Ответы на вопросы

1. Принцип действия биполярного транзистора. Почему при постоянном напряжении Uce увеличение тока базы транзистора вызывает увеличение тока коллектора?

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания, на базу подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают такие физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которых через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору. Если ток, протекающий через базу, меняется по определенному закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем в итоге биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

2. Основные схемы включения биполярного транзистора. Опишите их основные параметры.

Схема включения транзистора с общим эмиттером:

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров – это статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току. Его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен: β = .

Схема включения транзистора с общей базой:

Коэффициент усиления по току - k_i = , Статический коэффициент передачи тока - α = .

Схема с общим коллектором:

коэффициент усиления по току - k_i = = = + 1 = β + 1, входное сопротивление - R_вх = βR_н

3. Схемы замещения биполярного транзистора. В чем их особенности?

При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор

заменяется схемой замещения, в которой транзистор представляется в виде

активного четырехполюсника. Есть две схемы замещения транзистора:

бесструктурная и структурная, в которой отражены физические связи между

ее элементами. В двух случаях полагается линейная связь между токами и

напряжениями в приборе. Такой подход возможен, когда транзистор работает

при открытом эмиттерном переходе и закрытом коллекторном переходе, а

значения его токов и напряжений не выходят за пределы рабочей области на

выходной характеристике.

Поскольку электрический режим прибора в схеме ОЭ

определяется входным током I Б и выходным напряжением Uкэ,

четырехполюсник схемы замещения описывается системой уравнений типа

h. При этом вместо значений токов и напряжений в уравнениях используются

приращения значений этих параметров относительной соответствующих

величин, находящихся внутри рабочей области. Таким образом, в случае

бесструктурной схемы значения приращений токов и напряжений

биполярного транзистора связываются через h-параметры уравнениями

3. Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим:

Переход эмиттер-база включён в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ<0; UКБ>0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ>0; UКБ<0.

Инверсный активный режим:

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ<0; UЭБ>0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения:

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки:

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0.

Барьерный режим:

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

5. В какой схеме включения биполярного транзистора:

а) максимальное входное сопротивление?

б) максимальный коэффициент усиления по мощности?

Максимальное входное сопротивление в схеме с общим коллектором, максимальный коэффициент усиления по мощности - в схеме с общим эмиттером.

6. Физический смысл h-параметров и условия их определения?

h = - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;

h = - коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;

h = - коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения Uкэ;

h = - выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

7. Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Биполярный транзистор описывается в первую очередь семейством входных и выходных характеристик. Эти характеристики называют статическими, поскольку их снимают при отсутствии в цепях транзистора резисторов и относительно медленных изменениях токов и напряжений.

Входная ВАХ подобна прямой ветви ВАХ диода. Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ (как и по схеме с ОБ), строится семейство выходных ВАХ . Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока IК при возрастании выходного напряжения UКЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока..

Выходными называют семейство вольтамперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Каждой схеме включения транзистора соответствует некоторое сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому вид входных и выходных характеристик транзистора определяться схемой его включения.

8. Укажите тип усилителя, у которого коэффициент усиления по напряжению меньше единицы:

а) транзисторный усилитель в схеме с ОЭ,

б) транзисторный усилитель в схеме с ОК,

в) дифференциальный усилитель?

Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером.

9. Приведите основные параметры и характеристики полупроводникового усилителя.

Основными параметрами усилителей являются:

1) входные и выходные данные:

Входные:

номинальные входное напряжение Uвх

входной ток Iвх

входная мощность Pвх = UвхIвх

входное сопротивление Rвх

Выходные:

номинальные выходное напряжение Uвых

выходной ток Iвых

выходная мощность Pвых = UвыхIвых

выходное сопротивление Rвых

2) коэффициенты усиления:

по напряжению

по току

по мощности ;

3) коэффициент полезного действия:

, (1)

где – мощность, потребляемая от источника питания;

4) динамический диапазон:

, (2)

где – максимально допустимое входное напряжение, превышение которого вызывает недопустимые нелинейные искажения сигнала;

–минимальное входное напряжение, ниже которого выходной сигнал невозможно различить на фоне собственных помех усилителя.

Основными характеристиками усилителя являются:

1) амплитудная характеристика U_вых = f (U_вх), называемая также характеристикой вход-выход

2) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

3) фазочастотная характеристика (ФЧХ), иногда называемая просто фазовой характеристикой

4) переходная характеристика – зависимость мгновенного значения выходного напряжения при подаче на вход усилителя скачка напряжения; этой характеристикой пользуются для оценки усилителей импульсных сигналов.

10. Полоса пропускания усилителя и ее определение.

Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда вместо термина «полоса пропускания» используют термин «эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)». В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90 %). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества. Другими словами, полоса пропускания усилителя - полоса частот, в пределах которой ослабление сигнала по напряжению не более 1,41 раза

11. Как изменится коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с оэ, если изменить:

а) сопротивление Rc?

б) напряжение питания E?

в) сопротивление Re?

K_U = = - .

а) ↑R_к → ↓K_U ;

б) ↑Е_вх → ↓K_U ;

в) ↑R_э → ↑K_U

12. Схема и принцип действия дифференциального усилителя. Понятие баланса моста.

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Схема дифференциального каскада усиления.

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Принцип работы дифференциального усилителя

Правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

Мост - это ромбовидное соединение элементов, к диагоналям которого подключены вход и выход некого устройства. Так мост в балансе когда взаимодействие между диагоналями минимально

13. Почему коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя всегда меньше единицы?

Коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше 1,0, так как падение напряжения на переходе база-эмиттер фактически не является постоянным, а немного зависит от коллекторного тока.