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.
В схемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).
в
Рис. 3
Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистора p-n-p типа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжение Uвх включено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжением EЭ. Входным током является ток эмиттера IЭ. При изменении Uвх соответственно будет меняться и IЭ по закону Uвх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базы IБ и ток коллектора IК. Изменяющийся IК, проходя по сопротивлению нагрузки Rн, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величины Uвых. Выходной коллекторный ток IК почти равен входному току эмиттера, и если Rн выбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузке Uвых будет больше входного напряжения
Uвх при неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряжения Uвх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжению k
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 тока IК к вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного тока IЭ при постоянном напряжении на коллекторе UK, т.е.
при UK = 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 коллектора IК.
При изменении Uвх изменяется 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 эмиттера IЭ .
В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора IК и IБ 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 коллектора IК управляется входным током – током базы IБ, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряжения Uвх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного тока IК к вызвавшему его изменению тока базы IБ при постоянном напряжении на коллекторе:
при UK = const.
Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение Uвх изменяет входной ток IБ, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектора IК, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.
( 1 - примерно несколько десятков).
Ввиду наличия сопротивления нагрузки Rн изменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсатор С подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения Uвых. И так как амплитуда тока коллектора IК всегда больше амплитуды тока базы IБ ( 1), то при достаточной величине сопротивления нагрузки Rн амплитуда выходного напряжения Uвых получается значительно больше амплитуды входного напряжения Uвх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощности P (P=UI), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.