Параметры схемы с общим эмиттером. Основные схемы включения транзисторов. Режимы работы биполярного транзистора

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: «Зачем они нужны в схеме?»

Начнем, пожалуй, с R э .

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к ——> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R кэ — это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .

А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R э.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .

б) падение напряжения на резисторе R э — это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б — U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже I к

I к =β х I б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:

R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R э + R э = 300

11R э = 300

R э = 300 / 11 = 27 Ом

R к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :

I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U б = U бэ + U э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните — это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма — это входной сигнал, желтая осциллограмма — это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (б).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (а).

Режим работы биполярного транзистора

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы - усиление, генерация.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент – транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ = Ек/RБ. С помощью резистора Rк создается выходное напряжение. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uкэ + IкRк,

сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

5)Что такое полевой транзистор? Какие виды бывают?

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором ре-

гулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего

канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполяр-

ного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и

затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-

током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-

ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно

рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-

ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-

ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-

вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

С управляющим p–n-переходом;

С металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.

Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –

диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является

двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-

транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-

транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический

кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной

или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор

называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про-

водимость, называют p-канальными. В МОП- транзисторах канал может быть

обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой

транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых прибо-

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электро-

нике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полно-

стью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими при-229

чинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивле-

ние и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы

занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь,

чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-

интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства

интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций,

чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

6)Что такое стабилитрон? Объясните принцип его работы. Нарисуйте его вольт-амперные характеристики.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-n -перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.

Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-n -перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-n -перехода пробой носит лавинный характер.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 6.1 Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.

Рис. 6.1. Конструкция корпуса (а), вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона

Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-n -переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рис. 6.3) включить диодов в прямом направлении, где , (– изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании отдо), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Рис. 6.3. Термокомпенсация стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

Предельные параметры стабилитронов:

В начале этой главы мы увидели, как транзисторы, работая в режиме либо «насыщения», либо «отсечки», могут использоваться в качестве ключей. В последнем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах, между экстремальными режимами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы способны управлять током аналоговым (плавно изменяющимся) способом, они находят применение и в качестве усилителей для аналоговых сигналов.

Одна из наиболее простых для изучения схем транзисторного усилителя ранее показала коммутирующие способности транзистора (рисунок ниже).

NPN транзистор как простой ключ (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общим эмиттером, потому что (игнорируя батарею источника питания) и у источника сигнала, и у нагрузки есть общая точка подключения к транзистору - эмиттера (как показано на рисунке ниже). И, как мы увидим в последующих разделах этой главы, это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя.

Ранее небольшой ток от солнечного элемента насыщал транзистор, зажигавший лампу. Теперь зная, что транзисторы способны «задавливать» ток коллектора в соответствии с величиной тока базы, подаваемого от источника входного сигнала, мы можем увидеть, что в этой схеме яркость лампы может контролироваться яркостью света, падающего на солнечный элемент. Когда на солнечный элемент попадает мало света, лампа будет светиться тускло. По мере того, как на солнечный элемент попадает больше света, яркость лампы будет возрастать.

Предположим, что нас заинтересовало использование солнечного элемента в качестве измерителя яркости света. Мы хотим измерить яркость падающего света с помощью солнечного элемента, используя его выходной ток для управления стрелкой индикатора. Для этого можно подключить индикатор к солнечному элементу напрямую (рисунок ниже). На самом деле простейшие измерители яркости в фотографии работают подобным же образом.

Хотя этот способ может работать и при измерении умеренной яркости света, при низкой яркости он работать уже не будет. Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности в энергии индикатора для движения стрелки, то эта система неизбежно будет ограничена по своей чувствительности. Предполагая, что нам необходимо измерять очень низкие яркости света, нужно найти другое решение.

Возможно, самым прямым решением этой проблемы является использование транзистора (рисунок ниже) для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение стрелки индикатора для более тусклого света.

