Cхемы включения транзисторов

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми дей­ствует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напря­жению.

Основные схемы включения биполярных тран­зисторов называются соответственно схе­мами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Основные схемы включения полевых тран­зисторов называются соответственно схе­мами с общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС).

Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземленным», хотя заземление бывает не всегда.

Свойства схем различны, и поэто­му надо рассмотреть их более подробно.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рисунке 4.6, яв­ляется наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

 

 

 

Рисунок 4.6 – Схема включения транзистора с ОЭ

 

Коэффициент усиления по току k_i такого каскада представляет собой от­ношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного пере­менного тока, т. е. переменных состав­ляющих токов коллектора и базы:

 

(4.10)

k_i = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m к}/ I_{m б}

 

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то k_i состав­ляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характе­ризует один из главных его парамет­ров – известный нам статический коэф­фициент усиления по току (или коэф­фициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый b. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без на­грузки (R_н = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор - эмит­тер:

	(4.11)

b = при u_к-э = const

Коэффициент b бывает равен десят­кам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада k _i. всегда меньше, чем b, так как при включении нагрузки R_н ток i _к умень­шается.

(4.12)

Коэффициент усиления каскада по на­пряжению k_u равен отношению ампли­тудных или действующих значений вы­ходного и входного переменного напря­жения. Входным является переменное напряжение база – эмиттер u_б-э, а выход­ным – переменное напряжение на ре­зисторе нагрузки и_R или, что все равно, между коллектором и эмиттером u_к-э:

k_u = U_{m вых} / U_{m вх} = U_mR / U_{m б-э} = U_{m к-э}/ U_{m б-э}

Напряжение база – эмиттер не пре­вышает десятых долей вольта, а выход­ное напряжение при достаточном сопро­тивлении резистора нагрузки и напря­жении источника Е₂достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому k_u имеет значение от десятков до сотен.

(4.13)

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности k_pполу­чается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэф­фициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется полови­ной произведения амплитуд соответ­ствующих токов и напряжений:

(4.14)

Р_вых = 0,5I_{m вых}/ U_{m вых} = 0,5 I_mк U_{m к-э}

Р_вх = 0,5I_{m вх}/ U_{m вх} = 0,5 I_mб U_{m б-э}

(4.15)

поэтому

k_p = Р_вых/Р_вх = I_{m вых}/ U_{m вых} (I_{m вх} U_{m вх}) = k_ik_u

(4.16)

Важная величина, характеризующая транзистор,– его входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = U_{m б-э}/ I_mб

и составляет от сотен ом до единиц килоом.

Это вытекает из того, что при U_{m б-э}, равном десятым долям вольта, ток I_mб транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера. Например, если U_{m б-э} = 200 мВ, а I_mб = 0,4 мА, то R_вх = 200:0,4 = 500 Ом. Как видно, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при вклю­чении его по схеме ОЭ, как будет показано далее, составляет от единиц до десятков килоом.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напря­жением имеется фазовый сдвиг 180°. Для доказательства этого рассмотрим работу схемы на рисунке 4.6. На нем и на не­которых следующих рисунках знаки по­стоянных потенциалов указаны в кружоч­ках для отличия от знаков перемен­ных потенциалов. Падение напряжения на резисторе нагрузки от постоянного тока коллектора получается со знаком «минус» на верхнем (по схеме) конце. Пусть на вход транзистора (на базу) поступает положительная полуволна напряжения, как показано на рисунке 4.6. Это напряжение складывается с напря­жением Е₁ и напряжение на эмиттерном переходе U_б-э увеличивается. В ре­зультате возрастает ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора. Тогда увеличивается падение напряжения на ре­зисторе нагрузки, т. е. дополнительно к постоянному напряжению на R_н появ­ляется еще и переменное напряжение с той же полярностью. Таким образом, на выходе получается отрицательная полуволна переменного напряжения.

Достоинство схемы ОЭ – удобство питания ее от одного источника, по­скольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы – худшие по сравнению со схемой ОБ частот­ные и температурные свойства. С по­вышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степе­ни, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от темпера­туры.

