Глазачев А.В., Петрович В.П. -- Физические основы электроники. Конспект лекции
.pdf
|
|
|
Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций |
mэк = |
dUэ |
|
– динамический коэффициент внутренней обратной связи по напряжению; rб – |
|
|||
dIк |
|
||
|
|
Iэ = const |
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 ).
I1 |
I 2 |
U1 |
U 2 |
Рис. 3.17. Схема четырехполюсника |
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
|
|
|
Физический смысл коэффициентов h11, h12 , h21, |
h22 , называемых h-параметрами, установим сле- |
||||||||||||||||||||
дующим образом. |
|
|
|
|
уравнении положитьU2 = 0 (короткое замыкание на выходе), то параметр h11 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
Если |
в |
первом |
|||||||||||||||||||
можно найти: h |
= |
U1 |
|
|
|
– входное сопротивление при коротком замыкании на выходе. |
||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
I1 |
U2 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Если |
в |
этом же |
уравнении положитьI1 = 0 (холостой |
ход на входе), то |
параметр h12 равен: |
||||||||||||||||
h |
= |
U1 |
|
|
|
– коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при холостом ходе во вход- |
||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||
12 |
U2 |
I1 |
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ной цепи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Аналогичным образом |
из |
второго уравнения находим: h |
|
|
= |
I2 |
|
– коэффициент передачи |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
I1 |
|
U2 = 0 |
|
|||
транзистора |
по |
току |
при |
коротком замыкании на |
выходе; h |
|
= |
I2 |
|
|
– выходная проводимость |
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
|
U2 |
I1 = 0 |
|
|||||
транзистора при холостом ходе во входной цепи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
С учетом |
h-параметров |
эквивалентная схема |
транзистора |
|
выглядит |
следующим образом |
|||||||||||||||
(рис. 3.18). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h11 |
I1 |
|
I2 |
|
|
U1 |
h12U2 |
h21I1 |
1 |
U2 |
|
h22 |
|||||
|
|
|
|
||
Рис. 3.20. Схема замещения транзистора |
|
Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряженияh U |
2 |
, который учитывает |
12 |
|
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 .
I1 |
I2 |
U1 |
U 2 |
Рис. 3.19. Эквивалентная схема четырехполюсника |
|
|
для схемы с общей базой |
Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и h-параметры по переменному |
||||||||||||
току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с |
||||||||||||
общей базой они определяются по выражениям: |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
h11б = |
DUбэ |
Uкб = const |
; |
|
(3.27) |
|||
|
|
|
|
DIэ |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
h12б = |
DUбэ |
Iэ = const ; |
|
|
(3.28) |
|||
|
|
|
|
DUкб |
|
|
||||||
|
|
|
|
h21б = |
DIк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DIэ Uкб = const ; |
|
|
(3.29) |
|||||
|
|
|
|
h22б = |
DIк |
Iэ = const . |
|
|
(3.30) |
|||
|
|
|
|
DUкб |
|
|
||||||
Индекс «б» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой. |
|
|||||||||||
Для |
схемы |
с |
общим |
эмиттером |
входными |
и |
выходными |
величинами |
являются(рис. 3.20): |
|||
U1 =Uбэ ; I1 = Iб ; U2 = Uкэ ; I2 = Iк . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
I2 |
|
|
|
|
|
|
U1 |
|
|
|
|
|
U 2 |
|
|
|
|
|
Рис. 3.20. Эквивалентная схема четырехполюсника |
|
|
|||||||
|
|
|
|
для схемы с общим эмиттером |
|
|
Для схемы с общим эмиттером h-параметры определяются из соотношений:
h11э = |
DUбэ |
|
, |
(3.31) |
DIб |
|
|||
|
|
Uкэ = const |
|
и составляет от сотен Ом до единиц кОм;
h12э = |
DUбэ |
Iб = const , |
(3.32) |
DUкэ |
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;
h21э = |
DIк |
Uкэ = const |
, |
(3.33) |
||||
DIб |
|
|||||||
и составляет десятки– сотни единиц; |
