Основи електроніки (стр. 8 )

Ік=b·Іб=60·0.143=8.6мА.

=15-8.6·1= 6.4В.

На вихідних характеристиках (рис. 4.9, б) показані три області І, ІІ, ІІІ, які відповідають різним режимам роботи транзистора.

Область ІІІ обмежена зверху ВАХ, для якої Іб = Ікб0 і відповідає роботі транзистора в режимі відсічки. При цьому обидва pn- переходи закриті.

Область ІІ обмежена справа прямою лінією, з якої виходять статичні ВАХ, і відповідає роботі транзистора в режимі насичення (обидва pn- переходи відкриті).

Область І лежить між областями відсічки і насичення і відповідає активному підсилювальному режиму. В активному режимі робоча точка ( Uкр,Iкр) вибирається приблизно посередині прямої навантаження СД. Справа область обмежена прямою допустимої потужності розсіювання Рдоп на колекторі транзистора.

4.3 Еквівалентні схеми транзистора і його малосигнальні параметри

Транзистор в загальному випадку уявляє собою активний нелінійний чотирьохполюсник (рис. 4.11).

Як було показано вище, його можна охарактеризувати родиною нелінійних статичних характеристик, які зв’язують величини постійних напруг U1, U2 і струмів І1, І2 на вході і виході транзистора.

При аналітичному розрахунку транзисторних каскадів (без використання статичних характеристик), користуються малосигнальними еквівалентними схемами транзисторів (МЕС). Параметри МЕС є кількісним відображенням зв’язку між малими змінами напруг і струмів в лінійній області характеристик транзистора. МЕС поділяють на дві групи: фізичні еквівалентні схеми і формальні еквівалентні схеми.

Прикладом першої групи еквівалентних схем можна вважати Т-подібні еквівалентні схеми транзистора, які наводилися при розгляді транзисторних каскадів в різних схемах увімкнення і характеризуються фізичними властивостями транзистора.

Формальні малосигнальні еквівалентні схеми характеризують параметри транзистора як активного лінійного чотирьохполюсника. В залежності від того, які дві з чотирьох величин І1, І2, U1, U2 приймаються як незалежні, а які дві інші – як залежні, зв’язок між напругами і струмами на вході і виході можна подати у формі трьох систем лінійних рівнянь з z, y або h параметрами. Виходячи з практичних міркувань, для транзисторів найчастіше використовують h-параметри. Їх отримують, якщо за незалежні змінні приймають І1 і U2, а за залежні – U1 і І2:

U1 = f1(І1, U2); I2 = f2(І1, U2).

Диференціюючи величини U1 і І2 по І1 і U2 отримуємо наступні рівняння:

, . (4.25)

Введемо позначення

. (4.26)

Якщо на постійні складові струмів і напруг накладені достатньо малі сигнали змінних напруги і струму, то їх амплітуди можна розглядати як малі прирости постійних складових. В цьому випадку (4.25) з урахуванням (4.26) можна переписати:

, . 4.27)

Кожен з приведених в (4.27) h-параметрів має конкретний фізичний зміст. Зокрема параметр h11 уявляє собою величину вхідного опору транзистора при короткому замиканні на виході (U2 = 0) і вимірюється в Омах:

. (4.28)

Параметр h12 дорівнює відношенню вхідної напруги U1 до вихідної U2 при розімкненому вхідному колі (I1 = 0) і називається коефіцієнтом зворотного зв’язку:

. (4.29)

При цьому припускається, що джерело напруги U2 під’єднано до вихідних зажимів транзистора, а напруга U1 вимірюється на вхідних зажимах.

Параметр h21 дорівнює відношенню вихідного струму І2 до вхідного І1 при короткому замиканні на виході і називається коефіцієнтом підсилення струму:

. (4.30)

Параметр h22 називається вхідною провідністю транзистора і вимірюється в режимі холостого ходу на вході:

. [мкСим] (4.31)

Значення h-параметрів залежать від вибору робочої точки, температури, частоти і схеми увімкнення. Для визначеної схеми увімкнення добавляються відповідні індекси (е, б, к) при позначенні параметрів, наприклад: h12б, h21е, h22к і т. д. Приблизні значення h-параметрів можна знайти графоаналітичним способом по статичних вхідних і вихідних характеристиках. Для цього потрібно мати не менше двох характеристик з кожної родини характеристик. Параметри розраховуються по величинах кінцевих приростів струмів і напруг близько робочої точки транзистора.

