Биполярный транзистор в режиме усиления

Обобщенная модель усилителя. Одним из важнейших применений биполярного транзистора является усиление колебаний, т. е. получение на выходе транзистора колебаний большей амплитуды, чем на входе.

Рис. 5.1

При использовании транзистора для усиления колебаний он может быть включен по одной из известных схем ОБ, ОЭ, ОК, поэтому изобразим транзистор в обобщенном виде, как четырехполюсник (рис. 5.1). В выходную цепь включена нагрузка, ее сопротивление R будем для упрощения считать чисто резистивным. Амплитуду переменного напряжения на выходе обозначим U_вых. Во входной цепи действует источник переменного напряжения U_вх, которое должно быть усилено.

Процесс усиления характеризуют коэффициентами
усиления, показывающими соотношение величин на выходе и входе. Применяют коэффициенты усиления:

по напряжению

К _U = U_вых / U_вх (5.1)

по току

K_I = I_вых / I_вх (5.2)

по мощности

K_P = P_вых / P_вх = U_вых I_вых / U_вх I_вх = К_U K_I (5.3)

Найдем уравнения, связывающие коэффициенты усиления с
h-параметрами транзистора.

Используя уравнения параметров транзистора (4.1), (4.2) для диапазона низких частот, запишем:

U_вх = h₁₁ I_вх + h₁₂ U_вых. (5.4)

I_ВЫХ = h_{2 1} I_вх + h₂₂ U_вых. (5.5)

U_вых = R I_вых. (5.6)

Из уравнений (5.4) и (5.5) получаем выражение для коэффициента усиления по току:

K_I = h_{2 1}/(1 + h₂₂R). (5.7)

Обычно h₂₂R<< 1, поэтому

К_I ≈ h₂₁. (5.8)

Исключив из уравнения (5.4) ток I_вх, а затем I_вых, найдем выражение

для коэффициента усиления по напряжению:

(5.9)

Oбычно h₂₂ << 1/R и h₁₂ h₂₁ << h₁₁R. Тогда, пренебрегая этими величинами,

получим приближенное соотношение

К_U = Rh₂₁/h₁₁. (5.10)

Использовав выражения для коэффициентов усиления по напряжению и току, можно определить коэффициент усиления по мощности:

К_р = Rh / h₁₁ (5.11)

Усилитель по схеме с общей базой. Схема этого усилителя показана на рис.5.2. Нагрузка R включена в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения Е_КБ. В цепь эмиттера поданы усиливаемое напряжение U_вх и напряжение смещения Е_эб, позволяющее установить рабочую точку на участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Рис. 5.2

Нагрузка может быть подключена и параллельно выходу транзистора к выводам коллектор-база. В этом случае
последовательный резистор и цепи коллектора тоже необходим, он предотвращает шунтирование выхода транзистора низким сопротивлением источника питания Е_КБ. Для переменной составляющей коллекторного тока

I_mк разделительный резистор и нагрузка подключены параллельно друг другу и последовательно с транзистором. Обозначив сопротивление разделительного резистора R₁ и сопротивление нагрузки R2, найдем, что полное сопротивление нагрузки R = (R1 + R2)/R1R2. Таким образом, параллельное подключение нагрузки сводится к последовательному.

Для оценки возможностей данного усилителя возьмем типичные значения
h -параметров транзистора в схеме с общей базой: h_11б = 30 Ом, h_12б = 10^–4, h_21б ≈ 1, h_22б = 1 мкА/В. Тогда, воспользовавшись соотношением (4.64), найдем, что коэффициент усиления по току для схемы с общей базой

К_I = I_mк/I_mэ ≈ 1.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно выражению (4.66),

К_U ≈ Rh_{2 1б}/ h_11б ≈ R/h_11б.

На низких частотах отношение R/h₁₁₆ может достигнуть нескольких тысяч, так как входное сопротивление h_11б очень мало, а сопротивление нагрузки R может составлять несколько килоом. Поэтому коэффициент усиления по напряжению также может достигнуть нескольких тысяч.

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой равен коэффициенту усиления по напряжению, так как K_I ≈ 1:

К_Р = К_U.

Следовательно, его величина тоже достигает нескольких тысяч. Недостатком схемы с общей базой является большое различие в величинах входного и выходного сопротивлений усилительной ступени (входное сопротивление очень низкое, а выходное — высокое). При подключении входа последующей
2

усилительной ступени к выходу предыдущей результирующее сопротивление нагрузки R = R1h_11б/ (R1 + h₁₁₆) ≈ h_11б и коэффициент усиления предыдущей ступени падает дo единицы:

K_U ≈ h_21б h_11б/ h_11б ≈ 1.

Для устранения этого недостатка требуется применять согласующие трансформаторы, что усложняет устройство, увеличивает его габариты и стоимость.

Усилитель по схеме с общим эмиттером. Схема этого усилителя изображена на рис.5.3. Нагрузка R, как и в предыдущем случае, включена в коллекторную цепь, источники напряжения смещения Е_бэ и усиливаемого напряжения U_вх в цепь базы. Входным током усилителя является ток базы, следовательно, входное сопротивление будет значительно выше, чем в схеме с общей базой, так как переменное напряжение на входе в обоих случаях одно и то же, а ток базы существенно меньше тока эмиттера.

Для транзистора с общим эмиттером можно

Рис. 5.3 взять следующие типичные значения h - параметров:

h_11э = 1500 Ом, h_12э = 10^–3, h_21Э = 50. Тогда получим, что коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером, согласно соотношению (4.64),

К_I,= I_тk/1_тб ≈ h_21э ≈ 50.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно выражению (4.66),

К_U = – R h_21Э / h_11э = h_21э К_U,

он имеет примерно такую же величину, как и в схеме с общей базой, так как
h_21Э / h_11э = – h_21б / h_11б (смотри приложения).

Коэффициент усиления по мощности

К_p = Rh /h_11э = h_21э К_U

в h_21э раз больше, чем в схеме с общей базой.

Благодаря своим преимуществам – сравнительно высокому входному сопротивлению и значительному усилению – схема с общим эмиттером получила на практике наиболее широкое распространение.

Усилитель по схеме с общим коллектором.

Схема этого усилителя представлена на рис.5. 4. Здесь нагрузка R включена в цепь эмиттера, а на эмиттерном переходе действует переменное напряжение U_mб, равное разности между

Рис. 5.3

входным Uвх и выходным Uвых напряжениями. Поэтому коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим коллектором всегда меньше единицы:

К_U = Uвых / Uвх = (Uвх – U_mб)/Uвх < 1.

Действительно, для h - параметров транзистора в схеме
с общим коллектором можно взять типичные значения:

h_11k = 1500 Ом, h_12k = 1 ,h_21k = – 50, h_22k = 50 мкА/В. Тогда с учетом величин параметров транзистора, согласно соотношению (4.65), получим

Коэффициент усиления по току в соответствии с соотношением (4.64)

K_I = I_mэ /I_mб ~ h_21k ~ 50.

Схема с общим коллектором отличается также высоким входным сопротивлением:

Дата добавления: 2015-07-15