|
|
|
|
|
|
|
|
h22э = |
DIк |
|
Iб = const |
, |
(3.34) |
|||
|
||||||||
DUкэ |
|
|
62
|
|
|
Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций |
|||||||
и |
равна десятым – сотым |
долям мСм, а выходное |
сопротивление |
1 |
, получается от единиц до |
|||||
десятков кОм. |
|
|
|
|
|
|
h22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Используя семейства входных и выходных характеристик транзистораh-параметры можно опре- |
|||||||||
делить и графическим путем. Так, для схемы с общим эмиттером семейства входных и выходных харак- |
||||||||||
теристик представлены на рис. 3.21. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Iб |
U кэ = 0 В |
U кэ = 3 В |
Iк |
|
|
|
|
|
|
|
|
U кэ = 5 В |
|
|
|
|
|
|
||
|
IбD |
|
|
D |
IкB |
B |
|
|
|
Iб3 |
|
|
|
¢ |
|
DIк |
|
C |
|
Iб2 |
|
|
|
DIб |
|
IкC |
|
|
|
|||
|
IбA = Iб2 |
|
E |
¢ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IкA |
|
|
|
¢ |
|
||
|
|
|
A |
A |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
DIк |
Iб1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DU бэ |
|
DU |
|
|
|
Iб |
|
|
|
|
DU ¢ |
|
кэ |
|
|
||
|
|
|
|
бэ |
|
|
|
|
||
|
|
|
U бэE U бэA UбэD Uбэ |
|
UкэA UкэC |
|
Uкэ |
|||
|
Рис. 3.21. Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора |
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
настолько близко расположены друг от друга, |
|
|
|
что практически сливаются в одну характеристику. |
|||||||||
Поэтому, откладывая на оси абсцисс выходных характеристик (рис. 3.21, б) Uкэ = 5 В, восстанавливаем |
|||||||||||||
из этой точки перпендикуляр до пересечения с |
|
какой-либо из средних характеристик, например, Iб2 |
|||||||||||
(точка A ). Точке A соответствует коллекторный ток IкA . Тогда, давая приращение току Iк |
при неиз- |
||||||||||||
менном Uкэ на величину DIк , например до пересечения со следующей характеристикой ( Iб3 ), получим |
|||||||||||||
точку B . Приращение базового тока DIб при этом соответствует разности: |
|
||||||||||||
DIб = Iб3 - Iб2 . |
(3.35) |
||||||||||||
Подставляя найденные величины DIк и DIб в выражение (3.33), получаем параметр: |
|
||||||||||||
h21э = |
DIк |
|
Uкэ = const . |
(3.36) |
|||||||||
|
|||||||||||||
DIб |
|
|
|
||||||||||
Давая теперь приращение напряжению Uкэ |
на величину DUкэ от точки A до точки С , получим |
||||||||||||
напряжение UкэС . Точке С соответствует коллекторный ток IкС на оси ординат. |
|
||||||||||||
Находя разность токов IкС и IкA , получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
¢ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
DIк = IкC - IкA . |
|
||||||||||||
¢ |
|
|
|
|
в выражение (3.34), получим: |
|
|||||||
Подставляя найденные значения DIк и DUкэ |
|
||||||||||||
¢ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
h22э = |
DIк |
Iб = Iб2 = const . |
(3.37) |
||||||||||
DUкэ |
|
||||||||||||
Далее на оси ординат входной характеристики отложим величину тока базы DIб2 = IбA . Используя |
|||||||||||||
входную характеристику приUкэ = 5 В, найдем |
|
|
|
напряжение UбэA . Давая приращение |
напряжения |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¢ |
|
DUбэ : DUбэ =UбэD -UбэA на величину DUэб , находим приращение тока базы DIб = IбD - IбA . |
|||||||||||||
¢ |
|
в выражение (3.31), получаем: |
|
||||||||||
Подставляя найденные значения DUбэ и DIб |
|
||||||||||||
h11э = |
DUбэ |
|
U |
|
= const . |
(3.38) |
|||||||
|
|
||||||||||||
DI ¢ |
|
|
|
кэ |
|||||||||
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
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:
|
¢ |
|
|
|
|
|
|
|
h12э = |
DUбэ |
|
I |
|
= I |
|
= const . |
(3.39) |
DU ¢ |
|
б |
бA |
|||||
|
кэ |
|
|
|
|
|
||
Использование для нахождения этого |
параметра |
входной характеристики приU |
= 0 В дает |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
кэ |
|
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.
