Динамический режим работы транзистора это

Динамический
режим
работы транзистора – это режим, при
котором во входной цепи имеется источник
переменного сигнала, а в выходной цепи
присутствует сопротивление нагрузки.

2-й закон Кирхгофа
для выходной цепи:

Данное
выражение является уравнением
выходной динамической характеристики
(уравнением нагрузочной прямой).

Нагрузочная прямая
строится на семействе выходных статических
вольт-амперных характеристик по двум
точкам (А и В):

а)
Пусть транзистор полностью закрыт
(режим отсечки), т.е.
.
Тогда из уравнения (11) получим
.

Таким
образом, координаты точки А будут:

б)
Пусть транзистор полностью открыт
(режим насыщения), т.е.
.
Тогда из уравнения (11) получим
.

Таким
образом, координаты точки В будут:

I_К,
mA
I_Б4

Е_П/R_К
B
I_Б3

I_Б2

нагрузочная

I_Б1

прямая
(выходная
A
I_Б=0

динамическая
0
Е_П
U_КЭ,В

характеристика)

Выходная
динамическая характеристика транзистора
отличается от статических выходных
ВАХ, т.к.
наличие сопротивления нагрузки резко
изменяет режим работы транзистора.

В
качестве входной динамической
характеристики используют входную
статическую характеристику транзистора
при
,
т.к. они мало чем отличаются вследствие
того, что сопротивление нагрузки слабо
влияет на входную цепь.
I_Б,mA

U_КЭ=5В

входная
динамическая

характеристика

0
1В U_БЭ,В

7.1.10 Первичные параметры транзистора

Анализировать
схему, содержащую нелинейный элемент
(например, транзистор), сложно. Но при
определенных условиях транзистор можно
заменить эквивалентной схемой, содержащей
исключительно линейные
элементы (сопротивления, емкости,
индуктивности).

Условием
замены реального транзистора эквивалентной
схемой является малый
уровень входного сигнала,
т.к. при малых амплитудах входного
сигнала можно пренебречь нелинейностью
ВАХ и считать малые участки ВАХ линейными.

Эквивалентная
схема составляется только для переменных
составляющих токов и напряжений,
поскольку
полезную информацию несут только они.

Элементы,
образующие эквивалентную схему
транзистора, и являются его первичными
параметрами.

Эквивалентных
схем транзистора много, рассмотрим одну
из них.

Т-образная
эквивалентная схема транзистора ОБ

• —
  дифференциальное сопротивление прямо
  смещенного ЭП

=доли
Ома÷единицы Ома, т.е. мало

• —
  ёмкость
  ЭП. Эта
  ёмкость диффузионная (т.к. ЭП смещен в
  прямом направлении). Она относительно
  большая, но её
  влиянием можно пренебречь, т.к. она
  шунтирована малым сопротивлением
  .
  
  десятки
  пФ

• —
  дифференциальное
  сопротивление обратно смещенного КП

—
может достигать сотен кОм÷десятки МОм,
т.е. велико.

Обратная
связь (ОС) – передача части мощности
сигнала с выхода на вход схемы.

Таким
образом, ёмкость
КП на ВЧ ухудшает усилительные свойства
транзистора.

• —
  сопротивление базы.
  Оно состоит из 2-х составляющих:

—
омическое сопротивление слабо легированной
области базы;

—
небольшое
сопротивление, обеспечивающее внутреннюю
ОС в транзисторе.

7.1.11
h-параметры

Недостаток первичных
параметров – невозможность их измерения,
т.к. общая точка, относительно которой
определяются первичные параметры,
находится внутри Базы транзистора.

Поэтому
переходят к вторичным параметрам
транзистора, которые легко измерить.
Самыми распространенными вторичными
параметрами транзистора являются
h-параметры.

В
системе h-параметров
в качестве независимых переменных
(аргументов) принимают входной ток (I₁)
и выходное напряжение (U₂).
Зависимыми переменными (функциями)
являются входное напряжение (U₁)
и выходной ток (I₂).