Для схеми з СЕ на родині вхідних характеристик в робочій точці А будують трикутник АВС (рис. 4.12, а).

З трикутника АВС находимо:

, (4.32)

. (4.33)

Параметри h21 і h22 знаходимо по вихідних характеристиках (рис. 4.12, б).

; (4.34)

. (4.35)

Приклад 4.4. Визначити h параметри для схеми з СЕ, використавши для цього вхідні і вихідні в. а.х. транзистора, зображені на рис.4.12,а, б.

Рішення: На вхідних характеристиках будуємо характеристичний трикутник АВС, з якого за формулами (4.32) і (4.33) знаходимо

= = 220 Ом ;

= = 0.01.

З вихідних характеристик знаходимо

= =21;

==3·10-5 См .

4.3 Схеми підсилювачів на біполярних транзисторах

Найпростіша схема резистивного підсилювального каскаду з загальним емітером і живленням від одного джерела показана на рис. 4.13.

Рисунок 4.13- Найпростіша схема резистивного лідсилювального каскаду з спільним емітером

Вхідний сигнал Uвх надходить на базу і змінює її потенціал щодо заземленого емітера. Це призводить до зміни струму бази, а отже, до зміни струму колектора і напруги на навантажувальному опорі RК. Роздільний конденсатор Cр1 служить для запобігання протікання постійної складової струму бази через джерело вхідного сигналу. За допомогою конденсатора Ср2 на вихід каскаду

а ) б)

Рисунок 4.14 - Графічне пояснення процесу підсилення сигналу схемою з спільним еміттером

подається змінна складова напруги UКЕ, що змінюється за законом вхідного сигналу, але значно перевищує його за величиною. Важливу роль грає резистор RБ у колі бази, що забезпечує вибір вихідної робочої точки на характеристиках транзистора і визначає режим роботи каскаду по постійному струмові. Для з'ясування ролі резистора RБ звернемося до рис.4.14, що ілюструє процес підсилення сигналу схемою з загальним емітером. У принципі процес підсилення можна відобразити наступним взаємозв’язком електричних величин

Um вх IБm IКm IКmRK (UКЕm=EК - IКmRК) = Um вих >> Um вх.

Дійсно, розглядаючи спочатку рис.4.14, а, потім рис. 4.14,б, можна впевнитися в тому, що напруга вхідного сигналу з амплітудою Um. вх = UБЕm синфазно змінює величину струму бази. Ці зміни базового струму викликають у колекторному ланцюгу пропорційні зміни струму колектора та напруги на колекторі, при чому амплітуда колекторної напруги (з урахуванням масштабу по осі абсцис) буде значно більше амплітуди напруги на базі. Потрібно звернути увагу на те, що напруга сигналу на вході та на виході каскаду зсунута між собою за фазою на 1800, тобто знаходиться в протифазі. Це означає, що вказаний каскад, не порушуючи закону зміни сигналу (у нашому частотному випадку сигнал змінюється за синусоїдальним законом), у той же час обертає його фазу на 1800.

Для отримання найменших спотворень підсилюваного сигналу робочу точку Р слід розмістити на середині відрізку АВ прямої навантаження, що побудована в родині вихідних характеристик транзистора. З рис.4.14,б бачимо, що положення робочої точки Р відповідає струму зміщення в ланцюгу бази ІБр. Для отримання обраного режиму необхідно в підсилювачі забезпечити потрібну величину струму зміщення в ланцюгу бази. Для цього й потрібен резистор RБ у схемі рис.4.13. Величину опору цього резистору розраховують за формулою

RБ= b , (4.36)

де ІБр та ІКр – постійні складові струму бази та колектора в обраних точкaх Р/ та Р відповідно.

