Динамический режим работы бпт

Все
h-параметры
определяются в исходной рабочей точке.

ИРТ
задается режимом по переменному току
и определяется U_КЭ
и состоянием U_БЭ0
и I_Б0.

Динамический режим работы бпт Динамическая характеристика

Динамическим
называется режим, при котором изменение
входных электрических величин вызывает
изменение всех остальных величин
усилительного элемента (БПТ). Для
реализации динамического режима
необходимо в цепь выходного тока включить
сопротивление R≠0, тогда при изменении
U_вх
и I_вх
будет изменятся I_вых,
U_вых.

Очевидно,
чтобы была возможность варьировать
изменения в цепь выходного электрода
нужно включить источник питания
постоянного тока, предназначенный для
обеспечения I_вых0≠0.

Второй закон
Кирхгофа для выходной цепи:

Транзистор –
элемент явно нелинейный на всей плоскости.

; если
I_Б=0,
то БПТ неуправляем (это режим отсечки)

Для
определения ИРТ используем свойство
последовательного соединения. Достроим
ВАХ для R_K
в системе координат выходных ВАХ БПТ.

При
U_КЭ0=Е_К
получаем I′=0,
а при U_КЭ0=0
получаем I″=E_K/R_K.

С
другой стороны ВАХ R_K
– это нагрузочная прямая транзистора.
ИРТ лежит
на отрезке CD.

Выберем
I_Б=const,
тогда ИРТ определяется как точка
пересечения нагрузочной прямой с той
характеристикой, которая соответствует
I_Б.

Max(ИРТ)
– C;
min(ИРТ)
– D.

На
интервале [C,D]
может изменяться рабочая точка, а
нагрузочная прямая на нем называется
динамической характеристикой. Начиная
с некоторого значения I_Б
рабочая точка остается в одном месте,
а I_К
перестает управлять. U_КЭн,
соответствующее максимальному положению
рабочей точки напряжением насыщения
(соответственно – ток насыщения).

В
нижней части динамической характеристики
одинаковое приращение I_Б
вызывает равное приращение I_К.
Аналогично и вблизи верхней точки – С.
Тогда на границах масштаб нелинейный.

Построим
проходную динамическую характеристику:
зависимость
I_К
от I_Б
(изображена
слева от выходной). Она имеет линейный
участок А’-В’. При использовании биполярного
транзистора на этом участке управление
выходным током т.е. током источника
питания будет линейным. Именно этот
участок проходной динамической
характеристики пригоден при использовании
транзистора для построения усилителя
электрических сигналов. Важно правильно
выбрать исходную рабочую точку (ИРТ),
которая определяет режим работы
транзистора по постоянному току. Выбор
исходной рабочей точки должен удовлетворять
2 требованиям:

1. I_K0
   должен быть выбран так (I_Б0
   – тоже), чтобы при максимально возможном
   приращении I_Б
   относительно I_Б0,
   вызываемом сигналом, изменение I_К
   оставалось пропорциональным ему.

2. ИРТ
   не должна выбираться слишком высоко,
   чтобы снизить потребление от
   источника
   питания.

При
изменении входного тока I_Б
под действием
источника сигнал рабочая точка
перемещается по динамической
характеристике. Если рабочая точка
заходит на нелинейные участки начинается
искажение выходного сигнала.

Примечание:
если есть резистор R_Э
в цепи эмиттера, то:

,
где R_K+R_Э
– нагрузка БПТ по постоянному току.

Если
под действием источника сигнала появилась
переменная составляющая ток базы I_б~,
то появится
и переменная составляющая тока коллектора
I_к~=h₂₁I_б~.
Тогда
предыдущую часть цепи с полюсами
«коллектор» — «эмиттер» можно рассматривать
по отношению к R_K
как эквивалентный генератор переменного
тока. В нашем случае R_K
является также нагрузкой транзистора
по переменному току. Если потребитель
не допускает протекания через него
постоянного тока, то его подключают к
эквивалентному генератору через
разделительную емкость С_Р.

Очевидно,
что теперь нагрузочная прямая по
переменному току будет отличаться от
нагрузочной прямой по постоянному (она
будет наклонена более круто).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Определение h-параметров по статическим ВАХ

Все h-параметры определяются в исходной рабочей точке.