Связь
между зависимыми и независимыми
переменными выражается с помощью системы
уравнений:

U₁
=
h₁₁I₁
+
h₁₂U₂

I₂
=
h₂₁I₁
+
h₂₂U₂

Здесь
I₁,
I₂,
U₁,
U₂
– амплитуды переменных токов и напряжений
(индекс «1» относится к входному сигналу,
а индекс «2» — к выходному), h₁₁,
h₁₂,
h₂₁,h₂₂
являются коэффициентами пропорциональности
(индекс «11» означает 1-я строчка, 1-й
столбец; «12» — 1-я строчка, 2-й столбец и
т.д.)

Таким образом,
имеем систему 2-х уравнений с четырьмя
неизвестными. Решить такую систему
уравнений в общем виде невозможно. Для
ее решения необходимы дополнительные
условия.

Так,
например, чтобы определить из первого
уравнения h₁₁,
нужно второе слагаемое этого уравнения
занулить, т.е. считать, что U₂=0.

Тогда

при
— входное
сопротивление транзистора при
короткозамкнутом выходе.

Аналогично
определяем:

при

— коэффициент
обратной связи по напряжению
при разомкнутом входе;

при

— коэффициент
усиления по току
при

короткозамкнутом
выходе;

при

— выходная
проводимость транзистора
при разомкнутом входе.

Пример
расчета h-параметров
транзистора ОЭ

Изобразим транзистор
ОЭ с его входными и выходными токами и
напряжениями:

а)
Определим входное сопротивление
транзистора.
Для этого запишем формулу:
при

.
Заменив амплитуды на малые приращения
и подставив значения входного тока,
входного и выходного напряжений конкретно
для транзистора ОЭ, получим:

при

,
т.е. при

индекс
«э» означает, что транзистор собран по
схеме ОЭ

Входное
сопротивление транзистора определяется
по входным вольт-амперным характеристикам.
Точка А – это рабочая точка, в которой
определяются h-параметры.

Iб
(mA)
Uкэ=5В

0,75

б

=

0,25

Uбэ
(В)

0,3

бэ
0,55

Чтобы
определить
,
необходимо выполнить дополнительное
построение: это построение обязательно
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

(в данном случае
).
Исходя из вышесказанного, строим
небольшой прямоугольный треугольник
таким образом, чтобы его гипотенуза
прилегала к входной характеристике и
делилась рабочей точкой А пополам.
Тогда катеты этого треугольника и будут
искомыми значениями

и
,
зная которые, легко определить входное
сопротивление транзистора:

б) Определим
коэффициент обратной связи по напряжению.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Коэффициент
обратной связи по напряжению определяется
по входным вольт-амперным характеристикам
транзистора. Дополнительное построение
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

.
В данном случае это будет прямая,
параллельная оси
напряжений
и проходящая через точку А.

Iб(mA)

кэ

Uкэ=0
Uкэ=5В

А^`

А

Uбэ(В)

0,5

бэ
0,7

в)
Определим
коэффициент усиления по току.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Коэффициент
усиления по току определяется по выходным
вольт-амперным характеристикам
транзистора. Дополнительное построение
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

.
В данном случае это будет
прямая, параллельная оси токов и
проходящая через точку А.

Iк(mA)

40
Iб=1,5mA

А

Iб=1mA

к
А`

б

Iб=0,5mA

20
Iб=0

Uкэ(В)

Для
транзистора, собранного по схеме ОЭ:

, где
—
коэффициент передачи тока базы в
коллектор.

г)
Определим выходную проводимость и
выходное сопротивление транзистора.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Дополнительное
построение должно проходить через
рабочую точку А и при этом должно
выполняться условие
.
В данном случае это будет прямоугольный
треугольник, у которого гипотенуза
делится рабочей точкой А пополам.

Iк(mA)

Iб=1mA

7

A
Iб=0,5mA

к

6
Iб=0

Uкэ(В)

5

кэ
10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

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

~ ЛЕКЦИЯ 4 ~

Сравнительный анализ схем включения
транзисторов

Сравнение схем включения транзисторов
проводят по пяти основным параметрам, к которым относят коэффициенты усиления
по напряжению, току и мощности, входные и выходные сопротивления транзисторов.

Таблица
1. Сравнение схем включения
транзисторов.