Рисунок 4.15- Найпростіша схема резистивного каскаду з фіксованою напругою зміщення

Схема, приведена на рис.4.13, одержала назву схеми зміщення з фіксованим базовим струмом. Зсув фіксованим струмом бази відрізняється мінімальним числом деталей і малим споживанням струму від джерела живлення. Крім того, порівняно великий опір резистора RБ (десятки кілоом) практично не впливає на величину вхідного опору каскаду. Однак цей спосіб зсуву придатний лише тоді, коли каскад працює при малих коливаннях температури транзистора. Крім того, великий розкид і нестабільність параметра b навіть в однотипних транзисторів роблять режим роботи каскаду дуже нестійким при заміні транзистора, а також з часом.

Більш ефективною є схема з фіксованою напругою зсуву на базі (рис. 4.15). У цій схемі резистори R/Б и R//Б, які підключені паралельно джерелу живлення ЕК, складають дільник напруги. Опір дільника визначаються з очевидних співвідношень:

R/Б= , (4.37)

R//Б= . (4.38)

Струм дільника IД звичайно вибирають у межах

ІД (2 5)ІБр . (4.39)

При цьому підвищується стабільність режиму роботи схеми, тому що зміни струму в ланцюгах емітера і колектора транзистора незначно впливають на величину напруги зсуву. Разом з тим струм дільника не слід вибирати занадто великим з розумінь економічності, тому що чим більше струм IД , тим більшою повинна бути напруга живлення ЕК.

Зі схеми, приведеної на рис.4.15, видно, що опір R//Б дільника включено паралельно вхідному опору транзистора. Крім того, зневажаючи малим внутрішнім опором джерела живлення, можна вважати що R/Б и R//Б включено паралельно один одному. Тому необхідно, щоб

>> Rвх , (4.40)

тобто дільник, утворений резисторами R/Б и R//Б, повинен мати досить великий опір (порядка декількох кілоом). У противному випадку вхідний опір каскаду виявиться неприпустимо малим.

а ) б ) в)

Рисунок 4.16-Схема термостабілізації режиму транзисторного каскаду

При побудові схем транзисторних підсилювачів приходиться вживати заходів для стабілізації положення робочої точки на характеристиках. Основний дестабілізуючий фактор, що порушує усталену роботу транзисторної схеми, — вплив температури. Існують різні способи термостабілізації режиму роботи транзисторних каскадів. Найбільш розповсюджені з них реалізуються за допомогою схем, показаних на рис. 4.16.

У схемі на рис.4.16,а терморезистор з негативним температурним коефіцієнтом опору включений у коло бази транзистора таким чином, що при підвищенні температури відбувається зменшення негативної напруги на базі за рахунок зменшення опору терморезистора. При цьому відбувається зменшення струму бази, а отже і струму колектора. У результаті збільшення колекторного струму, викликане впливом температури, компенсується його зменшенням за рахунок дії термозалежного зсуву, тобто загальне збільшення струму колектора буде незначним.

Одна з можливих схем термостабілізації режиму транзистора за допомогою напівпровідникового діоду показана на рис. 4.16,б. У цій схемі діод включений у зворотному напрямку, а температурна характеристика зворотного струму діода повинна бути аналогічна температурній характеристиці зворотного струму колектора транзистора. Реалізувати цю можливість, однак, вдається тільки для одного транзистора даного типу. При зміні транзистора стабільність, як правило, погіршується через розкид величини зворотного струму колектора (нагадаємо, що зворотний струм колектора найбільшою мірою підданий впливу температури).

Найбільше поширення одержала схема термостабілізації режиму приведена на рис. 4.16,в. Вона називається схемою з автоматичним зміщенням. У цій схемі фіксованій прямій напрузі зсуву, що знімається з резистора R//Б, включена зустрічна напруга, що виникає на резисторі RЕ при проходженні через нього струму емітера.

