Использование транзистора для усиления малого сигнала и в качестве ключа. Усилитель малого сигнала

Описание схемы. Сопротивление базы, коллектора и напряжение питания задают статические параметры режима: ток базы. I_б = Е_к/R_б и напряжение коллектора U_кэ = E_k – I_kR_k ~E_k – I_bR_k. От него зависит усиление, искажение и т.д.

На вход подается малый сигнал: U_msint. Полное напряжение на базе u_b = U_b+ U_msint.

Задача. Для описания работы нужно определить I_КЭ и U_КЭ. Для этого есть два уравнения:

П равильнее считать R_k//R_H//r_ke. Но предположим, что R_K – самое маленькое. Эти уравнения можно решить аналитически, или графически.

Графический способ. Входная ВАХ при изменении U_КЭ меняется слабо. Поэтому можно рассматривать только одну ВАХ (на нижнем рисунке). Изменение входного напряжения приводит к изменению тока базы, а это в свою очередь к изменению выходных тока и напряжения. Точка А смещается в положение В и С. При изменении входного напряжения U_БЭ точка А на выходной характеристике смещается вдоль нагрузочной прямой соответственно в точки В и С. Получаем соответствующие амплитуды тока и напряжения. При наличии нагрузочного сопротивления прямая определяется суммарным сопротивлением R_K||R_H.

Ток коллектора находится в фазе с током базы, а выходное напряжение в противофазе. Это видно из графиков.

Основными параметрами усилительного каскада являются:

- коэффициент усиления по напряжению;

- коэффициент усиления по току;

- коэффициент усиления по мощности;

- входное сопротивление;

- выходное сопротивление,  где - выходное напряжение при R_Н  - выходной ток при R_Н = 0;

-коэффициент полезного действия.

Для повышения коэфф. по напряжению и по мощности нужно увеличивать сопротивления. Чтобы не залезть в нелинейность одновременно нужно повышать и Е_К. Ограничено пробоем. Максимальная мощность ограничена теплоотводом. Показано кривой на картинке.

Аналитический способ. С помощью схем замещения транзистора легко рассчитать параметры усилительной схемы для сигналов малой амплитуды. Для примера проведем расчет усилительного каскада.

Составим малосигнальную эквивалентную схему, соответствующую схеме рис. 3.30; для этого: заменим транзистор малосигнальной схемой замещения.

И сточник постоянного напряжения (коллекторный) замкнем накоротко (его сопротивление переменному току близко к нулю). Полученная таким образом малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада изображена на рис. 3.36,а.

Для простоты примем, что сопротивления разделительных конденсаторов в рабочем диапазоне частот близки к нулю, а сопротивления R_Б и R_К велики ( R_Б >> h_11Э, R_К >> R_Н). Тогда схема упрощается и приобретает вид рис. 3.36,б. Тогда для токов и напряжений транзистора запишем:

.(3.51)

Кроме того, добавим два уравнения, описывающие источник сигнала и нагрузку:

; (3.52)

. (3.53)

Из системы уравнений (3.51...3.53) можно получить все расчетные формулы. (3.54)

где:  h_э= h_22Э , h_11Э - h_12Э h_21Э .

Главное достоинство полученных с помощью схемы замещения соотношений (3.54) в том, что они справедливы для любой схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) и даже для любых усилительных элементов.

Импульсная схема.

Токи и напряжения меняются в широких пределах. Поэтому это режим большого с игнала.

Переход из режима высокого коллекторного напряжения и малого тока (ключ разомкнут) в режим малого напряжения и большого тока (ключ замкнут).

При отрицательном напряжении на базе (входе) транзистор в режиме отсечки. Токи малые. Напряжение на выходе практически – Е_К.

При подаче положительного напряжения на базу транзистор открывается, в коллекторе течет ток и напряжение на выходе уменьшается на величину R_KI_K.

Для надежнлй работы в логических элементах требуется как можно меньшее U_вых. Для этого рабочая точка лежит в области насыщения.

Временные процессы.

Включение.

При подаче положительного напряжения на базу, т.к. Е_Б >> U_БЭ, сразу течет ток I_Б = Е_Б /R1. Напряжение нарастает вследствие зарядки емкостей, как в переходе.

В t₂ напряжение на эмиттерном переходе достигает значения достаточного для инжекции электронов. Начинает протекать коллекторный ток. Наступает активный режим.

Время между t₁ и t₂ называется временем задержки.

Ток в коллекторе нарастает тоже не сразу. Электронам нужно время для пролета по базе и коллекторному переходу. Время пролета условно определяют по току, который берут от 0.1 его максимального значения до 0.9. Период пока ток нарастет до 0.9 называется временем нарастания. Определяется зарядом барьерной емкости коллекторного перехода, разрядом паразитной емкости выхода и катодным сопротивлением. При больших С_н напряжение может спадать очень долго.

Суммарное время нарастания и задержки называется временем включения.

После времени t₃ транзистор находится в режиме насыщения, при этом в базе накапливается заряд, больший, чем в активном режиме.

Выключение.

При подаче отрицательного импульса начинается обратный ток из базы. Называется временем рассасывания. Когда избыточный по сравнению с активным режимом заряд рассосется, транзистор переходит в активный режим. Время рассасывания определяется в основном зарядами, накопленными в пассивной базе.

После времени t₅ процесс перезарядки – время спада.

Суммарное время спада и рассасывания – время выключения.