Osnovy_skhemotekhniki_posobie

3.Работа транзистора в усилительных каскадах

Всовременных усилителях в качестве активного элемента обычно используют транзисторы. Это обусловлено их небольшими размерами,

удобством питания и монтажа. Современная технология позволяет изготавливать как маломощные (КТ 315) так и мощные (КТ 970, КТ 971)

транзисторы; как НЧ, так и ВЧ. Транзисторы бывают биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы бывают двух типов проводимости: n-p-n и p-n-p:

Рис.3.1. Биполярный транзистор: плюсы и минусы обозначают полярность приложенного

напряжения (два плюса и два минуса обозначают, что потенциал больше чем там где только

один)

Стрелка у эмиттера обозначает направление движения зарядов (ток течёт от плюса к минусу). Между токами и напряжениями имеют место следующие соотношения:

3.1. Схемы включения транзистора

Существует три схемы включения транзистора.

1)Включение транзистора с общей базой (ОБ) (рис. 3.2). При таком включении транзистор обеспечивает усиление по напряжению.

Рис.3.2. Включение транзистора с общей базой (ОБ)

31

Коэффициенты передачи по току и напряжению при такой схеме

включения равны:

2)Включение транзистора с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3). При таком включении транзистор обеспечивает усиление по току.

Рис.3.3. Включение транзистора с общим коллектором (ОК)

Коэффициенты передачи по току и напряжению при такой схеме

включения равны:

3)Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.4). При таком включении транзистор обеспечивает усиление по мощности.

Рис.3.4. Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

32

Коэффициент передачи по току и напряжению при такой схеме включения равны:

3.2. Статические характеристики транзистора

Работу транзистора в усилительном каскаде можно представить как процесс управления протеканием выходного тока IВых с помощью изменения входного сигнала (IВх или UВх ). Этот процесс можно проанализировать по статическим характеристикам транзистора. На рис. 3.5 приведены семейства входных и выходных характеристик для биполярного транзистора,

включенного по схеме общий эмиттер: входные характеристики – это зависимость входного тока (IБ) от входного напряжения (UБЭ) при изменении потенциала на выходе (UКЭ ), выходные характеристики – это зависимость выходного тока (IК ) от выходного напряжения (UКЭ ) при изменении входного

тока (IБ).

Рис.3.5. Статические характеристики биполярного транзистора

33

3.3. Определение НЧ Y-параметров по статическим характеристикам

Низкочастотные Y-параметры могут быть определены по входным и выходным характеристикам транзистора. Y-параметры определяют в рабочей точке транзистора при отсутствии сигнального воздействия на входе, т.е. в

режиме покоя (токи и напряжения в рабочей точке отмечают дополнительным индексом «0»).

Рис.3.6. Использование статических характеристик биполярного транзистора для

определения Y-параметров: Y11 и Y22

Входная проводимость Y11 определяется по входной характеристике (рис.

3.6).

Чем меньше берется приращение при построении и расчете, тем точнее получается значение Y11. Для повышения точности расчета берут среднеарифметическое приращение вверх и вниз.

Выходная проводимость Y22 определяется по выходной характеристике

(рис. 3.6).

34

где изменение dUКЭ dEК берут в пределах всего линейного участка.

Рис.3.7. Использование статических характеристик биполярного транзистора для

определения Y-параметров: Y12 и Y21

Крутизна Y21 определяется по входной и выходной характеристикам (рис.

3.7).

изменение напряжения база-эмиттер dUБЭ при EК const E0.

3.4. Нагрузочные характеристики и оптимизация выбора рабочей точки по

постоянному току

При работе активного элемента токи и напряжения на его зажимах

изменяются, и рабочая точка перемещается по статическим характеристикам.

35

Линия, по которой движется рабочая точка на выходной характеристике,

называется нагрузочной характеристикой.

Нагрузочные характеристики позволяют графически проиллюстрировать работу усилительного каскада. Нагрузочные характеристики или выходные динамические характеристики (ДХ) – это прямые линии, которые в координатах выходной ток и выходное напряжение соответствуют уравнениям,

выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада по постоянному и переменному току.

Проиллюстрируем работу транзистора с помощью упрощенной схемы каскада по схеме ОЭ (рис. 3.8).