ИРТ задается режимом по переменному току и определяется U_КЭ и состоянием U_БЭ0 и I_Б0.

Динамический режим работы БПТДинамическая характеристика
Динамическим называется режим, при котором изменение входных электрических величин вызывает изменение всех остальных величин усилительного элемента (БПТ). Для реализации динамического режима необходимо в цепь выходного тока включить сопротивление R≠0, тогда при изменении U_вх и I_вх будет изменятся I_вых, U_вых.

Очевидно, чтобы была возможность варьировать изменения в цепь выходного электрода нужно включить источник питания постоянного тока, предназначенный для обеспечения I_вых0≠0.

Второй закон Кирхгофа для выходной цепи:

Транзистор – элемент явно нелинейный на всей плоскости.

; если I_Б=0, то БПТ неуправляем (это режим отсечки)

Для определения ИРТ используем свойство последовательного соединения. Достроим ВАХ для R_K в системе координат выходных ВАХ БПТ.

При U_КЭ0=Е_К получаем I′=0, а при U_КЭ0=0 получаем I″=E_K/R_K.

С другой стороны ВАХ R_K – это нагрузочная прямая транзистора. ИРТ лежит на отрезке CD.

Выберем I_Б=const, тогда ИРТ определяется как точка пересечения нагрузочной прямой с той характеристикой, которая соответствует I_Б.

Max(ИРТ) – C; min(ИРТ) – D.

На интервале [C,D] может изменяться рабочая точка, а нагрузочная прямая на нем называется динамической характеристикой. Начиная с некоторого значения I_Б рабочая точка остается в одном месте, а I_К перестает управлять. U_КЭн, соответствующее максимальному положению рабочей точки напряжением насыщения (соответственно – ток насыщения).

В нижней части динамической характеристики одинаковое приращение I_Б вызывает равное приращение I_К. Аналогично и вблизи верхней точки – С. Тогда на границах масштаб нелинейный.
Построим проходную динамическую характеристику: зависимость I_К от I_Б (изображена слева от выходной). Она имеет линейный участок А’-В’. При использовании биполярного транзистора на этом участке управление выходным током т.е. током источника питания будет линейным. Именно этот участок проходной динамической характеристики пригоден при использовании транзистора для построения усилителя электрических сигналов. Важно правильно выбрать исходную рабочую точку (ИРТ), которая определяет режим работы транзистора по постоянному току. Выбор исходной рабочей точки должен удовлетворять 2 требованиям:

1. I_K0 должен быть выбран так (I_Б0 – тоже), чтобы при максимально возможном приращении I_Б относительно I_Б0, вызываемом сигналом, изменение I_К оставалось пропорциональным ему.
2. ИРТ не должна выбираться слишком высоко, чтобы снизить потребление от источника питания.

При изменении входного тока I_Б под действием источника сигнал рабочая точка перемещается по динамической характеристике. Если рабочая точка заходит на нелинейные участки начинается искажение выходного сигнала.

Примечание: если есть резистор R_Э в цепи эмиттера, то:

, где R_K+R_Э – нагрузка БПТ по постоянному току.

Если под действием источника сигнала появилась переменная составляющая ток базы I_б~, то появится и переменная составляющая тока коллектора I_к~=h₂₁I_б~. Тогда предыдущую часть цепи с полюсами «коллектор» — «эмиттер» можно рассматривать по отношению к R_K как эквивалентный генератор переменного тока. В нашем случае R_K является также нагрузкой транзистора по переменному току. Если потребитель не допускает протекания через него постоянного тока, то его подключают к эквивалентному генератору через разделительную емкость С_Р.

Очевидно, что теперь нагрузочная прямая по переменному току будет отличаться от нагрузочной прямой по постоянному (она будет наклонена более круто).

БПТ как усилительный элемент.

E_б создаёт I_б0, т.е. определяет ИРТ на входных характеристиках.

ЭДС e_u – источник сигнала I_~.

Для любого источника постоянного тока внутреннее сопротивление очень мало и можно считать стремится к нулю.

I_б(t)=I_бо+I_б~.

