Глазачев А.В., Петрович В.П. -- Физические основы электроники. Конспект лекции

объемное сопротивление базы; Cк – ёмкость коллекторного перехода.

3.6. Транзистор как линейный четырехполюсник

Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника(рис. 3.17) – «черного ящика» с произвольной, но неизменной структурой, которая определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами (U1, I1 , U 2 , I2 ).

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие – за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I1 и выходное напряжение U 2 , а за зависимые – выходной ток I2 и входное напряжение U1. Тогда система уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так:

U1 = h11I1 + h12U2 . (3.26) I2 = h21I1 + h22U2

взаимовлияние между коллекторным и эмиттерным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h21I1 в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, когда под дейст-

61

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

вием входного тока I1 , в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h21I1 . Параметры h11 и h22 – это соответственно, входное сопротивление и выходная проводимость транзистора. Для различ-

ных схем включения транзистора h-параметры будут различны.

Так, для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются (рис. 3.19):

U1 =Uбэ ; I1 = Iэ ; U2 = Uкэ ; I1 = Iк .

Для схемы с общим эмиттером h-параметры определяются из соотношений:

и составляет от сотен Ом до единиц кОм;

и обычно равен 10-3 ¸10-4 , т. е. напряжение передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения;

62

Входные характеристики транзистора в справочниках обычно представлены двумя кривыми, снятыми при Uкэ = 0 и Uкэ = 5 В (рис. 3.21, а). Все остальные входные характеристики приUкэ > 5 В

Для нахождения параметра h12 необходимы две входные характеристики, снятые для Uкэ ¹ 0 .

63

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

Предположим, что кроме приведенных входных характеристик была бы еще одна, снятая, например, для Uкэ = 3 В (показана на рис. 3.21, а пунктиром). Тогда, находя на этой характеристике точку E , соответствующую базовому току IбA , можно было бы определить:

и DUкэ¢ =UкэA -UкэE = 5 - 3 = 2 В,

где UкэA и UкэE – значения напряжений на коллекторе, при которых сняты входные характеристики с точкой A и точкой E . Подставляя найденные значения в выражение (3.32), можно было бы получить:

большую погрешность, так как при малых значениях Uкэ входные характеристики располагаются далеко друг от друга, а затем их частота возрастает и уже при Uкэ » 5 В они практически сливаются друг с другом. Поскольку в справочниках обычно приводится входная характеристика только для одного значения Uкэ ¹ 0 , точно определить параметр h12 в нашем случае невозможно.

ной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

64

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

стора, определяющая его коллекторный ток и напряжениеUкэ , будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при Iб = 0 ), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей Iб = 0 , называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода– Iк0 , который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания Eк падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

Uкэ1 » Eк .

Ападение напряжения на нагрузке U Rк очень мало и равно:

Говорят, что в этом случае транзистор работает врежиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток Iб , то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения Iб нас . Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного токаIк . Зона между осью

ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

ким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа. Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет

работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

3.8.Предельные режимы работы транзистора

Впаспортных данных каждого транзистора указывается его предельно допустимая мощность рассеивания, превышение которой недопустимо, так как ведет к тепловому разрушению полупроводнико-

вой структуры. Возьмем это значение мощности Pк доп , и учитывая, что оно равно:

Будем задавать дискретные значения напряжения Uкэ : Uкэ1 , U кэ2 , U кэ3 и т.д., и для каждого этого значения напряжения вычислим предельно допустимое значение коллекторного тока Iк доп :

Отложим эти значения напряжений и токов в осях координат(рис. 3.24) и построим по получен-

ным точкам кривую, называемую гиперболой допустимых мощностей.

65

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

Эта кривая делит всю площадь первого квадранта семейства выходных характеристик на рабочую и нерабочую области. Если теперь совместить эту кривую с выходными характеристиками транзистора (рис. 3.25), то очевидно, что линия нагрузки не должна выходить за пределы рабочей области, чтобы не вывести транзистор из строя.

3.9. Расчёт рабочего режима транзистора

Как уже было отмечено выше, в подавляющем большинстве случаев транзистор усиливает сигналы переменного тока, т. е. на вход транзистора подается чаще всего знакопеременный сигнал. Но поскольку эмиттерный р–n-переход обладает вентильными свойствами, то через него пройдет только положительная полуволна входного сигнала, а отрицательная полуволна будет им срезана и, следовательно, усиливаться не будет. Для того чтобы этого не было, чтобы усилить весь сигнал, во входную цепь транзистора вводят так называемое смещение.

