[pic]
На низких частотах сопротивления диффузионной и барьерной емкостей очень велики и не оказывают шунтирующего действия на переход, поэтому они не подлежат учету.
[pic]
Рис. 1.3. Эквивалентные схемы перехода на низких частотах( а ( для диффузионной емкости (Сдиф)( б ( для барьерной емкости (Сбар).
Сопротивление емкости в общем случае
[pic]
(1.7)
где rp-n ( сопротивление прямосмещенного p-n-перехода; rобр ( сопротивление
обратносмещенного p-n-перехода (rобл< rпр 0): эмиттерный переход находится
под прямым, а коллекторный ( под обратным напряжением. Для активного режима
формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при (Uк((3( t исчезают
экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током Iкб0 и величиной
1-(, то эти выражения вообще упрощаются:
[pic]
(2.13)
[pic]
(2.14)
Режим двойной инжекции или насыщения (при Uкб < 0): эмиттерный и
коллекторный переходы находятся под прямым напряжением. Для режима двойной
инжекции характерен спад коллекторного тока при неизменном токе эмиттера.
Это ( результат встречной инжекции со стороны коллектора.
Семейство входных ВАХ представляет узкий пучок характеристик, что свидетельствует о слабом влиянии коллекторного напряжения на входное напряжение. Наклон выходных коллекторных характеристик также показывает слабую зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.
Тем не менее эта зависимость есть и объяснить ее можно с помощью эффекта Эрли.
Влияние эффекта Эрли на ход входных ВАХ заключается в следующем.
Изменение коллекторного напряжения приводит к изменению ширины базы.
Поскольку ток эмиттера , а значит и градиент концентрации носителей заданы,
изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации
носителей, а это связано с изменением напряжения на эмиттерном переходе.
Влияние эффекта Эрли на наклон выходных коллекторных характеристик объясняется влиянием коллекторного напряжения на ширину запрещенной зоны, а следовательно, и на сопротивление коллекторного перехода, и на коллекторный ток. Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода обусловлено эффектом Эрли, поэтому полное выражение для коллекторного тока с учетом эффекта Эрли будет
[pic]
(2.15)
Наклон коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ
(рис. 2.7, б) выражен сильнее, нежели в схеме с ОБ. Это говорит о том, что сопротивление коллекторного перехода и напряжение пробоя у транзистора в схеме с ОЭ будут значительно меньше, чем в схеме с ОБ. Эту особенность можно объяснить тем, что приращение (Uкэ частично падает на эмиттерном переходе, то есть вызывает приращение (Uбэ, что неизбежно повлечет за собой увеличение эмиттерного тока и дополнительное приращение коллекторного тока.
[pic] [pic]
Рис. 2.7. Статические ВАХ n-p-n-транзистора в схеме с ОЭ: а ( входные; б ( выходные (затемнена область неуправляемых токов)
Сопротивление коллекторного перехода в предпробойной области уменьшается в 1+( раз, наклон ВАХ быстро возрастает и пробой перехода наступает значительно раньше, чем в схеме с ОБ
[pic] где: rкп.оэ ( сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rкп.об ( сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОБ.
Принципиальные отличия схем включения транзисторов с ОБ и с ОЭ.
1. У транзистора в схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но усиле-
ние по напряжению в этой схеме лучше, чем в схеме с ОЭ.
2. Схема на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является лучшим усилителем мощности, так как в ней происходит усиление и по току и по напряжению.
3. У транзистора в схеме с ОБ хуже согласующие свойства, чем
в схеме с ОЭ.
4. Сопротивление коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в схеме с ОЭ в (1+() раз., следовательно, напряжение пробоя коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в
схеме с ОЭ.
5. Температурные и частотные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ.
6. У транзистора в схеме с ОБ слабее, чем в схеме с ОЭ, выражен эффект
Эрли (влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток и на входное
напряжение более заметно в схеме с ОЭ.
2.6. Статические параметры транзистора по переменному току
Все параметры транзистора по переменной оставляющей тока можно выделить в две группы.
