Электроника_Книга

Если, например, уменьшить EK, то выходная ДХ пойдет ниже (линия А1В1 на рисунке 4.2), если увеличить RK, – то пойдет под другим углом (линия АВ2 на рисунке 4.2). Соответственно меняется и семейство рабочих точек транзистора.

4.1.3 Входная динамическая характеристика

Входной ДХ называется зависимость IВХ = f(UВХ) при EK = const и RK = const. Для схемы по рисунку 4.1 это будет зависимость IБ = f(UЭБ). Она строится по выходной ДХ, выходным и входным СХ.

Для ее построения на графике выходной ДХ изображают семейство выходных СХ, то есть зависимости IВЫХ = f(UВЫХ) при IВХ = const (рисунок 4.3, а).

Рисунок 4.3 – Построение входной динамической характеристики

Последовательность построения рассмотрим на примере переноса рабочей т. а с выходной ДХ (рисунок 4.3, а) на входную ДХ (рисунок 4.3, б).

Определяем значение входного тока, который будет соответствовать работе транзистора в т. а. Для этого на рисунке 4.3, а находим выходную СХ, которая пересекает выходную ДХ в т. а. Это характеристика, снятая при IВХ = IВХ a. Поэтому величина IВХ, которая будет соответствовать работе транзистора в т. а, будет равна IВХ a.

Определяем значение выходного напряжения, которое будет соответствовать работе транзистора в т. а. Для этого из т. а на рисунке 4.3, а

61

опускаем перпендикуляр на ось UВЫХ. Откуда находим, что величина UВЫХ , которая будет соответствовать работе транзистора в т. а,

будет равна UВЫХ а .

В семействе входных СХ (рисунок 4.3, б) находим характеристи-

ку, снятую при UВЫХ = UВЫХ а.

На оси IВХ (рисунок 4.3, б) находим точку, соответствующую значению IВХ = IВХ a, и из нее проводим прямую, параллельную оси UВХ.

Точка пересечения этой прямой с входной СХ, снятой при UВЫХ =

=UВЫХ а, и будет являться рабочей т. а транзистора на входной ДХ. Аналогично на входную ДХ переносятся и остальные (b, c, d, e)

рабочие точки транзистора.

Таким образом, строится входная ДХ, которая показывает семейство точек работы транзистора в данной схеме.

Необходимо отметить, что у многих транзисторов входные СХ проходят очень близко друг от друга. Поэтому в качестве входной ДХ транзистора часто используют одну из его входных СХ.

4.1.4 Области работы транзисторов в динамическом режиме

При работе транзистора в динамическом режиме на выходных характеристиках можно выделить три области работы (рисунок 4.4).

I – область отсечки. Характеризуется очень малыми IВЫХ при больших UВЫХ и, следовательно, очень большим (близким к бесконечности) сопротивлением в направлении эмиттер–база–коллектор. В об-

62

ласти отсечки транзистор считается закрытым, и в схемах его можно заменить разомкнутым ключом.

II – область насыщения. Характеризуется большими IВЫХ при малых UВЫХ и, следовательно, очень малым (близким к нулю) сопротивлением в направлении эмиттер–база–коллектор. В области насыщения транзистор считается открытым, и в схемах его можно заменить замкнутым ключом.

III– активная область. В этой области IВЫХ и UВЫХ изменяются

вшироких пределах. Транзистор ведет себя как переменное нелинейное сопротивление, которое может изменяться от небольших до значительных величин.

В областях отсечки и насыщения (I и II) транзистор работает

вустройствах цифровой техники (ЭВМ, автоматика, телемеханика, цифровая связь), в которых он используется как переключатель. Работа транзистора в областях I и II рассмотрена в разделе 5.

В активной области (III) транзистор работает в устройствах радио, телевещания, аналоговой связи. В них он используется как усилитель переменных колебаний.

4.2 Работа транзистора в активной области в режиме усиления

4.2.1 Схема усилителя звуковой частоты

Схема усилителя звуковой частоты, в котором транзистор работает в активной области, приведена на рисунке 4.5.

Элементы схемы имеют следующее назначение:

ВМ – микрофон, преобразующий механические колебания в электрические;

СР1 – разделительный конденсатор, разделяющий цепь входных переменных колебаний от источника смещения;

ЕСМ – источник смещения, включенный в проводящем направлении, смещающий исходную рабочую точку на линейный участок входной ДХ (на последующих рисунках т. с);

RСМ – резистор, ограничивающий ток смещения до требуемой величины;

RК – резистор выходной цепи;

СР2 – разделительный конденсатор, препятствующий прохождению постоянного тока iК через динамик;

63

ВА – динамик, преобразующий электрические колебания в механические.

