А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

Рисунок 4.10 – Схема смещения фиксированным напряжением

4.3Вопросы для самоконтроля

1.Отличия динамического режима от статического.

2.Принципиальная схема динамического режима.

3.Вывод уравнения выходной динамической характеристики.

4.Построение выходной динамической характеристики.

5.Построение входной динамической характеристики.

6.Области работы транзистора в динамическом режиме. Устройства, в которых транзистор работает в этих областях.

7.Принципиальная схема усилителя звуковой частоты.

8.Назначение элементов в схеме усилителя.

9.Графическое построение кривых мгновенных значений токов и напряжения.

9.1.Входного тока iВХ.

9.2.Входного напряжения uВХ.

9.3.Выходного тока iВЫХ.

9.4.Выходного напряжения uВЫХ.

10.Определение динамических параметров по кривым токов и напряжений.

10.1.Коэффициента усиления по току ki.

10.2.Коэффициента усиления по напряжению ku.

71

10.3.Коэффициента усиления по мощности kр.

10.4.Входного сопротивления RВХ.

10.5.Выходного сопротивления RВЫХ.

11.Схема смещения рабочей точки транзистора отдельным источником напряжения.

12.Схема смещения рабочей точки транзистора фиксированным током.

13.Схема смещения рабочей точки транзистора делителем напряжения.

72

5 КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

5.1 Понятие ключевого режима (КР)

Ключевым называется такой режим работы, при котором транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях:

1)закрытом (рисунок 5.1, а), то есть когда на переход эмиттер–

база (jЭ) подано обратное смещение, транзистор работает в области отсечки (область I на рисунке 4.4), и его сопротивление в направлении эмиттер–база–коллектор (Э–Б–К) практически равно бесконечности;

2)открытом (рисунок 5.1, б), то есть когда на переход jЭ подано прямое смещение, по нему протекает ток базы насыщения IБ = IБ НАС, который переводит транзистор в область насыщения (область II на рисунке 4.4), и его сопротивление в направлении Э–Б–К практически равно нулю.

Механическим аналогом транзистора при работе его в КР является ключ. В закрытом состоянии транзистор можно заменить разомкнутым ключом (рисунок 5.1, а), а в открытом – замкнутым (рисунок 5.1, б).

а

б

Рисунок 5.1 ― Пояснения работы транзистора в ключевом режиме в области отсечки (а) и в области насыщения (б)

73

В эти состояния транзистор переходит под действием входных сигналов, которые, как правило, имеют форму прямоугольных импульсов.

Транзистор работает в КР в устройствах автоматики, телемеханики, релейной защиты, то есть везде, где требуется включать или выключать электротехнические устройства. Наиболее широкое применение этот режим нашел в компьютерной технике и сотовой связи, где практически все транзисторы работают в КР.

Необходимо помнить, что при работе в этом режиме транзистор не только переключает схему, но и усиливает импульсный сигнал. Поэтому усилители, в которых транзисторы работают в КР, называют импульсными.

5.2 Схемы включения транзистора в ключевом режиме

Обычно при работе транзистора в КР требуется, чтобы при отсутствии входного сигнала он был закрыт. В этом случае на переход jЭ подается обратное смещение (закрывающее транзистор), а входной импульс должен смещать переход jЭ в прямом направлении (открывать транзистор).

Если необходимо, чтобы при отсутствии входного сигнала транзистор был открыт, то на переход jЭ подается прямое смещение (открывающее транзистор), а входной импульс должен смещать переход jЭ в обратном направлении (закрывать транзистор).

Рассмотрим схему импульсного усилителя с отдельным источником смещения, в котором транзистор при отсутствии входного сигнала закрыт (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Форма входного сигнала (а) и схема импульсного усилителя (б) с отдельным источником смещения

74

В этой схеме на интервале 0–1 напряжение uВХ = 0. К переходу jЭ от источника ЕСМ приложено обратное смещение, что соответствует закрытому положению транзистора на рисунке 5.1, а. На интервале 2–3 к переходу jЭ приложены два напряжения – входа uВХ = UВХ H в прямом и смещения ЕСМ в обратном. Так как UВХ H > ЕСМ, то переход jЭ смещен в прямом напряжении, что соответствует открытому положению транзистора на рисунке 5.1, б. На интервале 4–5 транзистор вновь закрывается.

Рассмотрим вторую схему импульсного усилителя без источника смещения, в котором роль последнего выполняет источник входного сигнала (рисунок 5.3).

