Краткие сведения из теории. Исследование транзисторного усилителя выполняется в режиме малого сигнала, когда условия работы транзистора близки к линейным

Исследование транзисторного усилителя выполняется в режиме малого сигнала, когда условия работы транзистора близки к линейным. При этом используется предварительно задаваемый фиксированный режим питания усилителя по постоянному току, одинаковый для всех схем включения. Переменное напряжение поступает на один из входов транзистора, базу, или эмиттер, а выходное – снимается c коллектора, или эмиттера, обеспечивая работу одной из трёх схем включения усилительного каскада – с общим эмиттером, с общей базой или с общим коллектором.

По результатам измерений входных и выходных переменных токов и напряжений усилителя можно определить h -параметры транзистора, входящие в систему уравнений

,

где U ₁, i ₁ – входное переменное напряжение и ток, а I ₂, u ₂ – выходной переменный ток и напряжение. Дифференциальные коэффициенты системы уравнений имеют следующий физический смысл:

h ₁₁ = dU₁/di₁, – входное сопротивление транзистора; h ₁₂ = dU₁/du₂, – обратный коэффициент передачи, или коэффициент обратной связи по переменному току; h ₂₁ = dI₂/di₁ – коэффициент передачи тока; h ₂₂ = dI₂/du₂ - выходная проводимость.

В режиме малых входных сигналов, которые можно рассматривать как малые приращения, значения h -параметров можно получить из соотношений: , ; , ; , ; , .

В зависимости от схемы включения транзистора (общий эмиттер или общая база) к обозначениям h -параметров добавляются соответствующие индексы, например, h _{21 е} или h _{12 b}.

а) б)

Рис. 1. Схема включения транзистора с общим эмиттером

а) – электрическая схема; б) – эквивалентная схема

,

где U_кэ – напряжение коллекторного питания, R_н – сопротивление нагрузки в цепи коллектора, – значение тока коллектора, а - коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Обычно значения коэффициента передачи тока базы транзистора составляют от 20 до 200, типовое значение – 50. В области высоких частот в транзисторе начинают сказываться инерционные процессы, обусловленные межэлектродными емкостями коллектора, базы и эмиттера транзистора и конечным временем распространения носителей в области базы. Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты имеет вид

где - граничная частота схемы с общим эмиттером, на которой коэффициент передачи тока снижается в раз.

При гармоническом входном сигнале , а напряжение на коллекторе транзистора составляет

где - постоянная составляющая напряжения на коллекторе, а - амплитуда переменной составляющей коллекторного напряжения.

Знак минус перед гармонической составляющей в (3.4) показывает, что выходное напряжение противоположно по фазе напряжению на входе усилителя.

Коэффициент усиления по току схемы ОЭ при условии .

,

,

где - температурный потенциал, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, а q – заряд электрона. m – параметр, который зависит от тока базы и напряжения база коллектор и изменяется с ростом тока базы от 1,2 до 2,5.

Выходное сопротивление усилителя в области низких частот определяется параллельным соединением выходного сопротивления транзистора, т.е. сопротивлением перехода база-коллектор, равного 1/h_22Э и сопротивления нагрузки. В резистивных усилителях обычно R_н < 1/h _{22 Э} поэтому .

Коэффициент усиления усилителя по мощности .

Схема с общей базой. В схеме собщей базой (ОБ) входной сигнал подается в цепь эмиттера (рис.2), а выходное напряжение снимается с коллекторного вывода транзистора.

а) б)

Рис. 2. Схема включения транзистора с общей базой

а) – электрическая схема; б) – эквивалентная схема

,

и имеет для большинства транзисторов близкие к единице значения от 0,95 до 0,995.

Напряжение на коллекторе усилителя по схеме с общей базой удовлетворяет выражениям (3.3), (3.4), а ток коллектора , и в первом приближении можно считать . Таким образом, коэффициент усиления по току в схеме с общей базой приблизительно равен единице.

,

где - дифференциальное входное сопротивление усилителя схемы с ОБ. Дифференциальное входное сопротивление схемы с ОБ определяется по формуле и значительно меньше, чем в схеме с ОЭ (единицы или десятки Ом).

Выходное сопротивление схемы с ОБ больше, чем схемы с ОЭ. Это обусловлено тем, что выходная проводимость h _{22 б} < h _{22 э} и ее влияние на выходное сопротивление усилителя меньше, чем в схеме с ОЭ.

Возрастание входного напряжения на эмиттере транзистора приводит к уменьшению эмиттерного, а значит и коллекторного тока. Следовательно, входной ток и напряжение оказываются в противофазе. Аналогично, согласно (3.4) выходной ток противоположен по фазе напряжению на выходе усилителя. Поэтому, учитывая, что , выходное напряжение в усилителе с ОБ оказывается синфазным входному напряжению.

Коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой зависит от частоты усиливаемого сигнала согласно выражению

где - частота, на которой коэффициент передачи тока снижается в раз. Граничная частота >> , поэтому усилитель с ОБ имеет более высокие частотные свойства.

Учитывая, что схема с ОБ имеет усиление по току примерно равное единице, коэффициент усиления по мощности схемы с ОБ меньше, чем схемы с ОЭ. Эта особенность и низкое входное сопротивление схемы с ОБ ограничивают ее использование областью высоких частот.

Схема с общим коллектором. В схеме с общим коллектором (ОК) входной сигнал подается на базу транзистора, а выходной – снимается с эмиттера (Рис.3). Вывод коллектора является общим для входной и выходной цепи по переменному току.

,

.

а) б)

Рис. 2. Схема включения транзистора с общим коллектором

а) – электрическая схема; б) – эквивалентная схема

Высокое входное сопротивление схемы с общим коллектором позволяет использовать ее в качестве усилителя тока, согласующего высокоомную входную цепь с низкоомной нагрузкой.

Выходное сопротивление схемы с ОК имеет минимальное значение по сравнению с другими схемами включения и на его значение оказывает влияние сопротивление R_г источника входного сигнала .

Коэффициент усиления по мощности схемы с ОК , поскольку .

Частотные свойства схемы включения с ОК выше, чем схемы с ОЭ, но ниже, чем схемы с ОБ. В области высоких частот существенное влияние на входное сопротивление оказывает емкость коллекторного перехода, реактивное сопротивление которой оказывается соизмеримо с входным сопротивлением каскада.