podyak

транзистора можно определить на основе знания его характеристик, устанавливающих связь между управляющим и выходным воздействиями, и ряда приведенных ниже параметров, которые и рассмотрим применительно к схемам c ОБ и ОЭ.

2.2.1.СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ ОЭ

Вэтой схеме управляющим воздействием является ток базы IБ, протекающий в базовой цепи транзистора и обусловливающий падение напряжения между базой и эмиттером транзистора. Зависимость

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const образует семейство входных характеристик (рис. 2.3).

Под действием управляющего тока IБ появляется выходной ток IК, а его функциональная связь IК = f(UКЭ) при IБ = const отражается в виде семейства выходных характеристик (рис. 2.4) (здесь и далее используется транзистор n–p–n-типа). Рассмотрим эти зависимости подробнее. Семейство входных характеристик имеет слабо выраженную зависимость от напряжения на коллекторе транзистора, что практически позволяет рассматривать все семейство в виде одной характеристики,

соответствующей значениям UКЭ 5 В. При напряжении UБЭ = 0 ток базы делается равным нулю, а при дальнейшем уменьшении достигает минимального значения IК0 – обратного теплового тока коллекторного перехода, измеренного при обрыве эмиттера. Существенное нарастание тока базы начинается с некоторого порогового значения UБ0, равного примерно 0.6 В. Обратим внимание на зависимость обратного тока от температуры:

Точка А, обозначенная на рисунке, соответствует рабочему режиму входной цепи транзистора, обеспечивающим выбранный или рассчитанный необходимый рабочий ток выходной цепи. Наклон характеристики в этой точке определяет входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ:

30

где rб – сопротивление омического слоя базы транзистора, rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера:

где ток эмиттера измеряется в миллиамперах (мА).

Семейство выходных характеристик представляет собой ряд практически горизонтальных зависимостей тока коллектора в функции управляющего тока базы, начиная с некоторого остаточного напряжения UКн (напряжение насыщения) на коллекторе транзистора. Эта связь определяется с высокой степенью приближения равенством:

статический коэффициент усиления (передачи) по току на частоте f = 0 для схемы ОЭ.

Незначительный наклон характеристик связан с эффектом модуляции ширины базы коллекторным напряжением и оценивается диффе-

ренциальным сопротивлением rК (выходным сопротивлением транзи-

стора в схеме ОЭ). На рисунке обозначены также: IКдоп – предельно допустимый ток коллектора транзистора, UКдоп – предельно допустимое напряжение на коллектор, РКдоп – предельно допустимая мощность рассеивания на коллекторе транзистора.

Рабочая точка А, обозначенная на рисунке, характеризуемая рабочим током IКA и рабочим напряжением UКA, определяет статический

31

режим транзистора (или состояние покоя). Ее положение не должно выходить за пределы допустимых значений тока коллектора, напряжения на коллекторе и допустимой мощности рассеивания на нем.

Теория работы транзистора показывает, что даже при токе IБ = 0 (режим оборванной базы) в цепи коллектора протекает неуправляемый

обратный ток IК0 , значение которого равно

IК0 = IК0( 0 + 1).

Рассмотренное выше позволяет записать более точное уравнение идеализированных выходных характеристик транзистора, где учтены зависимый источник тока, обратный ток и дифференциальное сопротивление rК*, шунтирующее источник тока:

2.2.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО

ПО СХЕМЕ ОБ

Приведенные на рис. 2.5, 2.6 входная и выходная характеристики описываются приближенными выражениями:

где Т = kT/q – температурный потенциал, k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, q – заряд электрона, N = IК/IЭ – прямой коэффициент передачи по току в схеме ОБ; I – инверсный коэффициент передачи по току, IК0 IЭ0 – тепловые токи соответствующих переходов.

32

Входной характеристике свойствен, как и для схемы ОЭ, резко нарастающий участок при прямом смещении на эмиттерном переходе, начиная с некоторого остаточного напряжения UЭ0. Наклон входной характеристики в рабочей точке А определяет входное сопротивление схемы ОБ:

Семейство коллекторных характеристик также может быть представлено в идеализированном виде

где α0 – коэффициент передачи тока на низкой частоте, IК0 – обратный ток коллекторного перехода, rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с ОБ.

Выходные характеристики схемы ОБ более горизонтальны, чем в схеме ОЭ, а остаточное напряжение на коллекторе может быть равным нулю, что позволяет более эффективно использовать напряжение источника питания коллекторной цепи.

Рабочая точка А на характеристиках транзистора, как и в схеме ОЭ, должна располагаться в области, ограниченной предельно допустимыми значениями тока коллектора, напряжения на коллекторе и мощности рассеивания на коллекторе.

