2.2.3 Простейший усилитель на биполярном транзисторе

На рис.4 приведена схема простейшего усилителя на биполярном – – -транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема совпадает со схемой, приведенной на рис.1 б). Здесь – источник постоянной ЭДС, создающий ток коллектора в цепи, а – источник постоянной ЭДС, необходимый для обеспечения активного режима работы транзистора, о котором речь пойдет ниже. Линейный резистор – коллекторная нагрузка транзистора.

Рис.4. Схема простейшего резисторного усилителя на биполярном транзисторе

Входной сигнал поступает в цепь базы транзистора так, как показано на рис.4, и это – вход усилителя. Преобразованный сигнал снимается между коллектором и эмиттером транзистора ( ) и это – выход усилителя. Так как вход и выход схемы имеют общую точку – эмиттер, то включение транзистора, показанное на рис.4, называется – с общим эмиттером (ОЭ).

Для анализа усилителя необходимо найти связь между выходным и входным сигналами, что можно сделать с помощью законов Кирхгофа.

Из второго закона Кирхгофа для коллекторной цепи можно выразить напряжение на выходе схемы, которое определяет связь выходного напряжения с током в нелинейной коллекторной цепи

(4)

Таким образом, как следует из (4), для получения выходного напряжения прежде необходимо найти ток .

Из схемы видно, что коллекторный ток определяется сопротивлением и сопротивлением транзистора, которое, в свою очередь, зависит от режима работы транзистора. Поэтому сначала рассмотрим возможные режимы работы транзистора при его включении с общим эмиттером.

2.2.3.1 Характеристики и режимы работы транзистора с оэ

Транзистор при включении с общим эмиттером задается графически двумя семействами вольт-амперных характеристик (ВАХ), которые снимаются экспериментально. Входная цепь транзистора – цепь базы – определяется семейством входных характеристик , снятых при различных постоянных напряжениях на коллекторе , а цепь коллектора – семейством выходных характеристик , снятых при различных токах базы .

Типовые характеристики – – - транзистора с ОЭ показаны на рис.5 на примере транзистора КТ315. Обсудим особенности характеристик.

Оба семейства характеристик свидетельствуют об односторонней проводимости транзистора, так как токи базы и коллектора существуют только при положительных напряжениях на базе и коллекторе . Входные характеристики напоминают ВАХ диода: ток базы сильно зависит от напряжения на базе и слабо – от напряжения на коллекторе .

60 40 20 0,6 iк0 0,8 I К, мА 2 IБ, мкА 0,4 U БЭ, В 1 2 UКЭ,В КЭuкэ, В 4 6 80 60 40 20 0 I Б , мкА 8 Б А 0 0 2 4 6 8 10

а) б) Рис.5. Вольтамперные характеристики кремниевого n-p-n транзистора КТ315. 1 – Uкэ= 0, 2 – Uкэ = 5В.

Особенностью выходных характеристик является слабая зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе и сильная зависимость от тока базы в широкой области изменения .

Как видно из входных характеристик, ток базы, который является частью тока через первый переход – тока эмиттера, становится значительным при напряжении на базе больше некоторого порогового напряжения, то есть первый переход при всех практически не пропускает ток. Говорят, что транзистор заперт, или находится в режиме отсечки.

На выходных характеристиках режиму отсечки соответствует кривая 0А, из которой видно, что ток через второй переход – ток коллектора , в этом режиме достаточно мал. Значит, в режиме отсечки транзистор имеет очень большое сопротивление (обычно несколько десятков кОм), то есть является неуправляемым резистором с большим сопротивлением.

При , когда первый переход открывается, токи базы и коллектора увеличиваются, однако пока напряжение на коллекторе < , коллекторный переход тоже открыт. Режим работы транзистора, когда оба перехода открыты, называется режимом насыщения.

На выходных характеристиках режиму насыщения соответствует линия 0Б, в которую сходятся все кривые при различных токах базы. Значит, в режиме насыщения коллекторный ток практически не зависит от тока базы и напряжения на базе , а определяется только напряжением на коллекторе. Это дает возможность в режиме насыщения найти сопротивление транзистора, как отношение на участке 0Б, и это сопротивление оказывается малым (обычно два, три десятка Ом).

Таким образом, в режиме насыщения транзистор опять работает как неуправляемый резистор, только теперь с малым сопротивлением.

При дальнейшем увеличении , когда потенциал коллектора становится выше потенциала базы, то есть >0, второй переход закрывается. Режим работы транзистора, когда первый переход открыт, а второй – заперт, называется активным. Активному режиму работы соответствуют почти горизонтальные участки кривых на семействе выходных характеристик. Как видно из рис.5 б), в активном режиме ток через транзистор сильно зависит от тока базы, значит, от напряжения на базе , как это следует из входных характеристик. Другими словами, в активном режиме появляется возможность управления током через транзистор напряжением . То есть, именно в активном режиме должен работать транзистор в схеме рис.4, чтобы стало возможным усиление входного сигнала.

Рассмотрим подробнее активный режим транзистора и его влияние на режим работы схемы.