БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Содержание

2. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР КАК УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, усилительные свойства
3. Хотя простейшая модель транзистора изображается как соединение двух диодов, но получить транзисторный эффект, т.е. эффект усиления
4. это обеспечивается тем, что толщина b средней области транзистора – базы выбира-ется меньше длины свобод-ного пробега
5. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками,
6. Можно также записать: Iб = Iэ – Iк; или: Iб = (Iк /α) - Iк =
7. Зависимость коэффициентов передачи тока (α, β) от технологического параметра – толщины области базы – приводит к
8. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТРАНЗИСТОРА В декабре 1947 г. трое сотрудников Bell Laboratories в Мюррей Хилл (Нью Джерси)
9. Первый транзистор относился к типу устройств с точечным контактом.
10. Он состоял из двух золотых электродов, прижатых клиновидным фрагментом изолятора к поверхности пластины из полупроводникового материала
11. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА Каждый переход биполярного транзистора можно включить в прямом (токопроводящем) или обратном (нетокопроводящем) направлении.
12. РЕЖИМ НАСЫЩЕНИЯ – на оба перехода (эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый) подано прямое напряжение, превышающее порог Ферми. РЕЖИМ
13. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ Биполярный транзистор, как усилительное устройство, может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости
14. В схеме с ОЭ входное переменное напряжение подается на переход эмиттер-база (входной ток втекает в базу),
15. В схеме с ОБ входное напряжение также подается на переход эмиттер-база (но входной ток втекает в
16. В схеме с ОК входное напряжение подается на переход база-коллек-тор (входной ток втекает в базу), а
17. Для правильного понимания последующего материала необходимо четко определиться: биполярный транзистор – это токовый прибор, он усиливает
18. СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ Эта схема получила наибольшее распространение, благодаря максимальному коэффициенту усиления по мощности входного
19. Прямая ветвь входной ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ, очень напоминает прямую ветвь p-n-перехода При
20. По входной ВАХ можно определить статическое и дифференциальное входное сопротивление усили-тельного каскада с общим эмиттером. Статическое
21. Выходная Вольт-Амперная характеристика для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, - это зависимость коллекторного тока Iк
22. По выходной ВАХ мож-но определить статиче-ский коэффициент уси-ления по току β = Iк / Iб. Для
23. Статический и диффе-ренциальный коэффи-циенты усиления тока базы зависят от режима работы транзистора, т.е. от величины тока
24. По выходной Вольт-Амперной характеристике можно рассчитать выходное дифференциальное сопротивление Rвых транзистора в схеме с ОЭ. Для
25. Входное переменное напряжения в схеме с ОЭ подводится к базо-эмиттерному переходу. На графиках изобра-жены входная ВАХ
26. Изменение входного напряжения ΔUвх (диапазон изменения входного напряжения указан на рис. вертикальными пунктирными линиями) можно пересчитать
27. Диапазон изменения выходного коллекторного тока (на рис. показан горизонтальными пунктирными линиями) равен: ΔIк = ΔIб •
28. Диапазон изменения выходного напряжения (на рис. показан вертикальными пунктирными линиями) равен: ΔUкэ = ΔIк • Rк.
29. В большинстве случаем следующим усилительным каскадом также является схема с ОЭ. Поэтому параллельно коллекторному сопротив-лению Rк
30. На основе анализа графиков можно сделать вывод о том, что рабочую точку транзистора (или точку покоя)
31. СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ Основное преимущество этой схемы – самая широкая полоса усиливаемых частот. Поэтому схему
32. Входные сопротивления: статическое Rвх_стат и дифференциальное Rвх_диф схемы с ОБ меньше аналогичных величин для схемы с
33. При расчете коэффициента усиления по напряжению для схемы с ОБ будем учитывать: ΔUвх = ΔIвх •
34. При увеличении входного напряжения в схеме с ОБ запирается входной базо-эмиттерный переход и уменьшается ток: Iэ
35. СХЕМА С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ Основное преимущество этой схемы – минимальное выходное сопротивление Rвых_диф и максималь-ное входное
36. Каскады с ОК используют как согласующие или разделительные, обеспечивающие без заметных ослаблений передачу э.д.с. сигнала от
37. Входное сопротивление каскада с ОК определяется по формуле: Rвх_диф ≈ Rэ • γ = Rэ •(β
39. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ ТРАНЗИСТОРА Выбор рабочей точки транзистора рассмотрим на примере схемы с ОЭ. Исходные данные
40. Расчеты будем проводить для конкретного примера: Ек = 10 В; Rк = 2 кОм, кремниевый транзистор
41. СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ДЕЛИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Схема обладает самой плохой термостабиль-ностью и очень чувствительная к
42. На эквивалентной схеме делитель напряжения в базовой цепи Rб1, Rб2 заменен эквивалентной схемой на основе теоремы
43. Недостатки этой схемы проявляются в том, что при изменении питаю-щего напряжения Ек – пропорционально из-меняется эквивалент-ное
44. Пунктирные наклонные прямые указывают на то, что при изменении питающего напряжения Ек (и пропорциональном изменении Есм)
45. СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ТОКОЗАДАЮЩИМ РЕЗИСТОРОМ Эта схема обладает лучшей термостабиль-ностью и значительно меньше подвержена
46. Учитывая, что Ек >> Uбэ, можно записать: Rб ≈ 2 • Rк • β. Т.е. номинал
47. Еще более стабильно работает схема смеще-ния рабочей точки с отрицательной обрат-ной связью (ООС) по напряжению Номинал
48. СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ОТРИ-ЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ТОКУ Введение отрицательной обратной связи (ООС) по
49. Для нашего примера выбираем: URэ = 0,2 • Eк = 2 В; URк = Uэк =
50. Номинал резистора делителя напряжения выбирают из соотношения: Rб2 >> Rвх_диф. Задаемся: Rб2 = 10 кОм. При
51. Можно еще улуч-шить стабильность режима работы транзистора по постоянному току, если добавить ООС по напряжению Номинал
52. Введение ООС для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада
53. Аналогичная схема смещения рабочей точки может быть использована и для каскада усиления с ОБ
54. Схема смещения рабочей точки для каскада с ОК обладает высокой термостабильностью и малой зависимостью режима работы
55. СОСТАВНЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ Если соединить транзисторы по схеме Дарлингтона то полученная схема будет работать как
56. Резистор R между выводами базы и эмиттера транзистора VT2 необходим для надежного запирания этого транзистора при
57. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai) также увеличивает коэффициент усиления по току β до величины, равной
58. Схема дифференциального усилителя имеет два источника входных сигналов Uвх1, Uвх2 и два выхода Uвых1, Uвых2. Постоянные
59. Стабилизатор тока J задает симметричные токи эмиттеров двух транзисторов: Iэ1 = Iэ2 = J / 2.
60. Изменения входного напряжения ΔUвх1 приведут к изменению тока базы ΔIб1 первого транзистора VT1 и пропорциональному изменению
61. Изменения выходных напряжений будут противоположными: ΔUвых1 = ΔIк1• Rк= – ΔUвых2 = – ΔIк2 • Rк.
63. Скачать презентацию