Параметр	Схема включения
ОБ	ОЭ	ОК
КI	£1
КU	>1	>1	£1
Кp= КU·КI	>1	>1	>1
Rвх	Десятки Ом	Сотни Ом – единицы кОм	Сотни кОм
Rвых	Сотни кОм	Единицы и десятки кОм	Десятки Ом

Из анализа данных сравнения
видно, что схема включения ОЭ обладает большими коэффициентами усиления
по току, напряжению и мощности и сравнимыми сопротивлениями на входе и выходе,
что привело к широкому использованию этой схемы для усиления мощности.

Схема включения транзистора ОК
(эмиттерный повторитель) в основном применяется для согласования высокоомного
выхода усилителя с низкоомной нагрузкой в выходных каскадах усиления мощности, R_вх >> R_вых.
Схему ОК можно использовать для усиления тока в каскадах предварительного
усиления многокаскадных усилителей.

Преимуществом схемы включения
транзистора ОБ является то, что данная схема обладает наименьшими
нелинейными и частотными искажениями. В связи с этим, ее применяют в каскадах
предварительного усиления для снижения искажений в многокаскадных усилителях
при усилении напряжения.

Динамический
режим работы транзистора

Режим работы транзистора с нагрузкой называют
динамическим.

В этом режиме токи и напряжения на
электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются под
воздействием входного сигнала. При этом усиление электрических колебаний с
помощью транзистора основано на зависимости выходного тока от величины напряжения,
приложенного к входной цепи.

Рисунок 30. Схема включения транзистора ОБ в динамическом режиме.

Рисунок 31. Схема включения транзистора ОЭ в динамическом режиме.

В динамическом режиме для анализа работы
транзистора на выходных статических характеристиках строят динамическую
характеристику, называемую линией нагрузки.

Рассмотрим работу транзистора в
динамическом режиме для схемы ОЭ при постоянном токе.

Линия
нагрузки – это зависимость напряжения на коллекторе U_кэ от сопротивления в коллекторной цепи R_к:

U_кэ
= E_к– I_кR_к

Линию нагрузки строят по двум точкам:
короткого замыкания (КЗ) и холостого хода (ХХ). Параметры этих
точек определим по уравнению линии нагрузки.

В режиме короткого замыкания падение
напряжения в выходной цепи стремится к нулю, а ток в коллекторной цепи к
максимальному значению:

I_{к max} = E_к / R_к

В режиме холостого хода сопротивление
в выходной цепи стремится к бесконечности, а ток – к нулю, напряжение
становится максимальным:

U_кэ = E_к

Исходя из этого,
запишем параметры точек:

  т.
КЗ → U_кэ = 0,
I_{к max} = E_к
/ R_к;

  т. ХХ → I_к
= 0, U_кэ = E_к.

Построим линию нагрузки на выходных
статических характеристиках транзистора для схемы ОЭ.

Рисунок 32. Динамическая выходная характеристика.

Точки пересечения линии нагрузки со
статическими характеристиками называют рабочими
точками. Они определяют токи и напряжения в транзисторе при
изменении сопротивления R_к и
входного тока I_б. При
изменении этих величин транзистор может попадать в один из трех режимов:
отсечки, активный, насыщения.

В режиме отсечки токи в транзисторе
очень малы (I_к → 0, I_б → I_б0),
эмиттерный переход закрыт. На линии нагрузки это – интервал от точки 1
до точки Е_к.

В активном режиме увеличиваются токи (I_б1 £
I_вх £ I_б
max, I_к1 £
I_к £ I_к5)
и изменяется напряжение U_кэ (U_{кэ min} £ U_кэ £
Е_к), эмиттерный переход открывается. На линии
нагрузки это – интервал точки 1 до точки 5.

В режиме насыщения увеличение
входного тока больше I_{б max} приводит к незначительному росту тока I_к (I_{к max}), т.к. практически все свободные носители
заряда уже участвуют в образовании тока через эмиттерный переход. На линии
нагрузки это – интервал от точки 5 до точки I_{к max}.

Для определения режима, в котором находится
транзистор, используют коэффициент насыщения К_s:

где I_б
– ток в цепи базы;

I_{б max} – максимально допустимый ток базы для
данного типа транзистора (из справочника).

Если К_s → 0 – транзистор находится
в режиме отсечки;

0 < К_s £ 1 – в активном
режиме;

К_s > 1 – в режиме
насыщения.

В активном режиме транзистор
находится в рабочем включении, когда эмиттерный переход открыт, а
коллекторный закрыт.

