podyak
.pdfтранзистора можно определить на основе знания его характеристик, устанавливающих связь между управляющим и выходным воздействиями, и ряда приведенных ниже параметров, которые и рассмотрим применительно к схемам c ОБ и ОЭ.
2.2.1.СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ ОЭ
Вэтой схеме управляющим воздействием является ток базы IБ, протекающий в базовой цепи транзистора и обусловливающий падение напряжения между базой и эмиттером транзистора. Зависимость
IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const образует семейство входных характеристик (рис. 2.3).
Под действием управляющего тока IБ появляется выходной ток IК, а его функциональная связь IК = f(UКЭ) при IБ = const отражается в виде семейства выходных характеристик (рис. 2.4) (здесь и далее используется транзистор n–p–n-типа). Рассмотрим эти зависимости подробнее. Семейство входных характеристик имеет слабо выраженную зависимость от напряжения на коллекторе транзистора, что практически позволяет рассматривать все семейство в виде одной характеристики,
соответствующей значениям UКЭ 5 В. При напряжении UБЭ = 0 ток базы делается равным нулю, а при дальнейшем уменьшении достигает минимального значения IК0 – обратного теплового тока коллекторного перехода, измеренного при обрыве эмиттера. Существенное нарастание тока базы начинается с некоторого порогового значения UБ0, равного примерно 0.6 В. Обратим внимание на зависимость обратного тока от температуры:
|
|
|
|
|
T |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
К 0(T ) |
I |
К 0(T |
20 ) |
e |
|
10 . |
(2.1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Точка А, обозначенная на рисунке, соответствует рабочему режиму входной цепи транзистора, обеспечивающим выбранный или рассчитанный необходимый рабочий ток выходной цепи. Наклон характеристики в этой точке определяет входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ:
Rвх(ОЭ) = h11(ОЭ) = rб + rэ(1 + ), |
(2.2) |
30
где rб – сопротивление омического слоя базы транзистора, rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера:
rэ ≈ 25/IЭ (Ом), |
(2.3) |
где ток эмиттера измеряется в миллиамперах (мА).
|
IB |
|
|
|
|
|
|
I |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КДОП |
||
|
|
|
UКЭ=0 |
I |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
||
|
IB4 |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
IB3 |
|
|
|
|
КЭ=5В |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КA |
||
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
IB2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
IB1 |
|
|
|
|
|
UБЭ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
IK0 |
UБ0 |
|
UБА |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
B4 |
|
|
|
I |
|
|
|
B3 |
|
|
P |
B2 |
|
A |
КДОП |
I |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
B1 |
|
|
I =0 |
|
|
|
B |
|
Uкн |
UКА |
К0 |
UКДОП |
|
|
I |
|
Рис. 2.3 |
Рис. 2.4 |
Семейство выходных характеристик представляет собой ряд практически горизонтальных зависимостей тока коллектора в функции управляющего тока базы, начиная с некоторого остаточного напряжения UКн (напряжение насыщения) на коллекторе транзистора. Эта связь определяется с высокой степенью приближения равенством:
IК = 0IБ, |
(2.4) |
где |
|
0 = IК/IБ. |
(2.5) |
статический коэффициент усиления (передачи) по току на частоте f = 0 для схемы ОЭ.
Незначительный наклон характеристик связан с эффектом модуляции ширины базы коллекторным напряжением и оценивается диффе-
ренциальным сопротивлением rК (выходным сопротивлением транзи-
стора в схеме ОЭ). На рисунке обозначены также: IКдоп – предельно допустимый ток коллектора транзистора, UКдоп – предельно допустимое напряжение на коллектор, РКдоп – предельно допустимая мощность рассеивания на коллекторе транзистора.
Рабочая точка А, обозначенная на рисунке, характеризуемая рабочим током IКA и рабочим напряжением UКA, определяет статический
31
режим транзистора (или состояние покоя). Ее положение не должно выходить за пределы допустимых значений тока коллектора, напряжения на коллекторе и допустимой мощности рассеивания на нем.
Теория работы транзистора показывает, что даже при токе IБ = 0 (режим оборванной базы) в цепи коллектора протекает неуправляемый
обратный ток IК0 , значение которого равно
IК0 = IК0( 0 + 1).