Слайд 2

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР КАК УСИЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор

с двумя p-n-переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда – электронов и «дырок».
Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости.

В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы p-n-p- или n-p-n-типа.
В микроэлектронике главную роль играют транзисторы n-p-n-типа.

Слайд 3

Хотя простейшая модель транзистора изображается как соединение двух диодов, но получить

транзисторный эффект, т.е. эффект усиления по мощности слабых сигналов в схеме с двумя отдельными диодами невозможно.
Работа биполярного тран-зистора основана на взаимодействии двух p-n-переходов;

n-p-n

p-n-p

Слайд 4

это обеспечивается тем, что толщина b средней области транзистора – базы

выбира-ется меньше длины свобод-ного пробега L (диффузи-онной длины) носителей заряда в этой области (обычно b << L).

Iэ

Iк

Iб

Rн

Ебэ

Екб

В режиме усиления к базо-эмиттерному переходу прикладывают прямое напряжение Ебэ, а к базо-коллектроному переходу – обратное напряжение Екб.
В результате через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться основные носители – электроны, которые образуют эмиттерный ток транзистора Iэ.

Слайд 5

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой

области носителями заряда – дырками, образуя ток базы Iб.
Большая часть инжектированных в базу электронов под воздействием электрического поля, создава-емого Екб, подвергается экстракции во вторую n-область транзистора – коллектор, образуя коллек-торный ток Iк.
Ток коллектора Iк немного меньше тока эмиттера Iэ,
Iк = α • Iэ,
где: α = Iк / Iэ = 0,96 ÷ 0,99 – статический коэффициент передачи тока эмиттера