Вэтой схеме на интервале 0–1 напряжение uВХ = UВХ В, поэтому

кпереходу jЭ приложено обратное смещение, что соответствует закрытому положению транзистора на рисунке 5.1, а. На интервале 2–3

uВХ = UВХ H, поэтому к переходу jЭ приложено прямое смещение, что соответствует открытому положению транзистора на рисунке 5.1, б. На интервале 4–5 транзистор вновь закрывается.

Рисунок 5.3 – Форма входного сигнала (а) и схема импульсного усилителя (б) без источника смещения

5.3 Рабочие точки транзистора в ключевом режиме

Определим рабочие точки транзистора на входной (рисунок 5.4, а) и выходной (рисунок 5.4, б) динамических характеристиках (ДХ), когда он работает в КР в схемах по рисункам 5.2, б и 5.3, б.

На интервале 0–1 к переходу jЭ приложено: в схеме с источником смещения напряжение ЕСМ, а в схеме без источника смещения напряжение UВХ В. Переход jЭ смещен в обратном направлении. По-

75

этому на входной ДХ рабочая точка сместится влево относительно начала координат на величину приложенного напряжения (т. L на рисунке 5.4, а). Ток базы равен нулю, и транзистор закрыт. Рабочая точка на выходной ДХ будет располагаться в точке пересечения ее с выходной статической характеристикой, снятой при IБ = 0 (т. L на рисунке 5.4, б). Транзистор будет работать в области отсечки (I), и выходной ток IК = 0.

На интервале 2–3 к переходу jЭ приложено: в схеме с источником смещения напряжение (UВХ H –ЕСМ), а в схеме без источника смещения напряжение UВХ Н. Переход jЭ смещен в прямом направлении. Поэтому на входной ДХ рабочая точка перейдет вправо относительно начала координат на величину приложенного напряжения и достигнет т. М. Ток базы при этом возрастет до IБ = = IБ НАС (рисунок 5.4, а). Транзистор открыт и работает в области насыщения (II). Рабочая точка на выходной ДХ будет располагаться в точке пересечения ее с выходной статической характеристикой, снятой при IБ = IБ НАС (т. М на рисунке 5.4, б), а выходной ток будет иметь максимальное значение IК = IК МАХ.

Рисунок 5.4 – Рабочие точки транзистора в ключевом режиме на входной (а) и выходной (б) динамических характеристиках

76

5.4 Входные и выходные напряжения транзистора в ключевом режиме

Рассмотрим подробно для схемы импульсного усилителя с источником смещения (рисунок 5.2) процесс переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Для наглядности примем, что входной сигнал uВХ имеет трапецеидальную форму.

Напряжение uВХ, которое поступает на вход схемы (рисунок 5.5, а) складывается с напряжением смещения ЕСМ (рисунок 5.5, б). Результирующее напряжение uВХ РЕЗ (рисунок 5.5, в), которое подается на переход jЭ транзистора, можно определить как

На интервале 0–1 (рисунок 5.5, в) результирующее напряжение, в соответствии с (5.1) равно uВХ РЕЗ = 0 + ЕСМ = ЕСМ.

На базу относительно эмиттера подано положительное напряжение («+» на n-полупроводник и «–» на p-полупроводник). Это соответствует обратному смещению перехода jЭ. Ток базы IБ = 0, транзистор закрыт и работает в области отсечки (рисунок 5.5, г). В направлении Э–Б–К сопротивление транзистора близко к бесконечности, и выходной ток коллектора IК = 0. Поэтому падение напряжение на резисторе RK (рисунок 5.5, д) будет равно

Согласно второму закону Кирхгофа, для выходной цепи схемы по рисунку 5.2, б, можно записать, что

Исходя из (5.3) и в соответствии с (5.2), найдем, что напряжение между эмиттером и коллектором транзистора будет равно

77

а

б

в

г

д

е

Рисунок 5.5 – Временные диаграммы напряжений: входного (а), смещения (б), результирующего входного (в), на коллекторном резисторе (д) и на коллекторе транзистора (е) импульсного усилителя с источником смещения в соответствии с областями работы транзистора (г)

На интервале 1–1′ положительное (относительно эмиттера) напряжение на базе уменьшается (рисунок 5.5, в). Однако смещение на переходе jЭ остается обратным, транзистор продолжает работать в области отсечки (рисунок 5.5, г) и будет закрыт. Выражения (5.2) и (5.4) справедливы и для этого интервала (рисунки 5.5, д и е). Такое состо-

78

яние транзистора будет продолжаться до момента 1′ , когда результирующее напряжение uВХ РЕЗ не станет равно нулю (рисунок 5.5, в).

