Схемотехника усилительных устройств

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 621.375 
ББК 32.846 
    П27 

Р е ц е н з е н т ы :  канд. техн. наук, доцент кафедры «Систем автоматизированного проектирования» Московского государственного 
технического университета им. Н.Э. Баумана В. А. Мартынюк; 
доктор техн. наук, профессор кафедры «Информатика и вычислительная техника» Рязанского государственного университета 
им. С.А. Есенина В. Н. Ручкин 

Перепелкин Д. А. 
П27   Схемотехника усилительных устройств. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 
238 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0348-7. 
Рассмотрены теоретические и практические аспекты разработки и проектирования современных усилительных устройств. Приведены способы математического описания их 
работы, а также основы анализа и синтеза устройств с заданными техническими характеристиками и параметрами. 
Для студентов, обучающихся по направлению 230100 – 
«Информатика и вычислительная техника», а также специалистов в области разработки и проектирования радиоэлектронных устройств. 
ББК 32.846 

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 

Учебное издание 

Перепелкин Дмитрий Александрович 

Схемотехника усилительных устройств 

Учебное пособие для вузов 
 
 
Редактор  А. Е. Пескин 
Обложка художника  О. В. Карповой 
 
 
 
 
 
Подписано в печать 15.04.2013. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 14,87. Изд. № 13348. Тираж 500 экз. 
ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 

ISBN 978-5-9912-0348-7                               © Д. А. Перепелкин, 2013 
                             © Издательство «Горячая линия – Телеком», 2013                   

Введение 
 
Важнейшим условием повышения конкурентоспособности российских 
предприятий является внедрение современных информационных технологий и 
электронных устройств. Для повышения качества продукции и услуг на предприятиях активно внедряются электронные средства специального назначения. 
Промышленное развитие электроники и схемотехники можно подразделить на 
два направления: энергетическое, связанное с преобразованием переменного и 
постоянного тока для нужд электроэнергетики и информационное, к которому 
относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и 
управление различными процессами и системами во многих отраслях науки и 
техники.  
Настоящее учебное пособие написано в соответствии с ФГОС-3 и программой курса «Электротехника, электроника и схемотехника» для студентов, 
обучающихся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника». 
Учебное пособие состоит из девяти глав. Первая и вторая глава посвящены 
принципам и режимам работы, схемам включения, усилительным свойствам и 
вольт-амперным характеристикам биполярных и полевых транзисторов.            
В третьей главе приводятся классификация усилителей, их основные параметры 
и характеристики, способы расчета в различных режимах работы, а также практические схемы термостабилизации усилительных каскадов. В четвертой главе 
рассматривается применение обратной связи в усилительных устройствах и ее 
влияние на полосу пропускания сигналов. Пятая глава посвящена частотным 
характеристикам и параметрам усилительных устройств на транзисторах во 
всем диапазоне частот. В шестой и седьмой главах рассмотрены практические 
схемы усилительных устройств на дифференциальных каскадах и операционных усилителях. Восьмая глава посвящена практическим схемам пассивных и 
активных фильтров. В девятой главе рассматриваются вопросы расчета, проектирования и разработки многокаскадных усилительных устройств в соответствии с заданными техническими характеристиками и параметрами.  
В результате изучения данного учебного пособия студенты усвоят принципы функционирования усилительных устройств, способы их разработки и проектирования, а также методы анализа и расчета статических и динамических 
параметров. 
В учебном пособии в сжатой и доступной форме последовательно изложены теоретические и практические аспекты разработки и проектирования современных усилительных устройств. Материал учебного пособия сопровождается 
большим числом иллюстративного материала и практических примеров, что 

Введение 
 
поможет студентам правильно проектировать усилительные устройства, выбирать необходимые схемотехнические варианты их исполнения, модернизировать и улучшать их функционирование. 
Данная книга может быть использована в качестве учебного пособия не 
только для указанного направления, но и в качестве справочного пособия для 
других направлений и специальностей, а также специалистов в области разработки и проектирования радиоэлектронных устройств.    
Автор благодарен за оказанную помощь в улучшении содержания учебного 
пособия заведующему кафедрой «Системы автоматизированного проектирования вычислительных средств» Рязанского государственного радиотехнического 
университета д.т.н., профессору В.П. Корячко. 
Автор выражает глубокую признательность рецензентам  к.т.н., доценту 
кафедры «Системы автоматизированного проектирования» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана В.А. Мартынюку и  
д.т.н., профессору кафедры «Информатика и вычислительная техника» Рязанского государственного университета им. С.А. Есенина В.Н. Ручкину.  
 
 
 

ГЛАВА 1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 
 
Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор, состоящий 
из двух электронно-дырочных (p-n)-переходов, выполненных в одном кристалле. 