Слайд 6

Можно также записать: Iб = Iэ – Iк;
или: Iб = (Iк /α) -

Iк = Iк •(1 – α) / α ,
где: Iк / Iб = α /(1 - α ) = β >>1 –
статический коэффициент передачи тока базы.
При значении статического коэффициента α = 0,99 коэффициент β = 0,99 / (1 - 0,99) = 99.
Из этих выражений следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его выходного коллекторного тока Iк зависит от значений входного тока эмиттера Iэ или тока базы Iб.
При этом значение тока Iк существенно зависит от эффективности взаимодействия двух p-n-переходов, которое, в свою очередь, обеспечивается очень тонкой областью базы (толщина области базы b составляет единицы или доли микрон)

Слайд 7

Зависимость коэффициентов передачи тока (α, β) от технологического параметра – толщины

области базы – приводит к большому разбросу коэффициентов передачи даже для транзисторов из одной партии, изготовленных в едином техноло-гическом процессе.
Поэтому на заводе после изготовления транзисторов производят контроль коэффициентов передачи и разделяют все изготовленные транзисторы по подгруппам (различные подгруппы маркируются разными буквами в конце обозначения транзистора). Но даже для транзисторов из одной подгруппы коэффициент передачи β может различаться в 2÷3 раза.

Слайд 8

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТРАНЗИСТОРА
В декабре 1947 г. трое сотрудников Bell Laboratories в

Мюррей Хилл (Нью Джерси) – Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Бреттен (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley) – открыли транзисторный эффект и изготовили первое действующее устройство.
Соответствующий патент под номером 02 569 347 был выдан 25 сентября 1951 г., а спустя еще пять лет двое изобретателей – Бардин и Шокли – стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Слайд 9

Первый транзистор относился к типу устройств с точечным контактом.

Слайд 10

Он состоял из двух золотых электродов, прижатых клиновидным фрагментом изолятора к

поверхности пластины из полупроводникового материала германия, покоящейся на металлическом основании.
Точки контакта электродов с германием, между которыми происходило усиление сигнала, разделяло очень маленькое расстояние, составляющее несколько тысячных долей дюйма.
В своем первозданном виде эта конструкция отличалась сложностью изготовления и так и не получила широкого распространения, уступив место более практичным типам транзисторов.

Слайд 11

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Каждый переход биполярного транзистора можно включить в прямом (токопроводящем)

или обратном (нетокопроводящем) направлении.
В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора.
АКТИВНЫЙ РЕЖИМ – на эмиттерно-базовый переход подано прямое напряжение (превышающее порог Ферми), а на коллекторно-базовый переход – обратное (или прямое, но не превышающее порог Ферми). Именно этот режим работы транзистора используется для усиления сигналов или генерации переменного напряжения.

Слайд 12

РЕЖИМ НАСЫЩЕНИЯ – на оба перехода (эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый) подано прямое

напряжение, превышающее порог Ферми.
РЕЖИМ ОТСЕЧКИ – оба перехода находятся в нетокопроводящем состоянии, т.е. к ним подведены обратные напряжения или прямое напряжение с уровнем, не превышающим порог Ферми.
Режим насыщения и отсечки являются основными режимами цифровых логических схем.
ИНВЕРСНЫЙ РЕЖИМ – этот режим является противоположным активному – на коллекторно-базовый переход подано прямое напряжение (превышающее порог Ферми), а на эмиттерно-базовый переход – обратное (или прямое, но не превышающее порог Ферми).

Слайд 13

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
Биполярный транзистор, как усилительное устройство, может быть представлен

в виде четырехполюсника.
В зависимости от того, какой из трех выводов является общим для входа и выхода, а также в зависимости от того на какой вывод подается входной сигнал, а с какого – снимается выходной, можно нарисовать шесть схем включения транзистора.
Но на практике применяются только три схемы: с общим эмиттером – ОЭ, с общей базой – ОБ и с общим коллектором – ОК.
На схемах не показаны цепи питания и цепи смещения переходов транзистора (поэтому аналогичные схемы справедливы и для транзисторов структуры p-n-p).

Слайд 14

В схеме с ОЭ входное переменное напряжение подается на переход эмиттер-база

(входной ток втекает в базу),
а выходное напряжение снимается с выводов эмиттер-коллектор (усиленный выходной переменный ток выте-кает из коллектора).

Слайд 15

В схеме с ОБ входное напряжение также подается на переход эмиттер-база

(но входной ток втекает в эмиттер),
а выходное напря-жение снимается с выводов база-кол-лектор (выходной переменный ток вы-текает из коллек-тора).

