Полевые транзисторы в практике начинающих радиолюбителей
Эта статья предназначена в раздел «Начинающему радиолюбителю». Задолго до появления в журнале «Радио» № 9 – 2007 г. статьи В. Андрюшкевича «Измерение параметров полевых транзисторов», руководствуясь теми же принципами и задачами, я сделал прибор, подобный описанному в статье, но, на мой взгляд, значительно проще схемотехнически и технологически. Думаю, начинающие радиолюбители оценят это. С другой стороны прибор В. Андрюшкевича точнее и универсальнее, создан на более современной элементной базе, с хорошими эргономическими свойствами, короче – более высокого уровня.
В свое время автор столкнулся с проблемой подбора распространенных полевых транзисторов (ПТ) для установки в конкретные схемы усилителей, истоковых повторителей, смесителей и др. Применяя известные стандартные схемы для измерения параметров ПТ и, убедившись в большом разбросе величин измеряемых параметров, было решено собрать простейший комбинированный прибор для измерения наиболее часто применяемых в практике радиолюбителей параметров: ток стока, напряжение отсечки, крутизна характеристики.
Сначала немного теории. Она излагается только для дальнейшего практического применения и понимания работы прибора, и не больше. Поэтому опущена физика работы ПТ и некоторые теоретические положения. Именно на практическом аспекте применяемых положений и сделан акцент. Надеюсь, что для начинающих радиолюбителей небольшое описание работы прибора будет полезным и применимым в создании реальной конструкции.
Передаточная (управляющая) характеристика полевых транзисторов с управляющим p-n – переходом.
На приведенном рисунке изображена схема измерения тока стока полевого транзистора. В обозначениях: затвор – з, сток – с, исток – и. Кроме тока стока важнейшей характеристикой ПТ является напряжение отсечки Uотс. Это напряжение между затвором и истоком (Uзи), при котором ток стока равняется почти 0, хотя обычно его принимают в 10 мкА.
Если Uзи равняется 0, то ток стока ПТ будет максимальным и называется током насыщения, или током полного открытого канала, или начальным током стока. Обозначается Iс.нач. (иногда Iс.о).
Если на затвор ПТ подавать напряжение смещения (оно же Uзи, на рис.1 это батарея 1,5v), и на абсциссе отразить Uотс., а на ординате Iс.нач. и другие величины тока стока при различном Uзи (смещении), то можно построить кривую, которая называется вольт-амперной характеристикой ПТ. Таким образом, как видно из графика, Ic зависит от величины Uотс.
Определение крутизны характеристики (S) по собранной схеме (рис.1) проводится по формуле:
S = Iс.нач. – Iс/Uзи., где Ic – выбранный оптимальный ток стока при котором будет работать ПТ.
На прямом ее участке, который всегда расположен на графике от 0 до величины Uотс./2 и называется квадратичным , выбирают ток стока Iс, при котором ПТ будет работать наиболее эффективно и не вносить нелинейных искажений в работу стандартной схемы линейного усилителя (рис.3). Обычно это половина квадратичного участка: Uотс./2, тогда Uзи приблизительно будет равно Uотс./4.
На практике Uзи равен падению напряжения на Rн (Uн). Т.е., можно выбрать по кривой S оптимальный ток Iс и далее определить Uзи (есть соответсвующие графики в справочниках – зависимость S от Iс и от Uзи, и наоборот). Далее по закону Ома определить Rн, который необходимо ставить в цепь истока ПТ линейного усилителя. Предположим, что выбран Iс = 6мА, при этом из данных по S-характеристике Uзи = Uн = 0,7 v. Тогда Rн =Uн/Iс = 0,7 v/0,006 А = 116 Ом.
Возможен и другой вариант: зная по характеристикам или измерениям Uотс. можно определить Uзи (=1/4 Uотс.) и далее по графику S определить Ic, а затем и величину Rн.
В работающем усилителе на ПТ можно не выпаивая измерить Uн (падение напряжения на Rн) и, зная номинал Rн из схемы, рассчитать Iс. Например, Iс = Uн/Rн = 0,7 v/116 Ом = 0,006 А (6мА). Сравнивая полученные данные с таблично-паспортными можно подобрать Rн для оптимального Ic.
Определение Uотс. возможно по схеме на рис.4.
