Коэффициент усиления по току kj равен отношению приращения тока на выходе к приращению тока на входе. Для схемы с общим эмиттером

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 16

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

_k = ₌

' 1 - а ’

для схемы с общим коллектором

' 1 - а

Так как коэффициент а = 0,95+ 0,99, то к, *20+100.

При работе транзистора в качестве усилителя напряжения важно, чтобы приращение напряжения на нагрузке Ди_вых включенной в выходную цепь, было больше приращения напряжения на входе управляющей цепи Д«_вх.

Коэффициент усиления по напряжению = Ди_вых/Ди_вх. При использовании тран­зистора в качестве усилителя напряжения его включают по схеме с общей базой (см. рис. 15.21, а) или по схеме с общим эмиттером (см. рис. 15.21, б).

Для схемы с общей базой к_и составляет несколько сотен, для схемы с общим эмитте­ром — несколько десятков или сотен.

Усиление по мощности достигается во всех схемах включения на рис. 15.21. Коэффи­циент усиления по мощности к_р равен отношению приращения мощности в нагрузке ДР_К к приращению мощности на входе транзистора ДР_у.

Наибольшее усиление по мощности достигается а схеме с общим эмиттером. Для нее кр может достигать значений 10⁴ и более.

§ 15.32 Связь между приращениями входных и выходных величин биполярного транзистора. Напряжение на входных и₍ и напряжение на выходных и₂ зажимах яв­ляются функциями входного и выходного /₂ токов, т. е.

= (/jJj); (15.42)

u₂ = Ui (/j, <2). (15.43)

Условимся исходные значения токов и напряжений обозначать большими буквами (U,а приращения — малыми (Ди, А/). Пусть токи получили малые приращения Д/₍ и д/₂ и стали равными /, + Д/, и /₂ + Дм. При этом напряжения также получили прира­щения и стали равными +Ди₍ и U₂ + Ди₂. Следовательно,

U\ + ДУ| = (7] ((/) + А/,). (/₂ + Д/зЖ

U₂ + Ьи_г = U₂{U\ + Д'| ), (/₂ ⁺ »

Найдем связь между приращениями напряжений Ди, и Ди₂ и приращениями токов Д/, и Д/₂. С этой целью разложим правые части равенств (15.44) и (15.45) в ряд Тейло­ра для функции от двух переменных по степеням приращений Д/, и Д/₂ и воспользуем­ся тем, что в силу малости приращений можно пренебречь слагаемыми, содержащими Д/, и Д/₂ в степенях выше первой. В результате получим

Uy + Ди] - Uy (/|,/₂) + Д/, ■ /?ц + Д/₂ Л]₂;

U2 + Ди₂ — U2 (/,, /₂ ) + Д/| • Л₂₁ + Д/₂ Л₂2»

Обратим внимание на то, что Я₂₁ * Л₎₂.

Значения Л_п. Я₁₂, Я₂₂ могут быть найдены графически из характеристик транзи­

стора или опытным путем, поэтому в дальнейшем будем полагать их известными. Если из

(15.44) вычесть (15.42), а из (15.45) — (15.43), то

AWj — /?| | Д/[ + /?;2 Д^2»
= ^21 Д4 + ^22 ^^{2-

Из (15.46) и (15.47) следует, что по отношению к малым приращениям транзистор можно заменить эквивалентной линейной схемой замещения.

§ 15.33. Схема замещения биполярного транзистора для малых приращений. Методика расчета схем с управляемыми источниками с учетом их частотных свойств. В схемы замещения для малых приращений часто вводят не сопротивле­ния Л₎₍, Л|₂, R_2l, R₂₂, которые рассматривались ранее, а некоторые расчетные сопротив­ления— сопротивления базы коллектора /?_к, эмиттера и некоторый управляемый источник, ЭДС которого равна произведению тока управляемой цепи на расчетное сопро­тивление R_m.

Значения R^, R_K, R₃ и Я_т определяют через и /?₂₂.

Рассмотрим схему замещения транзистора, когда общим электродом является база (рис. 15.23, а). Входной ток в ней /, =*/,, выходной ток /₂ -~i_K (положительное направ­ление для тока /₂ принято противоположным положительному направлению тока j_f на рис. 15.21, а). Схема на рис. 15.23, б заменяет схему на рис. 55,23, а для малых прираще­ний.