Rк

Uвх

Uвых

Слайд 16

В схеме с ОК входное напряжение подается на переход база-коллек-тор (входной

ток втекает в базу),
а выходное напряжение снимается с выводов эмиттер-коллектор (усиленный выходной переменный ток вытекает из эмиттера).

Rэ

Uвх

Uвых

Слайд 17

Для правильного понимания последующего материала необходимо четко определиться:
биполярный транзистор – это

токовый прибор, он усиливает или передает на выход именно ток;
входное воздействие – это изменение входного тока, которое численно равно: ΔIвх = ΔUвх / Rвх – приращению входного напряжения, деленному на величину дифференциального входного сопротивления;
выходной отклик на входное воздействие – это изменение выходного тока, а выходной эффект в виде изменения выходного напряжения численно равен: ΔUвых = ΔIвых • Rнагр – произведению приращения выходного тока на величину сопротивления нагрузки.

Слайд 18

СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
Эта схема получила наибольшее распространение, благодаря максимальному коэффициенту

усиления по мощности входного сигнала.
На входной Вольт-Амперной характеристике (ВАХ) кремниевого биполярного транзистора, т.е. зависимости входного базового тока от приложенного напряжения база-эмиттер, выделим три области:
левее точки а – область отсечки; через переход база-эмиттер протекает очень маленький (доли микроАмпер) тепловой ток неосновных носителей – Iкб0;
нелинейный участок между точками а и б – квадратичный участок (в некоторых книгах он называется – экспоненциальный участок);
относительно линейный участок (выше точки б), на котором ток базы резко возрастает при увеличении напряжения Uбэ.

Слайд 19

Прямая ветвь входной ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ, очень

напоминает прямую ветвь p-n-перехода
При подаче обратного напряжения на базо-эмит-терный переход многие кремниевые транзисторы работают в режиме Зенеро-вского пробоя с напряж-ением стабилизации от 6 до 10 В.

Поэтому в справочниках указано, что обратное рабочее напряжение базо-эмиттерного перехода для большинства транзисторов не должно превышать 5 В.

Слайд 20

По входной ВАХ можно определить статическое и дифференциальное входное сопротивление усили-тельного

каскада с общим эмиттером.
Статическое входное сопротивление Rвх_стат численно равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной из центра координат к точке на ВАХ (например, к точке б).
Дифференциальное входное сопротивление Rвх_диф в этой точке значительно меньше и равно котангенсу угла наклона касательной.
Статическое и дифференциальное входные сопротивления имеют максимальное значение при минимальных токах базы и уменьшаются по мере увеличения этого тока.

Слайд 21

Выходная Вольт-Амперная характеристика для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, -

это зависимость коллекторного тока Iк от напряжения Uкэ (в качестве переменного параметра на графиках указаны дискретные значения тока базы транзистора Iб).
На этом рисунке штриховыми линиями выделена РАБОЧАЯ ОБЛАСТЬ, ограниченная:
сверху – максимальным током коллектора – Iк_макс;
справа – максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер –Uкэ_макс;
а также ограниченная гиперболой максимально допустимой мощности рассеивания – Рк_макс. (Формула для построения этой гиперболы: Iк = Рк_макс / Uкэ).

Слайд 22

По выходной ВАХ мож-но определить статиче-ский коэффициент уси-ления по току β

= Iк / Iб.
Для этого необходимо значение тока коллек-тора на одной из линий ВАХ поделить на ток базы, указанный для этой линии. β = 6 / 0,1 = 60.

По выходной ВАХ можно также определить дифферен-циальный коэффициент усиления по току: h21 = ΔIк / ΔIб при постоянном напряжении коллектор-эмиттер (Uкэ = const).

Слайд 23

Статический и диффе-ренциальный коэффи-циенты усиления тока базы зависят от режима работы

транзистора, т.е. от величины тока коллектора.
На рис. показана типич-ная зависимость диффе-ренциального коэффи-циента усиления h21 от тока коллектора.

Такую зависимость можно использовать для регулировки коэффициента усиления в каскадах с ОЭ простым изменением режима работы транзистора (т.е. изменением тока коллектора).

Слайд 24

По выходной Вольт-Амперной характеристике можно рассчитать выходное дифференциальное сопротивление Rвых транзистора

в схеме с ОЭ.
Для этого выбирают две точки на почти горизонтальной линии графика и для этих точек рассчитывают: Rвых = ΔUкэ / ΔIк.
В схеме с ОЭ выходное сопротивление транзистора может быть от десятков до сотен килоОм.

Слайд 25

Входное переменное напряжения в схеме с ОЭ подводится к базо-эмиттерному переходу.

