Дата последнего обновления файла 9.09.2011

Схемы включения транзистора

Устройство транзистора

Транзисторы предназначены для усиления электронных сигналов. Фирмы, специализирующиеся на выпуске монолитных интегральных схем, обычно тщательно разрабатывают для своей продукции несколько типов транзисторных интегральных структур. Затем эти транзисторы применяются в самых различных, как цифровых, так и аналоговых интегральных схемах. Эти же транзисторные структуры могут выпускаться в виде дискретных транзисторов. На рисунке 1 приведено устройство наиболее распространенного интегрального n-p-n транзистора.

Устройство интегрального n-p-n транзистора
Рисунок 1 Устройство интегрального n-p-n транзистора

В этом транзисторе все выводы расположены на одной поверхности полупроводникового кристалла кремния. Цифрой 1 на рисунке 1 обозначен эмиттер транзистора, цифрой 2 — база, а цифрой 3 — коллектор. Цифрой 4 обозначен слой металлизации, а цифрой 5 — изолирующий слой оксида кремния. В интегральных микросхемах транзисторы изолируются друг от друга p областями. Подложка, имеющая p-проводимость соединяется с наиболее отрицательным выводом микросхемы, поэтому при нормальном режиме работы микросхемы, изолирующие p-n переходы будут всегда заперты. По структуре транзистора, приведенной на рисунке 1 можно составить эквивалентную схему транзистора, отображающую наиболее важные элементы схемы транзистора, влияющие на его частотные и усилительные свойства. На рисунке 2 приведена эквивалентная схема интегрального n-p-n транзистора.

Эквивалентная схема интегрального n-p-n транзистора
Рисунок 2 Эквивалентная схема интегрального n-p-n транзистора

На этой схеме влияние изолирующего p-n перехода отображено параллельным сопротивлением сопротивления RКП и CКП. Усилительные свойства транзистора моделируются генератором тока, ток которого определяется по формуле:

Формула усиления транзистора по току

Сопротивление эмиттерного перехода rЭ в данной эквивалентной схеме можно определить по формуле:

Формула сопротивления эмиттерного перехода

где Iэ — ток эмиттера;
Формула определения температурного потенциала — температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина;
q — заряд электрона.

Для температуры 25 С° = 300 K° температурный потенциал φT = 26 мВ. Для усилителей, смесителей частоты, аналоговых умножителей, реализованных на биполярных транзисторах, температурный потенциал φT является важнейшим параметром, позволяющим рассчитать входные и выходные сопротивления этих блоков.

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока). У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:

  • Схема с общим эмиттером
  • Схема с общей базой
  • Схема с общим коллектором

Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией. Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.

Схема с общим эмиттером

Наиболее распространенной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 3.

Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером
Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером. Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора. Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.

Что касается амплитудно-частотной характеристики схемы с общим эмиттером, то в данном включении транзистора верхняя частота усиления будет минимальная по сравнению с остальными схемами включения транзистора. Верхняя частота усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, ограничена частотой fβ (fh21э). [Подробнее]

Схема с общей базой

Схема с общей базой обычно применяется на высоких частотах. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общей базой не усиливает по току. В данной схеме производится усиление только по напряжению. Функциональная схема включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 4.

Функциональная схема включения транзистора с общей базой
Рисунок 4. Функциональная схема включения транзистора с общей базой

На этой схеме цепи питания коллектора и базы тоже не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общей базой служит эмиттерное сопротивление транзистора, поэтому входное сопротивление схемы с общей базой мало. Её входное сопротивление самое маленькое из всех схем включения транзистора, однако для данной схемы это не является недостатком, т.к. входное сопротивление высокочастотных усилителей должно быть равно 50 Ом.

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой — самая широкополосная из всех схем включения транзистора, поэтому она широко используется в высокочастотных усилителях радиочастоты. Частотная характеристика схемы с общей базой ограничивается предельной частотой усиления транзистора fα (fh21б). [Подробнее]

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором обычно применяется для получения высокого входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 5.

Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором
Рисунок 5. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления резистора в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.

Амплитудно-частотная характеристика схемы включения транзистора с общим коллектором достаточно широкополосна. Однако полоса пропускания усилителя может быть серьёзно ограничена из-за шунтирования высокого входного сопротивления схемы с общим коллектором паразитными емкостями, поэтому в основном схема с общим коллектором применяется в качестве буферного усилителя с высоким входным сопротивлением. Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. [Подробнее]

Литература:

  1. Шило В. Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре" под ред. Е.И. Гальперина — М.: "Сов. радио" 1974
  2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  3. Биполярный транзистор. Часть 5

Вместе со статьей "Схемы включения транзистора" читают:

Коллекторная стабилизация
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

Эмиттерная стабилизация
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

Схема с общей базой (каскад с общей базой)
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OB/

Схема с общим коллектором (каскад с общим коллектором)
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OK/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2015

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100