Схемы включения транзистора

Рассмотрим схему, изображённую на рисунке 1. При помощи переменного резистора мы можем плавно менять напряжение на базе, а при помощи вольтметра и амперметра – измерять напряжение и ток базы. Для различных значений напряжения на базе будем измерять ток базы. Мы получим ряд значений, которые можно отложить на графике, в виде точек. По этим точкам проведём прямую. Таким образом, мы получили входную вольт-амперную  характеристику транзистора (рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

Выберем на прямолинейном участке графика любые две точки, не очень далеко отстоящие друг от друга. Пусть точке А соответствует напряжение базы 0,35 В и ток базы 450 мкА, а точке Б – напряжение базы 0,5 В и ток базы 650 мкА (рис. 3). По этим четырём значениям можно получить очень важную характеристику усилительного каскада на транзисторе – входное сопротивление:

Рис. 3

Обычно низкое входное сопротивление нежелательно, так как увеличиваются потери сигнала из-за образование делителя напряжения (рис. 4) и  меняются характеристики колебательного контура, если он находится во входной цепи.

Рис. 4

Будем менять напряжение на базе и измерять ток коллектора и напряжение коллектора (рис. 5). По полученным данным можно построить график зависимости тока коллектора от напряжения коллектора (рис. 6).

Рис. 5

Рис. 6

Выберем на прямолинейном участке графика любые две точки. Пусть точке А соответствует напряжение коллектора 4,5 Вольта и ток коллектора 3 мА, а точке Б – напряжение коллектора 6 Вольт и ток коллектора 2 мА (рис. 7). По этим данным можно найти выходное сопротивление усилительного каскада. Выходное сопротивление отрицательно, поэтому берётся модуль:

Рис. 7

Для различных схем требуется разное выходное сопротивление. Например, для усилителей мощности низкой частоты, необходимо низкое выходное сопротивление, а для усилителей высокой частоты, в которых в выходной цепи стоит колебательный контур – высокое.

Схема усилительного каскада, которую мы до сих пор рассматривали, называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), так как потенциал эмиттера остаётся неизменным (за исключением случая, когда в цепи эмиттера стоит резистор обратной связи). В этой схеме входной сигнал подаётся между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером (рис. 8).

Рис. 8

В схеме с ОЭ входное и выходное сопротивление не очень сильно отличаются друг от друга: выходное сопротивление может быть в 10 раз больше входного.

Выходное сопротивление тем больше, чем больше сопротивление нагрузки и наоборот.

Входное сопротивление тем больше, чем больше сопротивление нагрузки; чем больше глубина обратной связи

Другой схемой включения транзистора является схема с общей базой (ОБ) (рис. 9). Входной сигнал здесь, также, подаётся между базой и эмиттером, но потенциал базы остаётся постоянным, а меняется потенциал эмиттера. Выходной сигнал, как и в схеме с ОЭ, снимается между коллектором и общим проводом питания (в данном случае – «минусовый» провод источника).

Схема с ОБ характеризуется очень низким входным сопротивлением и очень высоким выходным. Применяется схема в усилителях и генераторах частот метрового диапазона волн (УКВ, FM) и сверх высоких частот.

Рис. 9

Третья схема включения транзистора – это схема с общим коллектором (ОК) или схема эмиттерного повторителя (Рис. 10).

В этой схеме входной сигнал подаётся на базу. Выходной сигнал формируется на эмиттере. Эта схема характеризуется очень большим входным сопротивлением, и очень низким выходным.

Применяется схема с ОК в усилителях мощности звуковой частоты, когда усиленный сигнал подаётся на громкоговоритель; в стабилизаторах напряжения; в схемах, где необходимо низкое выходное сопротивление или высокое входное.

Рис. 10

Рассмотрим каждую из основных схем включения транзистора более подробно. Начнём с самой распространённой из них – схемы с общим эмиттером (ОЭ).

Будем менять напряжение базы и для каждого напряжения на базе измерять напряжение на коллекторе при помощи схемы, изображённой на рисунке 11. По полученным данным можно начертить график зависимости напряжения коллектора от напряжения на базе (рис. 12).

Рис. 11

Рис. 12

Как и раньше, выберем две любые точки на графике. Точке А пусть соответствует напряжение базы 0,2 Вольта и напряжение коллектора 5,6 Вольт, а точке Б  - напряжение базы 0,25 Вольт и напряжение коллектора 4,5 Вольта (рис. 13). По этим данным найдём усиление по напряжению:

Рис. 13

По той же самой схеме будем вновь менять напряжение на базе и для каждого напряжения на базе будем измерять ток базы и ток коллектора (рис. 14). По полученным данным можно построить график зависимости тока коллектора от тока базы (рис. 15):

Рис. 14

Рис. 15

Из этого графика можно найти коэффициент усиления по току. Для этого снова выберем две точки на графике. Пусть точке А соответствует ток базы 40 мкА (0,00004 А) и ток коллектора 5,6 мА (0,0056 А), а точке Б – ток базы 50 мкА (0,00005 А) и ток коллектора 7 мА (0,007 А) (Рис. 16).