На графиках изобра-жены входная ВАХ и источник перемен-ного синусоидаль-ного напряжения.

Точка покоя А (или рабочая точка транзистора) выбирается на линейном участке входной ВАХ.
Для этого необходимо на базо-эмиттерный переход подать постоянное напряжение смещения : Uсм ≈ 0,65 В.

Слайд 26

Изменение входного напряжения ΔUвх (диапазон изменения входного напряжения указан на рис.

вертикальными пунктирными линиями) можно пересчитать в изменение входного базового тока: ΔIб = ΔUвх / Rвх_диф = ΔUбэ / Rвх_диф.
На следующем рис. график переменного базового тока Iб наложен на область параметров выходной Вольт-Амперной характеристики схемы с ОЭ.
На этом графике указана величина питающего коллекторного напряжения Ек и наклонная «нагрузочная прямая».
Котангенс угла наклона нагрузочной прямой определяется номиналом нагрузочного резистора Rк в выходной цепи коллектора.

Слайд 27

Диапазон изменения выходного коллекторного тока (на рис. показан горизонтальными пунктирными линиями)

равен: ΔIк = ΔIб • h21.

Слайд 28

Диапазон изменения выходного напряжения (на рис. показан вертикальными пунктирными линиями) равен:

ΔUкэ = ΔIк • Rк.
Обратите внимание на то, что фаза выходного синусоидального напряжения Uкэ противоположная фазе входного напряжения Uбэ.
Схема усилителя с ОЭ инвертирует входной сигнал, т.е. изменяет фазу сигнала на 180о.
Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОЭ равен:

Слайд 29

В большинстве случаем следующим усилительным каскадом также является схема с ОЭ.

Поэтому параллельно коллекторному сопротив-лению Rк по переменному току включено входное сопротивление Rвх_диф следующего каскада.
Учитывая, что Rк >> Rвх_диф, можно считать, что нагрузкой предыдущего каскада является входное сопротивление следующего. А коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОЭ примерно равен:
kU = h21 (Rвх_диф / Rвх_диф) ≈ h21.
Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ равен:
kP = kU • kI ≈ (h21)2.

Слайд 30

На основе анализа графиков можно сделать вывод о том, что рабочую

точку транзистора (или точку покоя) необходимо выбирать так, чтобы напряжение Uкэ было равно (или немного меньше) половины напряжения источника коллекторного питания Ек,
т.е. падение напряжения на транзисторе – Uкэ должно быть равно (или немного меньше) падения напряжения на коллекторном резисторе:
Uкэ ≤ URк.

Слайд 31

СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
Основное преимущество этой схемы – самая широкая полоса

усиливаемых частот. Поэтому схему с ОБ применяют в высокочастотных блоках радиоприемных устройств.
Входная Вольт-Амперная характеристика усилитель-ного каскада с ОБ практически совпадает с аналогичной ВАХ для схемы с ОЭ, но вместо тока базы Iб необходимо подставить ток эмиттера Іэ, который больше в
раз

Слайд 32

Входные сопротивления: статическое Rвх_стат и дифференциальное Rвх_диф схемы с ОБ меньше

аналогичных величин для схемы с ОЭ в γ раз.
Выходное дифференциальное сопротивление Rвых_диф схемы с ОБ примерно во столько же раз больше, чем выходное сопротивление в схеме с ОЭ.
Коэффициент усиления тока в схеме с ОБ:
kI =ΔIк / ΔIэ ≈ α = 0,96 ÷ 0,99 (т.е. почти равен 1).
Поэтому схему с ОБ иногда называют повторите-лем тока.

Слайд 33

При расчете коэффициента усиления по напряжению для схемы с ОБ будем

учитывать:
ΔUвх = ΔIвх • Rвх_диф = ΔIэ • Rвх_диф;
ΔUвых = ΔIк • Rк ≈ ΔIэ • Rк,
потому что: Iк ≈ Iэ;
kU = ΔUвых / ΔUвх ≈ Rк / Rвх_диф.
Учитывая очень малую величину Rвх_диф, можно утверждать, что схема с ОБ имеет наибольший коэффициент усиления по напряжению (среди трех известных схем).
Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОБ: kP = kU • kI – меньше аналогичного коэффициента для схемы с ОЭ.

Слайд 34

При увеличении входного напряжения в схеме с ОБ запирается входной базо-эмиттерный

переход и уменьшается ток: Iэ ≈ Iк,
т.е. уменьшается падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rк.
Это приводит к увеличению выходного напряжения на коллекторе транзистора:
Uк = Ек – Ік • Rк.
Поэтому схема с ОБ усиливает входное переменное напряжение без инверсии.