1-я группа ( первичные (rэ, rб, rк, (); нельзя путать первичные параметры по переменной составляющей тока (rэ, rб, rк) с параметрами по постоянной составляющей тока (rэо, rбо, rко), так как первые из них учитывают еще и нелинейные свойства транзистора. Определить их можно из Т- образных схем замещения транзистора по переменному току.
2-я группа ( вторичные (формальные).
Во вторую группу входят четыре системы параметров:
1) система h-параметров (смешанные или гибридные параметры);
2) система Y(q)-параметров (параметры проводимости);
3) система Z (r)-параметров (параметры сопротивлений);
4) система S (s)-параметров (параметры СВЧ-диапазона).
2.6.1. Система h-параметров (смешанные или гибридные параметры)
Система h-параметров ( это система низкочастотных малосигнальных параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется представлять в виде активного четырехполюсника (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Транзистор в виде активного четырехполюсника
Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсника, h-
параметры измеряются в двух режимах: а) режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается
большая индуктивность); б) режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе
включается конденсатор большой емкости, при этом путь тока по постоянной
составляющей сохраняется, а по переменной получается режим короткого
замыкания.
Физическая сущность h ( параметров(
1) h11( сопротивление транзистора на входных зажимах по переменной
составляющей тока, Ом, определяется в режиме К.З. со стороны выхода(
[pic] (при U2 = const);
(2.16)
2) h22 ( проводимость транзистора на выходных зажимах транзистора,
Сим (определяется в режиме Х.Х. со стороны входа)
[pic](при I1= const).
(2.17)
На практике удобнее пользоваться выражением 1/h22(
3) h21 ( статический коэффициент передачи тока со входа на выход, определяется в режиме К.З. со стороны выхода
(h21об ( (; h21оэ ( ()([pic] (при U2 = const); (2.18)
4) h12 ( коэффициент внутренней обратной связи, показывает какая
часть выходного напряжения через элемент внутренней связи попадает на вход (определяется в режиме Х,Х, со стороны входа):
[pic] (при I1= const).
(2.19)
Система h-параметров называется смешанной, или гибридной, потому что параметры имеют разные размерности.
Схема замещения транзистора в системе h-параметров представлена
на рис. 2.9.
В схеме замещения (рис. 2.9) отражены: а) активные свойства транзистора (с помощью генератора тока h21I1); б) внутренняя обратная связь по напряжению в транзисторе (с помощью
генератора напряжения на входе h12U2); в) наличие входного сопротивления и выходной проводимости транзистора
(h11 и h22 соответственно).
[pic]
Рис. 2.9. Схема замещения транзистора через систему h-параметров
2.7. Температурные и частотные свойства биполярного транзистора
Различают три основные причины зависимости коллекторного тока от температуры:
1) зависимость тока неосновных носителей Iкбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 оС у германиевых транзисторов и на каждые 7 оС у кремниевых;
2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается
(примерная скорость этого уменьшения (Uбэ / (Т ( - 2,5 мВ/оС);
3) коэффициент передачи тока базы ( (h21) с повышением температуры увеличивается.
Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток Iкбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.
Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с
ОЭ. Например, если при температуре 20 оС германиевый транзистор имел
коэффициент передачи тока эмиттера h21 = 50, ток коллектора Iк = 100 мА,
ток неосновных носителей Iкбо = 10 мкА, то при изменении температуры с 20
оС до 70 оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение
тока Iкбо в 32 раза (1.5), то есть ток Iкбо станет равен 320 мкА, а ток
коллектора
Iк = 100,32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при изменении температуры на +50 оС практически не нарушит работу транзистора.
В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как сквозной ток через
коллекторный и эмиттерный переходы Iкэо будет примерно в ( раз больше тока
Iкбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при
изменении температуры на те же +50 оС произойдет увеличение тока неосновных
носителей Iкэо до 16 мА, а коллекторного тока со 100 мА до
116 мА. Такое изменение тока коллектора основательно повлияет на режим
транзистора и на его основные характеристики.
С повышением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются по двум
причинам:
1) влияние диффузионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек- торного переходов;
2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.
Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры: предельная частота транзистора fпр ( это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера ( уменьшается в (2 раз по сравнению с «(», измеренном на частоте 1000Гц; граничная частота транзистора fгр ( это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0,1fгр < f < fгр модуль коэффициента передачи тока базы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза; максимальная частота генерации ( наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению
[pic] где fгр ( граничная частота в МГц; (к = r’бСк ( постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r’б ( распределенное омическое сопротивление базовой области; Ск ( емкость коллекторного перехода.
8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ
2.8.1. Общие сведения
Рабочим режимом транзистора принято называть его работу под нагрузкой.
Функциональная схема усилителя в общем виде представлена на
рис. 2.9.
[pic]
Рис. 2.9. Функциональная схема электронного усилителя
В усилителях, эквивалентная схема которого представлена на рис. 2.9, источник управляющей энергии называется источником сигнала, а цепь
усилителя, в которую поступают его электрические колебания, ( входом.
Устройство, к которому подводят усиленные колебания, называется
нагрузкой, а цепь усилителя, к которой подключают эту нагрузку, ( выходом.
Устройство, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в
усиленные электрические колебания, называют источником питания (обычно
используют источник постоянного напряжения, а исключение составляют
параметрические усилители).
2.8.2. Рекомендации по выбору транзисторов при использовании их в усилительном и ключевом режимах
2.8.2.1. Выбор типа транзистора
При выборе типа транзистора в схему усилителя или ключа исходят из характера электронной схемы, а также требований к ее выходным электрическим параметрам и эксплутационным режимам. Особое значение имеет диапазон рабочих температур конструируемого устройства в целом.
Необходимо иметь в виду, что кремниевые транзисторы по сравнению с германиевыми лучше работают при повышенной температуре (вплоть до
125 оС ), но их коэффициент передачи по току сильно уменьшается при низких температурах.
Не рекомендуется применять мощные транзисторы в тех случаях, когда можно использовать маломощные, поскольку при работе мощных транзисторов, при малых токах, которые могут быть соизмеримы с обратным током коллектора, коэффициент передачи по току сильно зависит от тока, температуры окружающей среды, и, кроме того, мал по абсолютной величине. Использование мощных транзисторов без теплоотводов приводит к температурной неустойчивости работы транзистора.
Частотный предел усиления и генерирования транзисторов должен строго соответствовать схемным требованиям. Не следует применять высокочастотные транзисторы в низкочастотных каскадах, поскольку они склонны к самовозбуждению.
2.8.2.2. Выбор схемы включения
При выборе схемы включения транзистора по переменному току следует учитывать особенности различных схем.
Схема включения с ОБ обладает сравнительно малым входным и большим выходным сопротивлением, однако сравнительно небольшая зависимость параметров от температуры и более равномерная частотная характеристика выгодно отличает ее от других схем включения. В схеме с ОБ достигаются максимальные значения коллекторного напряжения, что важно для использования в ней мощных транзисторов.
Схема включения с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности, что уменьшает количество каскадов в схеме, но неравномерная частотная характеристика, большая зависимость параметров от температуры и меньшее максимально допустимое коллекторное напряжение снижают преимущества этой схемы включения. Входные и выходные сопротивления усилителя на транзисторах, включенных в схему с ОЭ, отличаются меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает построение многокаскадных усилителей.
Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель) обладает большим входным и малым выходным сопротивлением. Это свойство находит широкое применение в согласующих каскадах. Частотная характеристика схемы сходна со схемой включения транзистора с ОЭ.
Порядок выбора схемы включения для транзисторов, работающих в режиме переключения, практически не отличается от случая работы их в усилительном режиме.
2.8.2.3. Выбор режима работы транзистора
При выборе режима работы транзистора не допускается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов, температуры, мощности рассеяния, указанных в предельно допустимых режимах. Как правило, транзистор работает более устойчиво при неполном использовании его по напряжению и полном использовании его по току, чем наоборот. Не допускается работа транзистора при совмещенных максимально допустимых режимах, например, по напряжению и по току, и т.п.
