#books / lections_2013 / Лекция8

Лекция №8

Входное и выходное сопротивление эмиттерного посторителя

- входное сопротивление эмиттерного повторителя;

- выходное сопротивление эмиттерного повторителя;

- коэффициент усиления транзистора по току;

- сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя;

- сопротивление источника сигнала для эмиттерного повторителя.

Оценка коэффициента усиления для усилителя с общим эмиттером

Напряжение на коллекторе транзистора равно

U_к = U_кк - I_кR_к (1)

Допустим, на вход схемы подано напряжение , тогда напряжение на эмиттере транзистора изменится на величину . Ток эмиттера, соответственно тоже изменится на величину . Поскольку , то справедливо будет . Из уравнения (1) следует, что если ток увеличится на величину , то напряжение на коллекторе транзистора уменьшится на величину :

Поскольку - изменение выходного напряжения, а - изменение входного напряжения, то коэффициент усиления по напряжению можно записать в виде:

Знак минус в этой формуле говорит о том, что положительный сигнал на входе дает отрицательный сигнал на выходе (как вы помните, усилитель с общим эмиттером иныертирует фазу усиливаемого сигнала).

По приведенной выше формуле, вы зная значение сопротивлений и можете вычислить коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером.

Возникает вопрос, как поступить, если равно нулю (эмиттер соединен с землей). В этом случае роль выполняет собственное сопротивление эмиттера. Как оценить величину этого сопротивления будет показано в одном из следующих разделов.

Модель Эберса-Молла

Простейший вариант модели полупроводникового p-n-p транзистора показан на рисунке ниже. Схема состоит из двух идеальных диодов, включенных встречно, и двух источников тока, наличие которых обусловлено переносом неосновных носителей через нейтральную область базы. Модель основывается на уравнении диода.

_I₂ I₁

Э VD1 VD2 К

I_э I₁ I₂ I_к

Б

Уравнения, описывающие работу модели:

I₁ = I_э0[exp(U_эб/_т) - 1],

I₂ = I_к0[exp(U_кб/_т) - 1],

I_э = I₁ - _I₂,

I_к = I₁-I₂.

I_э0 – обратный ток диода база-эмиттер;

I_к0 – обратный ток диода база-коллектор;

U_эб – напряжение между базой и эмиттером;

U_кб – напряжение между базой и коллектором;

_т=kT/e – тепловой потенциал. _т=25.3 мВ при комнатной температуре;

 - коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общей базой (<1);

_ - инверсный коэффициент усиления по току.

Важным следствием из модели Эберса-Молла является формула связывающая ток коллектора и напряжение приложенное к базе:

I_к ≈ I_к0[exp(U_эб/_т) - 1]

I_к0 – обратный ток колекторного перехода (очень мал., зависит от температуры);

В активном режиме работы транзистора I_к >> I_к0, поэтому формулу можно переписать следующим образом:

I_к ≈ I_к0 exp(U_эб/_т)

Из приведенного выше выражения найдем зависимость напряжения между базой и эмиттером от тока коллектора:

Если мы возьмем производную от по , то получим значение дифференциального сопротивления эмиттера:

- это собственное сопротивление эмиттерного перехода. Именно это сопротивление стоит в знаменателе при определении коэффициента усиления по напряжению (), когда эмиттер заземлен.

С учетом , перепишем формулу для коэффициента усиления по напряжению каскада с общим эмиттером:

Таким образом, при расчете коэффициента усиления, особенно следует учитывать в случае если имеет малую величину, или отсутствует вообще (эмиттер заземлен).

Составной транзистор – схема Дарлингтона

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току.

Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором. Нагрузкой предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, может использоваться нагрузка в виде резистора. Такое соединение рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора, иногда называемый "супербетта", у мощных транзисторов равен ~1000 и у маломощных транзисторов ~50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

Достоинства составного транзистора:

• Высокий коэффициент усиления по току.

Недостатки составного транзистора:

• Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах.

• Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе и составляет для кремниевых транзисторов около 1.2 - 1.4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

• Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0.9 В (по сравнению с 0.2 у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше, падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжение, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии.

Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора VT2.

Схемы двухтактных усилителей мощности

Дифференциальный усилитель

Дифференциальным усилителем называется усилитель разности напряжений.

Rк1 = Rк2 = Rк.

Транзисторы VT1 и VT2 подбираются одинаковыми по коэффициенту усиления. Резисторы Rк1 и Rк2 также подбираются одинаковыми по величине своего сопротивления.

Представим, что на оба входа подаём одинаковое напряжение Uвх1 = Uвх2. В этом случае токи через транзисторы VT1 и VT2 будут одинаковыми. Суммарный ток через Rэ обозначим через Iо. Тогда:

Представим, что Uвх1 > Uвх2. На первый вход подадим более положительное напряжение, чем на второй вход. В этом случае транзистор VT1 откроется в большей степени, чем транзистор VT2. Ток через транзистор VT1 увеличится на определённую величину ΔIo, а ток через VT2 уменьшится на такую же величину ΔIo, поскольку суммарный ток постоянен и равен Io.

Если на первый вход будем подавать бoльшее значение напряжение, чем на второй вход, то на выходе получится отрицательное значение напряжения, поэтому первый вход называется инвертирующим входом.

Если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = +2 ∙ ΔIo ∙ Rк и поэтому второй вход дифференциального усилителя называется неинвертирующим входом.

Важной характеристикой дифференциального усилителя является его способность усиливать дифференциальный сигнал (разность входных напряжений), но не усиливать сами сигналы. Предположим, что V1 = 0.1 мВ, V2 = 0 В, a Vout = 50 мВ. Коэффициент усиления дифференциального сигнала:

При увеличении напряжений V1 и V2 на 1 мВ: V1 = 1.1 мВ, V2 = 1 мВ, напряжение на выходе станет Vout = 52 мВ. Значит, коэффициент усиления синфазного входного сигнала составит:

Способность усилителя усиливать дифференциальные сигналы, подавляя при этом синфазные сигналы, называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, или КОСС, и определяется как:

КОСС улучшается, если приблизить характеристики резистора R3 к характеристикам генератора тока постоянной величины. Для задания постоянного тока, протекающего через эмиттеры транзисторов, часто используют источник тока на транзисторе. Характеристики такого дифференциального усилителя будут намного лучше, чем когда ток задается при помощи резистора.