Слайд 35

СХЕМА С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ
Основное преимущество этой схемы – минимальное выходное

сопротивление Rвых_диф и максималь-ное входное сопротивление Rвх_диф (среди трех известных схем).
Коэффициент передачи по напряжению kU в схеме с ОК близок к единице, в результате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной:
Uвых ≈ Uвх.
Поэтому каскад с ОК называют повторителем напряжения (или эмиттерным повторителем, потому что выходной сигнал снимают с эмиттера).

Слайд 36

Каскады с ОК используют как согласующие или разделительные, обеспечивающие без заметных

ослаблений передачу э.д.с. сигнала от высокоомных источников к низкоомным цепям и каскадам.
Коэффициент усиления по току в схеме с ОК равен:
kI =ΔIэ / ΔIб ≈ γ = β + 1
(знак приблизительного равенства указывает на то, что статические коэффициенты передачи тока γ и β почти равны аналогичным дифференциальным коэффициентам).

Слайд 37

Входное сопротивление каскада с ОК определяется по формуле:
Rвх_диф ≈ Rэ •

γ = Rэ •(β + 1).
(Параллельно Rэ может быть включено сопро-тивление нагрузки, которое нужно учесть по формуле параллельного соединения резисторов).
Выходное сопротивление каскада с ОК равно:
Rвых_диф ≈ Rвн / γ,
где: Rвн – внутреннее сопротивление источника сигнала или выходное сопротивление предыдущего каскада.

Слайд 38

Слайд 39

ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ ТРАНЗИСТОРА
Выбор рабочей точки транзистора рассмотрим на примере

схемы с ОЭ.
Исходные данные для выбора рабочей точки или точки покоя (т.е. режима транзистора при отсутствии сигнала):
напряжение коллектор-эмиттер Uкэ примерно равно (или немного меньше) падения напряжения на коллекторном резисторе URк;
ток покоя коллектора равен: Iк = URк / Rк;
ток покоя базы равен: Iб = Iк / β.
по входной ВАХ транзистора определяется напряжение покоя Uбэ, соответствующее базовому току покоя Iб.

Слайд 40

Расчеты будем проводить для конкретного примера: Ек = 10 В; Rк

= 2 кОм,
кремниевый транзистор типа КТ315, коэффициент усиления тока базы β = 50.
Напряжение Uкэ= URк = Ек / 2 = 5 В.
Ток покоя коллектора: Iк = URк / Rк = 5 / 2 = 2,5 мА.
Ток покоя базы: Iб = Iк / β = 2,5 / 50 = 0,05 мА.
По входной ВАХ транзистора определяется напряжение покоя на базо-эмиттерном переходе: Uбэ = 0,6 В.

Слайд 41

СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ДЕЛИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
Схема обладает самой плохой

термостабиль-ностью и очень чувствительная к изменению питающего напряжения Ек.

Слайд 42

На эквивалентной схеме делитель напряжения в базовой цепи Rб1, Rб2 заменен

эквивалентной схемой на основе теоремы Тевенена:
Есм = Uхх = Ек • Rб2 / (Rб1 + Rб2).
т.е. Rэкв рассчитывается как параллельное соединение двух резисторов Rб1 и Rб2.

Слайд 43

Недостатки этой схемы проявляются в том, что при изменении питаю-щего напряжения

Ек – пропорционально из-меняется эквивалент-ное напряжение сме-щения Есм

+70оС

0,1

0,2

0,4

0,5

I, мА

0,4

Есм

U, В

0,3

–30оС

0,6

0,2

В реальных схемах при работе транзисторной аппаратуры от автономных гальванических элемен-тов напряжение питания Ек может изменяться в полтора и более раз.

Слайд 44

Пунктирные наклонные прямые указывают на то, что при изменении питающего напряжения

Ек (и пропорциональном изменении Есм) на 30% базовый ток покоя транзистора изменяется в 2÷3 раза,
что может привести к запиранию транзистора (Iб → 0) при уменьшении Ек, или, наоборот –
к полному отпиранию двух переходов (т.е. к режиму насыщения) при увеличении Ек.
Дополнительное изменение тока покоя базы Iб транзистора вызывается изменением температуры.
Эти изменения показаны на рис. точками пересечения сплошной наклонной прямой и входными ВАХ при разных температурах транзистора (пунктирные кривые линии).