Кроме рабочего используют инверсное
(обратное) включение, при котором транзистор работает с очень малыми
токами.

Параметры
транзисторов

Для оценки и сравнения транзисторов
используют следующие виды параметров:

  — классификационные;

  — постоянного
тока;

  — физические;

  — малого
сигнала;

  — большого
сигнала;

  — предельные.

К классификационным параметрам
относят: коэффициент передачи тока a
(схема ОБ), предельную частоту усиления f_a, статический коэффициент
усиления тока b (схема ОЭ),
максимально допустимое обратное напряжение U_в
max.

Параметры постоянного тока или
эксплуатационные применяют для расчета транзистора по постоянному току. К
ним относят: обратный ток коллектора I_к0,
обратный ток эмиттера I_э0, начальный
ток коллектора I_кн.

Физические или первичные параметрытранзистора не зависят от схемы включения.

Ими являются: объемное сопротивление базы r_б, дифференциальное сопротивление эмиттерного
перехода r_э, дифференциальное
сопротивление закрытого коллекторного перехода r_к,
коэффициент передачи тока a,
коэффициент усиления тока b,
предельные (граничные) частоты усиления f_a иf_b, емкости эмиттерного С_э
и коллекторного С_к переходов.

Параметры малого сигнала зависят
от схемы включения транзистора. Малымназывают сигнал, амплитуда которого мала по сравнению с приложенным
к транзистору постоянным напряжением, определяющим выбор рабочей точки.

Практическое применение находят три системы
малосигнальных параметров: параметры сопротивления или z-параметры,
проводимости или y-параметры и гибридные или h-параметры.

Параметры большого сигнала
характеризуют работу транзистора в режимах, при которых токи и напряжения на
входе и выходе изменяются в широких пределах. Эти параметры применяют для
расчета транзистора в предоконечных и выходных каскадах усилителей.

Основными параметрами большого
сигнала являются:

  1.
Статический коэффициент передачи тока:

.

  2.
Статическая крутизна прямой передачи тока:

.

К предельным или
максимально допустимым параметрам относят:

  1.
Максимальную мощность Р_{к max},
рассеиваемую транзистором:

Рк max = Iк max · Uкэ

  2.
Максимальный ток коллектора I_{к max} (до 12 А).

  3.
Максимально допустимое обратное напряжение U_кб
доп или U_{эб доп}.

  4.
Предельную частоту передачи тока f_a, f_b.

1


Компьютерная электроника Лекция 10. Динамический режим работы биполярного транзистора

2


Динамический режим Динамическим называется режим, при котором в выходную цепь транзистора включено сопротивление. Конденсатор С1 предназначен: 1 для подачи усиливаемого сигнала на вход транзисторного каскада; 2 устраняет связь по постоянному току; 3 исключает шунтирование базо- эмиттерного перехода транзистора. Токи и напряжения в каскаде определяются не только параметрами и характеристиками транзистора, но и параметрами и характеристиками примененных пассивных компонентов.

3


Динамический режим Напряжение по постоянному току на коллекторе транзистора описывается соотношением: U кэ = E к — I к *R к, которое называется динамической характеристикой. Для построения динамической характеристики рассматривают два крайних случая: 1 I к = 0, в этом случае U кэ = E к ; 2 U кэ = 0, в этом случае I к max = E к / R к. На оси абсцисс отложим отрезок, равный – напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат — отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи I к max. Между этими точками проведем динамическую характеристику.

4


Динамический режим Из анализа статических характеристик транзистора и динамической характеристики каскада выделяют три режима работы транзистора: режим насыщения — оба перехода открыты, падение напряжение на транзисторе мало и равно U кэ нас ; режим отсечки — оба перехода закрыты, падение напряжение на транзисторе описывается соотношением U кэ отс = U кэ1 = E к — R к * I кэ0 E к ; активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Каскад работает в режиме усиления электрических сигналов.

5


Рабочая точка транзисторного каскада Динамическая характеристика определяет возможные соотношения между токами и напряжениями в каскаде. Для определения конкретного тока и напряжения выбирают рабочую точку. Рабочей называется точка на динамической характеристики, которая определяет напряжение на транзисторе и ток, протекающий через него, при отсутствии входного сигнала. Рабочая точка характеризуется 4-мя параметрами: U к0, I к0 и I б0 — определяют по выходной динамической характеристике; U б0 — определяют по входной динамической характеристике. Построение входной динамической характеристики затруднительно, поэтому для инженерных практических расчетов в качестве входной динамической характеристики принимается входная статическая характеристика при напряжении питания отличном от нуля.