|
3.7. Режимы работы транзистора |
|
|
Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 3.22). |
|||
При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк |
изменяет- |
||
ся пропорционально току базы: |
Iк = bIб . |
|
(3.40) |
|
|
Iк |
|
|
Rк |
Uвых |
|
|
Iб |
Eк |
|
|
E1 |
|
|
|
|
Iэ |
|
|
Рис. 3.22. Схема усилительного каскада |
|
Изменение тока коллектора можно проследить |
по выходным характеристикам транзистора |
(рис. 3.23). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Eк |
– напряжению источника питания коллектор- |
ной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи
этого источника: Iк max = Eк . |
(3.41) |
|
Rк |
|
|
Iк |
|
|
Iк max |
|
|
2 |
Iб нас |
|
Iк нас2 |
||
a |
|
|
1 |
Iб1 > 0 |
|
Iб = 0 |
||
Iк0 |
||
Uкэ2 =Uкэ нас =Uкэ0 Uкэ1 |
Eк Uкэ |
|
Рис. 3.23. Режимы работы биполярного транзистора |
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
|
|
Iк = |
Eк -Uкэ |
, |
(3.42) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
Rк |
|
||
где Uкэ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; Rк – сопротивление нагрузки в |
||||||
коллекторной цепи. |
Eк |
|
|
|
|
|
Из (3.42) следует, что R = |
= tga . |
(3.43) |
||||
|
||||||
к |
Iк max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением Rк . Из рис. 3.23 следует, |
||||||
что в зависимости от тока базы Iб , протекающего во входной цепи транзистора, |
рабочая точка транзи- |
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:
U R = Iк0Rк . |
(3.44) |
к |
|
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:
Iк max » Iк нас2 , |
(3.45) |
а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистораUкэ0 |
оказывается очень малень- |
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:
Pк доп = UкэIк доп . |
(3.46) |
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 :
Iк доп1 |
= |
Pк доп |
, Iк доп2 |
= |
Pк доп |
и т. д. |
|
|
|||||
|
|
Uкэ1 |
|
Uкэ2 |
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.
Iк |
Iк доп1 |
Iк доп2 |
Iк доп3 |
Iк доп4 |
Uкэ доп1 Uкэ доп2 Uкэ доп3 U кэ доп4 Uкэ |
Рис. 3.24. Гипербола допустимых мощностей |
На рис. 3.25 заштрихована рабочая область семейства выходных характеристик транзистора для |
||
схемы с общим эмиттером. |
|
|
Iк |
Pк доп |
|
Iк доп |
|
|
|
U кэ доп |
Uкэ |
Рис. 3.25. Области допустимых режимов работы транзистора |
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.
