Материал: 13-18

13. Динамический режим работы транзистора

1) Понятие о динамическом режиме. 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.

На Рис. 76 резистор Rк – это коллекторная нагрузка для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, обеспечивающая динамический режим работы.

Eк = URк + Uкэ

URк = Iк ∙ Rк

Eк = Uкэ + Iк ∙ Rк

Uкэ = Eк - Iк ∙ Rк – уравнение динамического режима работы транзистора.

2) Динамические характеристики и понятие рабочей точки. Уравнение динами-

ческого режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках (смотрите Рис. 77). 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 характери-стикой для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора. Рабочая точка позво-ляет определять токи и напряжения, реально существующие в схеме.

3) Ключевой режим работы транзистора (транзистор в режиме ключа). В за-

висимости от состояния p-n переходов транзисторов различают 3 вида его работы:

1.Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты (и эмиттерный и

коллекторный). Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обрат-

ному току. Уравнение динамического режима будет иметь вид: Uкэ = Eк - Iкбо ∙ Rк Произведение Iкбо ∙ Rк будет равно нулю. Значит, Uкэ → Eк 2.Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный, и коллекторный

открыты, в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов, ток базы будет

максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения.

Iб = max; Iк ≈ Iк.н.; Uкэ = Eк – Iк.н ∙ Rн

Произведение Iк.н ∙ Rн будет стремиться к Eк. Значит, Uкэ → 0.

3.Линейный режим – это режим, при котором эмиттерный переход открыт, а коллекторный

закрыт.

Iб.max > Iб > 0;

Iк.н > Iк > Iкбо

Eк > Uкэ > Uкэ.нас

Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка

транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, ми-

нуя линейный режим. Резистор Rб ограничивает ток базы транзистора, чтобы он не превышал максимально допу-

стимого значения. В промежуток времени от 0 до t1 входное напряжение и ток базы близки к

нулю, и транзистор находится в режиме отсечки. Напряжение Uкэ, является выходным и будет

близко к Eк. В промежуток времени от t1 до t2 входное напряжение и ток базы транзисторастановятся максимальными, и транзистор перейдёт в режим насыщения. После момента вре-

мени t2 транзистор переходит в режим отсечки.

Вывод: транзисторный ключ является инвертором, т. е. изменяет фазу сигнала на 180..

14. Классы работы усилителей. Схемы смещения рабочей точки биполярных транзисторов

класс "A" - линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперная характеристика), отсуствие переходных искажений, но низкий кпд (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева; класс "В" - лампы или транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности "стыковки" верхней и нижней полуволн сигнала; класс "С" этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке - резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока. класс "AB" - компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала ("стыковка" ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается. класс "D" - это особый класс на основе ШИМ. Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства - очень высокая экономичность, недостатки - ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять. класс Е - если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E - в ключевом режиме. В основном используется опять же, в ВЧ аппаратуре. класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности. класс "Н" — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то типа ключевого усилителя класса D. класс "T" — похож на класс D, но с использованием цифровой коррекции сигнала.