Ток через индикатор в этой схеме будет в β раз больше тока через солнечный элемент. Для транзистора с β, равным 100, это дает существенное увеличение чувствительности измерений. Разумно отметить, что дополнительная мощность для перемещения стрелки индикатора исходит от батареи в правой части схемы, а не от самого солнечного элемента. Всё, что делает ток солнечного элемента, это управляет током батареи, чтобы обеспечить более высокие показания индикатора, чем мог бы обеспечить солнечный элемент без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством, регулирующим ток, и поскольку движение стрелки индикатора определяется током через катушку индикатора, показания измерителя должны зависеть только от тока солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого аккумулятором. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния аккумулятора, что является важной особенностью! Всё, что требуется от батареи, - это определенные минимальные выходные напряжения и ток, способные отклонить стрелку индикатора на всю шкалу.

Другим способом использования схемы с общим эмиттером является получение определяемого входным сигналом выходного напряжения, а не определенного значения выходного тока. Давайте заменим стрелочный индикатор на простой резистор и измерим напряжение между коллектором и эмиттером (рисунок ниже).

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет находиться в режиме отсечки, и будет вести себя как разомкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером, что даст максимальное V вых, равное полному напряжению батареи.

При полной мощности (максимальной освещенности) солнечный элемент будет приводить транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжение между коллектором и эмиттером, или почти нулевое выходное напряжение. На самом деле открытый транзистор никогда не сможет достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, примерно несколько десятых долей вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

При выходных сигналах солнечного элемента для уровней освещенности где-то между нулем и максимумом транзистор будет находиться в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи. Важно отметить, что в схеме с общим эмиттером выходное напряжение инвертируется относительно входного сигнала. То есть по мере увеличения входного сигнала выходное напряжение уменьшается. По этой причине схема усилителя с общим эмиттером называется инвертирующим усилителем.

Быстрое моделирование схемы в SPICE (рисунок и список соединений ниже) проверит наши выводы об этой усилительной схеме.

В начале моделирования (на рисунке выше), когда источник ток (солнечного элемента) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, и выходное напряжение усилителя (между узлами 2 и 0) равно всем 15 вольтам напряжения батареи. По мере того, как ток солнечного элемента начинает увеличиваться, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как график выходного напряжения идеально линеен (шаги по 1 вольту от 15 вольт до 1 вольта) до точки насыщения, где он никогда не достигнет нуля. Этот эффект упоминался ранее, полностью открытый транзистор не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за наличия внутренних переходов. То, что мы видим, это резкое снижение выходного напряжения от 1 вольта до 0.2261 вольта при возрастании входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем дальнейшее снижение выходного напряжения (хотя и со значительно меньшим шагом). Наименьшее выходное напряжение, полученное при этом моделировании, составляет 0.1299 вольта, почти равно нулю.

До сих пор мы видели, как транзистор, как усилитель сигналов постоянных напряжения и тока. В примере измерения освещенности с помощью солнечного элемента нам было интересно усилить выходной сигнал постоянного тока от солнечного элемента для управления стрелочным индикатором постоянного тока или получить на выходе постоянное напряжение. Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто бывает, необходим усилитель переменного тока для усиления сигналов переменных тока и напряжения. Один из наиболее распространенных случаев - аудио электроника (радио, телевидение). Ранее мы видели пример аудио сигнала от камертона, активирующего транзисторный ключ (рисунок ниже). Посмотрим, можем ли мы изменить эту схему для передачи мощности не на лампу, а на динамик.

В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования сигнала переменного напряжения от микрофона в постоянное напряжение для управления входом транзистора. Всё, что нам было нужно, это включить лампу с помощью звукового сигнала от микрофона, для этих целей такой схемы было достаточно. Но теперь мы хотим усилить сигнал переменного напряжения и подать его на динамик. Это означает, что мы больше не можем выпрямлять сигнал с выхода микрофона, поскольку для подачи на транзистор нам нужен неискаженный сигнал! Удалим из схемы мостовой выпрямитель и заменим лампу на динамик.

Так как микрофон может генерировать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер, последовательно с микрофоном я поместил резистор. Давайте промоделируем схему на рисунке ниже с помощью SPICE. Список соединений приведен ниже.

На графиках моделирования (рисунок выше) показаны как входное напряжение (сигнал переменного напряжения с амплитудой 1,5 вольта и частотой 2000 Гц), так и ток через батарею 15 вольт, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоиду входного переменного напряжения (и с положительной, и с отрицательной полуволнами) и полуволны выходного тока только одной полярности. Если бы мы на самом деле подали этот сигнал на динамик, звук из него был бы сильно искажен.