Слайд 45

СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ТОКОЗАДАЮЩИМ РЕЗИСТОРОМ
Эта схема обладает лучшей

термостабиль-ностью и значительно меньше подвержена негативным последст-виям при изменении пи-тающего напряжения Ек.

Номинал базового резистора Rб численно равен:

Слайд 46

Учитывая, что Ек >> Uбэ, можно записать:
Rб ≈ 2 • Rк

• β.
Т.е. номинал резистора Rб пропорционален коэффициенту усиления тока β.
Реально это означает, что для каждого отдельного транзистора необходимо подбирать свой базовый токозадающий резистор Rб.
При изменении питающего напряжения Ек – пропорционально ему изменяются токи покоя базы Iб и коллектора Iк, а напряжение Uкэ остается примерно равным половине напряжения источника питания Ек.
При изменении температуры незначительно изменяется напряжение Uбэ (которое значительно меньше Ек), поэтому токи Iб, Iк и напряжение Uкэ существенно не изменяются.

Слайд 47

Еще более стабильно работает схема смеще-ния рабочей точки с отрицательной обрат-ной

связью (ООС) по напряжению

Номинал резистора Rб рассчитывается по формуле:
Rб ≈ Rк • β.
В этой формуле также присутствует статический коэффициент усиления тока базы β (который может быть разным для транзисторов одного типа), поэтому необходим индивидуальный подбор токозадающего резистора Rб.

Слайд 48

СХЕМА СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ С ОТРИ-ЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ТОКУ
Введение

отрицательной обратной связи (ООС) по току через резистор Rэ обеспечивает лучшую стабильность рабочей точки и малую зависимость режима работы транзистора от параметра β.
При расчете элементов цепи смещения задаются падением напряжения на резисторе обратной связи URэ = (0,15÷0,3) • Eк.
Конкретное значение этого коэффициента выбирается на основе компромисса: чем больше этот коэффициент, тем лучше стабильность рабочей точки, но максимальная амплитуда переменного выходного сигнала будет меньше.

Слайд 49

Для нашего примера выбираем:
URэ = 0,2 • Eк = 2 В;

URк = Uэк = (Eк – URэ) / 2 = (10 – 2) / 2 = 4 В;
Iк = URк / Rк = 4 В / 2 кОм = 2 мА.
С учетом: Iк ≈ Iэ →
Rэ = URэ / Iэ = 2 В / 2 мА = 1 кОм.
Ток базы транзистора равен:
Iб = Iк / β = 2 мА / 50 = 40 мкА.

Слайд 50

Номинал резистора делителя напряжения выбирают из соотношения: Rб2 >> Rвх_диф.
Задаемся: Rб2

= 10 кОм.
При этом ток делителя Iд равен:
Iд = (URэ + Uбэ) / Rб2 = ( 2 + 0,65) В / 10 кОм = 0,265 мА.
Через резистор Rб1 протекает сумма токов: Iд + Iб.
Поэтому номинал резистора равен:
Rб1 = (Ек – URэ – Uбэ) / (Iд+ Iб) =
= (10 – 2 – 0,65) В / (0,265 + 0,04) мА = 24 кОм.
В нашем примере ток делителя Iд >> Iб = Iк / β.
Поэтому влияние коэффициента усиления тока базы транзистора β на режим работы по постоянному току незначительное.

Слайд 51

Можно еще улуч-шить стабильность режима работы транзистора по постоянному току, если

добавить ООС по напряжению

Номинал резистора Rб1, включенного в цепь отрицательной обратной связи по напряжению, рассчитывается из соотношения:
= (10 – 4– 2 – 0,65) В / (0,265 + 0,04) мА = 12 кОм.

Слайд 52

Введение ООС для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току приводит

к уменьшению коэффициента усиления каскада по переменному току или напряжению.

Конденсатор С1. замыкается на общий провод переменное на-пряжение ООС

Параллельно резистору Rэ включен конденсатор С2 для устранения отрицательной обратной связи по переменному току.

Слайд 53

Аналогичная схема смещения рабочей точки может быть использована и для каскада

усиления с ОБ

Слайд 54

Схема смещения рабочей точки для каскада с ОК обладает высокой термостабильностью

и малой зависимостью режима работы от параметра β вследствие 100%-ной отрицательной обратной связи по току.

Слайд 55

СОСТАВНЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Если соединить транзисторы по схеме Дарлингтона то

полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент усиления по току β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов VT1 и VT2.

