Компьютерная электроника Лекция 10. Динамический режим работы биполярного транзистора

Динамический режим Динамическим называется режим, при котором в выходную цепь транзистора включено сопротивление. Конденсатор С1 предназначен: 1 для подачи усиливаемого сигнала на вход транзисторного каскада; 2 устраняет связь по постоянному току; 3 исключает шунтирование базо- эмиттерного перехода транзистора. Токи и напряжения в каскаде определяются не только параметрами и характеристиками транзистора, но и параметрами и характеристиками примененных пассивных компонентов.

Динамический режим Напряжение по постоянному току на коллекторе транзистора описывается соотношением: U кэ = E к - I к *R к, которое называется динамической характеристикой. Для построения динамической характеристики рассматривают два крайних случая: 1 I к = 0, в этом случае U кэ = E к ; 2 U кэ = 0, в этом случае I к max = E к / R к. На оси абсцисс отложим отрезок, равный – напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат - отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи I к max. Между этими точками проведем динамическую характеристику.

Динамический режим Из анализа статических характеристик транзистора и динамической характеристики каскада выделяют три режима работы транзистора: режим насыщения - оба перехода открыты, падение напряжение на транзисторе мало и равно U кэ нас ; режим отсечки - оба перехода закрыты, падение напряжение на транзисторе описывается соотношением U кэ отс = U кэ1 = E к - R к * I кэ0 E к ; активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Каскад работает в режиме усиления электрических сигналов.

Рабочая точка транзисторного каскада Динамическая характеристика определяет возможные соотношения между токами и напряжениями в каскаде. Для определения конкретного тока и напряжения выбирают рабочую точку. Рабочей называется точка на динамической характеристики, которая определяет напряжение на транзисторе и ток, протекающий через него, при отсутствии входного сигнала. Рабочая точка характеризуется 4-мя параметрами: U к0, I к0 и I б0 - определяют по выходной динамической характеристике; U б0 - определяют по входной динамической характеристике. Построение входной динамической характеристики затруднительно, поэтому для инженерных практических расчетов в качестве входной динамической характеристики принимается входная статическая характеристика при напряжении питания отличном от нуля.

Рабочая точка транзисторного каскада

Усиление сигналов с помощью транзистора Поясним качественно усиление электрических сигналов с помощью транзистора. Для минимизации искажений рабочую точку выбирают в середине линейного участка входной характеристики. Тогда базовый ток будет изменяться по закону изменения входного напряжения

Усиление сигналов с помощью транзистора

Коллекторный ток I к *I б, поэтому он изменяется по закону изменения базового тока. Рабочая точка по переменному току перемещается по динамической характеристике, изменяется напряжение на коллекторе транзистора. В схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличение базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжение при этом уменьшается. Из этого следует, что в этой схеме входное и выходное напряжение изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор С2 и выделяется на нагрузке R н. По постоянному и переменному току нагрузка каскада описывается соотношениями: R = = R к ; R = (R к * R н ) / (R к +R н ), поэтому динамические нагрузки по постоянному и переменному току проходят по разному. Из анализа рисунка следует, что подключение нагрузки уменьшает амплитуду выходного сигнала.

Температурные свойства транзистора Транзисторы в аппаратуре подвергаются нагреванию как за счет собственного тепла, выделяющегося при протекании по ним тока, так и за счет внешних источников тепла. Рассмотрим влияние температуры на параметры Т-образной эквивалентной схемы: 1/(1- ) – существенно возрастает из-за увеличения времени жизни носителей заряда при возрастании температуры; r э - линейно зависит от температуры, так как r э = Т /I э, где Т = к*Т /е – температурный потенциал. При комнатной температуре (Т = 300К) Т T/11600=25 мВ; эк - линейно зависит от температуры через температурный потенциал; r б – возрастает из-за изменения удельного сопротивления материала полупроводника; r к R ут – зависит, в основном, через диффузионную длину и должно возрастать при увеличении температуры. В районе комнатной температуры наблюдается спад из-за возрастания токов утечки.

Температурные свойства транзистора

Наибольшее влияние на работу транзистора оказывает увеличение обратного тока закрытого перехода при возрастании температуры, которое, как известно, описывается соотношением: I 0 (T) = I 0 (T 0 ) *2T/T*. Пусть, для примера, I к0 = 4 мА, = 100, а I кб0 = 1 мкА, а температура изменилась на 40 С. У германиевого транзистора T* = 8 С. Тогда ток коллектора при повышенной температуре составит: в схеме ОБ I к (Т) = I к0 + I кб0 (Т) = 4,032 мА; в схеме ОЭ I k (Т) = I к0 + I kэ0 (Т) = 7,2 мА. В схеме ОЭ выходные характеристики и рабочая точка существенно изменяются, что может привести к заметным искажениям усиливаемого сигнала. Из анализа приведенного можно сделать вывод, что схема ОБ обладает заметно лучшими температурными свойствами.

Температурные свойства транзистора

Частотные свойства транзистора С повышением частоты усиление транзисторных каскадов снижается, главным образом, по трем причинам. 1 Шунтирующее действие барьерной емкости. С возрастанием частоты все большая часть генератора тока замыкается через барьерную емкость С к. 2 Шунтирующее действие диффузионной емкости. С возрастанием частоты уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе, а ток эмиттера, как известно, зависит от этого напряжения. 3 Инерционные свойства, приводящие к отставанию тока коллектора от тока эмиттера.

Частотные свойства транзистора Третью причину проиллюстрируем векторными диаграммами. На более высокой частоте запаздывание тока I к относительно тока I Э ведет к появлению заметного сдвига фаз φ между этими токами. Теперь ток базы I Б равен геометрической разности токов I Э и I К, вследствие чего он заметно увеличивается. Коэффициент β снижается. Коэффициент усиления по току в схеме ОБ и ОЭ описывается соответственно соотношениями: = I К / I Э и = I К / I Б. Из анализа векторных диаграмм следует, что наиболее сильно возрастает базовый ток. Это позволяет сделать вывод о лучших частотных свойствах схемы ОБ.