Область рабочего тока коллектора Iк ограничена, с одной стороны, значением обратного тока коллектора Iкбо при максимальной рабочей температуре, и для устойчивой работы принимается Iк = 10 Iкбо.max, с другой стороны, Iк ограничен максимально допустимым значением Iк.max.
При выборе напряжения коллектора следует иметь в виду: максимальное напряжение коллектора ограничено его максимально допустимым значением в технических условиях (ТУ). Опыт показывает, что для повышения надежности и стабильности работы транзистора следует выбирать рабочее напряжение на коллекторе примерно 0.7 от максимально допустимого значения для соответствующей схемы включения, с учетом зависимости от температуры и тока коллектора.
При определении мощности, рассеиваемой транзистором, следует иметь в виду, что суммарная мощность по входу и выходу во всем рабочем диапазоне не должна быть выше максимально допустимого значения, указанного в ТУ.
2.8.3. Режимы усиления (класс «А», класс «В», класс «С», класс«Д»)
Режимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей наиболее распространенными классами усиления являются классы А, В, С, Д. На рис. 2.10, б даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя в зависимости от класса усиления.
В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, то есть
уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будет практически
незаметен. Такая совершенная форма выходного тока возможна лишь в том
случае, если рабочая точка задана на квазилинейном участке ВАХ (в данном
случае это точка РТ1): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда
переменной составляющей выходного тока была меньше тока покоя. В режиме
класса»А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода
изменения входного сигнала. Для оценки времени протекания тока через
транзистор вводится понятие угла отсечки коллекторного тока «(» ( это
половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток.
Угол отсечки коллекторного тока выражен обычно в градусах или радианах. В
режиме класса «А» угол отсечки коллекторного тока (А = 180о. К недостатку
рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия
(КПД < 0,5), так как в этом режиме велик коллекторный ток покоя Iкп. Из-за
низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах
предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.
В режиме класса «В» (на рис. 2.10, а ( РТ2) форма коллекторного тока
далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений, по сравнению с
режимом класса «А», резко возрос. Но КПД усилителя достаточно высокий, так
как ток покоя сильно уменьшился, поэтому режим класса «В» рекомендуется
использовать в двухтактных выходных усилителях средней и большой мощности,
надо отметить, что в чистом виде этот режим используется редко. Чаще в
качестве рабочего режима используется промежуточный режим ( режим класса
«АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока
в режиме класса «В» в идеальном случае (В = 90 о, а в режиме класса «АВ» (
< 90 о.
В режиме класса «С» ток покоя равен нулю, угол отсечки меньше, чем в режиме класса «В». Режим класса «С» рекомендуется использовать в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.
В режиме класса «Д» транзистор находится в двух устойчивых состояниях ( открыт-закрыт, то есть режим класса «Д» ( это ключевой режим.
Рис. 2.10. Режимы усиления класса «А» и В: а ( передаточная ВАХ;
б ( временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл.
«В»; в ( временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТ
В качестве усилителей мощности на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером, так как при таком включении схема обеспечивает усиление и по току и по напряжению. Хорошим усилением по напряжению обладает схема усилителя на транзисторе с ОБ. но она не усиливает по току. Схема усилителя на транзисторе с ОК лучше других усиливает по току, но усиления напряжения в ней нет. Рабочий режим транзистора в схемах с ОЭ и ОБ характеризуется включением нагрузки в цепь коллектора (рис. 2.11, а, рис. 2.12, а соответственно), а в схеме с ОК ( в цепь эмиттера (рис. 2.12, б).
В зависимости от частотного диапазона характер нагрузки меняется; в
диапазоне звуковых частот в качестве такой нагрузки используется обычный
резистор, а в высокочастотном диапазоне ( избирательная система, например,
колебательный контур. В связи с этим различают( усилители звуковых частот
(УЗЧ, прежнее название УНЧ) и усилители радиочастот (УРЧ, прежнее название
УВЧ). На рис. 2.11, а, б, даны упрощенные схемы УЗЧ и УРЧ соответственно.