Смысл смещения ясен из рис. 3.26. Знакопеременный входной сигнал Uвх накладывается на постоянное напряжение смещения Eсм таким образом, что результирующее напряжение Uбэ остается однополярным, и следовательно может быть усилено транзистором. Поэтому принципиальная схема усилительного каскада в этом случае выглядит так, как представлено на рис. 3.27, а.

66

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

Источник напряжения смещения создает во входной цепи транзистора постоянный по величине ток смещения I см . Для того чтобы исключить влияние источника Eсм на источник входного сигнала в цепь вводится разделительный конденсатор C1 , который пропускает переменный входной сигнал, но создает развязку по постоянной составляющей. Для такой же цели служит выходной разделительный конденсатор C2 , который пропускает переменную составляющую выходного напряжения и не пропускает его постоянную составляющую. Смещение может вводиться как при помощи отдельного источника Есм (рис. 3.27, а), так и с использованием для этой цели источника коллекторного питанияEк . Это можно сделать при помощи делителя напряжения R1 и R2 (рис. 3.27, б). Ток Iд , протекающий по дели-

телю напряжения R1 - R2 под действием источника питания Eк , создает на резисторе R2 падение напряжения

а – введением источника Eсм ; б – фиксированным напряжением; в – фиксированным током

При расчете делителя ток Iд выбирают в несколько раз больше тока смещения:

67

Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций

Отсюда величина Rб должна быть равна:

Такой способ называется смещение фиксированным током.

3.10. Динамические характеристики транзистора

Характеристики транзистора, когда в его выходную цепь включают различные виды нагрузок, называют динамическими, а режимы, возникающие при этом, – динамическими режимами.

Рассмотрим работу транзисторного усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.28). Если входной сигнал отсутствует ( uвх = 0 ), линия нагрузки может быть построена

Для того, что бы искажения усиливаемого сигнала были минимальными, смещение надо выбрать так, чтобы начальная рабочая точка (при отсутствии входного сигнала) располагалась в середине линейного участка входной характеристики (точка A на рис. 3.29, б). Тогда при изменении входного сигнала напряжение Uбэ будет изменяться на величину Uбэ max от начального значения Uбэ 0 , вызывая изменение

базового на величину Iб max от начального значения Iб0 (рис. 3.29, б). Коллекторный ток при этом будет изменяться относительно начального коллекторного тока Iк0 (рис. 3.29, б), соответствующего базовому току Iсм , в сторону увеличения и в сторону уменьшения на величину амплитуды переменной составляющей Iк max . Выходное напряжение uвых при этом будет тоже изменяться от начального значения U кэ0 в большую и в меньшую сторону на величину амплитуды своей переменной составляющей

Отметим, что в рассматриваемой схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличение базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжениеuвых при этом уменьшается. Из чего следует, что в этой схеме входное и выходное напряжение изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор C2 и выделяется на нагрузке Rн . В качестве нагрузки может служить и входное сопротивление следующего каскада усиления, а характер нагрузки в общем случае может быть различным. По переменно-

а по постоянному току– только Rк . Поэтому и линия нагрузки по постоянной и переменной составляющим будет проходить по разному. Так, если сопротивление нагрузки Rн¢ по переменному току

68

Рассмотренные зависимости можно расположить на одном рисунке так, что в первом квадранте поместить выходные характеристики транзистора с построенной линией нагрузки, а в третьем квадранте

– входные характеристики (рис. 3.30). Тогда, используя точки пересечения линии нагрузки по переменному току с выходными характеристиками и входные характеристики транзистора, строим характеристику управления Iк = f (Iб ) транзистора по переменному току, которая теперь, при работе с нагрузкой, называется динамической.

69

Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала.

Взависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя:

§режим класса A ;

§режим класса B ;

§режим класса AB ;

§режим класса C ;

§режим класса D .

Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечкиq – половиной той части периода входного сигнала, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

3.11.1. Режим класса А

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а следовательно, и характеристики передачи по току Iк = f (Iб ). Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение

(Uсм + uвх ) не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток iб , а следовательно, и коллекторный ток iк нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего пе-

риода, а угол отсечки q равен 1800 . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока Iк0 КПД такого усилителя низкий (теоретически не

70