ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ № 9
Цель занятия: 1.Практически ознакомиться со схемой включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ).
1. Лабораторный стенд.
2. Блок №2 (схема А1).
3. Соединительные провода.
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 489 — 499; 3) (2) стр. 43 –5 5;
4) (3) стр. 200 - 205.
1. Почему схема ОЭ нашла наибольшее применение?
4. Каким образом происходит управление проходящим через полевой
транзистор током?
5. Каковы преимущества транзистора перед электронными лампами?
Краткие теоретические сведения.
Биполярным транзистором или просто транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-п -переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя — противоположный тип проводимости. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной, называются транзисторами п-р-п-типа (рис1,а); транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя — электронной проводимостями, называются транзисторами р-п-р-типа (рис.1,6).
Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны; различие между ними заключается в том, что полярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе п-р-п-типа электрический ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-п-р-типа — дырками. Смежные области, отделенные друг от друга р-п-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К. Эмиттер является областью,испускающей (эмиттирующей) носители зарядов: электронов в транзисторе п-р-п-типа и дырок в транзисторе р-п-р-типа; коллектор — область, собирающая носители зарядов; база — средняя область, основание.
В условиях работы транзистора к левому р-п-переходу прикладывается напряжение эмиттер — база Uэ-бв прямом направлении, а к правому р-п -переходу база — коллектор Uб-к в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-п-переход, переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадают в электрическое поле, созданное внешним источником Uэ-к Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uэ-к. Если увеличить напряжение Uэ-б, то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на ΔIэ-б. При этом также увеличится ток коллектора на ΔIб-к.
В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями зарядов из внешней цепи, образующими ток базыIб. Таким образом, ток коллектора Ir=Iэ — Iб окажется незначительно меньше тока эмиттера. Отношение α = ΔIк/ΔIэ при Uб-к = const называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α= 0,9 - 0,995.
Если цепь эмиттер — база разомкнута и ток в ней равен нулю Iэ=0, а между коллектором и базой приложено напряжение Uк-б, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный (тепловой) ток Iко, обусловленный неосновными носителями зарядов.
Этот ток в значительной степени зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (чем меньше ток, тем лучшими качествами обладает транзистор).
Так как эмиттерный p-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На коллекторный р-п-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением Uэ, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение Uк, в результате чего транзистор усиливает мощность.
При работе транзистора в качестве усилителя электрических колебаний входное переменное напряжение Uвх(сигнал, подлежащий усилению) подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения Uсм между эмиттером и базой, а выходное напряжение Uвых (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора Rн.
Возможны три схемы включения транзисторов п-р-п-типа (рис.2,а) и р-п-р-типа(рис.2,6): с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим коллектором ОК. Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым.
В схеме с общей базой положительное приращение напряжения на входе Uвх вызывает увеличение тока эмиттера Iэ, что приводит к увеличению как тока коллектора Iк так и напряжения выхода Uвых, причем ΔUвых >>ΔUвх. В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а нагрузка и источник питания — в цепь коллектор — база. Входное сопротивление схемы с ОБ мало (несколько омов или десятков омов), так как эмиттерный переход включен в прямом направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сотни килоомов), так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным недостатком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера и усиления по току не происходит (коэффициент усиления по току α<1). Усиление по напряжению и мощности в этой схеме может достигать нескольких сотен.
В схеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки Rн и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, так что эмиттер является общим электродом для входной или выходной цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротивление составляет сотни омов. Выходное сопротивление схемы с ОЭ велико и может составлять до ста килоомов. Коэффициент усиления по току β в этой схеме определяется как отношение приращения тока коллектора ΔIк к приращению тока базы ΔIб при постоянном напряжении на коллекторе, т. е. β= ΔIк/ΔI6 при Uк = const, и может иметь значения β = 10-400 для различных транзисторов. Учитывая равенства Iэ=Iк + Iб иα = ΔIк/ΔIэ, получим
β=ΔIк /(ΔIэ -ΔIк)=(ΔIк/ΔIэ) / (1- ΔIк /ΔIэ) = α/(1-α). Зависимость тока коллектора Iк от тока базыI6 в схеме с ОЭ определяется формулой Iк=β(I6+Iк.о.), где Iк.о – обратный ток р-п-перехода база — коллектор при Iэ= 0. В схеме с ОБ Iк=αIэ+Iк.о..
Коэффициент усиления по напряжению Ku для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ. Коэффициент усиления по мощности Kp=βKu во много раз больше, чем в схеме с ОБ.
В схеме с общим эмиттером ОЭ при усилении входного напряжения происходит поворот фазы выходного напряжения на половину периода, т. е. на 180°: положительные приращения входного напряжения вызывают отрицательное приращение выходного и наоборот,
В схеме с общим коллектором ОК источник входного напряжения включается в цепь базы, а источник питания и сопротивление нагрузки - в цепь эмиттера. Входным током является ток базы, а выходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по току для этой схемы Ki=ΔIэ/ ΔIб= ΔIэ/(ΔIэ -ΔI)