Рисунок 4.5 – Схема усилителя звуковой частоты

Рисунок 4.6 – Варианты выполнения выходных цепей усилителей звуковой частоты

64

Выходные цепи звуковых усилителей могут быть выполнены и другими способами. В схеме по рисунку 4.6, а выходное напряжение снимается не между эмиттером и коллектором транзистора (как в схеме по рисунку 4.5), а с резистора выходной цепи RК. В схеме по рисунку 4.6, б переменную составляющую выходного сигнала выделяет специальный трансформатор. По его первичной обмотке протекает постоянная и переменная части выходного тока, а во вторичную обмотку трансформируется только переменная составляющая.

4.2.2 Графическое решение усилительного режима

Работу схемы по рисунку 4.5 можно рассмотреть, построив диаграммы входных и выходных токов и напряжений, то есть осуществить графическое решение усилительного режима.

Для этого необходимо иметь входные и выходные СХ транзистора, который используется в схеме усилителя, знать параметры схемы – величины ЕК, RК, ЕСМ, RСМ и уравнение, по которому изменяется входной ток iВХ , который протекает по микрофону ВМ (рисунок 4.5). Входной ток может быть также задан и в виде графика.

Допустим, что все это нам известно, а входной ток описывается следующим уравнением:

где IВХ МАХ – амплитуда входного тока;

θ = ωt =314t – текущее время в радианах.

Пользуясь этими исходными данными, построим диаграммы входных и выходных токов и напряжений для схемы по рисунку 4.5. Последовательность построения следующая.

1.На семействе выходных СХ по методике, изложенной в п. 4.1.2, строим выходную ДХ (линия АВ на рисунке 4.7, б).

2.По методике, изложенной в п. 4.1.3, строим входную ДХ (линия ОF на рисунке 4.7, а), либо используем одну из входных СХ.

3.Суммарный входной ток, который будет поступать на базу тран-

зистора, (i′ВХ на рисунке 4.5) будет состоять из двух токов – постоянного смещения ICM и переменного входного iВХ (4.3):

65

Таким образом, это будет синусоида с амплитудой IВХ МАХ, поднятая над осью абсцисс на величину ЕСМ/RСМ. Построим по выражению (4.4) диаграмму i′ВХ на рисунке 4.8, а.

Рисунок 4.7 – Входная динамическая (а) и выходные статические

идинамические характеристики (б) транзистора в схеме по рисунку 4.5

4.Пользуясь диаграммой i′ВХ и при помощи входной ДХ (линия ОF на рисунке 4.7, а), строим диаграмму суммарного входного напряже-

ния u′ВХ, которое прикладывается между эмиттером и базой транзистора (рисунок 4.5), следующим образом:

1) по диаграмме i′ВХ (рисунок 4.8, а) определяем численное значение суммарного входного тока в момент θ = 0; допустим, что в этот

момент i′ВХ = IВХ c;

2)на оси IВХ входной ДХ (рисунок 4,7, а) находим численное значение тока IВХ c и из нее проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с входной ДХ – т. с; эта точка будет являться рабочей точкой транзистора в этой схеме на входной ДХ в момент

θ= 0;

3)проецируя т. с на ось абсцисс, получим численное значение суммарного входного напряжения в момент θ = 0 – u′ВХ = UВХ c;

4)на диаграмме u′ВХ (рисунок 4.8, б) в момент θ = 0 по оси ординат откладываем полученное численное значение u′ВХ = UВХ c;

5)аналогичным образом определяем численные значения u′ВХ в остальные моменты θ = π/6 … 2π.

66

4)проецируя т. е на ось ординат, получим численное значение суммарного выходного тока в момент θ = π/2 – i′ВЫХ = IВЫХ е;

5)на диаграмме i′ВЫХ (рисунок 4.8, в) в момент θ = π/2 по оси ординат откладываем полученное численное значение i′ВЫХ = IВЫХ е;

6)проецируя т. е на ось абсцисс, получим численное значение суммарного выходного напряжения в момент θ = π/2 – u′ВЫХ = UВЫХ е;

67

7)на диаграмме u′ВЫХ (рисунок 4.8, г) в момент θ = π/2 по оси ординат откладываем полученное численное значение u′ВЫХ = UВЫХ c;

8)аналогичным образом определяем численные значения i′ВЫХ

иu′ВЫХ в остальные моменты θ = 0 … 2π.