Поскольку Ic зависит от Uзи, то S-характеристика может меняться (сдвигаться). Меняется она и при воздействии на ПТ температуры окружающей среды. Чтобы попасть на термостабильную точку, выбирают Uзи = Uотс. – 0,63v. На практике у реальных ПТ при фиксированном Uзи, Ic меняется от 0,1 до 0,5 мА (в справочной литературе есть соотв. графики этой передаточной характеристики).
На вольт-амперных характеристиках ПТ Uси находится в пределах до Uси.нас. – напряжения насыщения сток – исток, и обычно не превышает 2v (для КП303, а для других ПТ иногда больше). Эта характеристика называется выходной.
Схема и работа с прибором.
Реальная схема прибора для измерения параметров ПТ не отличается от приведенных выше схем для измерения Ic и Uотс. Просто прибор стал более универсальным, своего рода стендом для измерения параметров ПТ.
При известном Ic (желаемом, оптимальном, из справочников) сначала определяют Ic.нач. Для этого устанавливают тип канала ПТ переключателями SА2 и SA3 («n – p канал»), а переключатель SA4 («Параметр») устанавливают в положение «Iс.нач.». Микроамперметр (мультиметр) подключают к клеммам ХТ2. Подсоединив ПТ к планке с клеммами ХТ4 включают прибор, нажимают кнопку SB1 «Измерение» и считывают Iс.нач.
Далее определяют Ic, переведя переключатель SA4 в положение «Ic». Пи этом резистором R2 («Уст. Uзи») изменяют (по шкале этого резистора) Uотс. от величины при которой ток стока будет минимальным (около 10 мкА) до величины, близкой ¼Uотс. Микроамперметр покажет Ic: вместе с величиной Uзи на графике они образуют точку на квадратичном участке кривой. Потом рассчитывают крутизну характеристики (S) ПТ:
S = Ic.нач - Ic/Uзи, где Uзи =1/4Uотс.(эмпирически подобранное соотношение).
Можно сначала определить Uотс. (переключатель SА4 в соответствующем положении), разделить эту величину на 4, получив Uзи, а вслед за этим и Ic по графику.
При измерении Uотс. (когда мультиметр подключают к клеммам вольтметра) важно, если пользуются одним и тем же мультиметром, не забыть замкнуть между собой клеммы милли(микро)амперметра ХТ2 перемычкой S1.
Uси обычно равно 10 v. В приборе можно его менять, т.к. в справочниках иногда приводятся графики ВАХ при другом напряжении. То же самое можно сказать и об Uзи – его величину можно менять. Для этих целей служат регулируемые стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, которые используются для питания цепи стока ПТ от 2 до 15 v, а цепи затвора - от 0 до -5 v. Иногда при измерении параметров 2-х затворных ПТ требуется на второй затвор подавать положительное напряжение. Для этой цели в приборе установлен переключатель SA2.2, меняющий полярность напряжения, получаемого со стабилизатора смещения, на противоположную. Собственно только поэтому этот переключатель не совмещен с переключателем типа канала. Клемму «К» на планке ХТ4 можно использовать (или дополнительно установить еще одну) для подключения второго затвора, коммутировав ее с выходом стабилизатора напряжения смещения (на схеме не показано).
Регуляторы напряжения следует проградуировать – тогда не понадобиться применять дополнительные клеммы и приборы для измерения Uси и Uзи. Чтобы не менять местами щупы мультиметра при измерениях, клеммы ХТ2 и ХТ3 включены в схеме через соответствующие диодные мосты, а полярность питающих напряжений меняется на противоположную, переключателем SА2. Величины самих же напряжений следует устанавливать такими, какие приводятся в справочниках.
Часто можно слышать об опасности повреждения ПТ статическим электричеством, наводящимся из электросети через БП (также и от паяльника, от рук, одежды и т.д.). Конечно, оптимальным является питание прибора от «Кроны» и элемента типа АА, при этом риск повреждения ПТ сетевой статикой минимален. И если напряжений указанных батарей для измерения маломощных ПТ достаточно, то так и следует поступить – вставить в прибор эти две батареи. С другой стороны, мой практический опыт работы с изготовленным прибором ни разу не привел к повреждению ПТ. Очевидно, что этому способствовали определенные свойства конструкции и соблюдение обычных правил при работе с полевыми транзисторами. В трансформаторе Т1 применена тефлоновая межобмоточная изоляция, подача питания на подсоединенный к прибору ПТ в схеме – через кнопку SB1 «Измерение». Кстати, трансформатор, наиболее доступный и подходящий для данного прибора по величине напряжений на вторичных обмотках – ТВК-70Л2.