На интервале 1′–2′ (рисунок 5.5, в) на базу относительно эмиттера подается отрицательное напряжение («–» на n-полупроводник и «+» на p-полупроводник), которое увеличивается от нуля до некоторой величины. Также возрастает и прямое смещение перехода jЭ. Ток базы при этом увеличивается и, допустим, в момент 2′ становится равным IБ = IБ НАС. Транзистор переходит из закрытого (момент 1′) состояния в открытое (момент 2′), работая этот интервал в активной области (рисунок 5.5, г). Его сопротивление при этом в направлении Э–Б–К падает от бесконечности до нуля. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в момент 1′ равно uК = EK (5.4), а момент 2′ – uК = 0, так как сопротивление транзистора близко к нулю (рисунок 5.5, е).

Выходной ток коллектора на интервале 1′–2′ растет от нуля до максимального значения IК МАХ. Поэтому падение напряжение на резисторе RK резко увеличится от нуля (момент 1′) до IК МАХ RK (момент 2′). В соответствии с (5.3) оно будет равно (рисунок 5.5, д)

uR = EK – uК = EK – 0 = EK = IК МАХ RK.

На интервале 2′–3′ (рисунок 5.5, в) переход jЭ имеет прямое смещение, достаточное для того, чтобы IБ ≥ IБ НАС. Транзистор открыт, работает в области насыщения (рисунок 5.5, г), и сопротивление его в направлении Э–Б–К практически равно нулю. Поэтому на всем этом интервале uR = EK и uК = 0 (рисунок 5.5, д и е).

На интервале 3′–4′ (рисунок 5.5, в) на базу относительно эмиттера все еще подается отрицательное напряжение («–» на n-полупроводник и «+» на p-полупроводник), которое уменьшается от некоторой величины до нуля. Соответственно снижается и прямое смещение перехода jЭ.

Ток базы при этом падает с IБ = IБ НАС (момент 3′) до нуля (момент 4′). Транзистор переходит из открытого (момент 3′) состояния в закры-

тое (момент 4′), работая этот интервал в активной области (рисунок 5.5, г). Его сопротивление при этом в направлении Э–Б–К возрастает от нуля до бесконечности. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в момент 3′ равно uК = 0, а момент 4′ – uК = EK (5.4) (рисунок 5.5, е).

Выходной ток коллектора на интервале 3′–4′ уменьшается от IК МАХ до нуля. Поэтому падение напряжение на резисторе RK резко падает от EK до нуля (рисунок 5.5, д).

79

На интервале 4′–4 на базе транзистора возникает положительное (относительно эмиттера) напряжение (рисунок 5.5, в). К переходу jЭ прикладывается обратное смещение. Транзистор начинает работать в области отсечки (рисунок 5.5, г) и будет закрыт. Выражения (5.2) и (5.4) справедливы для этого интервала (рисунки 5.5, д и е). Такое состояние транзистора будет продолжаться до тех пор, пока результирующее напряжение на базе транзистора вновь не станет отрицательным относительно эмиттера.

Все вышесказанное справедливо и для импульсного усилителя без источника смещения (рисунок 5.3). Исключения составляют диаграммы uВХ (рисунок 5.5, а) и EСМ (рисунок 5.5, б), так как в данной схеме входное напряжение uВХ уже имеет форму результирующего входного напряжения, изображенного на рисунке 5.5, в. Все остальные диаграммы (рисунок 5.5, г – е) будут аналогичны.

5.5 Примеры схем импульсных усилителей

Рассмотрим работу простейших импульсных усилителей.

На рисунке 5.6, б изображена схема устройства для переключения ламп HL1 и HL2, а на рисунке 5.6, а – форма входного сигнала.

Рисунок 5.6 ― Форма входного сигнала (а)

и схема импульсного усилителя (б) для переключения ламп

На интервале 0–1 (рисунок 5.6, а) на переход jЭ VT1 подано обратное смещение, ток базы VT1 IБ1 = 0, следовательно, транзистор VT1 закрыт, а его сопротивление в направлении Э–Б–К близко к бесконечности (рисунок 5.7).

80