Электрорадиотехнологии (лабораторный практикум). Ч.2. Учебно-методическое пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Схемы включения биполярного транзистора

Цель работы: ознакомиться с различными схемами включения биполярного транзистора в усилительных каскадах, питанием цепи коллектора, подачей смещения на базу. Изучить типовые схемы включения транзистора и сравнить их между собой, выяснить их достоинства и недостатки. Научиться выбирать схему включения транзистора в соответствии с задачами усилительного каскада.

Сведения из теории

Усилительные элементы в электронике занимают особое место потому, что они позволяют восстанавливать энергию сигнала, которая неизбежно уменьшается при сложных процедурах их обработки. Под процедурами обработки подразумеваются процессы, связанные с получением, передачей по линиям связи и приемом сигналов. Примерами усилительных элементов являются радиолампы и транзисторы.

В настоящее время радиолампы применяются редко, в основном

вустройствах, использующих высокие напряжения, например, выходные каскады мощных радиопередатчиков, работающих при напряжениях в сотни и тысячи вольт. Но период их активного использования

вкачестве усилителей можно назвать ламповой эпохой в электронике. Существуют и другие усилительные устройства: электромашинные

усилители, магнитные усилители, усилители на приборах с отрицательнымсопротивлением.Такиеустройстваимеюточеньузкуюобласть применения и по целому ряду параметров абсолютно не могут составить конкуренцию ни радиолампам, ни, тем более, транзисторам. К параметрам, выделяющим транзисторные устройства из остальных, относятся сравнительно небольшие геометрические размеры и вес, низковольтное питание, экономичность, быстродействие, и, что очень существенно, возможность использования интегральных нанотехнологий. Интегральные технологии предполагают одновременное изготовление на общей кремниевой подложке огромного числа элементов, в основном транзисторов, приставка «нано» обозначает, что каждый элемент имеет размеры десятки нанометров. Указанные параметры определяют широчайшее внедрение твердотельной электроники, основой которой являются транзисторы, буквально во все сферы человеческой деятельности.

51

По принципу физических основ работы транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. В биполярных транзисторах используются носители обоих знаков — отрицательные электроны и положительные дырки. В работе полевых транзисторов участвуют носители только одного знака, поэтому они еще называются униполярными, а управляющим параметром является электрическое поле, в отличие от биполярных транзисторов, где управляющим параметром является ток. В этом смысле мы в каком-то роде возвращаемся к радиолампам, где управляющим параметром является электрическое поле сетки. Полевые транзисторы в настоящее время уверенно занимают первое место по количеству использования в аппаратуре. Достаточно сказать, что в современном компьютере их число превышает миллиард штук.

Типичной сферой применения полевых транзисторов являются цифровые микросхемы, где необходим малый ток потребления в ждущем режиме; биполярных — усилители, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

В данной работе исследуются некоторые характеристики биполярных транзисторов, поэтому остановимся более подробно на физических процессах, происходящих в них.

Принцип усиления биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую структуру, в которой имеются три чередующихся по типу проводимости области. Это либо транзистор p-n-p типа, либо транзистор n-p-n типа. Буквой «p» обозначаются области с дырочной проводимостью, буквой «n» области с электронной проводимостью. Физические процессы, протекающие в этих двух структурах, аналогичны. Структура транзистора типа n-p-n с подключенными к ней источниками тока представлена на рис. 4.1.

Вреальномтранзисторекаждая область имеет свое название — эмиттер, база и коллектор — так, как показано на рис. 4.1. Эти три области образуют два p-n перехода: переход эмиттер – база и переход коллектор – база. Так как база участвует в обоих переходах, назовем для краткости эти переходы соответственно эмиттерным и коллекторным.

Источники питания (эмиттерный U1 и коллекторный U2) подключены к транзисторной структуре таким образом, что эмиттерный переход оказывается открытым, а коллекторный переход закрытым. Фор-

52

мально это соответствует двум диодам, включенным так, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Структура транзистора типа n-p-n

Рис. 4.2. К объяснению принципа усиления

Очевидно, что структура на рис. 4.2 не может усиливать сигналы, а транзисторная структура на рис. 4.1 является усилителем. Усилительные свойства в транзисторе возникают вследствие того, что p-n переходы в ней взаимодействуют. Взаимодействие возникает потому, что толщина базы делается много меньше, чем длина свободного пробега носителя заряда в полупроводниковом материале базы, т. е.

где d — толщина базы, λ — длина свободного пробега носителя заряда. В данном случае под длиной свободного пробега носителя заряда понимается среднестатистическое расстояние, которое проходит носитель от момента вхождения в базу до того момента, когда он внутри базы «столкнется» с носителем противоположного знака. Такой про-

цесс называется рекомбинацией.

