Схемы включения и режимы работы транзистора

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Ты уже знаешь, что транзистор, будь он биполярным или полевым, является трехэлектродным прибором. Электроды биполярного транзистора — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора, независимо от его структуры, в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких-либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он-то и определяет название основных схем включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ). Применительно к полевому транзистору эти схемы называют соответственно: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и с общим затвором (ОЗ).

Включение биполярного транзистора структуры p-n-p по схеме ОЭ показано на рис. 98, а. Напряжение источника питания Uпит на коллектор транзистора подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах знаком «⏊». Входной сигнал через конденсатор связи Ссв подается к выводам базы и эмиттера, т. е. к участку база — эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Вспомни схемы и рисунки, которыми в предыдущей беседе я иллюстрировал работу транзистора как усилителя? Как ты включал транзистор, когда заставлял его работать в режимах усиления и переключения? Да, транзистор ты включал по схеме ОЭ. И это не случайно: транзистор, включенный таким способом, в зависимости от статического коэффициента передачи тока h21Э может дать 10—200-кратное усиление сигнала по напряжению и 20—100-кратное усиление сигнала по току. Благодаря таким усилительным свойствам способ включения транзистора по схеме ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью.

Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500 — 1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный p-n переход транзистора включен в прямом, т. е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2 — 20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки (Rк) и усилительных свойств транзистора.

Включение транзистора по схеме ОК ты видишь на рис. 98, б. Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего одновременно роль нагрузки коллекторной цепи, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК.

Рис. 98. Способы включения биполярных транзисторов.

Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление по току получается на единицу больше статического коэффициента передачи тока в схеме ОЭ h21Э, т. е. примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада большое, 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад совсем не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение.

Почему каскад не усиливает напряжение? Давай соединим через резистор цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на рис. 98, б штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх, например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями создается очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиление получается такое же, как и при включении транзистора по схеме ОЭ.

Теперь о включении транзистора по схеме ОБ (рис. 98, в). Здесь база через конденсатор Cб попеременному току «заземлена», т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и «заземленной» базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме ОЭ (10 — 200). Из-за очень малого входного сопротивления, не превышающего нескольких десятков ом (30 — 100 Ом), такое включение транзистора используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями, о чем у нас будет разговор в одной из последующих бесед.

Ты чаще всего будешь пользоваться включением транзистора по схеме ОЭ, реже - по схеме ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах и токами в цепях, при которых он не искажает усиливаемый сигнал.

Ты уже знаешь, что для нормальной работы транзистора на его базу кроме входного сигнала подают еще открывающее его напряжение смещения: для транзистора структуры p-n-p — отрицательное, для транзистора структуры n-p-n — положительное. Наиболее простой способ подачи напряжения смещения — это соединение базы транзистора с соответствующим проводником источника питания через резистор. Такую роль в усилителях по схемам на рис. 98 выполняют резисторы Rб.

Чтобы открыть германиевый транзистор, на его базу относительно эмиттера достаточно подать всего 0,1 В. Нетрудно подсчитать (по закону Ома), что такое напряжение может создать в эмиттерном переходе, сопротивление которого примем за 1000 Ом, ток 100 мкА (0,0001 А). При этом в зависимости от h21Э транзистора в его коллекторной цепи ток может достигать 1 — 1,5 мА. Примерно в такой режим работы и ставят обычно маломощный транзистор, чтобы он при усилении не искажал сигнал. Дальнейшее увеличение напряжения смещения, а значит и тока коллектора, не имеет смысла, так как от этого усиление сигнала не возрастет, а лишь увеличится расход энергии на питание транзистора. А если напряжение смещения па базе окажется слишком большим? Транзистор тоже будет искажать сигнал и, кроме того, станет нагреваться из-за большого тока коллектора.

Такой ток должен быть и в коллекторной цепи маломощного кремниевого транзистора, но при напряжении смещения на базе 0,5 - 0,6 В.

Рис. 99. Простейший усилитель.

На рис. 99 показана схема простейшего усилительного каскада на германиевом транзисторе структуры p-n-p. Она тебе уже знакома по предыдущей беседе (см. рис. 95). Но здесь возле резистора Rб поставлена звездочка, в коллекторной цепи появился косой крест, а возле него указан рекомендуемый ток покоя этой цепи. Ток покоя — это коллекторный ток на базе транзистора в отсутствие сигнала. Такой режим называют также статическим. Рекомендуемый ток покоя устанавливают при налаживании усилителя подбором резистора Rб, что и символизирует звездочка. Когда на вход каскада будет подан сигнал, коллекторный ток станет изменяться, и тем больше, чем больше напряжение входного сигнала. Это — динамический режим работы транзистора.

Ориентировочное сопротивление резистора смещения Rб можно подсчитать по такой формуле: Rб = Uк/IБи.

Допустим, что ток покоя базовой цепи IБп = 50 мкА (0,00005 А), а напряжение батареи питания Uпит = 9 В. Сопротивление резистора следовательно (по закону Ома), должно быть Rб = 9/0,00005 = 180 кОм.

Это, повторяю, ориентировочное сопротивление базового резистора смещения. Во время подгонки заданного режима оно в зависимости от h21Э транзистора может быть значительно изменено.

Каким должно быть сопротивление нагрузочного резистора Такое, чтобы в режиме покоя на коллекторе относительно эмиттера, т. е. на участке эмиттер — коллектор, было напряжение, равное примерно половине напряжения источника питания. В этом случае эффективность работы транзистора будет наилучшей. Такому условию отвечают резисторы сопротивлением в несколько килоом, обычно 1 — 5,6 кОм. В том же случае, если нагрузкой транзистора являются трансформатор, дроссель (катушка, обладающая относительно большой индуктивностью), колебательный контур или низкоомные головные телефоны, напряжение на коллекторе может быть близким к напряжению источника питания.

Перехожу к практике.