Усиление сигнала по мощности
Как видно из схемы на рис.4,b, мощность входного сигнала Pвх =JЭ×ЕЭ, а мощность выходного сигнала Pвых = JК Vн.
Усиление по мощности можно характеризовать коэффициентом усиления
. (30)
Из выражения (30) следует, что коэффициент усиления по мощности можно представить в виде произведения коэффициентов усиления по току КJ и по напряжению КV:
;
; (31)
.
В технической литературе коэффициент усиления по току КJ принято называть коэффициентом передачи токa эмиттера, который для схемы с ОБ обозначается α (или h21Б) и является одним из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока a очень мало отличается от 1 в меньшую сторону и составляет для современных приборов (0.95¸0.999).
Рассмотрим подробнее, как осуществляется передача тока от эмиттера к коллектору и за счет чего обеспечивается почти стопроцентная передача тока.
Рис.6. Биполярный транзистор р-п-р-типа и его зонная диаграмма при активном режиме
На рис.6 приведен фрагмент транзисторной структуры (в активном режиме) и ее энергетическая диаграмма. Входное напряжение, падая на эмиттерном p+-n-переходе, снижает потенциальный барьер для основных носителей, обеспечивая инжекцию дырок в базу транзистора. Встречная инжекция электронов из базы в эмиттер из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода (область эмиттера легирована намного сильнее области базы) очень мала. Если база легирована однородно (бездрейфовый транзистор), то дырки в базе перемещаются только вследствие диффузии, т.е. хаотического теплового движения, для которого нет избранных направлений в пространстве. Дырки в базе – неосновные носители и в течение времени жизни tp они могут диффундировать в любом направлении в среднем на диффузионную длину Lp. Поскольку толщина активной базы WБ много меньше Lp, то дырки в своем движении обязательно подтекают либо к эмиттерному, либо к коллекторному переходам. Полем переходов эти дырки выбрасываются из базы либо в коллектор, либо в эмиттер. Та часть дырок, которая возвращается в эмиттер, не дает вклада ни в ток эмиттера, ни, тем более, в ток коллектора. Те же дырки, что собрались коллекторным переходом, обеспечивают вклад и в ток эмиттера, и в ток коллектора.
В процессе перемещения носителей от вывода эмиттера до вывода коллектора часть дырок рекомбинирует с электронами, поступающими в основном из базового вывода транзистора (см. рис.6).
При этом можно выделить пять областей в транзисторе (см. рис.3,b), где возможны потери дырок на рекомбинацию: потери в активной базе, потери в пассивной базе (за счет инжекции дырок через боковые части эмиттерного перехода), потери в эмиттерной области за счет встречной инжекции электронов в эмиттер и последующей рекомбинации этих электронов с дырками, рекомбинационные потери в объемном заряде эмиттерного перехода (этот процесс особенно существенен при малых смещениях на эмиттерном переходе), рекомбинационные потери на поверхностных участках пассивной базы и в области выхода на поверхность кристалла объемного заряда эмиттерного перехода.
Из-за перечисленных потерь дырок на рекомбинацию с электронами ток коллектора в транзисторе оказывается несколько меньше тока эмиттера. Тем не менее, эти потери можно понизить до долей процента за счет грамотной конструкции транзистора, вследствие чего в реальном транзисторе достигается практическое равенство тока коллектора току эмиттера.
Рассмотрим соотношение напряжений входного и выходного. Изменение входного напряжения DVВХ можно связать с изменением входного тока DJВХ через входное сопротивление транзистора RВХ:
. (32)
Поскольку входной ток – это прямой ток эмиттерного перехода, то он экспоненциально растет с ростом входного напряжения и
~ 
. (33)
Входное сопротивление прямо смещенного перехода резко падает с ростом прямого смещения, и при приближении входного напряжения к величине контактной разности эмиттерного перехода (0.7 ¸ 0.9 В) входное сопротивление составляет единицы Ом.
Соответственно изменение выходного напряжения DVвых = DJвых×Rн. Тогда коэффициент усиления по мощности
. (34)
Таким образом, усиление по мощности определяется тем, какое сопротивление нагрузки можно поставить в выходной цепи. Выбор оптимального сопротивления нагрузки – самостоятельная многофакторная задача. Здесь же следует отметить, что максимальное RН зависит от величины максимального выходного тока:
. (35)
Только при этом условии коллекторный переход может оставаться под обратным смещением. Поэтому для оценки максимального КР max (для схемы с ОБ) лучше воспользоваться соотношением:
. (36)
Максимальное DVВХ max » VЭ0 – это контактная разность потенциалов эмиттерного перехода. Максимально возможное DVВЫХ max=EК, т.е. равно напряжению питания в выходной цепи. Следовательно,
. (37)
На обратно смещенный коллекторный переход можно подавать достаточно большое напряжение (до пробоя), поэтому EК >> VЭ0. За счет этого получаем значительное усиление по напряжению и, следовательно, по мощности.