Самое простое правило – выводы ПТ перед и при подсоединении к клеммам прибора всегда должны быть закорочены (несколько витков мягкого луженого тонкого провода вокруг выводов у основания транзистора). При измерениях провод, естественно, снимается.
Прибор смонтирован в корпусе старенького АВО-63, где удалось разместить блок питания и использовать штатную стрелочную измерительную головку. Внешний вид прибора показан на рис.6. Выводы испытуемого ПТ подключаются к разъему на конце короткого шлейфа от БП персонального компьютера.
В заключение следует заметить, что приведенная схема не догма и при воплощении в реальный прибор для радиолюбителя тут целое поле возможностей и вариантов изменения схемотехники и конструктива.
Василий Кононенко (RA0CCN).
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов или .
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора
), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы
). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .
Также параметрами биполярного транзистора являются:
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).
Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.
Транзисторы разделяют на группы:
Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.
Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.
База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей - электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.
Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.
Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками - основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.
Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.
Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.
Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.
Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.
Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.
Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.
Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.
Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.
В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .
Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения - в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.
Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.
Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.
На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.
Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.
Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.
Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.
Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.
Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC - V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.
Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.
Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.
Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.
Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель
Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.
Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.
Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.
Работа в режиме переключения
Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.
Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.
Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.
Приведены несколько схем простых устройств и узлов, которые могут быть изготовлены начинающими радиолюбителями.
Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик - он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена.
Тем не менее его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.
Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда X1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В - четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда ХЗ, Х4.
Делитель R1R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усили теля.
Рис. 1. Схема однокаскадного усилителя ЗЧ на транзисторе.
Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллекто ра транзистора Соответственно увеличится падение напряжения на резисто ре R3. В итоге уменьшится ток эмитте ра, а значит, и ток коллектора - он достигнет первоначального значения.
Нагрузка усилительного каскада - головной телефон сопротивлением 60.. 100 Ом. Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1 например, пинцетом в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки пере менного тока. Ток коллектора транзис тора составляет около 3 мА.
Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации - резистор R4, работаю щий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции
Усилитель более "чувствительный” по сравнению с однокаскадным - коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.
Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 - в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.
Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.
Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов например, от микрофона. И конечно он позволит значительно усилить сигнал 34, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.
Здесь также использована непосредственная связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций.
Допустим, что ток коллектора транзистора VТ1 уменьшился Падение напряжения на этом транзисторе увеличится что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, включенном в цепи эмиттера транзис тора VТ2.
Благодаря связи транзисторов через резистор R2, увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его тока коллектора. В итоге первоначальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.
Рис. 3. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах одинаковой структуры.
Чувствительность усилителя весьма высока - коэффициент усиления достигает 100. Усиление в сильной степени зависит от емкости конденсатора С2 - если его отключить, усиление снизится. Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.
Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, с электретным микрофоном и другими источниками слабого сигнала. Ток, потребляемый усилителем - около 2 мА.
Он выполнен на транзисторах разной структуры и обладает усилением по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может быть 0,1 В.
Усилитель двухкаскадный первый собран на транзисторе VТ1 второй - на VТ2 и VТЗ разной структуры. Первый ка скад усиливает сигнал 34 по напряжению причем обе полуволны одинаково. Второй - усиливает сигнал по току но каскад на транзисторе VТ2 “работает” при положительных полуволнах, а на транзисторе VТЗ - при отрицательных.
Рис. 4. Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах.
Режим по постоянному току выбран таким что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада равно примерно половине напряжения источника питания.
Это достигается включением резистора R2 обратной связи Ток коллектора входного транзистора, протекая через диод VD1, приводит к падению на нем напряжения. которое является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров), - оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.
Нагрузка (несколько параллельно включенных головных телефонов либо динамическая головка) подключена к усилителю через оксидный конденсатор С2.
Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8 -.10 Ом), емкость этого конденсатора должна бы ь минимум вдвое больше Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада - резистора R4 Его верхний по схеме вывод соединен не с плюсом питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.
Это так называемая цепь вольтодобавки, при которой в базовую цепь выходных транзисторов поступает небольшое на пряжение ЗЧ положительной обратной связи, выравнивающее условия работы транзисторов.