 

В транзисторе имеется три области: 
 эмиттерная; 
 базовая; 
 коллекторная и соответственно три 
вывода (электрода): эмиттер, база, 
коллектор. 
Переход, который образуется на 
границе эмиттер-база, называется 
эмиттерным (П1), а на границе базаколлектор – коллекторным (П2). 
Проводимость базы может быть 
как дырочной, так и электронной, 
соответственно различают транзисторы со структурами n-p-n и p-n-p. 
На рис. 1.1 приведены структуры 
биполярных транзисторов. Принцип 
работы транзисторов обоих типов 
одинаков.   
 

Рис. 1.1. Структуры биполярных транзисторов  

Различие состоит в том, что в транзисторах со структурой n-p-n ток, текущий через базу, создают электроны, инжектированные эмиттером в базу, а в 
транзисторах p-n-p этот ток создают дырки.  
Обозначение биполярных транзисторов на принципиальных электрических 
схемах приведено на рис. 1.2. 

 а 

Б

К

Э

IК

IЭ

IБ

 б 
Рис. 1.2. Обозначение биполярных транзисторов на схемах:                                           

а − n-p-n-типа; б − p-n-p-типа  

Д.А. Перепелкин 
 
 В усилительном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен 
в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. 
В транзисторе осуществляется взаимное влияние переходов друг на друга. 
Для эффективного воздействия эмиттерного перехода на коллекторный переход 
необходимо выполнение следующих основных требований: 
1. Толщина базы транзистора должна быть много меньше диффузионной 
длины пробега инжектируемых в нее носителей: 
LP >> dб = 1,5 ... 25 мкм. 
2. База должна иметь концентрацию основных носителей много меньше 
концентрации основных носителей в области эмиттера. 
3. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше 
площади эмиттерного перехода. 
По технологии изготовления различают: 
 сплавные транзисторы; 
 диффузионные (планарные) транзисторы; 
 комбинированные транзисторы (диффузионно-сплавные или планарносплавные). 
 
1.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА  

Образование эмиттерного и коллекторного переходов приводит к некото
рому уменьшению реальной толщины базы 
б
'
б
d
d 
. 

При подключении EК происходит увеличение потенциального барьера коллекторного перехода. Толщина коллекторного перехода несколько увеличивается. В коллекторной цепи появляется слабый ток (в полупроводниковом диоде 
при обратном напряжении). Этот ток называют собственным обратным током 
коллектора и обозначают IК0. 
При подключении EЭ происходит снижение потенциального барьера эмиттерного перехода, соответственно его толщина уменьшается и в эмиттерной 
цепи появляется ток эмиттера. Ток эмиттера в основном определяется током 
диффузии, который состоит из электронной и дырочной составляющих: 
IЭ = IЭn + IЭр. 
Если бы концентрация основных носителей в эмиттерной и базовой областях была одинаковой, то это привело бы к выравниванию концентрации основных носителей: 
IЭn = IЭр. 
Однако, у транзистора база бедна основными носителями (электронами 
проводимости), а область эмиттера, наоборот, имеет высокую концентрацию 
основных носителей (дырок), поэтому: IЭр >> IЭn, т. е. дырочная составляющая 

Схемотехника усилительных устройств                                                                                                        7 
 
тока эмиттера много больше бесполезной электронной составляющей тока 
эмиттера. Электронная составляющая тока эмиттера IЭn оказывается бесполезной потому, что она замыкается через цепь базы и не участвует в создании тока 
коллектора. Диффузия электронов из базы в эмиттер восполняется притоком в 
базу новых электронов из внешней цепи, что и определяет величину и направление электронной составляющей тока эмиттера.  
Принцип работы биполярного транзистора показан на рис. 1.3. 

'
б
d

 
Рис. 1.3. Принцип работы биполярного транзистора 

Для цепи базы IЭn является одной из составляющих тока базы. 
Отношение IЭр / IЭ = IЭр / (IЭр + IЭn) =  = 0,99 … 0,995 и называется эффективностью эмиттера. 
Дырочная составляющая тока эмиттера определяется переходом дырок из 
эмиттера в базу. Так как напряжения источника питания выделяются в основном на переходах, обладающих в сравнении с тонкой базой относительно 
большими сопротивлениями, то можно считать, что электрическое поле в базе у 

Д.А. Перепелкин 
 
такого транзистора практически отсутствует и перемещение дырок, инжектированных в базу из эмиттера под действием тепловой диффузии, происходит 
только за счет самой диффузии. При непрерывной инжекции (IЭ = const) в базе 
устанавливается соответствующее распределение концентрации дырок, что и 
предопределяет их перенос через базу. 
Пройдя к обратно смещенному коллекторного переходу, дырки совершенно свободно (как не основные носители заряда) переходят из базы в коллектор, 
увеличивая тем самым ток коллектора IК. Так как дырки переходят из базы в 
коллектор беспрепятственно, то их концентрация на границе базы c коллектором переходом оказывается практически равна нулю. При этом некоторое количество дырок при своем движении в базе успевает рекомбинировать с электронами проводимости, вызывая тем самым дополнительный приток электронов в базу из внешней цепи. Это обуславливает разделение дырочной составляющей тока эмиттера: 
IЭр = IЭрек + IКр, 
где IЭрек – рекомбинационная составляющая тока по направлению с током IЭn 
(замыкается через цепь базы); 
IКр – часть тока эмиттера, замыкающая через коллекторную цепь. 
Так как базу делают тонкой и бедной основными носителями заряда, а площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного, то на коллектор 
попадает подавляющее большинство инжектирующих эмиттером дырок, поэтому:  
IЭрек << IКр. 
Отношение IКр / IЭр = IКр / (IКр + IЭрек) =  = 0,99 … 0,995 и называется коэффициентом переноса. 
Основным параметром биполярного транзистора считается интегральный 