Рассмотренное выше позволяет записать более точное уравнение идеализированных выходных характеристик транзистора, где учтены зависимый источник тока, обратный ток и дифференциальное сопротивление rК*, шунтирующее источник тока:
IК = 0IБ + IК0 + UК/ rК . |
(2.6) |
2.2.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО
ПО СХЕМЕ ОБ
Приведенные на рис. 2.5, 2.6 входная и выходная характеристики описываются приближенными выражениями:
|
|
|
|
|
IК 0 |
|
|
UЭБ |
|
UКБ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
Э |
|
|
|
|
|
e T |
1 |
I |
e |
T |
1 |
, |
(2.7) |
||||
1 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
N |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
IК0 |
|
|
|
|
|
UЭБ |
|
|
|
UКБ |
|
|
|
I |
k |
|
|
|
|
|
N |
e |
T 1 |
|
e |
T |
1 |
, |
(2.8) |
|||
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
N |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Т = kT/q – температурный потенциал, k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, q – заряд электрона, N = IК/IЭ – прямой коэффициент передачи по току в схеме ОБ; I – инверсный коэффициент передачи по току, IК0 IЭ0 – тепловые токи соответствующих переходов.
32
IЭ |
|
|
|
UКБ=5В |
|
IЭ4 |
UКБ=0 |
|
IЭ3 |
||
|
||
IЭ2 |
A |
|
|
||
IЭ1 |
UЭБ |
|
|
||
IK0 |
UЭ0 |
|
|
||
|
Рис. 2.5 |
IКДОП |
|
IЭ4 |
IК |
|
|
|
|
|
|
|
IЭ3 |
РКДОП |
|
IЭ2 |
IКA |
|
IЭ1 |
A |
|
|
IЭ=0 |
|
UКБ |
|
|
|
UКА |
IK0 |
UКДОП |
Рис. 2.6 |
|
|
Входной характеристике свойствен, как и для схемы ОЭ, резко нарастающий участок при прямом смещении на эмиттерном переходе, начиная с некоторого остаточного напряжения UЭ0. Наклон входной характеристики в рабочей точке А определяет входное сопротивление схемы ОБ:
Rвх(ОБ) = h11(ОБ) = rэ + rб(1 – ). |
(2.9) |
Семейство коллекторных характеристик также может быть представлено в идеализированном виде
IК= 0Iэ + IК0 + UК/rк, |
(2.10) |
где α0 – коэффициент передачи тока на низкой частоте, IК0 – обратный ток коллекторного перехода, rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с ОБ.
Выходные характеристики схемы ОБ более горизонтальны, чем в схеме ОЭ, а остаточное напряжение на коллекторе может быть равным нулю, что позволяет более эффективно использовать напряжение источника питания коллекторной цепи.
Рабочая точка А на характеристиках транзистора, как и в схеме ОЭ, должна располагаться в области, ограниченной предельно допустимыми значениями тока коллектора, напряжения на коллекторе и мощности рассеивания на коллекторе.
2.2.3. ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Вследствие конечной скорости движения носителей тока коэффициенты передачи по току и оказываются зависящими от частоты передаваемого сигнала и соответственно представляются выражениями:
33
( j |
) |
|
|
0 |
|
; |
(2.11) |
|
|
j |
|||||
|
1 |
|
|
||||
( j |
) |
|
|
0 |
|
, |
(2.12) |
|
|
|
|
||||
|
1 |
j |
|
|
|||
где 0 – коэффициент передачи по току при |
= 0 для схемы ОБ; 0 – |
||||||
коэффициент передачи по току при |
= 0 для схемы ОЭ. |
Здесь , – некоторые постоянные времени, связанные соотноше-
нием |
|
(1 0 ) . |
(2.13) |
Частоты, на которых модули коэффициентов передачи по току
уменьшаются в 2 раз, называются граничными и соответственно равны:
верхняя граничная частота в схеме ОБ
1
f ; (2.14) 2
верхняя граничная частота в схеме ОЭ
f |
1 |
= |
f 1 |
0 . |
(2.15) |
|
|
||||||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
Кроме приведенных зависимостей на работу транзисторных схем с увеличением частоты влияют емкости СЭ (диффузионная емкость перехода эмиттер–база) и СК (барьерная емкость коллекторного перехода).