Что не так с этой схемой? Почему она не будет точно воспроизводить полную форму переменного напряжения от микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти путем тщательной проверки модели транзистора на основе диода и источника тока (рисунок ниже).

Ток коллектора контролируется, или регулируется, в режиме стабилизации тока на постоянном значении в соответствии с величиной тока, протекающего через переход база-эмиттер. Обратите внимание, что оба пути протекания тока через транзистор являются однонаправленными: только одно направление! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала переменного тока, он, по сути, является устройством постоянного тока, которое способно работать с токами только одного направления. Мы можем подать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но электроны в этой схеме не смогут протекать во время того полупериода, когда переход база-эмиттер будет смещен в обратном направлении. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки на протяжении всей этой части периода. Он будет «включаться» в активный режим только в том случае, если входное напряжение имеет правильную полярность, чтобы смещать переход база-эмиттер в прямом направлении, и только тогда, когда это напряжение достаточно велико, чтобы превысить прямое падение напряжения перехода. Помните, что биполярные транзисторы являются устройствами, которые управляются током: они регулируют ток коллектора, основываясь на протекании тока от базы к эмиттеру, а не на наличии напряжения между базой и эмиттером.

Единственный способ, с помощью которого мы можем заставить транзистор выдавать в динамик сигнала без искажения его формы, заключается в том, чтобы удерживать транзистор в активном режиме всё время. Это значит, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего периода входного сигнала. Следовательно, PN-переход база-эмиттер должен постоянно быть смещен в прямом направлении. К счастью, это может быть достигнуто с помощью постоянного напряжения смещения, добавленного к входному сигналу. При подключении источника постоянного напряжения с достаточно большим уровнем последовательно с источником сигнала переменного напряжения прямое смещение может поддерживаться во всех точках синусоиды сигнала (рисунок ниже).

При наличии источника напряжения смещения 2,3 вольта транзистор остается в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды, верно воспроизводя форму сигнала на динамике (рисунок выше). Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется между примерно 0,8 вольта и 3,8 вольта, как и ожидалось, размах составляет 3 вольта (амплитуда напряжения источника равна 1,5 вольта). Выходной ток (протекает через динамик) изменяется от нуля до почти 300 мА и на 180° отличается по фазе от входного сигнала (с микрофона).

На рисунке ниже показан другой вид этой же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами, подключенными к интересующим нас точкам для отображения соответствующих сигналов.

Важной частью является необходимость смещения в схеме транзисторного усилителя для получения полного воспроизведения формы сигнала. Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен объектам и способам смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может потребоваться для получения на выходе усилителя напряжения и тока правильной формы.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и усиление. Типовой транзистор, используемый в этих исследованиях, имеет значение β = 100, о чем свидетельствует короткая распечатка параметров транзистора, приведенная ниже (этот список параметров для краткости был сокращен).

SPICE параметры биполярного транзистора:

Type npn is 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β указан под аббревиатурой " bf ", что фактически означает "бета, прямое" (“beta, forward”). Если бы мы захотели вставить для исследования наш собственный коэффициент β, мы могли бы сделать это в строке.model в списке соединений SPICE.

Так как β - это отношение тока коллектора к току базы, и у нас нагрузка соединена последовательно с коллектором транзистора, а наш источник соединен последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току будет равно бета. Таким образом, усиление по току в этом примере усилителя составляет 100.

Усиление по напряжению посчитать немного сложнее, чем усиление по току. Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению. Чтобы экспериментально определить его, мы изменим наш последний анализ SPICE для построения графика не выходного тока, а выходного напряжения, чтобы сравнить два графика напряжения (рисунок ниже).

Common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end Выходное напряжение V(1) на сопротивлении r динамик для сравнения со входным сигналом

При построении в одном масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую амплитуду, чем входной сигнал, и к тому же он находится на более высоком уровне смещения по сравнению с входным сигналом. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется отношением амплитуд, мы можем игнорировать любую разницу в смещениях по постоянному напряжению между этими двумя сигналами. Несмотря на это, входной сигнал всё равно больше выходного, что говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Честно говоря, этот низкий коэффициент усиления по напряжению не характерен для всех усилителей с общим эмиттером. Это является следствием большого несоответствия между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Наше входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) составляет только 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току определяется исключительно β, и поскольку этот параметр β фиксирован, коэффициент усиления по току для этого усилителя не изменится с изменением любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению зависит от этих сопротивлений. Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его более большим, падение напряжения на нем пропорционально увеличится при тех же значениях токов, и мы увидим на графике сигнал с большей амплитудой. Давайте попробуем промоделировать схему снова, но на этот раз с нагрузкой 30 Ом (рисунок ниже).