Схема с общей базой (ОБ). Хотя эта схема (рисунок 4.9) дает значительно мень­шее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и темпе­ратурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Рисунок 4.9 – Включение транзистора по схеме с общей базой

 

Коэффициент усиления по току каска­да ОБ всегда несколько меньше еди­ницы:

(4.17)

k _i = I_mк/I_mэ » 1

так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

(4.18)

Как мы знаем, важнейший пара­метр транзисторов – статический коэф­фициент усиления по току (или коэффи­циент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый a. Он определяется для режима без нагрузки (R_н = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор – ба­за:

a = при u_к-б = const

Коэффициент a всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току k _i для каскада ОБ всегда немного меньше a, так как при включении R_н ток коллектора уменьшается.

(4.19)

Коэффициент усиления по напряже­нию определяется формулой

k_u = U_mк-б/U_mэ-б

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то кол­лекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напря­жения также одинаковы. Поскольку коэффициент усиления по мощности k_p равен произведению k _i k_u, а k _i »1, то k_p примерно равен k_u, т. е. десяткам или сотням.

(4.20)

Входное сопротивление для схемы ОБ

R_вх = U_mэ-б/I_mэ

 

оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение U_mэ-б равно напряжению U_mэ-б, а ток I_mэ в десятки раз больше тока I_mб. Входное сопротивление для схемы ОБ – всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы ом. Такое малое R_вх является существенным не­достатком схемы ОБ. Выходное сопро­тивление, как будет показано далее, в этой схеме получается до сотен килоом.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением от­сутствует, т. е. фаза напряжения при уси­лении не переворачивается. В этом можно убедиться, если рассуждать так же, как при анализе схемы ОЭ. На рисунке 4.9 показана полярность отрицательной полуволны входного напряжения, под влиянием которой возрастают токи i _э и i _к и увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т. е. отрицатель­ная полуволна выходного напряжения.

Следует отметить, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении мень­шие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

(4.21)

Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме (рисунок 4.10) действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е₁ и Е₂ всегда шунтированы конден­саторами большой емкости и для пере­менного тока могут считаться коротко-замкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база –эмиттер u_б-э и выход­ного напряжения:

u_вх = u_б-э + u_вых

 

Коэффициент усиления по току каска­да ОК почти такой же, как и в схеме ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно,

	(4.22)

k _i = I_mэ / I_mб = (I_mк + I_mб) / I_mб = I_mк / I_mб + 1

 

 

Рисунок 4.10 – Включение транзистора по схеме с общим коллектором

 

а отношение I_mк / I_mб есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

 

(4.23)

k _i = U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m вых} / (U_{m б-э} + U_{m вых}) < 1

 

Напряжение U_{m б-э} не более десятых долей вольта, a U_{m вых} при этом составляет единицы вольт, т. е. U_{m б-э} << U_{m вых}. Следовательно, k_u »1. Надо от­метить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усили­вается в десятки раз, так же как и в схеме ОЭ, но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности, очевидно, равен примерно k _i, т. е. нескольким десяткам.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между u_вых и u_вх нет. Пусть, например, в данный момент подается положительная полуволна u_вх, как показано на рисунке 4.10. Тогда увели­чится напряжение u_б-э и возрастет ток эмиттера, который увеличит падение на­пряжения на резисторе нагрузки. Следо­вательно, на выходе получится поло­жительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпа­дает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в про­вод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схе­мы. Действительно,

	(4.24)

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = (U_{m б-э} + U_{m вых})/ I_{m б}

 

Отношение U_{m б-э} / I_{m б} есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как U_{m вых} в десятки раз больше U_mб-э то и R_вх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в таблицу 2.1.

 

Таблица 2.1 – Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
k i	Десятки – сотни	Немного меньше единицы	Десятки – сотни
k u	Десятки – сотни	Десятки – сотни	Немного меньше единицы
k p	Сотни – десятки тысяч	Десятки – сотни	Десятки – сотни
Rвх	Сотни Ом – единицы колоом	Единицы – десятки Ом	Десятки – сотни килоом
Rвых	Единицы – десятки килоом	Сотни килоом – единицы мегаом	Сотни Ом – единицы килоом
Фазовый сдвиг между Uвых и Uвх	180о	0	0

 

Схемы включения полевых транзи­сторов. Подобно биполярным транзисто­рам полевой транзистор можно вклю­чить по одной из трех основных схем. На рисунке 7.1 показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ), аналогичная схе­ме с общим эмиттером.

 

Рисунок 7.1 –Схема включения с общим истоком (ОИ)

 

Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении. Посколь­ку обычно R_н << R _i, то коэффициент усиления каскада по напряжению мож­но подсчитать по формуле

	(7.6)

K » SR_н.

