- •Глава 5 биполярные транзисторы
- •5.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе
- •5.1.3. Влияние режимов работы бт на токи электродов
- •5.2. Электрическая модель биполярного транзистора в статическом режиме (модель Эберса - Молла)
- •5.3. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •5.3.1. Схема с общей базой
- •5.3.2. Схема с общим эмиттером
- •5.3.3. Влияние температуры на статические характеристики бт
- •5.3.4. Зависимость коэффициентов передачи тока от электрического режима работы бт
- •5.4. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме
- •5.5. Квазистатический режим биполярного транзистора в усилительном каскаде
- •5.5.1. Графоаналитическое рассмотрение при большом сигнале
- •5.5.2. Биполярный транзистор в квазистатическом режиме как линейный четырехполюсник
- •5.6. Нелинейная и линейная динамические модели биполярного транзистора
- •5.6.1. Нелинейная динамическая модель биполярного транзистора
- •5.6.2. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора
- •5.7. Частотные свойства биполярного транзистора
- •5.7.1. Постановка задачи
- •5.7.2. Зависимость коэффициента инжекции
- •5.7.3. Зависимость коэффициента переноса от частоты
- •5.7.4. Частотная зависимость эффективности коллекторного перехода
- •5.7.5. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой
- •5.7.6. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
- •5.7.7. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов
- •5.8. Переходные процессы в биполярном транзисторе и простейшем ключе на его основе
- •5.8.1. Переходные процессы в биполярном транзисторе при скачке входного тока
- •В установившемся режиме
- •5.8.2. Статический режим ключевой схемы на биполярном транзисторе
- •5.8.3. Переходные процессы в простейшем ключе в схеме с оэ
- •5.9. Шумы биполярных транзисторов
5.5. Квазистатический режим биполярного транзистора в усилительном каскаде
5.5.1. Графоаналитическое рассмотрение при большом сигнале
Упрощенная схема усилительного каскада на ВТ, включенного по схеме с общим эмиттером, показана на рис. 5.18. В этом каскаде используется один источник питанияEК, а для задания постоянного напряжения UВХ применен делитель R1, R2. Резисторы R1, R2 выбирают такими, чтобы ток I = EК/( R1 + R2) был много больше входного тока базы при отсутствии сигнала (I>>IБ). Это позволяет исключить влияние возможного изменения режима работы БТ на напряжение UБЭ. Если задан ток IБ, то UБЭ находится по входной характеристика БТ. Теперь возникает вопрос, как определить соответствующую точку в семействе выходных характеристик, т.е. найти постоянное напряжение UКЭ и постоянный ток IК яри наличии резистора RК, и отсутствии сигнала (режим покоя, точка покоя)? По закону Кирхгофа
UКЭ= EК– IКRК(5.57)
Но ток IК и UКЭ должны соответствовать той статической характеристике, на которой отмечено в качестве параметра заданное значение IБ:
IК = f(UКЭ), IБ = const(5.58)
Из(5.57)
IК = (EК –UКЭ)/ RК (5.59)
Связь IК и UКЭ изображается прямой линией, называемой нагрузочной прямой, которая отсекает в системе координат IК, UКЭ отрезки на оси токов при UКЭ = 0 I*К = EК/RК, а на оси напряжений при IК = 0 U*КЭ = EК,. Величины I*К и EК, отмечены точками А и В нагрузочной прямой на рис. 5.19. Чем больше нагрузочное сопротивление RК, тем меньше I*К и меньше наклон нагрузочной прямой: при RК → 0 она вертикальна, при RК → ∞ приближается к оси абсцисс.
Нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пересечения и определяют значения IК и UКЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы IБ (параметра этих характеристик). Точка С пересечения прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению IБ называют точкой покоя.
Пусть на входе имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой UВХ m. Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой
UВХ (t)= UБЭ + UВХ m sinωt (5.60)
Так как входные характеристики БТ в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения UКЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением
IБ (t)= IБ+ IБ m sinωt (5.61)
где IБт – амплитуда переменной составляющей базового тока. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик будет перемещаться с частотой ω по нагрузочной прямой между точкой F, соответствующей максимальному значению тока базы UБmax= IБ + IБт, и точкой, определяемой минимальным током UБmin= IБ – IБт. При этом коллекторный ток изменяется от значения IК max = IК + IК m до IК min = IК – IК m, где IК m – амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Предполагается, что изменение IК также имеет синусоидальный характер. Из-за наличия RК изменение IК вызывает синусоидальное изменение UКЭ от значения UКЭ min = UКЭ – UВЫХ т до UКЭ max = UКЭ + UВЫХ т, где UВЫХт=IКmRК – амплитудное значение полезного сигнала на резисторе RК, характеризующее усилительный эффект биполярного транзистора.
По определению коэффициент усиления каскада по напряжению
KU = UВЫХm/UВХm (5.62)
а по току
KI = IКm/IБm(5.63)
Мощность выходного синусоидального сигнала
РВЫХ = 0,5UВЫХmIKm = 0,5U2ВЫХm/RK (5.64)
Мощность входного сигнала в базовой цепи
РВХ = 0,5UВХmIБm (5.65)
Можно ввести коэффициент усиления по мощности
KP = РВЫХ/РВХ = KUKI (5.66)
Мощность, потребляемая от источника питания в выходной цепи в состоянии покоя (при отсутствии сигнала)
РО = IKEK (5.67)
Часть этой мощности рассеивается в резисторе (РR0), часть выделяется (рассеивается) на коллекторе БТ (РK0):
РR0 = I2K RK(5.68)
РK0 = IK UКЭ(5.69)
Так как UКЭ = EК – IК RК , то
РK0 = Р0 – РR0 (5.70)
Однако при наличии сигнала выделяемая на коллекторе мощность РK становится меньше РK0 на величину полезной мощности сигнала РВЫХ, выделяемой в нагрузке,т.е.
РK = РK0 – РВЫХ = Р0 – РR0 – РВЫХ (5.71)
Коэффициент полезного действия коллекторной (выходной) цепи определяется как:
ηК = РВЫХ / Р0 (5.72)
Мы провели наглядное графоаналитическое рассмотрение усилительного каскада, которое стало возможным потому, что был принят большой сигнал на входе, когда все амплитуды токов и напряжений оказались значительными. Если входной сигнал настолько мал, что также малы изменения токов и напряжений, то графические построения теряют смысл (невозможны). Выход состоит в том, что введенные параметры (кроме расходуемых мощностей и КПД) можно рассчитать с помощью эквивалентных схем, основанных на использовании дифференциальных параметров (см. § 5.5.2).