1.9. Работа транзистора с нагрузкой

При работе транзистора в электронных схемах, в цепи его электродов подключают не только источники постоянных смещений, но и источники сигналов, а также элементы нагрузки. На рис. 16 представлена схема включения транзистора с нагрузкой и источником питания.

Рис. 16

Для коллекторной цепи справедливо .

Это уравнение определяет положение линии нагрузки.

Простейший случай – работа транзистора в качестве усилителя низкочастотного синусоидального сигнала малой амплитуды. Под термином «малого сигнала» понимают такой сигнал, амплитуда которого настолько мала, что в пределах изменения напряжения сигнала статические характеристики можно считать линейными, а сам транзистор рассматривать как линейный четырехполюсник.

Для работы транзистора в качестве усилителя необходимо обеспечить определенные токи и напряжения на полюсах транзистора, т.е. задать рабочую точку. Рабочая точка определяется смещениями на эмиттерном и коллекторном переходах, которые задаются источниками напряжения Е_Ки U_БЭО.

Рассмотрим связь входных и выходных характеристик транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис. 17).

При усилении слабых сигналов рабочая точка должна находиться в активной области статических характеристик.

Рабочая точка Б′ на выходных характеристиках определяется с помощью входной характеристики.

Принцип работы усилителя заключается в следующем. При воздействии сигнала U_вх напряжение Е_БЭО суммируется с напряжением сигнала и рабочая точка Б перемещается между А и С на входной характеристики транзистора. Когда амплитуда сигнала мала, участок АС можно заменить отрезком прямой. Перемещение рабочей точки Б вызывает изменение тока базы I_Б. Поскольку I_К ≈ βI_Б, то изменением тока I_Бприводит к соответствующим изменениям тока коллектора I_К.Протекая через R_К ток I_К создает на нем падение напряжения U_вых, которое является усиленной копией входного сигнала U_вх.

Рис. 17

Отметим, что U_вых и U_вх сдвинуты по фазе на 180⁰.

Важнейшими факторами, определяющими усилительные свойства транзисторов являются:

- возможность эффективного управления выходным током I_К за счет входного сигнала (обеспечивается прямым смещением эмиттерного перехода),

- минимальная реакция выходной цепи (обеспечивается обратным смещением коллекторного перехода) (слабая зависимость I_К от U_КБ, т.к. коллекторный переход смещен обратно).

На выходных характеристиках можно выделить ряд зон, характеризующие режимы работы транзистора. Активная область ограничена областью насыщения (I) и отсечки (II), в которых транзистор теряет усилительные свойства, превышение U_Кдоп (III) или P_Кдоп (IV) выводит транзистор из строя, а превышением I_Кдоп ухудшает усилительные свойства вследствие падения β (V).

1.10. Работа транзистора на высоких частотах

На частотные свойства транзистора оказывают влияния емкости С_Э и С_К, а также инерционные процессы диффузионного движения носителей в базе.

В общем случае С_Э и С_К включают как барьерные емкости переходов, так и диффузионные. Поэтому их величины зависят от режима работы транзисторы и выбора рабочей точки. Вследствие шунтирующего действия С_Э снижается инжекция носителей в базу, т.е. качество эмиттера ухудшается, а ток инжекции отстает по фазе от тока эмиттера.

Большое значение имеют процессы в базе. Рассмотрим процесс инжектирования в базу короткого импульса тока, который можно рассматривать как компактный пакет носителей заряда (рис. 18, 19).

Рис. 18

Вследствие конечного времени диффузии пакет носителей достигнет коллектора не мгновенно, а через некоторое время τ.

Вследствие разброса скоростей отдельных носителей заряда границы пакета у коллектора размываются – импульс тока коллектора получается колоколообразным.

Если время τ сравнимо с периодом входных колебаний, то распределение концентраций носителей в базе будет отличаться от линейного, градиент концентрации снижается, что ведет к падению коэффициентов α и β.

При отключении тока эмиттера ток коллектора спадает постепенно, т.к. носители заряда, накопившиеся в базе, покидают базу не мгновенно, а в течение времени рассасывания t_p. За это время неосновные носители уходят из базы через оба перехода, а также рекомбинируют в базе.

Рис. 19

Итак, вследствие инерционности процессов переноса тока в транзисторе наблюдается сдвиг по фазе между токами электродов. Поэтому коэффициенты α = h_21Б и β = h_21Э являются комплексными функциями частоты, т.е.

, где ; ,

где h_21О– коэффициент передачи тока на низкой частоте. Эта зависимость представлена на рис. 20.

Рис. 20

Частота ω_h21 называется предельной частотой коэффициента передачи тока. На этой частоте уменьшается враз.

В справочниках приводится также граничная частота передачи тока базы в схеме ОЭ - ω_грЭ, при которой h_21Э ≈ 1, а также максимальная частота генерации ω_гmax, при которой коэффициент усиления сигнала по мощности падает до 1. При этом транзистор уже не способен работать в схемах генераторов сигналов.

Величины ω_h21, ω_гр, ω_гmax описывают частотные свойства транзисторов и называются высокочастотными параметрами транзистора. Их значения в современных высокочастотных транзисторах составляют сотни Мгц.