коэффициент прямой передачи тока эмиттера 
u
 . Коэффициент 
u
  показыва
ет, какая часть тока эмиттера замыкается через коллекторную цепь и зависит от 
режима работы транзистора. 

.
I

I

I

I

I

I
р

р

р
р
u
99
,0
95
,0

Э

Э

Э

К

Э

К








 

Согласно рис. 1.3, соответствующие зависимости токов биполярного транзистора выглядят следующим образом:    
IЭ = IЭn + IЭр; 
IБ = IЭn + IЭрек - IК0; 
IК = IКр + IК0 
или с учетом предыдущего выражения для коэффициента 
u
 : 

Схемотехника усилительных устройств                                                                                                        9 
 
IК = 
u
 IЭ + IК0. 

Ток IК = 
u
 IЭ представляет собой управляемую часть коллекторного тока.  

Собственный обратный ток коллектора IК0 не зависит от тока эмиттера IЭ и 
его называют неуправляемым током коллектора. Так как собственный обратный ток коллектора IК0  0, то IК  
u
 IЭ. 

u

u

u

u

u
р

р

р

I
I
I
I

I
















1
1
1

1
1
1

1

1
)
(

К

Э
К
Э

К
. 

 
1.2. УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА 

Условное обозначение биполярного транзистора со структурой p-n-p приведено на рис. 1.4. 

К
U

Б
Э
U
U



 
Рис. 1.4. Условное обозначение биполярного транзистора 

Приведенное выражение токов IЭ, IБ и IК удовлетворяют I закону Кирхгофа: 
IЭ = IБ + IК,  
тогда можно записать: 
dIЭ = dIБ + dIК. 
В теории и практике расчетов транзисторных схем широко используют 
дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера : 

Э

К

Э

К
I
I
I
d
I
d





, при UК = const. 

Учитывая, что IК = 
u
 IЭ + IК0,  получим:  

const
U

u
u

const
U

К
u
I
d
d
I
I
d
I
I
d








К
Э
Э

К
Э

0
Э
)
(




. 

При изменении тока эмиттера IЭ в пределах средних значений (обычных 
для усилительного режима) 
u
  = const при UК = const, поэтому  

 = 
u
  = 0,95 … 0,99. 

 

Д.А. Перепелкин 
 
Транзистор характеризуется также интегральным коэффициентом передачи 
тока базы 
и
 : 

)
(1
)
(
)
(
)
(
К
Э

К

К0
б

К0
К

Эрек
Э

К

и

и

p

p
p

n

p
и
I
I

I

I
I

I
I

I
I

I














, где 
.
I

I

и
p



Э

К
 

Максимальному значению 
u
  соответствует максимум 
и
 . Согласно при
веденной формуле незначительное уменьшение 
u
  вызывает существенное 

уменьшение 
и
 . 

В транзисторной технике широко используют дифференциальный коэффициент передачи тока базы : 

Б

К

К
Э

К

Б

К
)
1(
)
(
I
I
dI
dI
dI
dI
dI













 при UК = const. 

При средних значениях тока эмиттера IЭ, когда 
u
      1 

)
1(








и
 >> 1. 

На практике иногда используют более простые, но менее точные соотношения:  

Э

К
I
I
и 


 и 

Б

К
I
I
и 
 

, 

которые справедливы при условии: IК >> IБ > IК0. 
Транзисторы представляют собой управляемый электронный прибор. Величина его тока IК зависит от величины токов IЭ или IБ. Обратно смещенный 
коллекторный переход допускает включение источника э.д.с. ЕК >> ЕЭ. Если     
в цепь эмиттера включить дополнительный источник э.д.с. ЕЭ< ЕЭ << ЕК, то 
он будет расходовать мощность РЭ = ЕЭ IЭ. При этом ток коллектора изменится на величину IК =  IЭ  IЭ и в коллекторной цепи выделится дополнительная мощность РК = ЕКIК  ЕКIЭ >> РЭ. В этом и проявляется усилительный эффект транзистора, который при надлежащем подборе параметров 
схемы может быть использован для усиления мощности, так и напряжения сигнала.  
Изложенное показывает, что усиление мощности сигнала происходит с помощью транзистора за счет энергии источника питания ЕК.