 

 

В практических усилительных каска­дах обычно применяется питание от одного источника Е₂, как это показано на рисунке 7.6 для транзистора с n-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем n–р-переходе в провод истока включается ре­зистор R_и, зашунтированный конденса­тором С_и. Постоянный ток стока I_c0 создает на резисторе R_и напряжение U_з-и0 = I_c0 R_и, которое через источник колебаний ИК подается на. n– р-переход. Сопротивление R_и рассчитывается по формуле R_и = U_з-и0/ I_c0. Через конденсатор С_и проходит переменная составляющая тока стока. Емкость С_и должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты f _и было во много раз меньше R_н. Тогда на емкости С_и будет небольшое переменное напряже­ние. Если конденсатора R_н. нет или его емкость недостаточна, то на R_и полу­чается значительное переменное напря­жение. Оно будет подаваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением u_вх (отрицательная обрат­ная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и коэффициент усиления сни­зится.

 

 

Рисунок 7.6 – Питание полевого транзистора от одного источника

 

Следует заметить, что иногда такая отрицательная обратная связь применя­ется для улучшения работы усилителя (уменьшения искажений, повышения ус­тойчивости коэффициента усиления).

Схема на рисунке 7.6, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения U_з-и0 n–р-перехода, непригод­на для запирания транзистора. Действи­тельно, напряжение смещения U_з-и полу­чается за счет тока стока I_c0, но у за­пертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряжения u_вх, то применяют схему, представлен­ную на рисунке 7.7. В ней напряжение источника Е₂ подано на делитель R₁R₂ и постоянное напряжение на резисторе R₁ является запирающим напряжением смещения U_з-и0. Сопротивление R₁ опре­деляется по формуле R₁ = U_з-и0/ I_д, где I_д - ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источника Е₂. Но вместе с тем ток I_д должен быть в несколько раз больше тока I_c0, получающегося при подаче входного напряжения U_вх. Кон­денсатор С выполняет ту же роль, что и в предыдущей схеме.

 

Рисунок 7.7 – Схема питания, позволяющая запирать транзистор

 

Иногда источник колебаний ИК по­мимо переменного дает постоянное на­пряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряжение подают через разделительный конденсатор С_р (рисунок 7.8), а напряжение смещения U_з-и0 – через резистор R_з, который должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижа­лось входное сопротивление каскада.

 

 

Рисунок 7.8 – Подача входного напряжения через разделительный конденсатор

 

Рисунок 7.9 – Схемы включения полевого транзистора с общим затвором (а) и с общим стоком (б)

 

На рисунке 7.9 показано включение по­левого транзистора с каналом n-типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усиле­нии не переворачивается. Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повто­рителю и может быть назван истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к едини­це. Выходное напряжение по значению н фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно неболь­шое выходное сопротивление и повы­шенное входное. Кроме того, значитель­но уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного со­противления на высоких частотах.

Усилительные каскады с полевым транзистором, включенным по схеме ОЗ или ОС, могут питаться от одного источника. На рисунке 7.10 показаны схемы питания для включения транзистора с общим затвором. В схеме на рисунке 7.10, а постоянный ток стока создает на ре­зисторе R падение напряжения U_з-и0 = I_c0R, которое подается на затвор. Если нужно, чтобы при отсутствии сиг­нала транзистор был заперт, то при­меняют схему, приведенную на рисунке 7.10, б, с делителем напряжения R₁R₂. В ней запирающее напряжение создается на резисторе R₁ от протекания по нему тока делителя I_д. Это напряжение равно U_з-и0 = I_дR₁. При отпирании транзистора к току делителя добавляется еще ток стока и напряжение на затворе возрастает. В обеих схемах конденсатор С служит для сгла­живания пульсаций.

 

 

Рисунок 7.10 – Питание схемы ОЗ от одного источника

 

Схема с общим истоком и питанием от одного источника дана на рисунке 7.11. На затвор подается постоянное отрица­тельное напряжение U_з-и0 = I_c0R_н с рези­стора нагрузки R_н. Если это напряжение слишком большое, то его уменьшают, подавая дополнительно на затвор некоторое положительное напряжение, например, с делителя напряжения, как это показано на рисунке 7.12. В этом случае на затвор подается напряжение U_з-и0 = I_c0R_н – I_дR₁. Возможны и другие схемы питания полевого транзистора от одного источника.

 

 

 

 

Рисунок 7.11 – Питание схемы ОИ от одного источника

 

Рисунок 7.12 – Питание схемы ОИ от одного источника с делителем напряжения