Чтобы обеспечить независимость цепи базы и источника сигнала по постоянному току, ставится разделительный конденсатор C_Р1. Источник e_u должен управлять I_Б, т.е. если R=0, то I_Б~=0 – управления не будет. R≠0, чтобы часть I_U направить в базу. С точки зрения хорошей передачи энергии от источника W к базе, C_R1 должно быть выбрано так, чтобы X_CR1(ω_U)→0 – на нижней частоте в спектре усиления сигнала.

X_CR1(ω)<

вх~

Аналогичные требования и к C_R2 по постоянному току для разделения выходной цепи усилительного элемента и R_Н.

Видно, что при опускании ИРТ преобразования становятся нелинейными.

I_ко=βI_бо, I_к~=h₂₁I_б~

ΔI_к~ ΔI_б – преобразование К-Б линейно.

I_к~ при протекании через R_к~ сознаёт на нем падении напряжений, которое по сути дела является U_н.

U_кэ=E_к-I_к0R_к

Подадим ΔU_кэ.

Вывод: ΔU на коллекторе противофазно ΔU на базе.

– переменная составляющая.

– практически это коэффициент усиления.

При вычислении k необходимо брать значения напряжений при среднем значении частоты – ω₀.

ω₀ или f₀ – это такая частота, при которой частотно-зависимый сдвиг фаз равен нулю, т.е. сопротивление цепи можно рассматривать только как активное).

→ C_R2 и C₀ можно принебречь.

Обычно можно пренебречь.

Динамические выходные характеристики БПТ по переменному току
Динамические характеристики переменного тока строятся по выходным характеристикам, поскольку I_~ и U_~ — это изменения относительно I₀ и U₀.

Построим нагрузочную прямую по постоянному току.

, т.е. сумма сопротивлений, включенных последовательно с электродами КЭ и источником питания.

ИРТ выбираем выше, чем середина линейного участка, т.к. .

Строим нагрузочную прямую по переменному току.

Следовательно, нагрузочная прямая по переменному току обязательно пройдет через исходную рабочую точку. Для построения прямой задают , откладывают относительно . Вычисляют и откладывают относительно .

Т.к.

Следовательно, эта нагрузочная прямая проходит через ИРТ и точку .

На интервале, ограниченном снизу I_Б=0, а сверху точкой пересечения с восходящим участком статической ВАХ, эта нагрузочная прямая является динамической ВАХ по переменному току.

Её линейный участок несколько меньше. При возрастании температуры увеличивается I_Б0 и ИРТ по постоянному току поднимается. В новой ИРТ увеличивается и переменный ток. ΔI становится меньше. Возможны искажения.

В каждый момент времени t положение рабочей точки находится на пересечении нагрузочной прямой по переменному току со статической ВАХ соответствующего I_Б.

Построим форму изменения I_К и U_КЭ при изменении I_Б, вызванном U_БЭ. Продолжим ВАХ БПТ с I_Б=I_Б0 и будет использовать как ось времени. Перпендикулярную ей ось можно использовать как ось I_Б. В силу параллельности статической ВАХ, продолжение проторируют в значениях I_Б. Изобразим изменение I_Б от времени.

В момент t₀=0 I_Б=I_Б0 – рабочая точка в ИРТ.

t₀=1 I_Б= I_Б-I_Б0 – рабочая точка в ВАХ по переменному току.

Рабочая точка движется по нагрузочной прямой переменного тока и не может подняться выше I_KMAX.

Возрастание амплитуды U_БЭ в дальнейшем приведет к искажениям формы. Низкий выбор ИРТ чреват искажениями при малых I_K, высокий – при больших I_K. Говорят: искажения снизу и сверху, понимая под этим осциллограмму U_КЭ. Тип искажений зависит от типа транзистора.

Для p-n-p транзистора: при повышении I_Б0 уменьшается отрицательное значение U_КЭ, т.е. оказывается отрицательным => искажения сверху. При понижении I_Б0 увеличивается отрицательное значение U_КЭ, т.е. оказывается положительным => искажения снизу.

Основные технические показатели электронных усилителей и их характеристики

Электрический сигнал – это изменение тока и напряжения в соответствии с передаваемой информацией, которая может быть закодирована в изменении одного или нескольких параметров тока или напряжения.