аба

Рис. 15.23

По второму закону Кирхгофа составим уравнения для двух контуров схемы (рис. 15.23, б):

Awi - (Л, + Я§) Д^ + Д/₂;

Ди₂ - = ^Лб

^Ли 2 =и^= ф_р - ф^.

где Ф_т — потенциал точки т\ Ф_(/ — потенциал точки q и т. д. Сопоставляя (15.48) и (14.49) с (15.46) и (15.47), определим

Я>-ьЯб=Л_и; Я_б-/?₎₂; ^_Л ⁺ Л_б = Л_2]; R_K + R$ = /?₂₂.

Последние уравнения дают возможность найти сопротивления /?,. /?_х и R_m по известным сопротивлениям 7?ц, /?₎₂, /?₂₎, Я₂₂. Источник ЭДС R„ введен в схему за­мещения (рис. 15.23, б) для того, чтобы учесть в расчете усилительное действие транзис­тора; ЭДС этого источника пропорциональна входному току.

Таким образом, для расчета малых приращений входных и выходных токов в нелинейной схеме (см. рис. 15.23. а), определения коэффициентов усиления и входных со­противлений следует произвести расчет линейной схемы (см. рис. 15.23, б), подключив к ее входным зажимам источник малой, обычно синусоидальной, ЭДС, а к выходным зажи­мам — нагрузку Я_н. Источник ЭДС R_m в этой схеме является зависимым источни­ком ЭДС.

В заключение остановимся еще на двух положениях.

1 , В схемах замещения транзисторов вместо зависимого источника ЭДС и последова­тельно с ним включенного резистора часто используют зависимый источник тока и шун­тирующий его резистор. Так, в схеме на рис. ! 5.23, в вместо источника ЭДС R_m и ре­зистора /?_к можно включить управляемый источник тока —— Д/_э = а Д/_э и зашу^гтиро- вать его резистором R_K. *

2. При относительно высоких частотах и быстро протекающих процессах р—л-пере- ходы проявляют свои емкостные свойства и имеет место инерционность основных носи­телей зарядов. Емкостные свойства учитывают в расчете, шунтируя в схеме замещения кол­

лекторный р—л-переход некоторой емкостью С\, а инерционность носителей заряда — вводя зависимость коэффициента усиления а транзистора от комплексной частоты р

где а₀ — коэффициент усиления транзистора на постоянном токе;

“о ~

Емкость эмиттерного перехода обычно не учитывают, так как она шунтирует относи­тельно малое по сравнению с R_K сопротивление /?_э.

Для высокой частоты схема замещения транзистора, собранного по схеме с общей

базой, изображена на рис. 15,24. а с общим эмиттером — на рис. 15.24, б. В зависимости

от типа транзистора имеет значение от нескольких десятых МОм до нескольких МОм; /?_э —несколько десятков Ом; —несколько десятков или сотен Ом; С_к —от несколь­ких единиц до нескольких десятков или сотен пФ.

Рассмотрим методику расчета схем с управляемыми источниками для малых переменных составляющих на примере схемы (рис. 15.24, б). Штриховой линией на ней показаны генератор сигнала (ЭДС Е_г, внут­реннее сопротивление /?_г) и нагрузка /?_н. Для синусоидального процесса

0)₀

циалов. Незаземленных узлов — два (5 и 2). Поэтому

_ а ф, ф.

Слагаемые содержащиеся в J₃₃, и -а—, содержащиеся в

перенесем в левые части уравнения (15.50) и (15.51) и заменим а

(Xq

(D₀

Получим

Решив совместно (15.52) и (15.53), определим ф₃ и ф₂, а по ним все токи и напряжения.

3 15.34. Графический расчет схем на транзисторах. Схемы на тран­зисторах при относительно низких частотах на практике иногда рассчи­тывают не с помощью рассмотренных схем замещения, при использова­нии которых необходимо знать Я_э, Я_б, R_K и R_m, а путем непосред­ственного применения семейства характеристик транзистора. Этот спо­соб расчета показан на примере 153.

Пример 153. Определить коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности схемы (рис. 15.25, а), предназначенной для усиления слабых синусоидальных колебаний.

Входные характеристики использованного в схеме транзистора изображены на рис. 15.25, б, выходные — на рис. 15.25, в. Параметром на рис. 15.25, в является ток /₆. Сопротивление нагрузки /?_н=500 0м. ЭДС смещения в выходной цепи Е^ - 10 В. ЭДС смешения 8 цепи управления £_у0 = 0,25 В.

Р е ш е н и е. На рис. 15.25, в проводим прямую, представляющую собой ВАХ нагрузки Л_н = 500 Ом. Эта прямая пройдет через точку i_K =0, и_зк = E_kq = 10 В и через точку 4 - Е*о / = 20 мА, «_эк = 0.

Семейство входных характеристик транзистора П14, как это видно из рис. 15.25,6, обладает той особенностью, что в интервале значений и_эк = 0,2-5-10 В зависимость тока базы г$ ^от напряжения между эмиттером и базой изображается одной и той же кривой. Найдем значение тока = /_б() в режиме, когда на входе действует только ЭДС £_у0 я 0,25 В.

Из рис. 15.25, б следует, что при = 0,25 В ток fa ^{= !} 60 = 250 мкА (точка и). Далее найдем ток /_к = /_х0 и напряжение и_зк - U_3t._Q в этом режиме.

На семействе кривых рис. 15.25. в режим работы при £_у = Е_у0 определяется точ­кой л, полученной в результате пересечения ВАХ нагрузки с той кривой семейства i_K =Д«_ЭК), для которой параметром является = 250 мкА.

В точке п /_х = /_к0 = 13.1 мА. и,_к - и,_ы0 - 3.5 В. Линеаризуем входную характеристику в рабочей точке. С этой целью проведем в окрестности точки п (см. рис. 15.25. б) прямую так. чтобы она на возможно большем участке совпала с касательной к кривой i$ = /(л₃₍₅) в точке п. Крайними точками проведенной прямой будем считать точки р и т. В точке р ток 1§=350мкА и н^=0,23В В точке т ток /g = 150 мкА и w^=0.23B. Этим точкам соответствуют одноименные точки р и т на рис. 15.25. в.

В точке/? (см. рис. 15.25. в) i_K л 18,6 мА, в точке т i_K =8,5 мА. Таким образом, при подаче на вход схемы синусоидального напряжения амплитудой U^_m - 0,02 В в цепи управления появится синусоидальная составляющая тока, имеющая амплитуду ⁼ ~ мкА. а в выходной цепи кроме постоянного тока /_к0 возникает синусои­

дальный ток амплитудой = 5,0 мА*). При этом на выходных зажимах транзистора дей­ствует синусоидальная составляющая напряжения, имеющая амплитуду й,_кт = 2,45 В.

Тогда коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

л , _ 500 5,0 10^ _

" ’ Дн._х ' U_ym 0.02

Коэффициент усиления по мощности

к = _{= =} 5°0 (5.⁰-¹⁰'³)² _{= 6250}

^р ~ 0.02-100 Ю^-6

‘'Берем первую гармонику переменной составляющей коллекторного тока.

Входное сопротивление транзистора между зажимами эмиттер—база для синусоидаль­ной составляющей

Эб = = ^{0,02 В}" = 200 Ом.

³⁶ /_у„ 100 мкА

Выходное сопротивление между зажимами эмиттер—коллектор для синусоидальной составляющей

Я_эык эк * = 490 Ом.

/»» 5.0 мА

В тепловом отношении транзистор работает в ненапряженных условиях, так как мощ­ность, выделяемая в нем в режиме, соответствующем точке п (см. рис. 15.25, б),

C'juo Ло = 3.5 В -13,1 мА = 45,8 мВт,

что значительно меньше допустимой для данного транзистора мощности рассеяния 150 мВт.

§ 15.35 Принцип работы полевого транзистора. Полевыми назы­вают транзисторы, управляемые электрическим полем. Их работа обус­ловлена в основном носителями одной полярности, поэтому их называ­ют иногда униполярными.

Принцип действия полевого транзистора поясняет рис. 15.26, а. В полупроводнике n-типа создается небольшая p-область. У «-области имеется два электрода: исток И и сток С. Электрод p-области называют затвором 3. С помощью электрода 3 создается электрическое поле в «-области, примыкающей к p-области. Это поле влияет на распределе­ние в ней основных носителей (электронов).

Если потенциал затвора 3 станет меньше потенциалов истока и сто­ка С, то упомянутая часть «-области (границы ее показаны точками) ока­жется обедненной электронами. Вследствие этого ширина канала, по которому могут проходить основные носители от электрода истока к элек­троду стока, уменьшится.