2.3. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Статический режим работы схемы усилителя (или режим работы по постоянному току) – это электрическое состояние схемы, т. е. совокупность значений токов и напряжений на ее элементах при отсутствии входного сигнала. Здесь значимое место имеют прежде всего токи
34
транзистора и напряжения на его электродах. Для решения этой задачи удобно обратиться к обобщенной схеме питающих напряжений на усилитель (рис. 2.7) и его эквивалентной схеме замещения, вытекающей из анализа его характеристик и параметров (рис. 2.8). На рисунках обозначены:
ЕБ, ЕЭ – источники, обеспечивающие необходимый ток смещения в цепи базы (или в цепи эмиттера), зависящий от величины резисторов
RБ, RЭ;
UБЭ – прямое падение напряжения между базой и эмиттером транзистора, обычно принимаемое равным 0.6 В;
RК – сопротивление в коллекторной цепи, с помощью которого задается рабочий режим транзистора и выделяется выходной сигнал на коллекторе транзистора.
ЕК |
|
|
|
|
|
RК |
|
|
|
|
IK0 |
IК |
|
IB |
|
|
IК |
|
|
|
rб |
|
|
|
|
|
|
|
|
IB |
|
UБЭ |
rэ |
|
rk |
|
|
|
|||
IЭ |
RБ |
|
|
|
|
RБ |
IЭ |
|
0 IB |
RК |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
ЕЭ |
ЕБ |
|
RЭ |
|
ЕК |
|
ЕЭ |
|
|||
ЕБ |
|
|
|
|
|
Рис. 2.7 |
|
|
Рис. 2.8 |
|
|
Полагая rк и используя известные методы анализа электриче-
ских цепей, получим следующие расчетные соотношения для токов базы, коллектора и эмиттера транзистора:
IБ |
|
ЕЭ ЕБ |
– |
|
UБЭ |
– |
|
IК0 RЭ |
|
; (2.16) |
|
RБ |
RЭ 1 0 |
RБ |
RЭ 1 0 |
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|||||
|
|
|
|
35
IК |
|
(ЕЭ ЕБ ) 0 |
– |
|
|
UБЭ 0 |
|
+ |
IК 0 |
(RЭ RБ ) |
; |
(2.17) |
|||||||
|
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|
RБ |
RЭ 1 |
0 |
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
IЭ |
(ЕЭ ЕБ )( 0 1) |
– |
|
UБЭ ( 0 1) |
|
+ |
|
|
IК 0 RБ |
|
|
. |
(2.18) |
||||||
|
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|
|
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|
|
RБ |
RЭ 1 |
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассматривая приведенные выражения, легко заметить, что в них входят основная составляющая, обусловленная внешними источниками ЭДС, а также составляющие, зависящие от свойственных транзистору «паразитных» параметров (обратного тока и падения напряжения UБЭ), влияющих на стабильность рабочего состояния транзистора и всей схемы усилителя.
Для оценки стабильности тока коллектора рассмотрим функцию тока коллектора и найдем его изменение, полагая, что значения 0, UБЭ, IК изменились. Посредством дифференцирования получим:
IК S |
IК 0 |
|
UБЭ |
|
|
IЭ |
|
0 |
, |
(2.19) |
0 |
|
RБ RЭ 1 |
0 |
0 |
||||||
|
|
|
|
где S – коэффициент температурной нестабильности тока коллектора:
S |
|
0 |
. |
(2.20) |
||
1 |
|
0 RЭ |
||||
|
|
|
|
|||
|
RЭ |
RБ |
|
|
||
|
|
|
|
|
Из формулы следует, что коэффициент нестабильности существенно зависит от значений сопротивлений, включенных в базовую и эмиттерную цепи транзистора. Это надо учитывать при построении и расчете усилительного каскада. При выбранном значении S из (2.20) получим требуемое отношение
RБ |
|
S 0 1 |
0 |
. |
(2.21) |
|
RЭ |
0 |
S |
||||
|
|
36
2.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОЭ
На рис. 2.9 представлена принципиальная схема однокаскадного усилителя с емкостной связью, а на рис. 2.10 – его малосигнальная схема замещения.
