БОЛЬШОЙ набор материала по курсу / Полупроводники на Necromant / 3) NEW / транзистор лекция №1 / 3. Усиление мощности транзистором
Усиление мощности транзистором осуществляется за счёт преобразования мощности источника питания в полезную мощность, выделенную в полной нагрузке.
Физический механизм этого усиления заключается в следующем. При обратном смещении коллекторного перехода при отсутствии тока эмиттера через коллекторный переход протекал бы только ток, созданный неосновными носителями базы и коллектора, т.е., тепловой ток коллекторного перехода. Однако, если эмиттерный переход смещен прямо и осуществляется инжекция дырок из эмиттера в базу, то при узкой базе значительная часть тока эмиттера, созданного инжектированными дырками (неосновными носителями для базовой области) будет создавать дополнительный ток через коллекторный переход. В идеальном случае дифференциальное сопротивление коллекторного перехода равно бесконечности (тепловой ток перехода не зависит от обратного напряжения на коллекторе). Поэтому ток, создаваемый эмиттерным переходом, можно рассматривать как генератор тока, подключенный к коллекторному переходу. Ток данного генератора задается изменением напряжения на эмиттерном переходе.
Поскольку в идеальном случае сопротивление коллектора бесконечно велико, то к коллектору можно подключать любое по величине конечное сопротивление, и оно не изменит величину тока через коллекторный переход. Тогда на этом сопротивлении нагрузки коллектора можно получить любое желаемое падение напряжения. Но поскольку ток через эмиттер зависит экспоненциально от напряжения на эмиттере и может меняться очень легко и значительно при небольших изменениях напряжения на эмиттере, то это означает, что очень малыми изменениями напряжения на эмиттерном переходе мы можем вызвать значительные изменения напряжения на нагрузке в коллекторной цепи, т.е. добиться большого усиления. В этом и заключается эффект усиления с помощью биполярного транзистора.
Часто при анализе процессов в транзисторе говорят о “транзисторном эффекте”. Под транзиторным эффектом в данном случае следует понимать возможность управления током через обратносмещенный переход с бесконечно большим дифференциальным сопротивлением малым по величине эмиттерным напряжением, создающим управляющий ток. Ток управления (эмиттерный ток или, как мы увидим позже, и базовый ток) может меняться в очень широких пределах заданием малых изменений входного напряжения на переходе эмиттер – база.
В реальном случае дифференциальное сопротивление коллекторного перехода конечно и бесконечно большого усиления получить в принципе невозможно. Однако коэффициенты усиления по мощности могут быть достаточно высокими.
Усиление электрических колебаний с помощью транзисторов
Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться в ткани организма.
Всхемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).
Типы включения транзистора в схемах усилений
Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистораp—n—pтипа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжениеUвхвключено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжениемEЭ. Входным током является ток эмиттераIЭ. При измененииUвхсоответственно будет меняться иIЭпо законуUвх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базыIБи ток коллектораIК. ИзменяющийсяIК, проходя по сопротивлению нагрузкиRн, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величиныUвых. Выходной коллекторный токIКпочти равен входному току эмиттера, и еслиRнвыбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузкеUвыхбудет больше входного напряжения
Uвхпри неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряженияUвх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжениюk
где RЭ— сопротивление эмиттерного перехода (десятки ом).
Так как IЭ IК, то.
Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току , равный отношению приращения выходного – коллекторного токаIКк вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного токаIЭпри постоянном напряжении на коллектореUK, т.е.
приUK = const.
Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току всегда меньше единицы и обычно
= 0,90 0,99.
Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы IБ, а выходным – ток коллектораIК.
При изменении Uвхизменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттераIЭ .
В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора IК иIБ базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектораIК управляется входным током – током базыIБ, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряженияUвх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по токув схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного токаIК к вызвавшему его изменению тока базыIБпри постоянном напряжении на коллекторе:
приUK = const.
Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение Uвх изменяет входной токIБ, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектораIК, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.
( 1— примерно несколько десятков).
Ввиду наличия сопротивления нагрузки Rнизменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсаторСподается на выход усилителя в качестве выходного напряженияUвых. И так как амплитуда тока коллектораIКвсегда больше амплитуды тока базыIБ ( 1), то при достаточной величине сопротивления нагрузкиRнамплитуда выходного напряженияUвыхполучается значительно больше амплитуды входного напряженияUвх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощностиP (P=UI), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.
Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.
Транзистор в активном режиме обладает способностью усиливать мощность электрического сигнала, включенного в входную цепь. При этом в зависимости от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) будет наблюдаться усиление сигнала либо по току, либо по напряжению, либо по тому и другому. Например, в схеме с ОБ имеется усиление по напряжению и по мощности, усиление по току не происходит . Для того, чтобы выделить мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают нагрузочный резистор Rк, обладающий большим сопротивлением, значительно превышающим входное сопротивление транзистораRэ(сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении (см. рис. 12-16).
Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе(Uкб=Eкб–Rк . Iк), но это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный токIкне уменьшится. Величина токаIк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттераIэ.
Поскольку входное сопротивление транзистора Rэмало, небольшое изменение тока эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи на сопротивлении нагрузкиRкэто небольшое изменение тока вызовет значительное изменение напряженияUк=RкIк, т.к.Rквелико.
Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину Uэб, ток эмиттера изменится на величинуIэ=Uэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же величинуIк=IэIэ, (1). Напряжение на нагрузкеRкв коллекторной цепи изменится наUк=RкIкилиUк=(Rк/Rэ)Uэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке вRк/Rэраз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так какRк>>Rэ, следовательно,Uк>>Uэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение входной мощности равноРвх=РэIэ 2 приращение выходной мощностиРвых=RкIк 2 RкIэ 2 илиРвых=(Rк/Rэ)Рвх. Т.к.Rк>>Rэ, тоPвых>>Pвх.
При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.
В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.
Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором в выходной цепи.
Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току приводит к значительное усилению по мощности.
В схеме усиления с ОК (p-n-p)Ku=1, а коэффициент усиления по токуKi=10-100. Так как в этой схемеUвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.
Усилительные свойства биполярного транзистора
Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.
Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т.е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением RК, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.
Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если RК велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔUЭ вызовет изменение эмиттерного тока на ΔIЭ = ΔUЭ/RЭ. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔIК ≈ ΔIЭ, а напряжение на нагрузке изменится на
ΔUК = RКΔIК ≈ RKΔIЭ . Если подставить в DUК значение ΔIЭ, то ΔUК =RКΔUЭ /RЭ, откуда видно, что приращение напряжения на RК больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в RК /RЭ раз. А так как RК» RЭ, то ΔUк» ΔUЭ.
Приращение входной мощности DPвх = RЭDIЭ 2 , а приращение выходной мощности ΔPвых = RКΔIK 2 ≈ RKΔIЭ 2 = RK /RЭ ·ΔРвх, т.е. оно больше ΔР в RК /RЭ раз. Следовательно, ΔPвых » DPвх.
При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на эмиттер (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе RК, т.е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: