ЛЕКЦИЯ 8. Динамический режим работы БТ, динамическая характеристика. Построение нагрузочной прямой

Параметры транзисторов

В справочниках транзисторов, кроме рассмотренных уже парамет­ров (h₂₁, f_гp, I_кб0, C_к, I_кэ0), приводят параметры предельных режимов.

Предельные параметры по напряжению ограничиваются прочностью к пробою PN -перехода:

Максимально допустимая мощ­ность рассеяния Р_{к max}, Вт;

Допустимая импульсная мощ­ность рассеяния Р_{к и max}, Вт;

Максимальное напряжение на коллекторе U_{кэ max}, U_{кб max}, В;

Максимальный ток коллектора I_{к max}, А.

Ограничивающим фактором мощности является температура PN -перехода.

Выводы. 1. Для того чтобы транзистор хорошо усиливал токи высоких частот, он должен иметь очень тонкую базу и малые емкости коллекторного перехода. 2. Хорошие частотные свойства имеют дрейфовые транзисторы, у которых база имеет неодинаковую концентрацию примеси: большую около эмиттера и малую около коллектора. Возникающее в результате этого электрическое поле в базе ускоряет движение инжектированных носителей заряда к коллекторному переходу, благодаря чему улучшаются частотные свойства транзистора. 3. Наибольшее применение на практике имеет система h -параметров, в которой параметры транзистора определяются как параметры активного линейного четырехполюсника.

Контрольные вопросы:

1.Каков механизм влияния коллекторного напряжения на эмиттерную характеристику?

2.Приведите систему h -параметров для схемы биполярного транзистора с общим эмиттером.

3.Что такое предельная частота?

4.Что такое граничная частота?

5.Что такое максимальная частота генерации?

6.Чем дрейфовый транзистор отличается от бездрейфового?

7.Как влияют изменения температуры окружающей среды на характеристики транзистора?

8.Приведите физические параметры транзистора и его эквивалентную схему для этой системы параметров.

10.Чем определяется режим работы транзистора?

11.Почему на высоких частотах снижается усилительная способность транзистора?

Данная лекция является связующим звеном между первой и второй частью дисциплины. Электронные усилители применяются в аппаратуре радиосвязи, радио и проводного вещания, телевидения, радиорелейных линий связи, многоканальной связи, в каналообразующей телеграфной аппаратуре, аппаратуре передачи данных, в квазиэлектронных и электронных АТС, в измерительной аппаратуре.Учебный материал данной лекции будет использован во всех учебных дисциплинах, где изучается данная аппаратура.

Динамический режим работы БТ – это режим, при котором кроме напряжения от источников питания на вход транзистора подается усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено Rн_., при этом хотя бы один из параметров изменяется во времени Динамическими характеристиками усилительного каскада называются зависимости между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях УЭ при наличии в этих цепях внешних сопротивлений. Поскольку УЭ имеет входной и выходной электроды, могут быть следующие разновидности динамических характеристик при наличии сопротивления в выходной цепи УЭ: выходные, показывающие зависи­мость выходного тока от напряжения между выходными электродами УЭ; входные — зависимость входного тока УЭ от напряжения между его входными электродами; сквозные — зависимость выходного тока УЭ от ЭДС источника сигнала входной цепи; проходные — зависимость выходного тока от напряжения между входными электродами УЭ. Сквозные динамические характеристику используются для оценки нелинейных искажений сигнала в усилительном каскаде. Входные динамические характеристики в ос­новном используются при расчете усилительных каскадов на биполяр­ных транзисторах,

Отличие динамических характеристик от статических состоит в том, что статические характеристики УЭ снимаются при отсутствии сопротивления во внешних цепях.

Выходная ди­намическая характеристика представляет собой зависимость вы­ходного тока УЭ от его выходного напряжения при наличии со­противления нагрузки в выходной цепи. Динамическая характе­ристика, построенная на статических выходных характеристиках УЭ в соответствии с формулой , называется нагрузочной линией УЭ. Различают нагрузочные линии для постоянного и переменного то­ков.

Малая мощность электрического сигнала на входе P_вх только управляет изменением тока и мощности на выходе P_вых, а затраченная мощность P₀ создается источником питания постоянного тока, который обязательно включен в данную схему. Чтобы получить на выходе требуемую полезную мощность P_вых, источник питания должен затратить большую мощность P₀, и КПД усилителя, безусловно, будет меньше 100%.

Включение сопротивления нагрузки в цепь УЭ существенно влияет на его токи и напряжения. Рассмотрим схему на биполярном транзисторе с ОЭ. В цепь источника питания с ЭДС последовательно включены сопротивление нагрузки и транзистор. На основании закона Кирхгофа

Где Uкэ и Uн – соответственно напряжения на транзисторе и нагрузке в действующих значениях. Так как ЭДС источника питания Eк является постоянной, то с изменением тока Iк, протекающего по сопротивлению Rк, падение напряжения на нем Uн изменится, а значит, напряжение Uкэ также изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением можно выразить следующим образом:

В общем виде для всех видов УЭ уравнение можно записать

Схемы усилителей на БТ с нагрузкой по постоянному и переменному токам,приведены на рисунках 1.1(а) и (б) соответственно.

а б

Рисунок 1.33.-Схема включения транзистора с ОЭ(а), схема усилителяс нагрузкой по переменному току(б).

Графическое изображение уравнения динамической характерис­тики постоянного тока на плоскости статических характеристик УЭ,. представляющее собой прямую линию* называется нагрузочной прямой постоянного тока. (переменного тока).

Точки пересечения нагрузочной прямой ста­тических характеристик УЭ определяют область возможных значений тока и напряжений в выходной цепи при заданном сопротивлении R_н=.

Выходные динамические характеристики бывают постоянного и переменного токов.

Построим нагрузочную, прямую постоянного тока для усилитель­ных каскадов. Выходные статические характеристики транзистора показаны на рисунке 1.2.

Построение нагрузочных линий по постоянному и переменному токам приведены на рисунках 1.34 (а)

а б

Рисунок1.34. - Нагрузочные прямые постоянного и переменного тока.

Для построения выходной динамической характеристики постоян­ного тока необходимо учесть только сопротивление выходной цепи УЭ усилительного каскада для постоянной составляющей выходного тока. Так, для схемы на биполярном транзис­торе (рисунок 1.33) постоянная, составляющая тока коллектора (выходного тока) протекает по резистору Rн и для данной схемы R_H==Rн.

Составим уравнение динамической характеристики постоянного то­ка. Для усилительных каскадов напряжение между кол­лектором и эмиттером транзистора

U_К.Э= Ек – I_КR_Н=,

где I_К — постоянная составляющая тока коллектора; Ек — ЭДС источника питания.

Как следует из выражения U_К.Э= Ек – I_КR_Н=, , при I_K=0 U_К.Э=Ек — это координата одной точки (А) нагрузочной прямой па оси абсцисс; при U_К.Э=Ек выходной ток I_K=Eк/R_Н - это координата другой точки (В) нагрузочной прямой по оси ординат.

Откладывая эти точки на соответствующих осях и соединяя их прямой, линией, построим нагрузочную прямую постоянного тока. Лю­бая точка нагрузочной прямой показывает, какие ток и напряжение имеются в выходной цепи транзистора рассматриваемого усилитель­ного каскада, при определенном сопротивлении R_Н= и фиксированном значении любого из следующих параметров: тока (или напряжения) смещения базы I_Б, тока коллектора I_К либо напряжения U_К._Э. Обыч­но фиксируется значение тока смешения I_БО, тогда однозначно определяется положение точки пересечения статической выходной харак­теристики при I_Б=I_БО с нагрузочной прямой постоянного тока. Эта точка называется рабочей точкой или точкой покоя. Координаты этой точки определяют ток покоя I_К0 выходной цепи УЭ и напряжение покоя U_К._Э0 между его выходными электродами. Между током I_К0 и напряже­нием U_K._Э0 имеется однозначная связь:

U_К._Э0 = Ек – I_К0R_Н=.

Наклон нагрузочной прямой постоянного тока зависит от сопротив­ления R_Н=. Таким образом, нагрузоч­ная прямая постоянного то­ка позволяет определить по­ложение точки покоя на се­мействе выходных статичес­ких характеристик по задан­ным напряжению источника питания Ек и сопротивлению R_H=

Угол наклона нагрузочной прямой к оси абсцисс определяется со­противлением нагрузки . Очевидно, что при неизменной ЭДС нагрузочная прямая пройдет тем ниже, чем больше Rн(рисунок 1.2,б).

Если в схеме усилителя цепи переменного и постоянного токов на выходе разделяются, то нагрузка усилительного элемента по постоянному и переменному токам будет различной. При построении нагрузочных характеристик для переменного тока надо учитывать наличие реактивных элементов – емкостей и индуктивностей в схеме, т.е. то, что в общем случае сопротивление нагрузки комплексное. Однако сопротивления нагрузки подбирают обычно так, чтобы можно было пренебречь влиянием реактивных сопротивлений на общее эквивалентное сопротивление. В этом случае нагрузку по переменному току допустимо считать активной. Например на рисунке 1.1 (б) конденсатор Cр разделяют пути постоянной и переменной составляющих выходного тока, так как для постоянной составляющей сопротивление Xc близко к бесконечности. В данной схеме нагрузкой для постоянного тока является Rн, а для переменного тока – результирующее сопротивление при параллельном соединении Rк и Rн.

. Очевидно, что сопротивление R~ меньше, чем Rн и поэтому уравнения нагрузочного режима и линии нагрузочного режима для постоянного и переменного токов будут отличаться между собой. При активном характере сопротивления нагрузки линия нагрузочного режима для переменного тока также будет прямой. Эта прямая обязательно пройдет через точку покоя M, так как в отсутствие сигнала в режиме покоя выходной ток ..

Чем больше потери мощности за счет постоянной составляющей тока I₀, тем ниже КПД схемы. Выбрав точ­ку покоя на характеристике ниже и подав на вход сигнал с такой же амплитудой, мы выйдем за пределы прямолинейного участка, что приведет к искаже­нию формы тока по сравнению с формой поданного сигнала. Чем ниже расположена рабочая точка, т. е. чем меньше постоянная со­ставляющая тока I₀, тем выше КПД усилителя

Точка М является общей для обеих нагрузочных прямых. Вторую точку С найдем на оси токов, взяв . В этой точке и, следовательно, мгновенное значение переменной состав­ляющей Результирующий ток в точке С равен сумме двух токов

Нагрузочная прямая переменного тока СД проходит под большим углом к оси напряжений, чем нагрузочая прямая постоянного тока АВ. Если сопротивление Rк , то сопротивление по переменному току и обе нагрузочные прямые практически совпадают. Кроме выходных имеются также входные динамические характеристики.

У биполярных транзисторов в большинстве случаев сопротивление нагрузки переменному току R~ намного меньше выходного сопротивления Rвых. В этом случае наличие нагрузки в выходной цепи, работающей практически в режиме короткого замыкания, не влияет на входное сопротивление транзистора, поэтому в случае биполярного транзистора динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

Выводы: 1. При работе усилительного элемента в нагрузочном режиме с изменением входного напряжения меняется не только выходной ток, но и выходное напряжение. 2. Выходная нагрузочная характеристика усилтельного элемента при активном характере сопротивления нагрузки является прямой линией и поэтому может быть построена по двум точкам. 3. Угол наклона нагрузочной прямой тем меньше, чем больше сопротивление нагрузки. 4. Нагрузочные прямые постоянного и переменного токов пересекаются в точке покоя.

Контрольные вопросы:

1.Какие вы знаете еще примеры, где необходимо усиливать электрические сигналы, кроме перечисленных в лекции?

2.Какова роль источника питания усилительного элемента

в процессе усиления сигналов?

3.Каково назначение напряжения смещения в процессе усиления электрических сигналов?

4.Какое напряжение смещения(по знаку) надо подать на базу биполярного транзистора NPN -транзистора, на затвор полевого транзистора с N -каналом и управляющим PN -переходом -для выбора точки покоя на линейном участке характеристики?

5.Как зависит ток покоя от положения точки покоя на характеристике прибора и как это отразится на КПД?

Дата добавления: 2014-11-16