1.3. Спектральное представление сигналов

Спектром называется представление сигнала в виде суперпозиции (суммы) гармонических составляющих с различной частотой.

Спектр гармонического сигнала (1.1) представлен единственной гармоникой (составляющей) и имеет спектральную диаграмму, изображенную на рис. 1.3. По оси абсцисс на данной диаграмме откладывается частота (или циклическая частота) сигнала, а по оси ординат величина амплитуды гармоники.

Рис. 1.3. Спектральная диаграмма гармонического сигнала

Спектр однотонального АМ-сигнала (1.5) представлен тремя гармониками:

u(t) = U_m [1 + M cos(t + )] cos(₀t + ) =

(1.12)

Первая из них, с частотой ₀, называется несущей составляющей или просто – "несущей"; вторая – верхней боковой и третья – нижней боковой составляющей. Соответственно, частота ₀ называется несущей частотой, ₀ +  – верхней боковой, ₀ –  – нижней боковой частотой. Спектральная диаграмма однотонального АМ сигнала изображена на рис. 1.4.

Характерно, что верхняя и нижняя боковые составляющие расположены симметрично относительно несущей и имеют одинаковую высоту.

Рис. 1.4. Спектральная диаграмма АМ-сигнала

1.4. Биполярный транзистор и его характеристики

Основу полупроводниковых приборов, к которым относится биполярный транзистор, составляет p–n-структура – неоднородный полупроводник, одна часть которого (р) имеет повышенную, по сравнению с собственной, концентрацию дырок (положительно заряженных ионов), а другая часть (n) – повышенную концентрацию электронов. Их разделяет p–n-переход, обедненный подвижными носителями заряда.

Биполярный транзистор представляет собой систему из двух электронно-дырочных переходов – эмиттерного и коллекторного, выполненных в непосредственной близости в одном кристалле.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей, различают транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов. Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n–p-транзисторе – дырки.

На рис. 1.5 показаны структура и условное графическое обозначение транзисторов и p–n–p (а) и n–p–n (б) типа. Разные типы транзисторов имеют взаимно-обратные полярности рабочих напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи. Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером.

Рис. 1.5. Структура и условное графическое обозначение транзисторов p–n–p (а) и n–p–n (б) типа

Рассмотрим транзистор n–p–n-типа, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 1.6). В такой схеме входными величинами являются напряжение база-эмиттер U_бэ и ток базы I_б, а выходными – напряжение коллектор-эмиттер U_кэ и ток коллектора I_к.

Входная характеристика биполярного транзистора – это зависимость тока базы I_б от напряжения база-эмиттер U_бэ при постоянном значении напряжения коллектор-эмиттер U_кэ. Входная характеристика кремниевого биполярного транзистора показана на рис. 1.7, а.

Рис. 1.6. Транзистор n–p–n-типа, включенный по схеме с общим эмиттером

Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора I_к от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ при постоянном токе базы. Выходная характеристика показана на рис. 1.7, б.

U_кэ, В

Рис. 1.7. Входная (а) и выходная (б) характеристики транзистора

Различают четыре режима работы транзистора: активный, отсечки, насыщения и инверсный. Область отсечки лежит ниже кривой I_б = 0. В области насыщения величина падения напряжения U_кэ крайне мала, ток коллектора не зависит от тока базы и все ветви выходной характеристики сливаются в одну. В активной области ток коллектора очень слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер и пропорционален току базы, а ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально.

Передаточной (проходной) характеристикой транзистора называют зависимость тока коллектора от тока базы. На рисунке 1.8 показано семейство передаточных характеристик транзистора. Характеристики снимаются при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер U_кэ.

Рис. 1.8. Семейство передаточных характеристик транзистора

Передаточная характеристика представляет собой кривую, в середине которой имеется линейный участок. Скорость роста передаточной характеристики на линейном участке, а, значит, и коэффициент усиления транзистора, практически не зависят от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ (активный режим).

Также передаточная характеристика может быть представлена в виде зависимости тока коллектора I_к от напряжения на базе U_бэ. Данная зависимость приведена на рис. 1.9 и дано ее качественное сопоставление с входной характеристикой при не слишком больших токах коллектора.

Рис. 1.9. Передаточная и входная характеристики транзистора

Из рисунка видно, что заметный рост коллекторного тока начинается по достижении определенного значения напряжения U_бэ (для кремниевых приборов величина этого напряжения составляет 0,5-0,6 В). Экспоненциальный характер передаточной характеристики обусловливает резкий рост коллекторного тока I_к при увеличении напряжения U_бэ. При этом ток базы на несколько порядков меньше тока коллектора, т.е. транзистор ведет себя как источник тока I_к, управляемый напряжением U_бэ.