Выполнение условия (4.1) означает, что большая часть носителей, которые поступают в область базы через открытый эмиттерный переход, будет проходить базу насквозь, попадать под действие коллекторного источника тока и образовывать коллекторный ток.

53

Отметим, что эмиттерный переход делается несимметричным — концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, и ток основных носителей через открытый переход является практически током электронов из эмиттера в базу. Малая часть поступивших носителей в области базы будет рекомбинировать с основными носителями в этой области, каждый акт рекомбинации дает импульс тока в базовом проводе, образуя таким образом базовый ток. Эта малая часть в современных транзисторах составляет доли процента от числа носителей, поступивших в область базы (где они становятся неосновными носителями) через эмиттерный переход в виде эмиттерного тока (это условно показано количеством стрелок на рис. 4.1). Достигается это за счет уменьшения толщины базы (до долей микрона), концентрации примесей в области базы для снижения вероятности рекомбинации и увеличения чистоты исходного кристалла. Но даже при очень малом базовом токе разорвать базовый провод нельзя, так как исчезнет открывающий потенциал на эмиттерном переходе, прекратится инжекция носителей в базу и прекратится коллекторный ток.

Таким образом, манипуляция малым базовым током управляет гораздо большим коллекторным током, в чем уже проявляется возможность усиления, и выражение (4.1) можно назвать основным уравнением транзистора, определяющим его усилительные свойства.

Таким образом, можно говорить, что для управления относительно большим током цепи «эмиттер — коллектор» необходимо в небольших пределах регулировать высоту потенциального барьера управляющим напряжением «эмиттер — база». Входное усиливаемое напряжение прикладывается между выводами «база — эмиттер» транзистора, один из которых по переменному сигналу обычно заземляется. Выходное напряжение усилителя создается током «эмиттер — коллектор» на нагрузочном сопротивлении, включенном в цепь коллектора или эмиттера.

Любой усилитель должен прежде всего усиливать мощность сигнала. Потом эта мощность техническими приемами может быть представлена как усиленное напряжение или усиленный ток, но если нет усиления по мощности, то нет усилителя. То есть обязательное условие усиления имеет вид:

где К — коэффициент усиления, Рвых — мощность на выходе усилителя, Рвх — мощность на входе усилителя.

54

На электрических схемах транзисторы изображаются так, как показано на рис. 4.3. Стрелка эмиттера рисуется по направлению сквозного тока через структуру.

Рис. 4.3. Схематическое изображение биполярных транзисторов на электрических схемах

В настоящее время гораздо чаще используются транзисторы со структурой n-p-n, но выпускается и довольно широкий ассортимент p-n-p транзисторов. Одновременное использование в приборах двух типов транзисторных структур (они в этом включении называются комплементарными парами) позволяет в ряде случаев уменьшить количество элементов в схеме, повысить качество и надежность приборов. Одна из причин того, что предпочтение отдается n-p-n структурам, заключается в большей подвижности электронов по сравнению с подвижностью дырок.

Усилительный каскад на транзисторе имеет следующие характеристики:

коэффициент усиления по току KI, показывающий, во сколько раз коллекторный ток транзистора в нормальном режиме работы больше тока базы;

входное сопротивление Rвх, равное отношению переменного напряжения между базой и эмиттером к действующему значению тока базы;

коэффициент усиления по напряжению KU, равный отношению действующих или амплитудных значений выходного (эмиттер — коллектор) и входного (база — эмиттер) напряжений;

частотная характеристика (с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала, т. е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала).

55

Схемы включения биполярного транзистора

Транзистор имеет три вывода и в практических схемах может использоваться в трех различных включениях. Эти три схемы носят названия: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором. Общим электродом называется тот электрод, который является общим для входного сигнала, выходного сигнала и источника питания. Физические процессы внутри транзистора не зависят от схемы включения. Эти три схемы показаны на рис. 4.4.

На этих схемах входное напряжение, даже если оно содержит переменную составляющую, всегда в сумме должно сохранять тот знак, который необходим для нормальной работы транзистора, то есть эмиттерный переход должен быть открыт, а коллекторный переход должен быть закрыт.

По частоте практического применения схемы, приведенные на рис. 4.4, располагаются в следующем порядке:

Рис. 4.4. Схемы включения биполярного транзистора

56

1. Схема включения транзистора с общим эмиттером. Этот способ включения обеспечивает наибольшее усиление по мощности и хорошие частотные характеристики.