Рис. 16

Таким образом, усиление по току составило 140, а усиление по напряжению – 22. Из физики известно, что мощность равна произведению тока на напряжение P=IU (измеряется в Ваттах). Поэтому усиление по мощности равно произведению усиления по току и усиления по напряжению:

Как мы увидели схема с общим эмиттером даёт очень большое усиление по мощности, поэтому она наиболее распространена.

Схема с общим эмиттером используется в усилителях низких частот и высоких частот в области длинных, средних и коротких волн (до 30-40 МГц), в генераторах низких и высоких частот, триггерах и других устройствах.

На рисунке 17 изображена схема усилителя с отрицательной обратной связью, которая осуществляется за счёт конденсатора, стоящего между коллектором и базой. Как уже было сказана ранее, ёмкостное сопротивление конденсатора зависит от частоты, поэтому величина обратной связи не постоянна для различных частот. Для высоких частот глубина обратной связи больше, поэтому усиление меньше. Чем выше частота, тем меньше усиление.

Если конденсатора обратной связи нет, то всё равно существует ёмкость между коллектором и базой, от которой невозможно избавиться. Эта ёмкость составляет всего лишь несколько пикофарад, поэтому она не оказывает влияние на усиление низких частот. Для высоких частот этой ёмкости достаточно, чтобы снизить усиление даже до единицы.

Рис. 17

Для усиления высоких частот необходимо экранировать входной электрод транзистора от выходного электрода. В схеме с общим эмиттером это сделать невозможно. Поэтому прибегают к схеме с общей базой. В этом случае входным электродом оказывается эмиттер, а выходным – коллектор. Между коллектором и эмиттером находится база, потенциал которой делают постоянным. Таким образом,  коллектор оказывается экранирован от эмиттера (рис. 18).

Рис. 18

Проанализируем работу этой схемы. База имеет некоторый постоянный положительный потенциал. Пускай входной сигнал делает эмиттер более положительным, тогда разность потенциалов между эмиттером и базой уменьшается. Это приводит к уменьшению тока коллектора, а значит увеличивается напряжение коллектора. Значит, увеличение потенциала эмиттера вызывает увеличение напряжения коллектора, и наоборот. Поэтому сигнал на выходе совпадает по фазе с сигналом на входе.

Схема с общей базой даёт хорошее усиление по напряжению, но усиление по току меньше единицы. Это видно из следующих вычислений:

Третья схема, которая используется в радиотехнике – это схема с общим коллектором или схема эмиттерного повторителя (рис. 19). Как уже было сказано ранее, в этой схеме потенциал коллектора постоянен, входным электродом является база, выходным – эмиттер.

Если потенциал базы увеличивается, то увеличивается ток эмиттера, а значит увеличивается падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера. Поэтому потенциал эмиттера также увеличивается. И наоборот, при уменьшении потенциала базы, потенциал эмиттера также уменьшается. Отсюда следует, что выходной сигнал находится в фазе с входным.

Рис. 19

В усилителе, собранном по схеме с общим коллектором, существует сильная отрицательная обратная связь. Это приводит к следующему:

• Входное сопротивление достигает высоких значений.

• Отсутствует усиление по напряжению. Потенциал эмиттера равен потенциалу базы. Отсюда появилось второе название этой схемы – схема эмиттероного повторителя.

Так как ток эмиттера самый большой в транзисторе, выходное сопротивление усилителя очень низкое, поэтому схема нашла применение в усилителях мощности звуковой частоты, стабилизаторах напряжения и в других устройствах.

Усиление по току в схеме эмиттерного повторителя больше чем в схеме с общим эмиттером, это видно из следующих вычислений:

И ещё одно важное соотношение:

Обобщим всё вышесказанное с помощью таблицы:

Схема включения	ОЭ	ОБ	ОК
Входное сопротивление	200 - 2000 Ом	30 - 1500 Ом	0,2 – 1 Мом
Выходное сопротивление	10 – 100 кОм	0,5 – 2 МОм	50 – 500 Ом
Усиление по току	20 – 200	<1	20 – 200
Усиление по напряжению	Несколько сотен	Несколько сотен или тысяч	Около единицы
Усиление по мощности	Несколько тысяч	Несколько сотен	Несколько десятков
Напряжения на выходе и входе	В противофазе	В фазе	В фазе
Применение	Универсальное. Усилитель и фазоинвертор	На наиболее высоких частотах. При работе на высокоомную нагрузку	При работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного генератора

 

В следующей таблице приведены формулы, которые позволяют вычислить коэффициент усиления по току для каждой из схем включения транзистора, если известен коэффициент для другой схемы:

Схема	ОЭ	ОБ	ОК
ОЭ
ОБ
ОК