Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Рисунок 9.8 – Транзисторний каскад зі спільною базою

Розрахунок R1 , R2 та R3 здійснюється наступним чином. Для обраної робочої точки режиму спокою (вибирається на характеристиках БТ) спочатку визначаються струм IБ0 = IE0 -IK0 і струм подільника

напруги In =(3-5) IБ0 . Для емітерного кола другий закон Кірхгофа має вигляд

UR1 UEБ0 UR3 0 .

Для підсилювачів напруга UR3 (0,1 0,25)ЕК . Тоді

9.2.5 Оцінка транзисторних каскадів з точки зору температурної нестабільності

Якість підсилювача визначають вибором положення початкової робочої точки (робочої точки режиму спокою), а також її стабільністю при зміні температури.

111

Для підсилювального каскаду з температурною стабілізацією (рисунок 9.7) температурна зміна колекторного струму становить [1]:

Якщо R3 =0, то схема рисунка 9.7 перетворюється в схему з фіксованим потенціалом бази (рисунок 9.6), і коефіцієнт S h21E . При

нестабільності змінюється від h21Б до h21E .

Температурна зміна струму колектора тим більша, чим більший коефіцієнт S . Тому умова R3 >>RБ є необхідною. Проте зменшення

величини RБ небажане, тому що воно призводить до зменшення

вхідного опору транзисторного каскаду. Тому подільник напруги в базовому колі вибирають з умови, щоб коефіцієнт температурної

стабільності дорівнював S =3-5.

9.3 Динамічні характеристики біполярного транзистора та їх використання

При увімкненні навантаження до колекторного кола транзистора зміна струму колектора спричиняється одночасною дією зміни струму бази і напруги на колекторі. В цьому режимі роботи для аналізу властивостей БТ недостатньо мати його статичні характеристики, оскільки вони відображають зміну лише одного параметра. Тому для опису властивостей транзистора, а також для розрахунку параметрів транзисторного каскаду на сім’ях статичних

112

характеристик будуть додаткові характеристики, які називають динамічними, або навантажувальними. Розглянемо їх.

Вихідна навантажувальна характеристика Для каскаду зі спільним емітером рівняння вихідного кола

Рисунок 9.9 – Побудова навантажувальної прямої на сім’ї вихідних статичних характеристик ССЕ

Формула (9.15) – це рівняння вихідної навантажувальної прямої транзисторного каскаду зі спільним емітером (рисунок 9.3). Цю характеристику будують на сім’ї вихідних статичних характеристик ССЕ (рисунок 9.9) за двома точками:

1)IK =0; UKE EK ;

2)UKE 0; IK = EK .

RK

Точка перетину навантаженої прямої зі статичною характеристикою, яка була знята при заданому струмі бази в режимі

спокою ( IБ0 ), визначає вихідні координати режиму спокою транзисторного каскаду (UKE0 , IK0 ). При надходженні на вхід каскаду змінної напруги сигналу змінюватиметься струм бази стосовно значення

113

IБ0 і робоча точка рухатиметься на сім’ї характеристик уздовж

навантажувальної прямої. Це означає, що динамічна характеристика повністю визначає роботу транзисторного каскаду в динамічному режимі – у режимі підсилення вхідної напруги.

Для транзисторного каскаду зі спільною базою рівняння вихідної навантажувальної прямої набуває вигляду

Динамічна вихідна характеристика каскаду зі спільною базою будується аналогічним чином за рівнянням (9.16).

Вхідна навантажувальна характеристика може бути побудована шляхом перенесення точок вихідної характеристики (прямої) на сім’ю статичних вхідних характеристик і наступного з’єднання цих точок у плавну монотонну криву. Але цей спосіб рідко вживається в інженерній практиці, тому що у довідниках звичайно даються лише дві вхідні статичні характеристики – при нульовій і при ненульовій колекторних напругах. Тому з задовільною для практики точністю за вхідну навантажувальну криву можна взяти вхідну статичну характеристику, яка знімалася при ненульовій колекторній напрузі. Робоча точка спокою на вхідній навантажувальній кривій має координати: струм бази спокою

IБ0 і напругу бази UБE , яка викликає цей струм.

9.3.1 Параметри режиму підсилення та їх розрахунок за динамічними характеристиками транзисторного каскаду

До основних параметрів режиму підсилення транзисторного каскаду підсилення за струмом

Задача знаходження цих параметрів за динамічними характеристиками зводиться до надходження вхідних і вихідних амплітуд змінних струмів і напруг транзисторного каскаду, які входять до формул (9.17) – (9.21).

Суть графоаналітичного способу визначення параметрів режиму підсилення каскаду за навантажувальними характеристиками полягає в наступному (на прикладі каскаду зі спільним емітером).