Усилитель – это устройство, усиливающее по мощности напряжение или ток, а с точки зрения принципа работы – это управляющий преобразователь электрических источников питания постоянного тока в ИП усиленного сигнала. Для управления используется небольшая частота источника сигнала.

Закон изменения U_вых и I_вых усилителя в идеале должен повторять закон изменения ЭДС источника сигнала e_и(t). Основной элемент усилителя – усилительный элемент (БПТ, ТГ, электронная лампа и т.д.).

Усилитель – линейный преобразователь. Кроме усилительного элемента в усилителе (У) имеются цепи для передачи энергии от источника сигнала по входному электроду усилительного элемента, от выходного электрода к нагрузке, а так же цепи питания электрода постоянного тока.

Таким образом, усилитель формально можно рассматривать как линейный 4х-полюсник, если усилительный элемент используется в пределах линейного участка динамической характеристики.

Для такого источника сигнала усилитель – это входное сопротивление Z_вх. С точки зрения нагрузки, усилитель – эквивалентный источник. U_вых пропорционально U_вх, а значит и e_и(t). Относительно e_и усилитель характеризуется I_вх. Относительно нагрузки – рассматривается как эквивалентный генератор и характеризуется I_вых и e_вых.

— коэффициент усиления по напряжению;

— сквозной коэффициент усиления.

<, т.к. часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении источника.

в общем случае комплексный, т.к. в усилителе всегда имеются реактивности. Для разных частот, разный коэффициент: .

— модуль коэффициента усиления на данной частоте. С другой стороны – это функция зависимости модуля от частоты.

— сдвиг фаз (частотнозависимый) между входным и выходным напряжением, т.е. сдвиг фаз, вносимый усилителем.

Зависимость называется АЧХ.

Зависимость называется ФЧХ.

Основным технологическим показателем усилителя является коэффициент усиления по средней частоте (это частота , на которой ).

K_i0 – коэффициент усиления по току, K_p0 – коэффициент усиления по мощности. — мощность, отдаваемая источником (не самого источника!!!). Каждый из этих коэффициентов может быть сквозным.

Иногда K отсчитывают в дБ.

Разные усилители имеют разный вид АЧХ.

1. По переменному току
2. По постоянному току.

На частотах, при которых K→0, сигнал не усиливается. Для удобства изображения АЧХ часто используют логарифмический масштаб по оси f.

АЧХ изображают в абсолютных значениях K, но они неудобны для сравнения усилительных свойств различных усилителей по частотному диапазону, но в относительных единицах они удобны. В этом случае берут на K, а относительный коэффициент усиления — это тот же К, но нормированный коэффициентом усиления на средней частоте .

— модуль относительного коэффициента усиления.

Очевидно, Y можно представить как:

Очевидно, что если , то .
Для снятия АЧХ: изменяем частоту генератора – f => e(f)=const.

f_сн – нижняя, а f_св – верхняя частоты в спектре сигнала.

Для усиления показательного сигнала годится второй усилитель, т.к. закон изменения e_u(t) остаётся прежним, т.е. не будет частотных искажений.

Усилители строят под усиление определенного сигнала.

Полоса частот, в пределах которой модуль коэффициента усиления изменяется не более заданной величины, устанавливаемой из практических потребностей, называется полосой пропускания усилителя.

Граничные частоты полосы пропускания называются нижней и верхней частотой полосы пропускания. Если не указывается допустимое изменение K, то допускается, что K=0,707K₀, что соответствует уровню 3 дБ.

Анализ работы усилителя проводят с помощью гармонического сигнала, а свойства усилителя определяют по его частотным характеристикам.

Если в пределах полосы частот источника сигнала усилитель имеет разный коэффициент усиления, то это приводит к частотным искажениям сигнала. Частотные искажения сигнала – это искажения закона изменения выходного тока от напряжения по сравнению с законом изменения ЭДС источника сигнала от времени. Они возникают благодаря наличию реактивности в усилителе (разделительных емкостей, трансформаторов, индуктивностей, паразитных C и L). Наличие разделительных емкостей является причиной частотных искажений на низких частотах. Частотные искажения – линейные, т.к. возникают в линейной цепи.

Ниже приведена схема замещения для нашего случая, высокочастотная составляющая подавляется.