Рис.3.8. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

Для схемы на рис. 3.8 справедливы следующие соотношения между токами и напряжениями:

При увеличении напряжения на базе EБ происходит увеличение тока базы

IБ и транзистор дополнительно открывается. Это приводит к увеличению тока коллектора IК и падению большего напряжения на сопротивлении RК . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер UКЭ снижается. Увеличение IК и

36

снижение UКЭ соответствует движению рабочей точки влево вверх на выходных характеристиках (рис. 4.5): EБ IБ IК IК RК UКЭ.

При уменьшении напряжения на базе EБ происходит уменьшение тока базы IБ и транзистор частично закрывается. Это приводит к уменьшению тока коллектора IК и уменьшению напряжения на сопротивлении RК . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер UКЭ увеличивается. Уменьшение IК

и увеличение UКЭ соответствует движению рабочей точки вправо вниз на выходных характеристиках (рис. 3.5): EБ IБ IК IК RК UКЭ.

Нагрузочная прямая по постоянному току характеризует работу усилителя на постоянном токе (рис. 3.9).

Построение нагрузочной прямой по постоянному току:

на оси абсцисс откладываем напряжение питания – UКЭ EК ,

проводим прямую через рабочую точку и точку на оси абсцисс с координатой UКЭ EК ,

на оси ординат координата пересечения с нагрузочной прямой по

постоянному току будет IК EК .

RК

37

Нагрузочная прямая по переменному току характеризует работу усилительного каскада в режиме усиления сигнала переменного тока и проводится следующим образом:

 откладывается точка, соответствующая пересечению максимума амплитуды выходного сигнала, отложенной от нормали к рабочей точке –

UКЭ0 UВых , и статической характеристики, соответствующей минимальному току базы;

эта точка соединяется с рабочей точкой транзистора,

полученная прямая пересечёт ось абсцисс в точке – UКЭ0 IК0 RН~.

Рис.3.10. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Нагрузка рассматриваемого каскада (рис.3.10) по постоянному и переменному току различны, поскольку по переменному току шину земли и шину питания можно считать короткозамкнутыми. Соответственно сопротивление коллекторной нагрузки по переменному току будет определяться следующим образом: RН~ Rк ||Rн.

Из схемы усилительного каскада по схеме с ОЭ (рис.3.10) видно, что дополнительный запас по усилению обеспечивается выбором сопротивления эмиттера RЭ, которое по постоянному току будет увеличивать общее сопротивление в цепи коллектор-эмиттер – RН= RК RЭ, и тем самым увеличит разницу между нагрузочными прямыми. По переменному току ёмкость эмиттера CЭ будет шунтировать сопротивление эмиттера RЭ.

39

Разница между точками пересечения оси абсцисс нагрузочными прямыми по переменному и постоянному токам называется запас усилителя по усилению

– U UП UВых ( U UП 2 UВых если гармонический сигнал). При правильном проектировании усилителя запас по усилению необходимо ограничивать величиной не более 4-5 В.

При усилении гармонического сигнала следует выбирать рабочую точку в середине линейной части статических характеристик (р.т.1 на рис.3.11). Для усиления импульсных сигналов можно выбирать рабочую точку на границе линейной области или даже в нелинейной области (р.т.2 и р.т.3 на рис.3.11),

поскольку в этом случае можно получить наибольший размах выходного напряжения и, следовательно, наибольшее значение КПД. Однако усилитель становиться узкоспециализированным – усилитель однополярных импульсных сигналов и при этом требуется обеспечение высокой стабильности рабочей точки.

IК

IБ3

р.т.2

IБ2

IБ1

р.т.1

р.т.3

UКЭ max UКЭ

Рис.3.11. Выбор рабочей точки при различных видах сигнала

При уменьшении амплитуды входного сигнала, что имеет место в каскадах предварительного усиления, нагрузочная прямая по переменному току будет более вертикальной. Следовательно, использование мощного транзистора для усиления слабого сигнала приведет к уменьшению эффективности его работы,

т.е. снижению КПД.

При анализе усилительных каскадов часто используют сквозную

(проходную) динамическую характеристику (рис.3.12), которая представляет

40