Если потенциал стока С будет выше потенциала истока И (н_си > 0), то током от истока к стоку можно управлять, изменяя напряжение меж­ду истоком и затвором u_w. При некотором н_зи = и_ЗИ} проводимость кана­ла стремится к нулю и ток /_с =0.

В полевом транзисторе p-типа п- и p-области меняются местами по сравнению с транзистором «-типа. Условные обозначения полевого тран­зистора «-типа показаны на рис. 15.26, б, а р-типа — на рис. 15.26, в.

§ 15.36 ВАХ полевого транзистора и схемы его включения. Вход­ные (стокозатворные) ВАХ i_c = и_зи) при некоторой фиксированной тем­пературе показаны на рис. 15.26, г. Параметром является напряжение между стоком и истоком г/_си. При некотором напряжении и_зи = й_ЗИ1 про­водящий канал перекрывается и ток /_с = 0.

Семейство выходных (стоковых) характеристик /_с = Л^си) ^ПР^{И па}“ раметре и_зи изображено на рис. 15.26, д.

На обоих рисунках в направлении стрелки параметр возрастает.

Три основных способа включения полевых транзисторов и-типа изоб­ражены на рис. 15.27. На рис. 15.27, а показана схема с общим истоком, на рис. 15.27, 6 — с общим затвором, на рис. 15.27, в — с общим сто-

а б в

Рис. 15.27

ком. Полярности источников для транзисторов p-типа следует изменить на противоположные по сравнению с указанными.

Полевые транзисторы имеют очень большое (теоретически бесконечно большое) входное сопротивление (во много раз больше, чем у биполяр­ных), и потому схема их замещения (рис. 15.27, г) при относительно ма­лых переменных составляющих для области относительно низких час­тот напоминает схему замещения электронной лампы (см. рис. 15.31). На ней изображен источник тока 5и_зи, где 5= Д/_с / Д м_зи — крутизна характеристики; п_зи — малая переменная составляющая входного напря­жения; g,= Д/_с/ Д н_зи — внутренняя проводимость. При высоких час­тотах на схеме рис. 15.27, г надо учесть частичные емкости между электродами 3 и С и И и С.

Достоинством полевых транзисторов является также большое усиле­ние по току и мощности.

§ 15.37 Основные сведения о трехэлектродной лампе. Трехэлект­родная лампа (триод) имеет три электрода: катод, анод и сетку. Эти элек­троды находятся в вакуумированном стеклянном или металлическом баллоне.

Катод, подогреваемый нитью накала от вспомогательной батареи (обычно не показываемой на схемах), испускает электроны вследствие явления термоэлектронной эмиссии. Поток электронов направляется ко второму (холодному) электроду — аноду — только в том случае, если потенциал анода выше потенциала катода. Если же потенциал анода сде­лать ниже потенциала катода, то потока электронов от катода к аноду не
будет (в этом случае анод не притягивает электроны, а отталкивает их). В результате этого электронная лампа обладает несимметричной ВАХ.

Третий электрод — сетка — расположен ближе к катоду, чем анод. Поэтому электрическое поле, создаваемое между сеткой и катодом, даже при малых напряжениях между ними оказывает сильное влияние на по­ток электронов с катода на анод. Сетка является управляющим электро­дом. Путем изменения потенциала сетки можно управлять анодным то­ком лампы. Как и транзистор, электронная лампа может быть включена в схему тремя основными способами: с общим катодом, с общей сеткой и с общим анодом (в зависимости от того, какой

из электродов является общим для анодной и се­точной цепей).

На рис. 15.28 изображена наиболее часто ис­пользуемая схема — схема с общим катодом. Как и транзистор, электронная лампа может служить в качестве усилителя тока, напряжения и мощ­ности. Возможность выполнения лампой всех этих функций основывается на том, что измене­

ние разности потенциалов между сеткой и катодом оказывает более силь­ное влияние на поток электронов с катода на анод, чем изменение (на то же значение) разности потенциалов между анодом и катодом.

§ 15.38 ВАХ трехэлектродной лампы для мгновенных значений. Цепь, образованную анодом и катодом трехэлектродной лампы, источни­ком ЭДС Е_а и нагрузкой /?_к, называют анодной цепью. Цепь, образо­ванную сеткой и катодом электронной лампы и источником ЭДС £_с, на­зывают сеточной цепью.