Common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end Увеличение r динамик до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз размах выходного напряжения значительно больше, чем у входного напряжения (рисунок выше). При внимательном рассмотрении мы видим, что размах выходного сигнала составляет примерно 9 вольт, примерно в 3 раза больше размаха входного сигнала.

Мы можем выполнить еще одни компьютерный анализ этой схемы, на этот раз поручая SPICE с точки зрения переменного напряжения, давая нам значения амплитуд входных и выходных напряжений, вместо осциллограмм (таблица ниже).

Список соединений SPICE для печати входных и выходных значений переменных напряжений.

Common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(4,3) .end freq v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Измерения амплитуд сигналов на входе и на выходе показали 1,5 вольта на входе и 4,418 вольта на выходе. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В), или 9,3827 дБ.

Поскольку коэффициент усиления по току для усилительного каскада с общим эмиттером фиксирован и равен β, а входное и выходное напряжения будут равных входному и выходному токам, умноженным на соответствующие сопротивления, мы можем получить формулу для приближенного определения коэффициента усиления по напряжению:

Как вы можете видеть, расчетный коэффициент усиления по напряжению довольно близок к результатам моделирования. При идеально линейном поведении транзисторов эти два набора значений будут точно равны. SPICE делает умную работу по учету многих «причуд» работы биполярного транзистора при их анализе, следовательно, присутствует и небольшое несоответствие между расчетными значениями и результатами моделирования.

Эти коэффициенты усиления по напряжению остаются неизменными независимо от того, где в схеме мы измеряем выходное напряжение: между коллектором и эмиттером или на резисторе нагрузки, как это было сделано при последнем анализе. Изменение значения выходного напряжения для любого заданного значения входного напряжения будет оставаться неизменным. В качестве доказательства этого утверждения рассмотрите два следующих анализа SPICE. Первое моделирование на рисунке ниже проведено во временной области, чтобы получить графики входного и выходного напряжений. Вы заметите, что эти два сигнала отличаются по фазе на 180°. Второе моделирование в таблице ниже представляет собой анализ по переменному напряжению, предоставляющий просто показания пиковых напряжений для входа и для выхода.

Список соединений SPICE для первого анализа:

Common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end Усилительный каскад с общим эмиттером с R динамик усиливает сигнал по напряжению

Список соединений SPICE для анализа по переменному току:

Common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(3,0) .end freq v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

У нас всё еще пиковое напряжение на выходе равно 4,418 вольт при пиковом напряжении на входе 1,5 вольта. Единственное отличие от данных последнего моделирования - это то, что в первом моделировании нам видна фаза выходного напряжения.

До сих пор в примерах схем, показанных в этом разделе, мы использовали только NPN транзисторы. PNP транзисторы также можно использовать в любом типе схемы усилительного каскада, если соблюдается правильность полярностей и направлений токов, и схема с общим эмиттером не является исключением. Инверсия и усиление выходного сигнала у усилителя на PNP транзисторе, аналогичны усилителю на NPN транзисторе, только полярности батарей будут противоположными (рисунок ниже).

Подведем итоги:

• Усилительные транзисторные каскады с общим эмиттером носят такое название, потому что у входного и выходного напряжений есть общая точка подключения к транзистору - эмиттер (не учитывая каких-либо источников питания).
• Транзисторы - это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи, которые меняют своё направление. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного напряжения, входной сигнал должен быть смещен постоянным напряжением, чтобы удерживать транзистор в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды сигнала. Это называется смещением.
• Если выходное напряжение в схеме усилителя с общим эмиттером измеряется между эмиттером и коллектором, оно будет на 180° отличаться по фазе от входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя.
• Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером с нагрузкой, подключенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером может быть приблизительно рассчитан по формуле:
  \
  где R вых - это резистор, соединенный последовательно с коллектором; а R вх - это резистор, соединенный последовательно с базой.