2417
.pdfВзависимости от предельно допустимой мощности рассеяния на коллекторе различают транзисторы малой, средней и большой мощности.
Взависимости от предельно допустимой частоты тока и напряжения различают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные транзисторы.
10.7. Нагрузочный режим работы биполярного транзистора
При работе транзисторов в усилителях используется нагрузочный (динамический) режим работы транзистора. Усилителями называются устройства, в которых с помощью малых изменений величины на их входе происходит управление значительно большими изменениями
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
той же либо другой величины |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
IкRк |
+Ек на их выходе. В усилителях |
|||||
|
R2 |
|
Rк |
|
|
|
управляющей |
величиной |
||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Ср2 |
|
(входным сигналом) являются |
||||||
|
|
T |
|
|
||||||||||
|
iвх Ср1 |
|
|
|
|
|
напряжение, ток или мощ- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ность, |
которые |
необходимо |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Uкэ |
uвых |
усилить, |
а управляемой ве- |
|||
uвх |
|
|
|
|
|
|
|
личиной |
(выходным |
сигна- |
||||
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
лом) |
являются |
напряжение, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ток или мощность, получае- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мые от независимого источ- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ника питания Ек (рис. 10.22). |
||||
|
Рис. 10.22. Усилительный каскад |
Чтобы на выходе усили- |
||||||||||||
|
тельного |
каскада получить |
||||||||||||
|
|
|
|
на транзисторе |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
выходной |
сигнал |
uвых, |
изме- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
няющийся в зависимости от входного сигнала uвх, в коллекторную цепь транзистора T включается нагрузочное сопротивление Rк.
Уравнение нагрузочного режима для цепи коллектора имеет вид
Uкэ=Ек–IкRк. |
(10.17) |
При изменении входного сигнала uвх изменяется ток базы, что приводит к изменению тока цепи коллектора Iк, следовательно, изменяется напряжение на нагрузочном сопротивлении IкRк, что приводит к изменению напряжения Uкэ, переменная составляющая которого поступает на выход усилительного каскада.
В соответствии с уравнением (10.17) строится нагрузочная вольтамперная характеристика транзистора.
240
Обычно эта характеристика |
строится на семействе статических |
||||||
выходных характеристик транзистора (рис. 10.23). |
|
||||||
Нагрузочная |
характе- |
|
Iк |
|
|||
ристика является |
прямой, |
|
Iб4 |
||||
|
Ек 2 |
||||||
не проходящей через |
на- |
Iк = |
|
||||
чало |
координат. |
Для |
ее |
|
Rк |
Iб3 |
|
построения по уравнению |
|
|
|||||
|
|
|
|||||
нагрузочной |
характери- |
|
|
Iб2 |
|||
стики (Uкэ=Ек–IкRк) опре- |
|
|
|||||
|
|
|
|||||
деляются |
координаты |
|
|
|
|||
двух |
точек, |
характери- |
|
|
Iб1 |
||
зующих два |
крайних ре- |
|
|
||||
|
|
|
жима работы транзистора |
1 |
Uкэ |
||
(см. рис. 10.23): |
||||
|
||||
1) Iк=0, Uкэ=Ек; |
Ек |
|
||
2) Uкэ=0, Iк = Ек . |
Рис. 10.23. Нагрузочная вольт-амперная |
|||
|
Rк |
характеристика транзистора на |
|
|
Точки |
пересечения |
семействе статических |
|
|
выходных характеристик |
|
|||
нагрузочной |
характери- |
|
||
|
|
стики со статическими являются рабочими точками в усилительном каскаде при соответствующих токах базы.
Графоаналитический метод с использованием нагрузочной характеристики, построенной на семействе статических характеристик, широко применяется при анализе работы усилительных схем.
Ключевой режим работы транзистора от усилительного отличается тем, что транзистор может находиться только в двух состояниях: в состоянии отсечки, которому соответствует точка 1 на нагрузочной характеристике, и в состоянии насыщения, которому соответствует точка 2 (см. рис. 10.23). Особенность этого режима состоит в том, что на коллекторе транзистора рассеивается очень маленькая мощность, и поэтому, в отличие от усилительного режима, отпадает необходимость использования радиатора даже для мощных транзисторов. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, можно опреде-
лить по формуле |
|
Рк = Iк2 Rк , |
(10.18) |
где Iк – ток коллектора; Rк – сопротивление коллекторного перехода. В режиме отсечки ток Iк очень мал, поэтому и мощность Рк также мала. В режиме насыщения ток Iк достигает максимального значения, но сопротивление Rк мало, поэтому и мощность Рк тоже мала. Пере-
241
ход транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения и обратно происходит практически мгновенно под действием управляющего напряжения, подаваемого на базу. За это время транзистор не успевает нагреться.
