Коэффициент усиления транзисторного каскада

что может выдать нам один каскад на транзисторе

транзистор или лампа, что круче?

Возник хитрый вопросик: какой максимальный коэффициент усиления по напряжению можно "выжать" из одного транзистора? Что будет, если я возьму транзистор с огромным коэффициентом усиления по току β, например 1000, возрастет ли при этом усиление по напряжению?

Проверим, каким образом коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя зависит от коэффициента передачи по току .

Каскад с общим эмиттером

С помощью делителя напряжения зададим смещение в цепи базы и выберем номинал резистора Rэ таким образом, чтобы ток покоя коллектора составил 1 мА. Напряжение на коллекторе обеспечим равное половине напряжения питания для получения максимального размаха выходного напряжения.

Величина эмиттерного тока равна Iэ = Iк = Uэ /Rэ ≈ Uб /Rэ, т.к. напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (для переменного сигнала), а коллекторный ток практически равен эмиттерному, т.к. коэффициент передачи по току транзистора имеет большую величину.
Для постоянного тока выполняется соотношение: Uэ = Uб - 0,6.

Приращение коллекторного напряжения равно: Uк = - Iк * Rк = - Uб( Rк /Rэ). Получили, что коэффициент усиления по напряжению k равен отношению
Uк /Uб = Rк /Rэ, т.е. Ku= Rк /Rэ.

Как же так. Коэффициент усиления определяется лишь величинами резисторов и больше ни от чего не зависит?!  А как же гигантский супер - бэта транзистор, какова его роль в этой схеме?

Передаточная проводимость (крутизна ) транзисторного усилителя

Рассмотрим данный усилитель разбив его на две функциональные части: источник тока, управляемый напряжением (собственно сам транзистор и резисторы R1, R2, Rэ) и нагрузку Rк, преобразующую выходной ток в напряжение. Коэффициент преобразования первой части (напряжение - ток) равен 1 /Rэ (т.к. Iэ = Uб /Rэ) и называется крутизной передаточной характеристики усилительного каскада - S, измеряемой в А /В. Тогда коэффициент усиления каскада можно записать: Ku = S * Rк.

- Изменение коллекторного тока Iк в зависимости от Uбэ характеризуется крутизной S = ΔIк /ΔUбэ.

Этот параметр был распространен у ламп, применим он к полевым транзисторам, т.к. эти приборы управляются входным напряжением. Для биполярных транзисторов увидеть изменение входного напряжения сложнее - они являются токовыми приборами с низким входным сопротивлением. Поэтому у биполярных транзисторов более популярен коэффициент передачи по току - β.

Попытаемся добиться от транзистора максимального усиления, начнем уменьшать Rэ (поддерживая при этом ток эмиттера на прежнем уровне). Коэффициент усиления по формуле должен стремиться к бесконечности, но при токе 1мА и и Rк = 5кОм он оказывается приблизительно равен 200.

Оказывается, ток коллектора экспоненциально связан с входным напряжением база - эмиттер: Iк ~ exp(Uбэ).
Из этой зависимости с помощью дифференцирования находим сопротивление эмиттера (точнее сопротивление перехода база - эмиттер), которое определяет максимальный коэффициент усиления транзистора: rэ = Uт /Iк, где Uт = 26 мВ - температурный потенциал.

Поэтому в уравнении K= Rк /Rэ коэффициент не становится бесконечно большим при Rэ = 0. Его ограничивает величина rэ - собственное сопротивление эмиттера транзистора. Из этого следует, что Ku всего лишь стремится к Rк /rэ.

Крутизна собственной передаточной характеристики транзистора равна S = 1 /rэ = Iк /Uт, зависит только от величины тока коллектора и не зависит от каких либо других параметров транзистора.

Теперь мы в состоянии ответить на наш основной вопрос:

какой максимальный коэффициент усиления по напряжению можно получить на одном транзисторе?

Максимальный коэффициент усиления равен: Ku max = Rк /rэ = Rк * Iк /Uт = S * Rк.

Видим, что, к сожалению, он никоим образом не связан с коэффициентом передачи по току β, который лишь определяет величину входного тока каскада и его входное сопротивление.

Интересно теперь с этой точки зрения взглянуть на ламповые усилители. По паспортным данным крутизна маломощного триода составляет несколько единиц мА/В (примерно также и у полевых транзисторов), в то же время у биполярного транзистора, исходя из вышеизложенной теории, при токе 1мА крутизна составит 40 мА/В. В 10 раз больше!

От биполярного транзистора можно добиться большого усиления по напряжению.
Беда их в том, что низкое входное сопротивление последующего каскада зачастую сводит эти преимущества на нет.

Источник тока в качестве нагрузки усилителя

Значительно увеличить коэффициент усиления можно применив в качестве нагрузки транзистора источник тока, рассмотренный мной в статье источник тока и его внутреннее сопротивление.

Самым простым вариантом является использование источника на полевом транзисторе. В этом случае в качестве нагрузки транзисторного усилителя выступает его огромное внутреннее сопротивление коллектор - эмиттер и параллельно включенное сопротивление источника тока.

За счет этого усиление получается большим: Ku max = S * Rкэ|| Rист. Если верить У.Титце и К. Шенку, то оно может составить от 3 до 7 тысяч.

Далее предстоит нелегкая задача: обеспечить гигантское входное сопротивление последующего каскада, чтобы не погубить достигнутое нами усиление (обычно это - эмиттерный повторитель).

Такая схемотехника характерна для интегральных операционных усилителей. Причина в том, что на кристалле проще получить транзистор, нежели высокоомный резистор.


Изучила транзисторный усилитель с общим эмиттером и его максимальный коэффициент усиления Наталья Суворова.

Узнайте, что такое внутреннее сопротивление источника тока  - с тестером не подходить!
За что мы так не любим транзистор с общей базой new!

Максимальный коэффициент усиления транзистора. Каскад с общим эмиттером. Крутизна передаточной характеристики.