Для низкочастотных спектральных составляющих пренебрегают С₀, т.к. оно подключено параллельно сопротивлению R, и на низких частотах X_C0(ω_н)>>R.

Для высокочастотных спектральных составляющих пренебрегают С_p, т.к. оно подключено последовательно с сопротивлением R, и на высоких частотах X_Cp(ω_в)<

Очевидно, за счет C_p создается опережение выходного напряжение относительно входящего по фазе. Действительно, U_R создается током I_CR.

I_CR опережает U_CR на 90˚, U_CR является частью напряжения на полюсах => ток опережает напряжение.

За счет C₀ создается отставание по фазе выходного напряжения относительно входного. U_R=U_C0, U_C0 отстаёт от тока источника, поэтому U_C0 отстаёт от напряжения на какой-то угол.

На разных частотах влияние на сдвиг фаз C₀ и C_p различно по значению.

Одно из них вызывает запаздывание, а второе – опережение. На какой-то конкретной частоте мы получим результат, который определит, чьё влияние больше. На ω₀ эти влияния компенсируются.

Механизм изменения соотношения между амплитудами спектральных составляющих в спектре выходного сигнала по сравнению с их амплитудами в спектре e_u выглядит следующим образом. Чем больше неравномерность K в пределах спектра сигнала, тем больше частотные искажения. М – коэффициент частотных искажений.

Фазовые искажения.

Фазовые искажения – искажения усиливаемого сигнала, как функции времени, возникающие из-за различных фазовых сдвигов, для каждой из спектральных составляющих, что отражается в отличии фазовой характеристики от прямой линии. Фазовые искажения также линейные.

При прохождении сигнала через усилитель возможны нелинейные искажения, связанные с наличием в схеме усилителя нелинейных элементов (БПТ, ПТ, диоды, электронные лампы). Динамическая характеристика усилительного элемента линейна с определенной степенью точности, поэтому можно рассматривать усилитель как линейный преобразователь, да и то в пределах ограниченных значений входного сигнала. Из-за нелинейности характеристики входной сигнал с достаточно большим значением амплитуды будет приводить к нелинейным искажениям, т.е. преобразование будет нелинейным.

Пример: гармонический сигнал с достаточно большой амплитудой, спектр у него монохроматический, преобразование – нелинейное, выходной сигнал – не гармонический и в спектре уже несколько спектральных составляющих.

В результате нелинейного преобразования происходит обогащение спектра. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник.

— коэффициент гармоник.

Номинальная выходная мощность – мощность выходного сигнала, обеспечиваемая усилителем при заданном коэффициенте нелинейного искажения.

Усилитель характеризуется амплитудной характеристикой – зависимость модуля выходного напряжения от модуля входного на средней частоте для синусоидального сигнала. Она не учитывает параметры источника сигнала. Однако может быть сквозная амплитудная характеристика, которая зависит от e_u. Обе измеряются для номинального R_н.

Подавать U_вх

вх_min=U_вхшума нецелесообразно, т.к. сигнал будет маскироваться шумами.

Существует оценка усилителя – динамический диапазон.

Динамический диапазон усилителя должен быть больше динамического диапазона сигнала.

U_{вхномин.} – входное напряжение, при котором на выходе усилителя, при номинальном R_н, выделяется номинальная мощность усиленного сигнала.

Тема 3.3. Динамический режим работы транзистора

Если статический режим предполагает только включение источника питания в цепи транзистора, то динамический режим – это режим работы с источником сигнала во входной цепи и сопротивлением нагрузки – в выходной, при этом все токи и напряжения изменяются одновременно, взаимно влияя друг на друга.

Это их влияние отражают динамические характеристики, которые бывают входные и выходные, проходные, сквозные и прямой передачи.

При графическом определении режима работы чаще всего пользуются выходными и входными характеристиками:

Выходная динамическая характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектора, т.е. Ί_к = f (U_к), при Е_к = const и R_к = const, ее называют также коллекторной динамической характеристикой (рис.22)

Рис.22 Графическое определение режима выходной цепи с помощью коллекторной динамической характеристики

Строят ее на семействе выходных статических, пользуясь зависимостью:

Это прямая линия, которая отсекает отрезки на осях:

C изменением коллекторного напряжения (Е_к) она сдвигается параллельно себе влево или вправо, а чем больше R_к, тем она становится более пологой.