1На сім’ї вихідних статичних характеристик

IK f (UKE ) IБ const будується вихідна навантажувальна пряма.

Для каскадів (рисунок 9.7 та рисунок 9.8) ця пряма будується за формулою (9.15). Характеристики для каскаду з температурною стабілізацією (рисунок 9.7) згодом відрізнятимуться від динамічних вихідних характеристик для постійного та змінного струмів (рисунок

9.10) унаслідок наявності в емітерному колі БТ ланцюжка R3 ,C1.

Постійна складова струму емітера проходить через резистор

Тому рівняння вихідної навантажувальної характеристики для змінного струму має вигляд

тобто повторює рівняння (9.15). Для каскаду з температурною стабілізацією розрахунок параметрів підсилювального режиму вимагає застосування навантажувальної прямої саме для змінного струму за рівнянням (9.24) – пряма 2 рисунок 9.10.

Рисунок 9.10 – До графоаналітичного визначення параметрів режиму підсилення транзисторного каскаду

2 Будується вхідна навантажувальна характеристика каскаду, яка практично збігається з вхідною характеристикою БТ

IБ f (UБЕ ) при UКЕ 0.

116

3 На вхідній і вихідній навантажувальних характеристиках відмічається положення початкової робочої точки режиму спокою

(UБE0 , IБ0 , UKE0 , IK0 ), яку або задають, або вибирають з міркувань проектування.

4 Розгортаючи напругу UБE , знаходять відповідну зміну струму

5 Перенесенням точок В і С на вихідну навантажувальну пряму визначають на ній робочу ділянку струму бази, а також відповідні до

цієї ділянки зміни колекторної напруги UKE стосовно постійного рівня

UKE0 і струму IK відносно рівня IK0 . За допомогою усереднення визначають амплітуди UmK та ImK .

6 Використовуючи знайдені амплітуди UmБ , ImБ ,UmK , ImK за

формулами (9.17) – (9.21), розраховують параметри режиму підсилення. Існує також спосіб визначення параметрів режиму підсилення за допомогою h - параметрів. Для найпростішого транзисторного

підсилювача на низьких частотах маємо [1]:

У наведених формулах RH - опір навантаження;

RГ - опір джерела вхідного сигналу.

117

ЛЕКЦІЯ 10

ДЕЯКІ РІЗНОВИДИ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

10.1 Частотні властивості біполярних транзисторів

Залежність параметрів БТ від частоти зумовлена інерційністю процесів дифузії неосновних носіїв у базі, а також впливом ємностей переходів і розподільного опору бази. Ці фактори обмежують частотний діапазон транзисторів. Наприклад, робочі частоти сплавних транзисторів не перевищують 20-30 МГц.

При низьких частотах період зміни напруги на ЕП значно більший за час прольоту неосновних носіїв через базу. Внаслідок цього градієнти концентрацій носіїв у базі біля емітера і колектора

змінюються одночасно, і тому струм IE , IK та IБ синфазні, а

коефіцієнти передачі струму h21Б і h21E є дійсними величинами.

При зростанні частоти період зміни напруги на ЕП зменшується і стає сумірним з часом дифузії неосновних носіїв через базу. Це

призводить до того, що струм колектора IK відставатиме від струму емітера IE за фазою (рисунок 10.1).

Крім того, оскільки впродовж півперіоду прямої напруги на ЕП максимальний згусток інжектованих до бази неосновних носіїв не встигає досягти колектора, їх концентрація біля емітера буде меншою, ніж у базі. У базі виникає градієнт концентрації неосновних носіїв, який викликає їх рух у бік емітера і зменшення колекторного струму (рисунок 10.1). Отже, на високих частотах коефіцієнти передачі струму

h21Б та h21E набувають комплексного характеру і зменшуються за модулем при збільшенні частоти.

118

Рисунок 10.1 – Струми IE та IK БТ на високих частотах

Для ССБ коефіцієнт передачі струму емітера

- комплексний коефіцієнт передачі струму емітера;

IE , IK - комплексні амплітуди струмів емітера і колектора. Для транзисторів

де h21Б - значення коефіцієнта передачі струму на низьких частотах.

Аргумент коефіцієнта h21Б ( j )

зменшується в 2 раза, називається граничною частотою БТ. З формули (10.4) бачимо, що на граничній частоті зсув фаз між вхідним і

вихідним струмами дорівнює 45 . Частотні характеристики БТ в ССБ показано на рисунку 10.2.

ССБ, і вона приблизно дорівнює середній тривалості дифузії неосновних носіїв через базу

де P - середня тривалість життя дірок у базі.

Рисунок 10.2 – Частотні характеристики БТ у ССБ

Модуль правої частини формули (10.6)

120