Eбэ |
Eсм |
t |
Uвх |
Рис. 3.26. Смещение усиливаемого сигнала |
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
|
|
U R2 = IдR2 , |
|
(3.47) |
|
которое должно быть равно требуемой величине напряжения смещения Eсм . |
|||||
|
|
|
Rк |
- Eк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT1 |
С2 |
|
|
|
С1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх |
|
Uвых |
|
|
|
Eсм +- |
Iсм |
|
|
|
|
|
|
+ Eк |
|
|
R1 |
- Eк |
|
Rб |
- Eк |
|
Rк |
|
Rк |
||
|
|
С 2 |
|
|
С 2 |
|
С1 |
VT1 |
|
С1 |
VT1 |
|
|
|
|
||
Uвх |
|
- |
Uвх |
|
Uвых |
Iд |
U вых |
|
|||
|
Iсм |
|
|
Iсм |
|
|
R2 |
|
|
||
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ Eк |
|
|
+ Eк |
|
Рис. 3.27. Способы создания смещения входного сигнала: |
а – введением источника Eсм ; б – фиксированным напряжением; в – фиксированным током
При расчете делителя ток Iд выбирают в несколько раз больше тока смещения:
Iд = (3 ¸ 5)Iсм . |
(3.48) |
Избыточное напряжение источника питания падает на резисторе R1 : |
|
IдR1 = Eк -UR2 . |
(3.49) |
Такой способ введения смещения называется смещение фиксированным напряжением. |
|
Другой способ введения смещения заключается в использовании балластного резистораRб в ба- |
|
зовой цепи транзистора (рис. 3.27, в). В этом случае ток, протекающий по цепи |
+ Eк , эмиттер – база |
транзистора, Rб , - Eк должен быть равен току смещения: |
|
67
Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций
Iсм = |
Eк -Uбэ |
. |
(3.50) |
|
Rб |
||||
|
|
|
Отсюда величина Rб должна быть равна:
R |
= |
Eк -Uбэ |
. |
(3.51) |
|
||||
б |
Iсм |
|
||
|
|
|
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
описанным ранее методом по двум точкам: E |
на оси абсцисс и I |
к max |
= Eк |
на оси ординат. |
|
к |
|
|
Rк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Eк |
|
|
|
|
|
Rк |
|
|
|
|
|
С2 |
|
|
|
С1 |
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uвх |
- |
Rн |
Uвых |
|
|
Eсм |
Iсм |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ Eк |
|
|
|
Рис. 3.28. Схема усилительного каскада |
|
|
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-
му току нагрузка усилительного каскада Rн |
состоит из параллельно включенных сопротивлений Rк и |
|||
Rн (рис. 3.28): |
|
|
|
|
¢ |
|
Rк Rн |
, |
(3.52) |
Rн = |
Rк + Rн |
|
|
|
|
|
|
|
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
|
|
Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций |
|||||
меньше Rк – сопротивления по постоянному току, то линия нагрузки будет проходить через ту же рабо- |
|||||||
чую точку A , но под другим углом a¢ : |
¢ |
|
¢ |
(3.53) |
|||
|
|
|
a |
|
|||
|
|
|
|
= arctg(Rн ), |
|||
следовательно, линия нагрузки пойдет круче. |
|
|
|
|
|||
Iк |
E |
a¢ |
|
|
|
|
|
E |
a |
|
|
|
|
iк |
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
Rк |
|
¢ |
¢¢ |
|
iб = Iб0 + Iб max |
iвых |
|
|
|
|
|||||
|
|
B |
B |
|
|
|
|
|
|
|
А¢ |
|
|
iб = Iб0 |
Iк max |
|
|
С¢¢ |
С¢ |
|
iб = Iб0 - Iб max |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iк 0 |
|
|
|
|
|
|
|
Iб = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uкэ 0 |
|
|
|
Eк |
Uкэ |
t |
|
|
Uкэ max |
|
|
|||
t |
uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
iб |
i |
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
A |
|
|
|
Iб max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб0 |
|
Uбэ 0 |
|
|
Uбэ |
t |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
uвх |
Uбэ max |
|
|
||
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.31. Динамические характеристики транзистора |
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
|
Глазачев А.В., Петрович В.П. Физические основы электроники. Конспект лекций |
||||
|
|
Iк |
Iб8 |
Iб7 |
|
Iк = f (Iб ) |
1 |
|
1 |
Iб6 |
|
|
|
|
|||
iвых |
|
2 |
2 |
|
Iб5 |
|
3 |
3 |
|
Iб4 |
|
|
|
|
|||
Iвых max |
|
4 |
|
|
Iб3 |
|
|
|
4 |
||
|
|
5 |
|
Iб2 |
|
|
|
|
5 |
||
|
|
6 |
|
Iб1 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
Iб |
Iб6 |
Iб5 Iб4 Iб3 Iб2 Iб1 |
|
|
Uкэ |
|
|
Iсм |
uвых |
|
|
|
|
iвх |
|
|
|
Iвх max |
Uсм |
Uвых max |
|
||
|
|
|
|||
Uкэ = 0 В |
|
|
uвх |
|
|
|
|
|
Uвх max |
|
|
Uкэ = 5 В |
|
Uбэ |
|
|
|
|
|
Рис. 3.30 |
|
|
|
3.11. Режимы работы усилительных каскадов |
|
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