2.2.3. ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Вследствие конечной скорости движения носителей тока коэффициенты передачи по току и оказываются зависящими от частоты передаваемого сигнала и соответственно представляются выражениями:

33

Здесь , – некоторые постоянные времени, связанные соотноше-

Частоты, на которых модули коэффициентов передачи по току

уменьшаются в 2 раз, называются граничными и соответственно равны:

верхняя граничная частота в схеме ОБ

1

f ; (2.14) 2

верхняя граничная частота в схеме ОЭ

Кроме приведенных зависимостей на работу транзисторных схем с увеличением частоты влияют емкости СЭ (диффузионная емкость перехода эмиттер–база) и СК (барьерная емкость коллекторного перехода).

2.3. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Статический режим работы схемы усилителя (или режим работы по постоянному току) – это электрическое состояние схемы, т. е. совокупность значений токов и напряжений на ее элементах при отсутствии входного сигнала. Здесь значимое место имеют прежде всего токи

34

транзистора и напряжения на его электродах. Для решения этой задачи удобно обратиться к обобщенной схеме питающих напряжений на усилитель (рис. 2.7) и его эквивалентной схеме замещения, вытекающей из анализа его характеристик и параметров (рис. 2.8). На рисунках обозначены:

ЕБ, ЕЭ – источники, обеспечивающие необходимый ток смещения в цепи базы (или в цепи эмиттера), зависящий от величины резисторов

RБ, RЭ;

UБЭ – прямое падение напряжения между базой и эмиттером транзистора, обычно принимаемое равным 0.6 В;

RК – сопротивление в коллекторной цепи, с помощью которого задается рабочий режим транзистора и выделяется выходной сигнал на коллекторе транзистора.

Полагая rк и используя известные методы анализа электриче-

ских цепей, получим следующие расчетные соотношения для токов базы, коллектора и эмиттера транзистора:

35

Рассматривая приведенные выражения, легко заметить, что в них входят основная составляющая, обусловленная внешними источниками ЭДС, а также составляющие, зависящие от свойственных транзистору «паразитных» параметров (обратного тока и падения напряжения UБЭ), влияющих на стабильность рабочего состояния транзистора и всей схемы усилителя.

Для оценки стабильности тока коллектора рассмотрим функцию тока коллектора и найдем его изменение, полагая, что значения 0, UБЭ, IК изменились. Посредством дифференцирования получим:

где S – коэффициент температурной нестабильности тока коллектора:

Из формулы следует, что коэффициент нестабильности существенно зависит от значений сопротивлений, включенных в базовую и эмиттерную цепи транзистора. Это надо учитывать при построении и расчете усилительного каскада. При выбранном значении S из (2.20) получим требуемое отношение

36

2.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОЭ

На рис. 2.9 представлена принципиальная схема однокаскадного усилителя с емкостной связью, а на рис. 2.10 – его малосигнальная схема замещения.

Рис. 2.10

Схема усилителя содержит: ЕГ – источник входного сигнала с внутренним сопротивлением RГ; С1 – конденсатор, разделяющий входную цепь транзистора и источник входного сигнала по постоянному току; C2 – конденсатор, разделяющий коллекторную цепь и нагрузку по постоянному току; CЭ – конденсатор, включаемый для уменьшения переменной составляющей на эмиттере транзистора; R1, R2, RЭ – резисто-

37

Принцип работы усилителя, процесс формирования управляющего и выходного сигналов в нем поясняются рис. 2.11, 2.12. (Построение графиков приведено для случая RЭ = 0.) Рабочий ток IБА в цепи базы транзистора задается с помощью источника ЕБ и делителя напряжения R1, R2 и находится на рис. 2.11 путем пересечения нагрузочной линии

RБ = R1R2/(R1 + R2), исходящей из точки ЕБ1 = ЕБR2/(R1 + R2), с входной характеристикой транзистора в точке А.

При подаче входного сигнала рабочая точка перемещается, а ее положение определяется совместным решением нелинейного уравнения входной характеристики и линейного уравнения, связывающего ЭДС ЕГ и вызываемое ею изменение управляющего тока Iб:

Точки встречи этих двух зависимостей определяют максимальное IБ2 и минимальное IБ1 значения тока базы при известной амплитуде входного сигнала.

Рабочая точка А на выходных характеристиках транзистора определяется пересечением выходной характеристики (для тока IБА) и линии нагрузки RК в соответствии с ее уравнением:

Изменение управляющего тока IБ вызывает изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе (и, следовательно, на нагрузке) согласно уравнению

Переменные составляющие тока коллектора и напряжения на нагрузке принимают при этом соответственно минимальное и максимальное значения.

2.4.1. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В СХЕМЕ ОЭ. ЧАСТОТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЯ

На основании рассмотренного выше, не приводя подробных выкладок, основанных на законах электротехники применительно к эквивалентным схемам замещения транзистора и всего усилителя, запишем следующее.

39