Такое устройство можно использовать. например, для индикации “истощения” батареи питания либо индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора позволит продемонстрировать принцип его работы.
Рис. 5. Схема двухуровневого индикатора напряжения.
В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 погашены. При перемещении движкарезистора вверх, напряжение на нем увеличивается. Когда оно достигнет напряжения открывания транзистора VТ1 вспыхнет светодиод HL1
Если продолжать перемещать движок. наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VТ2. Вспыхнет и светодиод HL2. Иными словами, малое напряжение на входе индикатора вызывает свечение только светодиода HL1 а большее обоих светодиодов.
Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, заметим что вначале гаснет светодиод HL2, а затем - HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6 при увеличении их сопротивлений яркость падает.
Чтобы подключить индикатор к реальному устройству, нужно отсоединить верхний по схеме вывод переменного резистора от плюсового провода источника питания и подать контролируемое напряжение на крайние выводы этого резистора. Перемещением его движка подбирают порог срабатывания индикатора.
При контроле только напряжения источника питания допустимо установить на месте HL2 светодиод зеленого свечения АЛ307Г.
Он выдает световые сигналы по принципу меньше нормы - норма - больше нормы. Для этого в индикаторе использованы два светодиода красно го свечения и один - зеленого.
Рис. 6. Трехуровневый индикатор напряжения.
При некотором напряжении на движке переменного резистора R1 (напряжение в норме) оба транзистора закрыты и (работает) только зеленый светодиод HL3. Перемещение движка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения (больше нормы) на нем открывается транзистор VТ1.
Светодиод HL3 гаснет, а HL1 зажигается. Если движок перемещать вниз и уменьшать таким образом напряжение на нем (‘меньше нормы”) транзистор VТ1 закроется, а VТ2 откроется. Будет наблюдаться такая картина: вначале погаснет светодиод HL1, затем зажжется и вскоре погаснет HL3 и в заключение вспыхнет HL2.
Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от погасания одного светодиода к зажиганию другого еще не погас полностью например, HL1, а уже зажигается HL3.
Как известно это устройство ис пользуется обычно для преобразования медленно изменяющегося напряжения в сигнал прямоугольной формыКогда движок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении транзистор VТ1 закрыт.
Напряжение на его коллекторе высокое, в результате транзистор VТ2 оказывается открытым а значит, светодиод HL1 зажжен На резисторе R3 образуется падение напряжения.
Рис. 7. Простой триггер Шмитта на двух транзисторах.
Медленно перемещая движок переменного резистора вверх по схеме, удастся достичь момента когда произойдет скачкообразное открывание транзистора VТ1 и закрывание VТ2 Это случится при превышении напряжения на базе VТ1 падения напряжения на резисторе R3.
Светодиод погаснет. Если после этого перемещать движок вниз триггер возвратится в первоначальное положение - вспыхнет светодиод Это произойдет при напряжении на движке меньшем чем напряжение выключения светодиода.
Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала При этом мультивибратор формирует импульс своей длительности независимо от длительности входного. Убедимся в этом проведя эксперимент с макетом предлагаемого устройства.
Рис. 8. Принципиальная схема ждущего мультивибратора.
В исходном состоянии транзистор VТ2 открыт, светодиод HL1 светится. Достаточно теперь кратковременно замкнуть гнезда Х1 и Х2 чтобы импульс тока через конденсатор С1 открыл транзистор VТ1. Напряжение на его коллекторе снизится и конденсатор С2 окажется подключенным к базе транзистора VТ2 в такой полярности, что тот закроется. Светодиод погаснет.
Конденсатор начнет разряжаться ток разрядки потечет через резистор R5, удерживая транзистор VТ2 в закрытом состоянии Как только конденсатор разрядится, транзистор VТ2 вновь откроется и мультивибратор перейдет снова в режим ожидания.
Длительность формируемого мультивибратором импульса (продолжительность нахождения в неустойчивом состоянии) не зависит от длительности запускающего, а определяется сопротивлением резистора R5 и емкостью конденсатора С2.
Если подключить параллельно С2 конденсатор такой же емкости, светодиод вдвое дольше будет оставаться в погашенном состоянии.
И. Бокомчев. Р-06-2000.
Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.