Коллекторную динамическую характеристику называют также линией нагрузки.

В простейшем каскаде, имеющем только одно активное сопротивление R_к, линия нагрузки для постоянного и переменного токов одна и та же.

Эта характеристика позволяет графическим путем выбрать режим покоя и определить амплитуды тока и напряжения выходного сигнала по амплитуде входного сигнала (рис.23 ). Точка пересечения динамической характеристики со статической позволяет определить ток и напряжение коллектора по данному току базы. Выбрав рабочую точку Р в режиме покоя, находят соответствующие ей токи покоя коллектора (I _кo) и базы (I _бо), и напряжение покоя (U _ко).

Точку Р выбирают на середине динамической характеристики (хотя выбор точки Р обусловлен режимом работы транзистора), чтобы в режиме усиления она не заходила на криволинейные участки характеристики, что вызывает большие нелинейные искажения.

По известной амплитуде входного тока (I_mб) можно найти рабочий участок динамической характеристики АБ, а проекциям половин рабочего участка АР и РБ на оси координат соответствуют амплитуды тока коллектора (I_mк) и напряжения коллектора (U_mк).

Входная динамическая характеристика – это графическая зависимость входного тока от входного напряжения.

Для схемы с ОЭ – это базовая динамическая характеристика. Входную характеристику следует строить на семействе входных статических характеристик, она представляет собой кривую линию с несколько большей крутизной и кривизной, чем статическая характеристика. Эта характеристика близка к статической тем больше, чем меньше сопротивление нагрузки.

Для практических расчетов и графического определения режима входной цепи пользуются чаще статическими характеристиками из справочников.

Рис.23 Графическое определение режима входной цепи

Зная из графика коллекторных характеристик тока базы I _бо, можно найти точку покоя Р’ на входной характеристике, а значит и напряжение базы U_бо.

По известной амплитуде входного сигнала U _mб, определяется рабочий участок А’Б’ входной характеристики и амплитуда тока базы I _mб.

И наоборот, если известна величина I _mб, можно определить U_mб.

Выходная мощность характеризуется площадью прямоугольного треугольника, построенного на половине рабочего участка АР как на гипотенузе. Его катеты — это амплитуды I _mк и U _mк, а половина их произведения равна мощности:

Для выбора режима мощного каскада пользуются проходной динамической характеристикой, которая представляет собой зависимость мгновенного тока коллектора от напряжения базы.

Для графического расчета высших гармоник и вычисления коэффициента гармоник строят сквозную динамическую характеристику, которая представляет зависимость мгновенного тока коллектора от ЭДС источника сигнала.

Контрольные вопросы:

1.Работа каскада с ОЭ: входные и выходные величины; прохождение постоянных и переменных составляющих токов;

2. Свойства схемы с ОЭ;

3. Работа каскада с ОК, почему его называют эмиттерным повторителем?

4. Свойства схемы с ОК;

5. Работа и свойства каскада с ОБ;

6. Отличительные особенности трех схем включения;

7. Что такое составной транзистор? Его параметры;

8. Какой режим транзистора называют динамическим?

9. Что называют динамической характеристикой?

10. Как строится выходная динамическая характеристика? И как по ней определяют токи и напряжения в режиме покоя и усиления сигнала?

11. Определение входной динамической характеристики;

12. Определение проходной и сквозной характеристик.

Дата добавления: 2015-10-05 ; просмотров: 1950 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Динамический режим работы транзистора.

Дата добавления: 2015-08-31 ; просмотров: 8094 ; Нарушение авторских прав

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.

– это уравнение динамического режима работы транзистора.
Уравнение динамического режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках.

Две точки для построения прямой находятся из начальных условий. IК при UКЭ = 0 называется током коллектора насыщения. Выходная динамическая характеристика получила название нагрузочной прямой. По нагрузочной прямой можно построить входную динамическую характеристику. Но поскольку она очень близка к входной статической характеристике при UКЭ > 0, то на практике пользуются входной статической характеристикой. Точка пересечения нагрузочной прямой с одной из ветвей выходной статической характеристикой для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора (РТ). Рабочая точка позволяет определять токи и напряжения, реально существующие в схеме.

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.