10.8. Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Протекание тока в канале обусловлено только одним типом зарядов. Электроды, подключенные к каналу, называются стоком и истоком, а управляющий электрод – затвором. Управляющее напряжение, создающее электрическое поле в канале, приложено между затвором и истоком.
Различают полевые транзисторы двух типов: с затвором в виде р- n перехода и с изолированным затвором.
Устройство транзистора с затвором в виде p-n перехода представлено на рис. 10.24. Основу полевого транзистора составляет полупроводниковая пластина р-типа, к торцам которой приложено напряжение UС, создающее ток IС, протекающий через сопротивление нагрузки Rн.
Uз |
|
З |
|
n-типа |
p-n переход |
|
|
|
|||
– |
+ |
|
|
С |
|
|
И |
Канал р-типа |
Iс |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Uс |
З |
n-типа |
Rн Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ – |
|
|
|
|
Рис. 10.24. Схематическое изображение полевого транзистора с p-n переходами
В полупроводниковой пластине этот ток создается движением основных носителей заряда. Торец пластины, от которого движутся носители заряда, называется истоком. Торец, к которому движутся носители заряда, называется стоком. В две противоположные боко-
242
вые поверхности основной пластины вплавлены пластинки n-типа. На границе раздела возникают p-n переходы, к которым в непроводящем направлении между истоком и затвором приложено входное напря-
жение UЗ.
Величина этого напряжения может изменяться при обязательном сохранении указанной на схеме полярности. С увеличением напряжения на затворе области p-n пе-
реходов увеличиваются, а попе- IС речное сечение канала и его проводимость уменьшаются.
Таким образом, изменением напряжения UЗ на затворе можно изменять ток через сопротивление нагрузки Rн и выходное на-
пряжение Uвых.
Работу полевого транзистора принято характеризовать зави-
симостью IC=f(UC) при различных значениях напряжения на затворе UЗ (рис. 10.25).
Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком приведено на рис. 10.26.
Полевой транзистор может включаться также по схеме с общим
стоком и с общим затвором. |
Однако такие схемы включения приме- |
|||||||
няются редко. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
IС |
|
|
|
С |
IС |
– |
З |
|
+ |
+ |
З |
– |
||
И |
|
И |
||||||
UЗ |
|
|
UС |
UЗ |
|
UС |
||
|
|
|
|
|
||||
+ |
а |
|
|
– |
– |
|
б |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10.26. Схемы включения с общим истоком и условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:
а – с каналом n-типа; б – с каналом р-типа
Перед биполярными полевые транзисторы имеют существенные преимущества, к которым относятся большое входное сопротивление, малый уровень собственных шумов, незначительное влияние темпе-
243
ратуры на усилительные свойства. Ток затвора полевого транзистора очень мал и составляет Iз=10–8–10–12 А.
Полевые транзисторы выпускаются также с изолированным затвором. В отличие от транзистора с затвором в виде p-n перехода в транзисторах с изолированным затвором между каналом и затвором внесен изолирующий слой. У транзисторов с изолированным затвором, которые называют транзисторами МДП-типа (металл-
диэлектрик-полупроводник), ток затвора уменьшен до величины
IЗ=10–13–10–16 А.
10.9. Классификация усилителей
Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов за счет энергии включенного источника питания. Различные усилители применяются
Кu |
|
|
|
для |
преимущественного |
усиления |
||||||||
|
|
|
значений тех или иных параметров |
|||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
f |
сигналов. По этому признаку они де- |
||||||||||
|
|
|
лятся на усилители напряжения, тока |
|||||||||||
|
|
|
fв |
|||||||||||
Кu |
|
а |
и мощности. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
Возможны линейный и нелиней- |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
f |
ный режимы работы усилителя. В |
||||||||||
fн |
fв б |
|
усилителях с практически линейным |
|||||||||||
|
режимом работы получается мини- |
|||||||||||||
Кu |
|
|
|
мальное искажение формы усиливае- |
||||||||||
|
|
|
f |
мого сигнала. Искажение сигнала бу- |
||||||||||
|
|
|
дет минимальным, если без искаже- |
|||||||||||
|
|
в |
fв |
ния будут усиливаться все его гармо- |
||||||||||
Кu |
|
|
нические |
|
составляющие. |
Свойство |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
усилителя |
увеличивать |
амплитуду |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
f |
гармонических составляющих сигна- |
||||||||||
fн |
|
|
fв |
ла |
характеризует |
его |
амплитудно- |
|||||||
|
г |
частотная характеристика (АЧХ), |
||||||||||||
Кu |
|
|
||||||||||||
|
|
|
представляющая |
собой |
зависимость |
|||||||||
|
|
|
f |
коэффициента усиления усилителя от |
||||||||||
|
|
|
частоты сигнала [ Кu = |
U&вых |
= Кu ( f ); |
|||||||||
|
|
f0 |
|
|||||||||||
|
|
|
U&вх |
|||||||||||
|
|
д |
|
|
|
I&вых |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 10.27. АЧХ усилителей |
Кi |
= |
= Кi ( f )]. По типу АЧХ раз- |
|||||||||||
& |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Iвх |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
244 |
|
|
|
|
|
|
|
|
личают усилители медленно изменяющихся напряжений и токов или усилители постоянного тока (рис. 10.27,а), усилители низких частот (рис. 10.27,б), усилители высоких частот (рис. 10.27, в), широкополосные усилители (рис. 10.27, г) и узкополосные усилители (рис. 10.27,д).
Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различного типа приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различного типа
Тип усилителя |
Граница нижних |
Граница верхних |
|
частот fн, Гц |
частот fв, Гц |
Усилитель постоянного тока |
0 |
103–108 |
Усилитель низких частот |
20–50 |
104–2·104 |
Усилитель высоких частот |
104–105 |
107–108 |
Широкополосный усилитель |
20–50 |
107–108 |
Вусилителях с нелинейным режимом работы при увеличении амплитуды напряжения на входе больше некоторого граничного уровня изменение напряжения на выходе усилителя практически отсутствует.
Такие усилители применяются главным образом в устройствах импульсной техники, в том числе логических.
Внастоящее время усилительная техника основана на широком внедрении усилителей в интегральном исполнении. Поэтому актуальным становится не разработка самих усилителей, а их применение для реализации различных функциональных узлов систем автоматики, управления и измерения.
10.10. Усилительные каскады на биполярных транзисторах
На рис. 10.28 приведена типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.
В этой схеме общий провод входной и выходной цепей заземлен. Источник входного сигнала (показан на схеме штриховой линией) имеет ЭДС ec=uc и внутреннее сопротивление Rвт. С1 и С2 – разделительные конденсаторы, отделяющие постоянный ток (цепь питания) от переменного тока (цепи источника усиливаемого сигнала
245
Входное сопротивление усилительного каскада с ОК R |
= |
U&бк |
|
||
вх |
& |
|
|
|
Iб |
составляет 100–300 кОм, что значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.
|
+Ек |
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
Rвт |
Iб |
С1 |
T |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
С2 |
|
|
ec=uc |
|
|
|
|
|
uвх |
|
|
|
|
|
|
R2 |
Rэ |
uвых=uн |
Rн |
|
|
|
|
Рис. 10.30. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОК
Коэффициент усиления по напряжению Кu = |
U&н |
составляет |
& |
||
|
Uc |
|
0,8–0,9, т.е. близок к единице. При этом сигнал на выходе усилительного каскада повторяет форму и фазу сигнала на входе.
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых составляет (10–50) Ом, что значительно меньше выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.
Усилительный каскад с ОБ имеет значение коэффициента усиления по напряжению, близкое к его значению для усилительного каскада с ОЭ. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления по току меньше единицы и, вследствие этого, мал его коэффициент усиления по мощности. Кроме того, он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.
10.11. Усилительные каскады на полевых транзисторах
По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком
248
(ОИ) и общим стоком (ОС). Чаще других используется усилительный каскад с ОИ.
На рис. 10.31 приведена типовая схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ. Назначения всех элементов схемы аналогичны их назначениям в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ.
+Ес
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
Rс |
|
|
|
|
|
|
|
С2 |
iн |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
iз |
|
|
T |
|
|
|
Iсп+iк |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Rвт |
С1 |
|
Iзп+iз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ec=uc |
|
|
|
|
|
uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uвых=uн |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
R1 |
|
Iип |
|
|
|
|
Rи |
Си |
|
|
iи |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10.31. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ
При синусоидальном входном сигнале усилительного каскада с
ОИ:
▪входное сопротивление Rвх=102–103 кОм;
▪выходное сопротивление Rвых=Rс=10–100 кОм;
▪коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хо-
да Кu = U&и =10–100;
U&с
▪ коэффициент усиления по току Кi = I&и =50–500;
I&с
▪ коэффициент усиления по мощности К |
р |
= |
Ри |
= К |
u |
К |
= |
|
|||||||
|
|
Р |
i |
|
|||
|
|
|
с |
|
|
|
=(0,6–40)·103.
Главным достоинством усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ относительно усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ является большое входное сопротивление, основным недостатком – меньшее быстродействие. Последнее объясняется наличием больших емкостей между электродами полевого транзистора, влияние которых в приведенном выше анализе не учитывалось.
249