Лекция 7. Биполярные транзисторы. Классификация. Принцип действия и токи. Часть 2.

Динамический режим работы транзистора

При работе транзистора в схеме усилителя (рис. 1) в его входной цепи действует источник напряжения Uвх, подлежащего усилению, а в выходную цепь включается сопротивление нагрузки Rн.

Такой режим называется динамическим или рабочим. Характеристики и параметры транзистора, работающего в динамическом режиме, отличаются от соответствующих характеристик в статическом режиме.

Если входной сигнал мал, то используемые рабочие участки статических характеристик транзистора невелики и их обычно считают линейными. В этом случае расчет основных показателей усилителя выполняют аналитическими методами с использованием малосигнальных параметров транзистора.

Если транзистор работает при больших входных сигналах (например, в оконечном каскаде усилителя низкой частоты), то для учета нелинейности характеристик транзистора применяют графический метод расчета.

Рис. 1. Динамический режим работы транзистора

Если транзистор работает при больших входных сигналах (например, в оконечном каскаде усилителя низкой частоты), то для учета нелинейности характеристик транзистора применяют графический метод расчета.

Основные показатели усилителя определяются по входной и выходной динамическим характеристикам. Для получения выходной и входной динамической характеристики следует на семейство статических характеристик нанести нагрузочную характеристику. Уравнение нагрузочной характеристики определяется по закону Кирхгофа для замкнутой цепи коллектора с нагрузочным сопротивлением и источником электродвижущей силы.

Uкэ = Eк – Iк Rн

Это уравнение прямой, которую можно построить на семействе статических характеристик по двум точкам: точке А, соответствующей режиму холостого хода выходной цепи при Iк =0, Uкэ = Eк, и в точке В, соответствующей короткому замыканию цепи коллектора Uкэ =0, Iк = Eк / Rн.

Геометрическое место точек пересечения нагрузочной характеристики со статическими характеристиками дает выходную динамическую характеристику транзистора.

Участок динамической характеристики, для которого изменения тока коллектора Iк пропорциональны изменениям тока базы Iб, является рабочим для схемы усилителя. Снизу рабочая область ограничена областью отсечки, когда Iб = 0. Сверху – областью насыщения транзистора, когда коллекторный переход смещается в прямом направлении и ток Iк перестает изменяться.

Входная динамическая характеристика представляет зависимость Iб = f (Uбэ) при Rн = const. Она строится путем перенесения точек с выходной динамической характеристики на семейство входных статических характеристик. Для каждой из перечисленных точек определяют значения тока базы Iб и напряжения на коллекторе Uкэ. Отмечают эти значения на входных статических характеристиках и соединяют точки плавной кривой.

Обычно входные статические характеристики, снятые при различных коллекторных напряжениях, расположены очень близко друг к другу. Поэтому приближенные расчеты производят без построения входной динамической характеристики по одной из статических кривых. Очевидно, что входная динамическая характеристика не линейна. Это является одной из причин искажения усиливаемого сигнала.

Для получения от усилителя максимальной выходной мощности в схеме нужно обеспечивать максимальные амплитуды тока коллектора Ikm и амплитуды напряжений на коллекторе транзистора Ukm и на нагрузке Uнm при условии отсутствия искажений формы сигнала. С этой целью исходное значение тока коллектора при отсутствии сигнала на входе (рабочую точку) выбирают на середине участка динамической характеристики. Рабочая точка во входной цепи транзистора соответствует значению тока базы Iб = Iб3.

Для этого в цепь база-эмиттер необходимо подать постоянное напряжение источника питания Ебэ. При подаче на вход сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, для неискаженного усиления наибольшие изменения тока базы возможны от Iб3 до Iб5 и от Iб3 до Iб1. При этом, амплитуды напряжения на базе Uбm1 и Uбm2, амплитуды тока коллектора Ikm1 и Ikm2 , а также амплитуды напряжений на коллекторе U km1 и U km2 не равны друг другу. Это объясняется нелинейностью характеристик транзистора.

