цикла. Внутренний цикл задает изменение напряжения затвор – исток UЗИ ,

авнешний – изменение температуры.

2.2.Запустить выполнение анализа схемы. Вывести на экран графики за- висимостей IС = f (UЗИ ) при UСИ = const для трех значений температуры.

Пользуясь электронным курсором программы Probe, определить координаты ТСТ (точки пересечения трех графиков) IС ТСТ , UЗИ ТСТ .

2.3. Выполнить пп. 1.6 и 1.7 для рабочей точки, соответствующей ТСТ ( UЗИ = UЗИ ТСТ и UСИ = 5 В ), и определить значения дифференциальных па-

раметров ПТ в ней. Свести полученные значения в таблицу.

3. По полученным в п.1 значениям IС нач и UЗИ отс с использованием упро-

щенных выражений рассчитать значения крутизны в заданной рабочей точке (п. 1), а также координаты ТСТ и значение крутизны в этой точке.

Сравните значения параметров, рассчитанных в п. 3 и в пп. 1 и 2. Объясните, чем вызвано различие значений?

4.7.Контрольные вопросы

1.Изобразите эквивалентную схему ПТ, соответствующую модели Шихма- на – Ходжеса. Поясните физический смысл элементов этой модели.

2.Почему емкости модели Шихмана – Ходжеса описываются выражениями, соответствующими барьерной емкости p-n-перехода?

3.Почему при описании ПТ в малосигнальном режиме на низких частотах не используют входную проводимость ПТ и проводимость обратной связи по напря- жению?

4.Что показывает крутизна ПТ?

5.Изобразите формальную эквивалентную схему ПТ в системе Y- параметров.

6.Изобразите физическую малосигнальную эквивалентную схему ПТ. Какие свойства ПТ моделирует управляемый источник тока?

7.Где на передаточной характеристике ПТ располагается точка с максимальной крутизной?

8.Что такое термостабильная точка ПТ? Чем объясняется ее наличие?

9.Какие факторы определяют частотную зависимость усилительных свойств ПТ?

10.Как можно расширить рабочий диапазон ПТ?

11.Изобразите семейство выходных характеристик ПТ для различных температур.

12.Получите выражение для эквивалентной величины емкости обратной связи CЗС при ее пересчете на вход ПТ. Для этого определите величину

комплексного тока емкости CЗС по известным амплитудам напряжения на входе ПТ Uвх и на выходе ПТ – Uвых = -Ku × Uвх .

62

5. ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ УСИЛИТЕЛЕЙ

НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

5.1. Принцип действия усилителя

Основной областью применения биполярных транзисторов (БТ) является усиление электрических сигналов. Усилителем электрического сигнала на- зывается устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, по- данного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника посто- янного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изме- нении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

Рассмотрим процесс усиления электрических сигналов на примере простей- шего усилительного каскада на БТ, включенном по схеме с ОЭ, принципиальная схема которого показана на рис. 5.1. При отсутствии переменного сигнала на входе усилителя наличие источника постоянного напряжения (источника питания) UИП

приводит к протеканию через выводы БТ постоянных токов: базы IБ , коллектора IК и установлению между его выводами постоянных напряжений: база – эмиттер UБЭ и коллектор – эмиттер UКЭ (см. рис. 5.1). Такой режим работы БТ называют

статическим или режимом работы по постоянному току (режимом покоя).

Совокупность постоянных токов выводов БТ IБ = IБ0 , IК = IК0 и напряжений между ними UБЭ = UБЭ0 , UКЭ = UКЭ0 задает рабочую точку транзистора в

режиме покоя. Значения токов и напряжений рабочей точки в режиме покоя оп- ределяются напряжением источника питания UИП и сопротивлением резисторов

63

Поскольку согласно (5.3) ток базы зависит только от UИП и R Б , то такой спо- соб задания рабочей точки БТ (см. рис. 5.1) называют фиксированным током базы.

Усиливаемый сигнал с амплитудой напряжения Uвх m подается на базу

транзистора через конденсатор С1 большой емкости, сопротивление которого для переменного напряжения мало. Усиленный сигнал с коллектора транзисто- ра подается на резистор нагрузки RН через конденсатор большой емкости С2 .

Конденсаторы С1 и С2 называются разделительными, поскольку они препят- ствуют протеканию постоянного тока от источника питания UИП через нагруз-

ку и источник входного сигнала. Таким образом, конденсаторы С1 и С2 вы- полняют две функции: обеспечивают связь по переменному току между источ- ником сигнала, усилителем и нагрузкой; устраняют влияние источника сигнала и нагрузки на рабочую точку активного элемента.

На рис. 5.2 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления элек- трического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 5.2, а) определяется точкой пересечения выход- ной характеристики, соответствующей току базы IБ = IБ0 , и нагрузочной пря-

мой по постоянному току, график которой в системе координат IК = f (UКЭ )

описывается уравнением

IК (UКЭ )= UИПR− UКЭ , (5.6)

К

полученным из (5.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:

IК = UИП , когда UКЭ = 0 ; UКЭ = UИП , когда IК = 0 . RК

Рис. 5.2

64

Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания UИП и сопротивления резистора R К . Тангенс ее угла наклона

При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой Uвх m и низкой частотой f:

ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновен- ные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения UКЭ .

Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (5.2) – к изменению напряжения UКЭ . При отсутствии рези-

стора RН ( RН = ∞ ) мгновенные значения IК и UКЭ будут соответствовать

точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответ-

ствующими токам базы I'Б = IБ0 − Iб m ; I'Б' = IБ0 + Iб m , где Iб m – амплитуда то-

ка базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.

Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увели- чению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Уси- лительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° .

Для получения максимального значения амплитуды выходного неиска- женного сигнала Uвых max рекомендуется задавать напряжение коллектор-

эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания UКЭ0 ≈ UИП 2 . В этом случае Uвых max практически будет равно половине напряжения пита-

ния Uвых max ≈ UИП 2.

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением со- противления RН , то значения коллекторного тока IК и напряжения UКЭ будут

соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 5.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс β обратно пропорционален сопротивле-

нию параллельно включенных резисторов R К и RН :

65

чены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описыва-

ется выражением

и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:

выходной переменный сигнал большой мощности Pвых .

При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузоч-

ных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды вы- ходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

66