (2) частот (рис. 1.9, а и б соответственно) приведены на рис. 1.9, г и д. ЛАФЧХ получены в MC12 в режиме частотного анализа (AC). Получение спектральных составляющих гармоник сигнала в MC12 обеспечивает функция Harm (функция быстрого преобразования Фурье) осуществляемая в режиме временно́го анализа TransientAnalyses.

Для этого при задании значений параметров анализа в поле X Expression ставится F (частота), в поле Y Expression – Harm(v(out1)), где out1 – название узла, а в полях X и Y Range – значения границ изучаемых частотного и амплитудного диапазонов соответственно. Для задания количества отсчетов функции Harm и шага по частотной оси необходимо вызвать диалоговое окно

Properties for Transient Analyses (F10), зайти во вкладку Fourier и выставить требуемые значения в полях Number of Points и Frequency Step соответственно. Для придания графикам гармоник привычного вида вертикальных отсчетов с различной амплитудой необходимо в том же диалоговом окне во вкладке Colors, Fonts, и Lines и этих графиков в поле Style выбрать вариант Popsicle.

Частотно-избирательное действие фильтров демонстрирует их анализ в MC12 во временной области. На входы фильтров подаётся сигнал, состоящий из суммы двух синусоидальных сигналов с амплитудой 1 В и частотой 1 и 10 Гц (рис. 1.9, б) от источников V1 и V2 соответственно. Спектральные составляющие входного сигнала (рис. 1.9, в), претерпевая изменения, отвечающие виду ЛАФЧХ фильтров (рис. 1.9, г и д), меняют свою амплитуду, что отражается в спектре выходных сигналов (рис. 1.9, е) и, естественно, в их виде

(рис. 1.9, ж).

21

ЛАЧХ – это зависимость модуля коэффициента передачи (напряжения, тока или мощности) устройства от частоты, представленная в логарифмическом масштабе. При разработке медицинских электронных устройств чаще применяется коэффициент передачи по напряжению.

По оси абсцисс ЛАЧХ откладывается частота в логарифмическом масштабе, в декадах (дек) или октавах (окт). Одна декада равна изменению частоты в 10 раз, 1 октава – в 2 раза. Единица измерения – Гц, рад/с или безразмерная величина для нормированной частоты.

22

По оси ординат ЛАЧХ откладывается коэффициент передачи K рассматриваемого устройства (блока), выраженный в логарифмических безразмер-

ных единицах – децибелах (дБ). Децибел – это десятая часть Бела.

Для амплитуд сигнала размерности напряжения значение коэффициента передачи рассчитывается по формуле:

KU = 20 lg (Uвых/Uвх)[K, дБ = 20 lg (K, раз)],

где Uвых– напряжение на выходе устройства; Uвх – напряжение на его входе. Например, 20 дБ соответствует увеличению амплитуды на выходе устройства в 10 раз, –20 дБ – уменьшению в 10 раз (таблица).

Для амплитуд сигнала размерности мощности значение коэффициента передачи рассчитывается по формуле:

K = 10 lg (Pвых/Pвх),

где Pвых – мощность, получаемая на выходе с устройства; Pвх – мощность, подаваемая на его вход. В этом случае 10 дБ равно изменению мощности в 10 раз.

Соответствие значений коэффициента передачи напряжения, выраженного в разах и децибелах

ЛФЧХ – это зависимость разности фаз выходного и входного сигналов от частоты в полулогарифмическом масштабе. По оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе (в декадах или октавах). По оси ординат откладывается разность фаз в градусах или радианах. При необходимости быстро построить ЛАФЧХ сложной цепи и найти ее частоты среза целесообразно использовать асимптотические ЛАЧХ и ЛФЧХ, в которых кривые заменяются отрезками прямых, образующих при пересечении частоты среза.

23

У биполярных транзисторов с малыми площадями коллекторных переходов и относительно большим расстоянием между эмиттером и коллектором (широкой базой) частота среза определяется в основном скоростью диффузионного процесса. Это характерно для «сплавных» транзисторов. Биполярные транзисторы, изготовляемые с помощью планарно-эпитаксиальных технологий, имеют очень тонкие базовые слои. У таких приборов решающее влияние на форму ЛАЧХ и ЛФЧХ оказывают значения емкостей переходов коллектор–база (К–Б) и сопротивления слоя базы (Б). В области p–n-пере- ходов образуются обедненные слои, в которых нет подвижных носителей заряда. Такие слои и образуют конденсаторы внутри транзистора.

Это отражается в Т-образной малосигнальной эквивалентной схеме БПТ существованием емкостей Сэ и Ск, характеризующих физические свойства его полупроводниковой структуры (рис.1.11). Сэ – ёмкость обедненного слоя эмиттерного перехода. Ск – ёмкость обедненного слоя коллекторного перехода.

Рис. 1.11. Т-образные малосигнальные схемы замещения БПТ: а) для схемы с ОБ; б) схемы с ОЭ

Из этих двух емкостей наибольшее влияние оказывает ёмкость Ск, так как она включена параллельно большому сопротивлению rк. Ёмкость С э шунтирована малым сопротивлением, включенным в прямом направлении эмиттерного перехода (α – динамический коэффициент передачи тока эмиттера).

Рассмотренные эквивалентные схемы БПТ используются для исследования их амплитудно-частотных свойств. В программеMicroCap 12 эти параметры заданы в свойствах моделей транзисторов. Например, для транзистора 2N2221 Ск = 37 пФ и Сэ = 42пФ, а для транзистора 2N2484 Ск =10 пФ и Сэ = 6 пФ. Сопоставьте эти данные с ЛАЧХ транзисторов, приведённых на рис. 1.10.

Влияние емкости Ск на частотную характеристику биполярного транзистора, работающего в усилителе, тем заметнее, чем больше сопротивление

25