6


Рабочая точка транзисторного каскада

7


Усиление сигналов с помощью транзистора Поясним качественно усиление электрических сигналов с помощью транзистора. Для минимизации искажений рабочую точку выбирают в середине линейного участка входной характеристики. Тогда базовый ток будет изменяться по закону изменения входного напряжения

8


Усиление сигналов с помощью транзистора

9


Коллекторный ток I к *I б, поэтому он изменяется по закону изменения базового тока. Рабочая точка по переменному току перемещается по динамической характеристике, изменяется напряжение на коллекторе транзистора. В схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличение базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжение при этом уменьшается. Из этого следует, что в этой схеме входное и выходное напряжение изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор С2 и выделяется на нагрузке R н. По постоянному и переменному току нагрузка каскада описывается соотношениями: R = = R к ; R = (R к * R н ) / (R к +R н ), поэтому динамические нагрузки по постоянному и переменному току проходят по разному. Из анализа рисунка следует, что подключение нагрузки уменьшает амплитуду выходного сигнала.

10


Температурные свойства транзистора Транзисторы в аппаратуре подвергаются нагреванию как за счет собственного тепла, выделяющегося при протекании по ним тока, так и за счет внешних источников тепла. Рассмотрим влияние температуры на параметры Т-образной эквивалентной схемы: 1/(1- ) – существенно возрастает из-за увеличения времени жизни носителей заряда при возрастании температуры; r э — линейно зависит от температуры, так как r э = Т /I э, где Т = к*Т /е – температурный потенциал. При комнатной температуре (Т = 300К) Т T/11600=25 мВ; эк — линейно зависит от температуры через температурный потенциал; r б – возрастает из-за изменения удельного сопротивления материала полупроводника; r к R ут – зависит, в основном, через диффузионную длину и должно возрастать при увеличении температуры. В районе комнатной температуры наблюдается спад из-за возрастания токов утечки.

11


Температурные свойства транзистора

12


Наибольшее влияние на работу транзистора оказывает увеличение обратного тока закрытого перехода при возрастании температуры, которое, как известно, описывается соотношением: I 0 (T) = I 0 (T 0 ) *2T/T*. Пусть, для примера, I к0 = 4 мА, = 100, а I кб0 = 1 мкА, а температура изменилась на 40 С. У германиевого транзистора T* = 8 С. Тогда ток коллектора при повышенной температуре составит: в схеме ОБ I к (Т) = I к0 + I кб0 (Т) = 4,032 мА; в схеме ОЭ I k (Т) = I к0 + I kэ0 (Т) = 7,2 мА. В схеме ОЭ выходные характеристики и рабочая точка существенно изменяются, что может привести к заметным искажениям усиливаемого сигнала. Из анализа приведенного можно сделать вывод, что схема ОБ обладает заметно лучшими температурными свойствами.

13


Температурные свойства транзистора

14


Частотные свойства транзистора С повышением частоты усиление транзисторных каскадов снижается, главным образом, по трем причинам. 1 Шунтирующее действие барьерной емкости. С возрастанием частоты все большая часть генератора тока замыкается через барьерную емкость С к. 2 Шунтирующее действие диффузионной емкости. С возрастанием частоты уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе, а ток эмиттера, как известно, зависит от этого напряжения. 3 Инерционные свойства, приводящие к отставанию тока коллектора от тока эмиттера.

15


Частотные свойства транзистора Третью причину проиллюстрируем векторными диаграммами. На более высокой частоте запаздывание тока I к относительно тока I Э ведет к появлению заметного сдвига фаз φ между этими токами. Теперь ток базы I Б равен геометрической разности токов I Э и I К, вследствие чего он заметно увеличивается. Коэффициент β снижается. Коэффициент усиления по току в схеме ОБ и ОЭ описывается соответственно соотношениями: = I К / I Э и = I К / I Б. Из анализа векторных диаграмм следует, что наиболее сильно возрастает базовый ток. Это позволяет сделать вывод о лучших частотных свойствах схемы ОБ.