По входным и выходным динамическим характеристикам можно определить следующие показатели усилителя:

- постоянные напряжение и ток базы при отсутствии входного сигнала, определяющие исходное положение рабочей точки на входной и выходной динамических характеристиках Uб3 и I б3;

- постоянную составляющую тока коллектора Ik3;

- постоянные напряжения на коллекторе и нагрузке Uk3 и Uн3;

- мощность рассеивания на коллекторе P к3 = Iк3 •U к3;

- амплитуду переменного входного напряжения Uбm;

- амплитуду базового тока транзистора, которая определяется средним значение между Iбm1 и Iбm2;

- среднее значение входного сопротивления Rвх = Uбm /Iбm;

- входную мощность сигнала Pвх = 0,5 Iбm * Uбm;

- амплитуду переменной составляющей тока коллектора Ikm ;

- амплитуду переменных напряжений на коллекторе U km и U нm нагрузке;

- выходную мощность сигнала Pвых = 0,5I km U km.

Поскольку из-за нелинейности характеристик транзистора его усилительные свойства для положительного и отрицательного полупериода сигналов не одинаковы, то они оцениваются при помощи средних коэффициентов усиления:

- по току

Ki = 2I km /2Iбm

- по напряжению

Ku = 2U km /2Uбm

- по мощности

Kp = 0,5I km U km /0,5IбmUбm = Ki • Ku

Перед тем, как подать сигнал на вход усилительного каскада, необходимо обеспечить начальный режим работы по постоянному току. Он задается источниками постоянного напряжения при помощи различных способов подачи напряжения на переходы транзистора.

Так как в режиме усиления на коллектор по отношению к базе подается положительное напряжение и на базу по отношению к эмиттеру так же положительное напряжение, то для питания транзистора можно использовать один источник питания.

Существует несколько способов создания напряжения:

с фиксированным током базы;

с фиксированным напряжением базы;

с элементами стабилизации.

Схема с фиксированным током базы представлена на рис. 2

Рис. 2. Схема смещения фиксированным током базы.

Напряжение на базе создается сопротивлением R1, подключенным к источнику ЕК. Ток базы

i Б = ЕК / R1 , так как U БЭ << ЕК.

Этот способ используется редко в связи со следующими недостатками:

-при воздействии дестабилизирующих факторов изменяются токи базы, а следовательно и U БЭ;

-при смене транзистора необходимо подбирать сопротивление R1.

Схема с фиксированным напряжением базы представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема смещения фиксированным напряжением.

В этой схеме напряжение на базу транзистора подается с помощью делителя на сопротивлениях R1 и R2.

U БЭ = ЕК R2 / R1 + R2 .

Сопротивления делителя выбираются из следующих соображений. Так как U БЭ = (0,6…0,7)В, а ток делителя выбирается i ДЕЛ =(8….10) i Б МАКС. , тогда R1 + R2 = ЕК / i ДЕЛ и R2 = U БЭ/ i ДЕЛ.

Схема с элементами стабилизации представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема смещения со стабилизацией по постоянному току.

В этой схеме смещение на базе транзистора создается делителем на сопротивлениях R1 и R2. В эмиттерную цепь включено сопротивление Rэ, с параллельной емкостью Сэ. Эта цепочка является цепью стабилизации и обеспечивает постоянство смещения на базе транзистора при изменении температуры.

U БЭ = U R2 - U Э, где U Э = i ЭRЭ.

При увеличении температуры возрастает тепловой ток транзистор IК0. Этот ток увеличивает положительное напряжение на R2 и, следовательно, на базе транзистора, а это приводит к изменению положения рабочей точки. В усилителе могут возникнуть искажения в выходном сигнале. Так как при увеличении температуры возрастают токи коллектора и эмиттера, то ток эмиттера, протекая через сопротивление RЭ, создает на нем напряжение обратное для перехода база – эмиттер. Если выбрать сопротивление RЭ таким, чтобы изменение напряжения ΔUЭ при увеличении температуры равнялось изменению напряжения ΔU R2, то U БЭ останется постоянным.