Усиление электрических колебаний с помощью транзисторов

Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться в ткани организма.

Всхемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).

в

Рис. 3.

Типы включения транзистора в схемах усилений

Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистораp-n-pтипа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжениеU_вхвключено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжениемE_Э. Входным током является ток эмиттераI_Э. При измененииU_вхсоответственно будет меняться иI_Эпо законуU_вх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базыI_Би ток коллектораI_К. ИзменяющийсяI_К, проходя по сопротивлению нагрузкиR_н, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величиныU_вых. Выходной коллекторный токI_Кпочти равен входному току эмиттера, и еслиR_нвыбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузкеU_выхбудет больше входного напряжения

U_вхпри неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряженияU_вх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжениюk

где R_Э- сопротивление эмиттерного перехода (десятки ом).

Так как I_Э  I_К, то.

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току , равный отношению приращения выходного – коллекторного токаI_Кк вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного токаI_Эпри постоянном напряжении на коллектореU_K, т.е.

приU_K = const.

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току  всегда меньше единицы и обычно

 = 0,90  0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы I_Б, а выходным – ток коллектораI_К.

При изменении U_вхизменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттераI_Э .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора I_К иI_Б базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектораI_К управляется входным током – током базыI_Б, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряженияU_вх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по токув схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного токаI_К к вызвавшему его изменению тока базыI_Бпри постоянном напряжении на коллекторе:

приU_K = const.

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение U_вх изменяет входной токI_Б, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектораI_К, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

( 1- примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки R_низменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсаторСподается на выход усилителя в качестве выходного напряженияU_вых. И так как амплитуда тока коллектораI_Квсегда больше амплитуды тока базыI_Б (  1), то при достаточной величине сопротивления нагрузкиR_намплитуда выходного напряженияU_выхполучается значительно больше амплитуды входного напряженияU_вх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощностиP (P=UI), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.