Под рабочей точкой понимаем совокупность координат биполярного транзистора I_Б, I_Э, I_К, U_ЭБ, U_КБ, U_КЭ, характеризующих режим транзистора по постоянному току при нулевом входном сигнале. Эта совокупность координат – рабочая точка биполярного транзистора. Сама схема включения включает в себя источники постоянного U и I, а также совокупность диодов, транзисторов и резисторов, обеспечивающих заданную рабочую точку. Рабочая точка создается источниками постоянного напряжения, подаваемыми на схему. Рассчитать схему смещения это значит, как правило, определить сопротивление резисторов в схеме по заданным координатам рабочих точек транзистора и напряжений источников питания. Рис. 1 – каскад делителем цепи базы. На рис. 1 собственно схема смещения включает в себя: +U_ИП, VT1 и R₁-R₄. Элементы e_C, C₁, R_C относятся к цепи входного сигнала. В этой и других схемах будем считать, что схема смещения работоспособна, если в ней удается обеспечить для транзисторов совокупность I и U соответствующую активному режиму, смотри рис. 1 и рис. 2 В схеме 1 удается обеспечить совокупность токов и U соотв. рис. 1, значит, эта схема работоспособна. Схема 1 предназначена для реализации в дискретном исполнении. Для стабилизации режима дискретных схем смещения, как правило, вводится ООС. Докажем, что в схеме 1 есть такая ОС. Предположим, под воздействием дистабилизирующих факторов увеличился I, т. е. появился i_K, совпадающий с физическим направлением тока. Токи I_Э и I_К связаны между собой  , где  - коэффициент близкий к 1 => при этом возрастает и ток эмиттера, а значит, возрастет падение напряжения на R₄, поскольку U_R2=U_ЭБ1+U_R4, то увеличение U_R4 приведет к уменьшению U_ЭБ1 и рабочая точка перейдет из точки А в точку А1, при этом уменьшиться I_Э, а значит и I_К, т. е. исчезнет первоначальное возмущение. В схеме ООС. Схемы 2 и 3 предназначены для интегрального исполнения, т. е. для реализации в одном кристалле кремния. В схемах 2 и 3 также нет противоречий для реализации схемы смещения работающей в активном режиме. Основной способ стабилизации схем смещения – интегральная параметрическая компенсация, при которой нежелательные явления в двух элементах взаимно компенсируются. В схемах 2 и 3 взаимно компенсируются температурные изменения напряжений э-б транзисторов VT1 и VT2. Рис. 3 – широко известная схема. Повторитель токов (токовое зеркало, отражатель тока). В схеме 3 I₁≈I₂. Во всех трех схемах можно полагать I_Э≈I_К, I_Б≈0, I_Б>>I_К,I_Э.

15.Термосабилизация и термокомпенсация в схемах усилителей

1) Температурное свойство транзисторов. Диапазон рабочих температур транзистора

определяется температурными свойствами p-n перехода. При его нагревании от комнатной

температуры (25 .C) до 65 .C сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода умень-

шается на 15 – 20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора Iкбо. Он

увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10.C. Всё это влияет на характеристики

транзистора и положение рабочей точки (смотрите Рис. 88). Ток коллектора увеличивается, а напряжение Uкэ уменьшается, что равносильно открыванию

транзистора. Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температурной стабилизации.

В процессе работы транзистор нагревается, его ток восрастает и нормальная работа нарушается. Для уменьшения этого явления применяется ООС. а)Термостабилизация с помощью последовательной ООС рис.2-11. В этой схеме Uэ-напряжение обратной связи, Uэб=U1-Uэ – управляющее напряжение. При нагревании возрастает I_к , увеличивается U_э, что приводит к уменьшению U_эб и I_к., коллекторный ток стабилизируется. б) Термостабилизация с помощью параллельной ООС. Обратная связь создается с помощью резистора, включенного между базой и эмиттером. С возрастанием коллекторного тока при нагреве транзистора, возрастает падение напряжения на R_к U_Rк=I_к R_к, а поте нциал коллектора U_к=U_пит-U_Rк уменьшается, что уменьшает ток базы а, значит и ток коллектора. Поэтому резистор R_б при таком включении создает ООС, стабилизирующую ток тразистора.

16.Частотные и шумовые свойства биполярных транзисторов.

Частотное свойство транзисторов. Диапазон рабочих частот транзистора определя-

ется двумя факторами:

 Наличие барьерных ёмкостей на p-n переходах. Коллекторная ёмкость влияет значительно сильнее, так как она подключается параллельно большому сопротивлению (смотрите Рис.

89).

 Возникновение разности фаз между токами эмиттерами и коллектора. Ток коллектора от-

стаёт от тока эмиттера на время, требуемое для преодоления базы носителями заряда.

