3.3. Варикапы

Емкость р-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается. На рис. 3.10 показано условное обозначение варикапа, а на рис. 3.11 представлены графики зависимости емкости от напряжения.

Рис 3.10 Условное обозначение варикапа

Рис. 3.11. Зависимость емкости р-n-перехода от напряжения.

Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности вари-капы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ.

4. Транзистор и схемы на его основе

Транзистор - полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала. Различают кремниевые и германиевые транзисторы Они бывают р-n-р-и n-р-n-типа. На рис 4.1 и 42 показаны их условные обозначения.

Рис 4.1 n-p-n-транзистор и его диодная эквивалентная схема

Рис 4.2 р-n-р- транзистор и его диодная эквивалентная схема

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n- или р-слоем Электрод, связанный с ним, называется базой В. Два других электрода называются эмиттером Е и коллектором С. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора.

Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор -в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис 4.3 и 4.4.

Рис 4.3 Полярность включения n-р-n-транзистора

Рис 4.4 Полярность включения р-n-р-транзистора

Основная особенность транзистора состоит в том, что коллекторный ток I_C является кратным базовому току I_B Их отношение В = I_C/I_B называют коэффициентом усиления по току. Режим транзистора подробно описывается с помощью семейства его характеристик. Ниже рассматриваются n-р-n-транзисторы. Для р-n-р-транзисторов знаки напряжений и токов следует изменить на противоположные.

4.1. Характеристики и параметры в режиме малых сигналов

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение U_BE и измерим выходной ток I_C как функцию выходного напряжения u_ce. Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис. 4.6).

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения U_CE определенного значения. Этой особенностью обладает пентод. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Рис 4 5 Передаточная характеристика

Рис 4.6 Семейство выходных характеристик

Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на передаточной характеристике, изображенной на рис 4.5, которая представляет собой зависимость I_C от U_BE; при этом U_CE варьируется как параметр. Известно, что передаточная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции. Однако в отличие от формулы (3.1) поправочный коэффициент m в этом случае с большой точностью равен единице. Тогда

так что I_C больше обратного тока Is.

Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке I_CA, U_CEA, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. При расчете схем характеристика заменяется касательной в рабочей точке. Увеличение тангенса угла наклона касательной означает увеличение дифференциального параметра (параметра малого сигнала).

Изменение коллекторного тока I_C в зависимости от U_BE характеризуется крутизной S

Эту величину можно рассчитать, используя выражение (4.1):

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

Из рис. 4.6 видно, что с увеличением коллекторного тока оно уменьшается, так как наклон характеристики увеличивается. С высокой точностью сопротивление r_CE обратно пропорционально I_C, т.е.

Коэффициент пропорциональности U_Y называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив r_CE. Тогда несложно рассчитать выходное сопротивление для любого коллекторного тока. Типовое значение U_Y находится в пределах 80-200 В для n-р-n-транзисторов и 40-150 В для р-n-р-транзисторов.

В отличие от электронной лампы входной ток транзистора не равен нулю. Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление

Его можно определить по входной характеристике I_B= f (U_BE) приведенной на рис. 4.7.

Рис 4.7 Входная характеристика

Эта характеристика, как и передаточная характеристика (рис. 4.5), описывается экспоненциальной функцией. Таким образом, коллекторный ток пропорционален базовому току. Коэффициент пропорциональности В = I_C/I_B называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как В зависит от I_C. Эта зависимость показана на рис. 4.8.

Рис 4.8 Типовые зависимости коэффициентов статического и динамического усиления по току от коллекторного тока для маломощного транзистора

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением

Зависимость этой величины от I_C тоже представлена на рис 4.8. У мощных транзисторов максимум коэффициента усиления соответствует диапазону токов, измеряемых в амперах, а абсолютное его значение значительно ниже, чем у маломощных транзисторов. Зная  и крутизну, можно рассчитать входное сопротивление r_BE:

В координатах рис. 4.7 можно изобразить семейство кривых с U_CE в качестве параметра. Однако зависимость от U_CE так незначительна, что кривые практически совпадают. При малых сигналах эта зависимость характеризуется коэффициентом обратной передачи по напряжению и обратной крутизной:

При малых коллекторных токах коэффициент обратной передачи по напряжению положителен, при больших - отрицателен. Абсолютное значение его не превышает 10^-4. Поэтому влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать. Ее же следует принимать во внимание при рассмотрении влияния емкости коллектор-база. К этому вопросу мы еще вернемся в гл. 14.