2.Схема с общим коллектором. Эта схема не усиливает напряжение, но обладает большим входным и маленьким выходным сопротивлением, что необходимо для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Так как эта схема повторяет на выходе амплитуду и фазу входного напряжения, то ее еще называют эмиттерным повторителем.

3.Схема с общей базой. Она имеет низкое входное сопротивление, поэтому почти не применяется в усилительных каскадах. Но эта схема лучше других работает на высоких частотах.

Один и тот же транзистор может быть по постоянному току включен, например, по схеме с общим эмиттером, а по переменному току — по схеме с общей базой. Такой прием используется, например, в схемах LC-генераторов высокой частоты.

Рассмотрим каждый тип включения биполярного транзистора более подробно.

Схема с общим эмиттером

Простейший усилитель (усилительный каскад) на транзисторе n-p-n типа, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), приведен на рис. 4.5.

Входной сигнал в таком усилителе подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С1, а усиленный выходной сигнал снимается через разделительный конденсатор С2. Их емкости выбирают такими, чтобы их сопротивлением можно было пренебречь. Входным током каскада будет в данном случае ток базы, а выходным — ток коллектора.

Усиление по току KI и по напряжению KU такого каскада соответственно равны:

, (4.3)

, (4.4)

где IК — коллекторный ток, IБ — ток базы.

57

Рис. 4.5. Усилитель на транзисторе n-p-n типа, включенном по схеме с общим эмиттером

Транзистор, включенный по схеме с ОЭ, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, по сравнению с другими типами включения транзисторов:

. (4.5)

Выходной сигнал данного каскада обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Резистор R1 и сопротивление «база — эмиттер» транзистора образуют делитель напряжения, создающий начальное смещение на базу транзистора. Под смещением (напряжением смещения) понимают постоянное напряжение, приложенное

кбазе транзистора относительно опорного уровня эмиттера для достижения необходимого уровня коллекторного тока. Вследствие прохождения тока будет происходить увеличение температуры, что приведет

кизменению сопротивления p-n перехода и, следовательно, к изменению начального смещения базы транзистора. Горячий транзистор будет потреблять больше тока смещения при том же напряжении смещения, что заставляет его нагреваться еще больше. В результате, если нет

58

защиты, то транзистор выйдет из строя. Поэтому для корректной работы усилителя требуется применять специальные цепи температурной стабилизации. Формулы (4.3)–(4.5) справедливы только в области низких частот. С ростом частоты заметную роль начинают играть емкости p-n переходов СБК и СБЭ транзистора (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Усилитель на транзисторе n-p-n типа, включенном по схеме с общим эмиттером с учетом вклада емкостей СБК и СБЭ

Схема с общей базой

Схема с общей базой (ОБ) отличается от схемы с ОЭ тем, что база транзистора для переменного сигнала заземлена через конденсатор большой емкости С2 (рис. 4.7). В цепи эмиттера теперь включено сопротивление R1, и входной сигнал через разделительный конденсатор подается на эмиттер. Резистор R2 так же, как и в схеме с ОЭ, создает начальное смещение на базе транзистора, а нагрузочным сопротивлением является резистор R3. Выходной сигнал снимается через емкость С3.

Коэффициенты усиления KI и KU определяются соответственно:

59

Усиление по мощности может быть найдено по формуле (4.5). Из выражений (4.6)–(4.7) видно, что схема с ОБ дает только усиление по напряжению, а усиление по току отсутствует. В результате KP ~ KU, т. е. заметно меньше, чем в схеме с ОЭ.

В каскаде с ОБ схемным путем нейтрализовано вредное действие емкости СБК (рис. 4.8) и практически отсутствует обратная связь с выхода схемы на ее вход. Сигнал возможной обратной связи от коллектора транзистора на эмиттер через СБК и СБЭ (рис. 4.8) замыкается на общий провод через большую емкость С2. Это преимущество схемы с ОБ по сравнению со схемой с ОЭ проявляется только в области высоких частот и поэтому схема с ОБ используется чаще всего в наиболее высокочастотных узлах теле- и радиоаппаратуры (блоки УКВ, селекторы каналов и т. д.). Другой особенностью схемы с ОБ является заметно меньшее по сравнению со схемой с ОЭ входное сопротивление. Оно обусловлено тем, что малое сопротивление R1 в цепи эмиттера дополнительно зашунтировано малым сопротивлением полуоткрытого p-n перехода «база — эмиттер» транзистора — этот факт также ограничивает области применения схемы с общей базой.

Рис. 4.7. Усилитель на транзисторе n-p-n типа, включенном по схеме с общей базой

60