VT2

VT1

Напряжение между эмиттером и базой Uэб у составного транзистора в два раза больше, чем у одного отдельного транзистора.
Транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель (схема с ОК), это обеспечивает более высокое значение входного сопротивления Rвх_диф для схемы Дарлингтона,

Слайд 56

Резистор R между выводами базы и эмиттера транзистора VT2 необходим для

надежного запирания этого транзистора при высоких температурах.
Даже если на входные выводы эмиттер-база транзистора Дарлингтона подано нулевое напряжение, через этот резистор протекают тепловые токи неосновных носителей Iкб0 (первого и второго транзисторов).
Значение этих токов увеличивается в два раза при увеличении температуры транзисторов на 10оС.
Номинал резистора R – от одного до 10 кОм – обеспечивает падение напряжения не более потенциального барьера Ферми (0,5 В) за счет протекания этих токов при максимальной температуре транзистора.

Слайд 57

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai) также увеличивает коэффициент усиления по

току β до величины, равной произведению коэффициентов β составляющих транзисторов VT1 и VT2.

Тип проводимости эквивалентного составного транзистора соответст-вует типу проводимости первого транзистора VT1 (для этой схемы эквивалентный транзистор имеет тип проводимости p-n-p).

Напряжение между базой и эмиттером в схеме Шиклаи соответствует аналогичному напряжению для первого транзистора VT1.
Номинал и назначение резистора R такие же, как и в схеме Дарлингтона.

Слайд 58

Схема дифференциального усилителя имеет два источника входных сигналов Uвх1, Uвх2 и

два выхода Uвых1, Uвых2.
Постоянные питающие напряжения подаются отдельно:
Е1 – для питания коллекторных цепей транзис-
торов VT1, VT2 и
Е2 – в цепь эмиттеров.

0,1

0,2

Iб, мА

0,4

0,8

Uбэ, В

Iб

Uбэ0

Слайд 59

Стабилизатор тока J задает симметричные токи эмиттеров двух транзисторов: Iэ1 =

Iэ2 = J / 2.
Токи коллекторов транзисторов почти равны токам эмиттеров, а базовые токи транзисторов VT1, VT2 равны: Iб1 = Iб2 = Iэ / γ = J / (2 • γ).
Если входные сигналы равны нулю: Uвх1 = Uвх2 = 0, то на базах транзисторов будет нулевое напряжение.
На входной ВАХ точка покоя (точка А) имеет нулевой потенциал, а отрицательное напряжение на эмиттерах транзисторов равно: – Uбэ0 ≈ – 0,65 В.
При равных токах коллекторов: Iк1=Iк2 – постоянные выходные напряжения также равны:
Uвых1 = Е1 – Iк1 • Rк = Uвых2 = Е1 – Iк2 • Rк.
Разность постоянных выходных напряжений: Uвых1 – Uвых2 = 0.

Слайд 60

Изменения входного напряжения ΔUвх1 приведут к изменению тока базы ΔIб1 первого

транзистора VT1 и пропорциональному изменению тока эмиттера ΔIэ1.
Поскольку сумма токов эмиттеров двух транзис-торов постоянная и равна J, поэтому изменения тока эмиттера второго транзистора будут иметь противоположные значения: ΔIэ2 = – ΔIэ1.
Например: увеличение тока эмиттера Iэ1 первого транзистора на 1 мА приведет к уменьшению тока эмиттера Iэ2 второго транзистора на 1 мА.
При равенстве параметров транзисторов VT1, VT2 можно утверждать, что изменения токов коллекторов также будут иметь противоположные значения:
ΔIк1 = ΔIэ1 • α1 = – ΔIк2 = – ΔIэ2 • α2.

Слайд 61

Изменения выходных напряжений будут противоположными:
ΔUвых1 = ΔIк1• Rк= – ΔUвых2

= – ΔIк2 • Rк.
Поэтому:
ΔUвых1 = ΔUвх1 • кU = – ΔUвых2 = – ΔUвх1 • кU ,
где: кU = h21 • Rк / (2 • Rвх_диф).
Если изменяется не только входное напряжение ΔUвх1 но и ΔUвх2, то результирующие изменения выходных напряжений равны:
ΔUвых1 = (ΔUвх2 – ΔUвх1) • кU ;
ΔUвых2 = – ΔUвых1 = (ΔUвх1 – ΔUвх2) • кU .
Зависимость выходного напряжения ΔUвых от разности входных сигналов (или от дифферен-циального сигнала) отразилось в названии: вычитающий усилитель или дифференциальный усилитель.