4.5. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т.е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_К, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_К велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изменение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_К ≈ ΔI_Э, а напряжение на нагрузке изменится на

ΔU_К = R_КΔI_К ≈ R_KΔI_Э . Если подставить в DU_К значение ΔI_Э, то ΔU_К =R_КΔU_Э /R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_К больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_К /R_Э раз. А так как R_К » R_Э, то ΔUк » ΔU_Э.

Приращение входной мощности DP_вх = R_ЭDI_Э²_, а приращение выходной мощности ΔP_вых = R_КΔI_K² ≈ R_KΔI_Э² = R_K /R_Э ·ΔР_вх, т.е. оно больше ΔР в R_К /R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых » DP_вх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на эмиттер (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_К, т.е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

5 . Логические элементы в интегральном исполнении

Логические элементы в интегральном исполнении предназначены для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выпол­няться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-р-n -типа. Ниже приводятся некоторые упрощенные схемы логических элементов различных типов.

5.1. Логический элемент и - не диодно-транзисторной логики (дтл)

Рис.5.1. Принципиальная

Схема элемента И-НЕ диодно-транзисторнойлогики.

Логический элемент И - НЕ для сигналов положительной полярности показан на рис.5. 1. Он представляет собой соединение через диоды Д_с двух элементов: диодного элемента И и транзисторного элемента НЕ. При анализе работы элемента необходимо иметь в виду, что в схеме используется кремниевый транзистор, который переходит в режим отсечки при напряжении базы менее 0,6В. При повышении напряжения он быстро переходит в режим насыщения.

Напряжение между эмиттером и коллектором в этом случае снижается до 0,4В. Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение U¹ (логическая 1), все диоды (Д₁, Д₂,Д₃) будут закрыты и ток в цепи: источник E_1, резистор R1, открытые диоды Д_c , пройдет в базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R₁ потенциал базы окажется несколько ниже потенциала E₁, но выше 0,6 В, так что транзистор будет находиться в режиме насыщения.

На выходе элемента НЕ установится низкое напряжение, соответствующее логическому 0. Если хотя бы на один вход ( например, Вход 1) будет подано напряжение U°, то соответствующий диод будет открыт. Ток от источника E₁ будет проходить через резистор R₁. Часть тока замкнется через открытый диод Д₁ , источник входного сигнала , часть — через смещающие диоды Д_{с ,} резистор R₂ , транзистор.

При этом элемент рассчитывают таким образом , чтобы потенциал базы из-за падения напряжения на R₁ и Д_с становился бы менее 0,6 В. В этом случае транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ напряжение окажется равным E_к , т.е. получим логическую 1.

Логический элемент ИЛИ-НЕ диодно-транзисторной логики показан на рис. 5.2.

Рис.5.2. Принципиальная

схема элемента ИЛИ-НЕ диодно-транзисторной

логики

Принцип действия его состоит в следующем. Если хотя бы на один из входов подается потенциал логической единицы , то соответствующий диод открывается и этот потенциал передается на базу транзистора . Транзистор переходит в состояние насыщения и на его выходе установится низкое напряжение, т.е. U⁰. Если все входные сигналы нулевые , то потенциал базы менее 0,6В , транзистор в состоянии отсечки и на выходе - напряжение логической единицы.