В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда - электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей - электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены .
Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.
Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.
Рисунок 1.
Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.
Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.
По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, - рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные - 3…30 МГц, высокочастотные - свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.
Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.
Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.
Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, - усилители, телевидение, радио, связь и т.д.
Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, и , если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.
Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.
Рисунок 2.
Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих схем, следует познакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно упростить понимание в режиме усиления. В известном смысле ключевую схему можно рассматривать как разновидность схемы с ОЭ.
Работа транзистора в ключевом режиме
Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.
Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в режиме ключа». Автор статьи предлагал изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОУ). Теперь подобный способ регулирования называется ШИМ и применяется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рисунке 3.
Рисунок 3.
Но ключевой режим используется не только в системах ШИМ. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.
В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подали входной сигнал - реле включилось, нет - сигнала реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: лампочка либо светит, либо погашена. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также применяются для работы со светодиодами или с оптронами.
Рисунок 4.
На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя вместо него может быть цифровая микросхема или . Лампочка автомобильная, такая применяется для подсветки приборной доски в «Жигулях». Следует обратить внимание на тот факт, что для управления используется напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.
Ничего странного в этом нет, поскольку напряжения в данной схеме никакой роли не играют, значение имеют только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор предназначен для работы на таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью подобных каскадов выполняется подключение нагрузки к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.
В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который, за счет энергии источника питания, больше в несколько десятков, а то и сотен раз (зависит от коллекторной нагрузки), чем ток базы. Нетрудно заметить, что происходит усиление по току. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала», - в справочниках обозначается буквой β. Это есть отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит вот так: β = Iк/Iб.
Для большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10. Даже, если ток базы и получится больше расчетного, то транзистор от этого сильнее не откроется, на то он и ключевой режим.
Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это как минимум. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке Б-Э останется 5В - 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора получится: 4,4В / 10мА = 440 Ом. Из стандартного ряда выбирается резистор с сопротивлением 430 Ом. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б-Э, и при расчетах о нем не следует забывать!
Для того, чтобы база транзистора при размыкании управляющего контакта не осталась «висеть в воздухе», переход Б-Э обычно шунтируется резистором Rбэ, который надежно закрывает транзистор. Об этом резисторе не следует забывать, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, все про этот резистор знали, но почему-то забыли, и лишний раз наступили на «грабли».
Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказалось бы меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как будто участок Б-Э просто замкнули накоротко. Практически резистор Rбэ ставят номиналом примерно в десять раз больше, нежели Rб. Но даже если номинал Rб составит 10Ком, схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрыванию транзистора.
Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, или выключить совсем. В этом случае транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Тут же, сам собой, напрашивается вывод, что между этими «граничными» состояниями существует такое, когда лампочка светит вполнакала. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан, наполовину налитый, в то время, как пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.
Работа транзистора в режиме усиления сигнала
Практически вся современная электронная аппаратура состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто подобрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить требуемый коэффициент усиления или полосу пропускания. Но, несмотря на это, достаточно часто применяются каскады на дискретных («рассыпных») транзисторах, и поэтому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.
Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.
При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.
Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала β , то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h21э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.
Коэффициент h21э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h21э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.
Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.
Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это просто небольшой кусочек из рисунка 2, показанного во второй части статьи. Такая схема называется схемой с фиксированным током базы.
Рисунок 5.
Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, - защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.
Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.
Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h21э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.
Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.
Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во - первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, - подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.
Во-вторых, от температуры окружающей среды, - с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи - ООС.
На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.
Рисунок 6.
Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.
Схемы с термостабилизацией
Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, показанных на рисунке 7.
Рисунок 7.
В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.
Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.
Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, - при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.
Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.
Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.
Схема с общим коллектором (ОК) Показана на рисунке 8. Эта схема является кусочком рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.
Рисунок 8.
Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.
В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.
Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.
Рисунок 9.
Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?
Схема ОК усиливает сигнал по току в h21э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h21э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.
Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, - «радио играть не будет».
Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.
Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх - Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.
Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх - Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь - сотку, то никакой транзистор не выдержит!
Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h21э. Как это сделать, показано на рисунке 10.
Рисунок 10.
Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком 10б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h21э ≈ Iн/Iб.
Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h21э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.
Рисунок 11.
Рисунок 12.
Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ
Такая схема дает только усиление по напряжению, но обладает лучшими частотными свойствами по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОБ это антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.