Нехай з якоїсь причини, наприклад, збільшення температури, постійна складова колекторного струму зростає. Так як IЕ = IК+IБ, то збільшення струму IК приведе до збільшення струму емітеру IЕ і спаду напруги на резисторі RЕ. У результаті напруга між емітером і базою UБЕ зменшиться, що приведе до зменшення струму бази IБ, а отже, і струму IК. Навпаки, якщо з якої-небудь причини колекторний струм зменшиться, то зменшиться і напруга на резисторі RЕ, а пряма напруга UБЕ зросте. При цьому збільшиться струм бази і струм колектора.

У більшості випадків резистор RЕ шунтується конденсатором СЕ, досить великої ємності (порядку десятків мікрофарад). Це робиться для відведення змінної складової струму емітеру від резистора RЕ.

Найбільш важливі показники, що характеризують роботу підсилювального каскаду, можуть бути визначені графічним чи аналітичним шляхом.

При графічному розрахунку підсилювача в режимі малого сигналу необхідно побудувати навантажувальну пряму в сімействі вихідних статичних характеристик транзистора, а також скористатися статичною вхідною характеристикою, знятої (у випадку схеми з загальним емітером) при UКЕ 0. Так, наприклад, користаючись побудовами, приведеними на рис. 4.13, можна визначити наступні величини:

вхідний опір

Rвх= = ; (4.41)

коефіцієнт підсилення по напрузі

КU = ,

де

Um вих= ; (4.42)

Um вх= ; (4.43)

коефіцієнт підсилення по струму

K1= = ; (4.44)

коефіцієнт підсилення, у потужності

KP=KUKI. (4.45)

Для визначення параметрів підсилювального каскаду аналітичним методом варто скористатися його еквівалентною схемою, представленою у вигляді чотириполюсника (рис. 4.17).

Рисунок 4.17- Резисторний каскад у вигляді чотириполюсника

Під опором RН розуміють результуюче навантаження транзистора для змінної складової колекторного струму. Практично він складається з паралельно з'єднаних опорів: RK даного каскаду і Rвх. сл наступного каскаду:

Rн (4.46)

Як було показано в розділі 4.3, для чотириполюсника можна записати наступну систему рівнянь, що пов"язують між собою вхідні і вихідні струми і напруги:

(4.47)

Але зі схеми, приведеної на рис 13.6, випливає, що

(4.48)

Знак «мінус» в останньому виразі відбиває той факт, що напруга на виході каскаду відрізняється по фазі від вхідної напруги на 1800.

Вирішуючи спільно системи рівнянь (4.47) і (4.48), можна одержати для розрахунку основних параметрів підсилювача необхідні формули, які є придатними для будь-якої схеми включення транзистора

Позначаючи h11h22-h12h21=h, одержимо

Rвх= = (4.49)

KI == (4.50)

KU ==-KI ; (4.51)

KP = (4.52)

Аналіз рівнянь (4.50), (4.51) і (4.52) показує, що коефіцієнти підсилення резистивного каскаду на транзисторі залежать від опору навантаження так, як це зображено на рис. 4.18.

Рисунок 4.18- Залежність коефіцієнтів підсилення резистивного каскаду від опору навантаження

Із приведених кривих видно, що для одержання максимального підсилення по потужності необхідно вибрати цілком визначений оптимальний опір навантаження транзистора. Його величина може бути знайдена по наступній наближеній формулі

Rн. опт. . (4.53)

Практично в попередніх каскадах резистивних підсилювачів не ставиться задача максимального посилення потужності вхідних сигналів. Тому звичайно в таких каскадах Rн<< Rн. опт . У цьому випадку розрахункові формули спрощуються і здобувають наступний вигляд:

Rвх h11 ; (4.52)

K1 h21 ; (4.53)

KU - = - KI ; (4.54)

KР . (4.55)

4.5 Основні параметри біполярних транзисторів

До основних параметрів біполярних транзисторів відносяться:

1. Максимально допустима потужність РК. max - перетворена в тепло потужність, марно витрачена на нагрівання транзистора;

РК.max = ( одиниці мВт - сотні Вт) .

2. Максимально допустимимй струм колектора ІК.max - струм, перевищення якого приводить до теплового пробою колектора;

ІК.max= (сотні мА - десятки А).