|
ЕБ |
ЕК |
|
|
R1 |
RК |
С2 |
|
|
||
|
|
UBЫХ |
|
|
|
|
|
|
С1 |
|
|
RГ |
|
|
RН |
ЕГ |
|
|
|
R2 |
RЭ |
|
|
|
|
||
|
|
СЭ |
|
|
|
|
Рис. 2.9 |
|
|
|
|
|
β iб |
С2 |
|
|
|
iб |
|
|
|
|
|
rk |
ik |
UBЫХ |
|
|
|
|
|||
|
rб |
|
rэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
RБ |
|
|
СК |
RК |
RН |
|
|
|
|||
|
|
|
RЭ |
|
|
ЕГ |
|
|
СЭ |
|
|
Рис. 2.10
Схема усилителя содержит: ЕГ – источник входного сигнала с внутренним сопротивлением RГ; С1 – конденсатор, разделяющий входную цепь транзистора и источник входного сигнала по постоянному току; C2 – конденсатор, разделяющий коллекторную цепь и нагрузку по постоянному току; CЭ – конденсатор, включаемый для уменьшения переменной составляющей на эмиттере транзистора; R1, R2, RЭ – резисто-
37
ры, обеспечивающие статический режим входной цепи усилителя; RК – резистор, выполняющий функцию нагрузки по постоянному и переменному току; Rн – сопротивление нагрузки по переменному току.
IБ |
|
|
|
|
IБ2 |
|
|
RГ |
|
|
|
RБ |
|
|
|
|
|
|
|
IБА |
|
А |
|
t |
|
|
|
|
|
IБ1 |
|
UБА |
UБЭ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
ЕБ1 |
|
|
ЕГ |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
Рис. 2.11 |
|
IК |
RЭ |
RКН |
|
|
|
+ RК |
|
IБ2 |
|
|
RЭ |
|
|
|
IК2 |
|
|
|
|
IКА |
|
А |
|
t |
|
|
|
IБ1 |
|
|
|
|
|
|
IК1 |
|
|
|
|
|
|
UКА |
|
ЕК |
|
|
|
UBЫХ |
|
|
|
t |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.12 |
|
|
|
|
38 |
|
Принцип работы усилителя, процесс формирования управляющего и выходного сигналов в нем поясняются рис. 2.11, 2.12. (Построение графиков приведено для случая RЭ = 0.) Рабочий ток IБА в цепи базы транзистора задается с помощью источника ЕБ и делителя напряжения R1, R2 и находится на рис. 2.11 путем пересечения нагрузочной линии
RБ = R1R2/(R1 + R2), исходящей из точки ЕБ1 = ЕБR2/(R1 + R2), с входной характеристикой транзистора в точке А.
При подаче входного сигнала рабочая точка перемещается, а ее положение определяется совместным решением нелинейного уравнения входной характеристики и линейного уравнения, связывающего ЭДС ЕГ и вызываемое ею изменение управляющего тока Iб:
ЕГ = iбRГ + uБЭ. |
(2.22) |
Точки встречи этих двух зависимостей определяют максимальное IБ2 и минимальное IБ1 значения тока базы при известной амплитуде входного сигнала.
Рабочая точка А на выходных характеристиках транзистора определяется пересечением выходной характеристики (для тока IБА) и линии нагрузки RК в соответствии с ее уравнением:
ЕК = IКRК + UЭ. |
(2.23) |
Изменение управляющего тока IБ вызывает изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе (и, следовательно, на нагрузке) согласно уравнению
uk = –iК(RК Rн). |
(2.24) |
Переменные составляющие тока коллектора и напряжения на нагрузке принимают при этом соответственно минимальное и максимальное значения.
2.4.1. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В СХЕМЕ ОЭ. ЧАСТОТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЯ
На основании рассмотренного выше, не приводя подробных выкладок, основанных на законах электротехники применительно к эквивалентным схемам замещения транзистора и всего усилителя, запишем следующее.
39