Из рисунка 4.8 видно, что суммарные значения токов и напряжений содержат как переменную, так и постоянную составляющие.

Рассмотрим, для чего нам нужна постоянная составляющая во входных сигналах. Исходной рабочей точкой называется рабочая точка транзистора, когда входной ток iВХ (4.3) равен нулю. В рассмотренном выше случае (рисунок 4.7) эта точка находится в т. с. Если бы исходная рабочая точка находилась ниже т. с, например, в т. а, то уменьшение входного тока привело бы к значительному искажению остальных сигналов по причине нелинейности нижней части входной ДХ (рисунок 4.7, а) и из за того, что транзистор при этом работал бы в области отсечки (рисунок 4.7, б и 4.4). Если бы исходная рабочая точка находилась выше т. с, например, в т. е, то увеличение входного тока также привело к искажениям остальных сигналов из за того, что транзистор при этом работал бы в области насыщения (рисунок 4.7, б и 4.4). Поэтому в суммарных входных сигналах обязательно должна присутствовать постоянная составляющая, причем определенной величины, для вывода исходной рабочей точки в середину линейного участка входной ДХ (т. с на рисунке 4.7, а).

В выходных сигналах постоянная составляющая не нужна. Поэтому прежде чем подать сигнал на нагрузку (динамик на рисунке 4.5), необходимо выделить переменную составляющую тока iВЫХ и напряжения uВЫХ (рисунок 4.5). Для этой цели используются разделительные конденсаторы СР2 (рисунки 4.5 и 4.6, а), а также трансформаторы (рисунок 4.6, б).

4.2.3 Динамические параметры усилительного режима

В подразделе 3.6 были рассмотрены статические параметры транзистора, которыми он обладает независимо от того, в какой схеме работает. К ним относятся:

1)h11 – входное сопротивление;

2)1/h12 –коэффициент усиления по напряжению;

3)h21 – коэффициент усиления по току;

4)1/h22 –выходное сопротивление.

Эти величины являются наибольшими, которые можно получить от данного транзистора, при работе его в схеме при величине сопротивления нагрузки, равной нулю.

68

При включении транзистора в схему с ненулевой нагрузкой эти параметры уменьшаются в зависимости от величины нагрузки.

Усилительные свойства схемы, в которой работает транзистор в динамическом режиме, оцениваются динамическими коэффициентами усиления по току, напряжению и мощности:

Величины IВХ МАХ, IВЫХ МАХ, UВХ МАХ, UВЫХ МАХ можно получить из диаграмм токов и напряжений (рисунок 4.8). Если положительная ам-

плитуда какого-либо сигнала не равна его отрицательной амплитуде, то для расчета принимается их среднее значение.

Кроме коэффициентов усиления для динамического режима определяют также динамические входное и выходное сопротивления схемы усилителя:

4.2.4 Схемы смещения рабочей точки транзистора

Как уже указывалось выше, для усиления входного сигнала без искажения необходимо, чтобы колебания тока iВХ = IВХ МАХ sinΘ размещались на линейном участке входной ДХ (участок а – е на рисунке 4.7, а). Это достигается смещением исходной рабочей в середину участка а – е (т. с на рисунке 4.7, а). Для этого необходимо, чтобы через переход эмиттер-база постоянно протекал ток смещения IСМ. Рассмотрим три варианта схем смещения рабочей точки.

1. Схема смещения с отдельным источником (рисунок 4.5). Ток смещения в этой схеме создается источником ЕСМ и определяется выражением

I CM = ECM .

RCM

2. Схема смещения фиксированным током (рисунок 4.9). В данной схеме в качестве источника смещения используется ЕК, а ток смещения определяется по формуле

I CM = EК .

RCM

69

Рисунок 4.9 – Схема смещения фиксированным током

3.Схема смещения фиксированным напряжением (рисунок 4.10).

Вданной схеме в качестве источника смещения также использует-

ся ЕК, под действием которого по цепи: «+» ЕК, R2, R1, «–»ЕК потечет ток делителя напряжения IД. Этот ток создает на R2 падение напряжения, которое, прикладываясь к переходу эмиттер–база jЭ, создает ток IСМ, который, в свою очередь, сместит рабочую точку транзистора на линейный участок.

Параметры схемы определяются из следующих условий:

70