3. Максимально допустима напруга між колектором і спільним електродом UKE.max або UKБ.max - визначається величиною пробивної напруги переходу;

UKE.max = (дестки - сотні В).

4. Гранична частота підсилення за струмом fα і fβ - частота, при якій коефіцієнт підсилення струму α чи β зменшується до 0.7 (в раз) від свого значення на низьких частотах;

fβ =(одиниці кГц - сотні МГц).

5. Коефіцієнти передачі емітерного і базового струмів h21е і h21б ;

h21е =(одиниці - тисячі), h21б ‹ 1.

6. Дифференціальний опір емітерного переходу ; re=(одиниці Ом - сотні Ом).

7. Зворотний струм колекторного переходу ІКБ0 - зворотний тепловий струм при заданій зворотній напрузі, прикладеній до колекторного переходу;

ІКБ0 = (одиниці нА - десятки мА).

8. Об"ємний опір бази rб - омічний опір напівпровідникового шару бази;

rб = ( десятки - сотні Ом).

9. Дифференціальний опір колекторного переходу ;

rк = (одиниці - сотні кОм).

10. Ємність колекторного переходу Ск ;

Ск = ( одиниці - десятки пФ).

11. Напруга насичення колектор-емітер UКЕнас - напруга на колекторі транзистора, що працює в режимі насичення;

UКЕнас = (десяті долі - одиниці В).

4.6 Контрольні приклади і запитання

1. Як пояснити назву транзистора -"біполярний" ?

2. Чому перехід колектор-база повинен витримувати більшу зворотну напругу, чим перехід емітер-база? Як це відбивається на конструкції транзистора?

3. Чому емітер легується в більшій мірі, чим база?

4. Чому напруга UKE.max менша за UKБ.max ?

5. В якому режимі - насичення чи відсічки - потужність розсіювання на транзисторі менша?

6. Чим зумовлена поява зворотного струму транзистора ІКБ0 ?

7. Коефіцієнт передачі струму b =97. Знайти α .

8. В якій схемі увімкнення - з СЕ чи з СБ - вхідний опір більший?

9. Скласти схему для зняття статичних характеристик транзистора при його увімкненні за схемою з спільною базою.

10. Скласти схему для зняття статичних характеристик транзистора при його увімкненні за схемою з спільним емітером.

11. Побудуйте динамічні характеристики транзистора типу КТ312В, якщо напруга живлення Еж=20В , а опір навантаження в колі колектора Rн =500 Ом. Статичні характеристики транзистора для схеми з СЕ взяти із довідника [ ].

12. Поясніть зміст елементів на Т-подібній еквівалентній схемі транзистора.

13. Чому транзистор називають активним чотириполюсником?

14. Який із названих h- параметрів визначає величину вхідного опору: h21б, h21е , h11б , h22е, h12б, h11е, h12е ?

15. Знайдіть для схеми з СЕ h- параметри транзистора КТ316Д графічним методом за його статичними характеристиками (характеристики взяти з довідника).

16. Знайдіть коефіцієнт передачі струму b , якщо h21б=0.95.

17. Яка схема - з СЕ чи з СБ - відзначається вищою температурною стабільністю?

18. Що таке гранична частота fβ ?

19. Характеристики транзистора (рис. 4.13) наведені на рис.4.9, б. Визначити Rс і Rб, якщо струм спокою бази дорівнює 300 мкА, напруга живлення Ек=12 В, амплітуда змінного вхідного струму дорівнює 275 мкА, а Rк =1 кОм. Rс - вихідний опір джерела сигналу Uвх .

20. В схемі із зміщенням фіксованим струмом рис.4.13 при Ек=12 В напруга в робочій точці UКР=6 В. Визначити амплітуду вихідного сигналу.

21. Розрахувати схему рис.4.13, використовуючи характеристики рис.4.9,б , якщо Ікр=250 мкА, а вхідний сигнал змінюється по закону при амплітуді струму 225 мкА. Яка при цьому буде амплітуда вихідної напруги?

22. Для схеми на рис.4.16,в визначити КІ і КU, якщо RK=600 Ом, =2 кОм, =8 кОм, RЕ=400 Ом, UK= 3 В.