1) ω1 = 0, φ1 = 0

β1=Ik/Iб1

С увеличением частоты коэффициент усиления по току уменьшается. Поэтому для оценки ча-

стотных свойств транзистора применяется один из основных параметров - параметр гранич-

ной частоты fгр. Граничной частотой называется такая частота, на которой коэффициент уси-

ления уменьшается в √2 раз. Коэффициент усиления через граничную частоту можно опреде-

лить по формуле βo – коэффициент усиления на постоянном токе

f – частота, на которой определяется коэффициент усиления β.

17.Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором

ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электриче-

ского поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, ко-

торое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду. Несколько определений:

 Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы-

вается истоком.

 Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ-

ется стоком.

 Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение,

создающее поперечное электрическое поле называется затвором.  Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между pn

переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа изображе-

но на рисунке 96, а с каналом p-типа на рисунке 97.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение меж-

ду стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал

движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутрен-

ним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет

максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличива-

управляемый полупроводниковый прибор,

так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято гово-

рить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме

обеднения канала.

18. ООС в усилителях

Обратная связь – процесс передачи сигнала с выхода усилителя обратно на его вход, а также цепь, осуществляющая эту передачу.

Обратная связь (ОС) называется отрицательной (ООС), если выходной сигнал усилителя вычитается из входного. Для простоты будем рассматривать установившийся режим работы всей системы, причем усилитель работает в активном режиме (т.е. нормально усиливает сигнал без всяких там перегрузок). Структурная схема усилителя, охваченного ООС, показана на рис.1.

Здесь некоторый «виртуальный» усилитель с коэффициентом усиления по напряжению Ku' получается из исходного «реального» усилителя, имеющего коэффициент усиления Ku, и охваченного цепью ООС. На самом деле термин «виртуальный» не совсем корректен, но я буду пользоваться им, потому что с точки зрения внешних устройств, подключенных к системе в целом, она представляет собой усилитель с параметрами, отличающимися от параметров реального исходного усилителя без ООС. С выхода реального усилителя напряжение передается на его вход через цепь ООС с коэффициентом передачи β: Обычно цепь ООС является пассивной, и β ≤ 1. Если цепь ООС усиливает, то это принципиально ничего не меняет, и все формулы в этом случае выводятся аналогично. Если β = 0, то это означает, что Uоос = 0 и обратная связь отсутствует. Обратите внимание, что совершенно безразлично, какую именно схему имеет цепь ООС. Главное – это насколько (во сколько раз) она ослабляет напряжение. В данной системе присутствует два разных входных напряжения, и чтобы не путаться, я им дам различные наименования: 1.    Напряжение, подаваемое на вход «виртуального» усилителя от источника сигнала. Его будем обозначать Uсигн. 2.    Напряжение, приходящее на вход реального усилителя – Uвх. Итак, выходное напряжение усилителя Uвых превращается цепью ООС в напряжение обратной связи Uоос и вычитается из входного напряжения. Результат – входное напряжение реального усилителя: Важный момент: Uоос всегда меньше Uсигн, поэтому Uвх всегда больше нуля. Реальный усилитель усиливает свой входной сигнал в Ku раз: Пробразуем: Но Uвых/Uсигн – это коэффициент усиления Ku' «виртуального» усилителя, как он проявляется для внешнего мира, поэтому: Таким образом, мы получили формулу для вычисления коэффициента усиления для усилителя, охваченного ООС. Итак, при охвате усилителя ООС, его коэффициент усиления уменьшается в (1+β∙Ku) раз. Но введение ООС изменяет и другие параметры усилителя. 1. Отрицательная обратная связь изменяет в (1+β∙Ku) раз входное и выходное сопротивления усилителя. 2. Отрицательная обратная связь расширяет частотный диапазон усилителя. 3. Введение ООС уменьшает нелинейные искажения усилителя (коэффициент гармоник) примерно в (1+β∙Ku) раз.