Биполярный транзистор. Биполярный транзистор – это ППП, который состоит из трех

Биполярный транзистор – это ППП, который состоит из трех

взаимочередующихся областей проводимости, имеет электрический вывод из каждой области и предназначен для усиления мощности эл. сигнала, поступающего на его вход.

Исходя из структуры определения можно сделать вывод о том, что существует 2 типа биполярных транзисторов с взаимно противоположными характеристиками, а именно транзисторы проводимости n – p – n и p – n – p.

p – n – p n – p – n

Структурно БПТ можно представить в виде:

n – p – n p – n – p

Как показано на рисунке U транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (вывод из области эмиттера является общим для входа и выхода), существует две цепи протекания тока: входная (через области База и Эмиттер), создающая условия для протекания тока в выходной цепи (эмиттер, база, коллектор). Т.о., входное U, смещающее переход база – эмиттер в прямом направлении, создает условия для сквозного протекания тока через транзистор. Данная схема позволяет усиливать одновременно и ток, и U, и является наиболее эффективной. Поэтому она используется в подавляющем большинстве принципиальных схем (все усилительные схемы и схемы транзисторных ключей - цифровая схемотехника).

В зависимости от полярности и величины U_ВХ транзистор может работать в 3-х режимах:

1 – режим отсечки (U_ВХ ниже порогового; через транзистор в выходной цепи

ток не протекает за исключением теплового тока).

2 – активный режим (U_ВХ находится в пределах больше порогового и меньше

насыщения; выходной ток пропорционален входному;

данный режим используется в усилителях).

3 – режим насыщения (U_ВХ превышает U насыщения; в выходной цепи протекает максимально допустимый ток, который ограничивается только внешними элементами транзистора).

Режим отсечки и насыщения используется в транзисторных ключах, т.е. ключ открыт, ключ – закрыт, а также в усилительных каскадах при цифровой записи сигналов.

Исследуя зависимости входных и выходных напряжений и токов, можно получить вольтамперные характеристики, определяющие основные параметры транзистора в любой требуемой точке. Данные параметры отображаются при помощи h – параметров, которые характеризуют:

h₁₁ – входное сопротивление транзистора;

h₁₂ – коэффициент обратной связи по U;

h₂₁ – статический коэффициент усиления тока базы;

h₂₂ – выходная проводимость транзистора;

Данные h – параметры вычисляются по вольтамперным характеристикам между двумя ветвями из семейства характеристик.

Усилительный каскад.(УК)

Усилительный каскад – электронное устройство, предназначенное для пропорционального увеличения мощности входного сигнала.

Основной характеристикой усилительного каскада является коэффициент усиления по напряжению (K_U)

K_U = ^UВЫХ / _UВХ ,

характеризующий, во сколько раз U на выходе превышает U на входе.

У современных БПТ K_U достигает в несколько тыс. раз.

Коэффициент усиления по току – K_I = ^IВЫХ / I_ВХ

Коэффициент усиления по мощности – K_P = K_U * K_I

Принципиальная схема универсального усилительного каскада:

Назначение элементов:

1). Транзистор выполняет усиление мощности входного сигнала.

2). Делитель (R_Б1; R_Б2) выполняет функцию стабилизации рабочей точки усилительного каскада. При этом ток, протекающий через делитель, лежит в пределах от 1 до 5 мА.

Резистор R_Б2 выполняет функцию стабилизации тока рабочей точки.

Резистор R_Б1 выполняет стабилизацию U рабочей точки.

Делитель – это элемент, реализуемый на резисторах и предназначенный для разделения U источника питания на требуемые части. Части U будут обратно пропорциональны сопротивлению.

Стабилизация любого параметра – это предпринимаемые действия для поддержания требуемой величины параметра при изменении каких-то условий.

3). Резистор коллектора (R_K) предназначен для формирования мощности сигнала на выходе – основное предназначение.

Ограничение тока, протекающего через транзистор в случае значительного увеличения U_ВХ.

4). R_Э – резистор с температурной стабилизацией рабочей точки транзистора. Данный резистор поддерживает требуемое положение рабочей точки при изменении t окружающей среды.

5). Конденсатор эмиттера предназначен для уменьшения сопротивления выходной цепи транзистора по переменному току.

Включение R_Э уменьшает коэффициент усиления по U, следовательно, для исключения влияния R_Э на усилительные свойства включается С, сопротивление которого X_Э<< R_Э в диапазоне усиливаемых частот.

6). Разделительные конденсаторы (С_Р) отделяют усилительный каскад по постоянному току от выходных и входных цепей.

Протекание постоянного тока во входные цепи вызывает их разогрев, а протекание тока в выходные цепи уменьшает полезную мощность сигнала.

Коэффициент усиления для усилительного каскада без нагрузки можно представить уравнением:

K_Uxx = ^h21*RK / h₁₁*(1+R_K*h₂₂)

Как видно из данного уравнения, коэффициент усиления не зависит от величины входного сигнала, а определяется только параметрами схемы усилительного каскада и характеристиками транзистора. При этом данные h-параметры определены для рабочей точки транзистора.

Коэффициент усиления для х.х. является максимально возможным для данного сочетания элементов усилительного каскада.

Работа усилительного каскада может быть представлена при помощи характеристик.

Работа УК в режиме А:

Как показано на графике, данный усилительный каскад при усилении сигнала производит инвертирование сигнала, т.е. уменьшение U на входе приводит к увеличению сигнала на выходе.

Данный режим работы усилительного каскада, как показано на графике, усиливает сигнал двух полярностей и называется режим А. Он не пользуется в предварительных усилителях, когда мощность сигнала незначительна.

В каскадных, усиливающих мощность, предварительно усиленного сигнала, рабочая точка смещается в начало координат и данный режим называется

режим Б. Если рабочую точку сместить в отрицательную часть оси U входной характеристики, следовательно, будут усиливаться U достаточно высокой амплитуды (ед. вольт) и такой режим используется в генераторах и называется режим С.

Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада отображает зависимость коэффициента усиления от диапазона усиливаемых частот и представлена на графике:

_^f – диапазон пропускания УК.

_^f = f_В – f_Н

Многокаскадный усилитель.(МУ)

При последовательном соединении нескольких УК может быть реализован МУ.

При последовательном соединении электрический сигнал, усиленный предыдущим каскадом, поступает на вход следующего каскада и при таком соединении суммарный коэффициент усиления равен произведению коэффициента усиления каждого УК.

Если в отдельном каскаде рабочая точка не меняет своего положения и УК работает в фиксированном режиме, то в многокаскадном режиме изменение положения рабочей точки не происходит, но каждый из УК может находиться в разных режимах работы. Распределение положения рабочих точек в МУ находится в закономерности: первые каскады (на них поступает усиливаемый сигнал) работают в режиме А, последующие каскады – в промежуточном режиме А-Б и выходные каскады работают в режиме Б. Такое включение УК позволяет с наивысшим КПД усиливать входной сигнал. МУ во всех случаях для стабильности работы охватывается отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь передает часть напряжения с выхода усилителя на его вход и при этом достигаются следующие положительные явления:

1). Увеличивается стабильность работы, т.е. уменьшается вероятность перехода усилителя в режим генератора.

2). Приводит к расширению полосы пропускания МУ.

3). Уменьшаются частотные искажения при усилении.

Отрицательные явления: отриц. обратная связь приводит к уменьшению коэффициента усиления, т.е. при введении обратной связи коэффициент усиления МУ будет меньше, чем без нее. При этом АЧХ будет иметь вид:

Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с цепью отрицательной обратной связи: