Статические и динамические характеристики и параметры.

Если плавно менять напряжение U_б, то ток I_б меняется, как показано на рис. 2.5, б. Если дискретно задавать значения I _е1, I _б2 и т.д. и плавно менять напряжение U_к, то получим семейство кол­лекторных (выходных) характеристик (рис. 2.5, в). Для нормаль­ной работы р-п-р транзистора требуется отрицательное напряжение на коллекторе. Открывается базовый переход отрицательным напряжением (рис. 2.5, г).

При положительном напряжении в базе транзистор закрывается.

Если плавно менять напряжение U₆, то ток I_б меняется, как показано на рис. 2.5, д. Если дискретно задавать значения I _е1, I _б2 и т. д. и плавно менять напряжение U_к, то получим семейство кол­лекторных (выходных) характеристик (рис. 2.5, е).

В усилительных схемах транзисторы могут применяться в двух режимах: в схеме с общим эмиттером и в схеме с общей базой. Включение транзистора с общим эмиттером показано на рис. 2.6, а.

В коллектор транзистора включен резистор R_к. В результате при протекании тока базы появляется ток коллектора. Это приводит к падению напряжения на резисторе, уменьшается напряжение в коллекторе. Если при I_б - 0 получим I _к = 0, напряжение в коллек­торе будет U_к = Е. Базовый ток I_б = 0,2 мА вызывает коллекторный ток I _к =β·I_б. Падение напряжения на резисторе R_к равно I_кR_к. На­пряжение в коллекторе U_к= Е-U_к = Е- I_к·R_к. Если базовый ток будет большим, то можно получить такой ток коллектора, кото­рый сделает I_к·R_к = E. B этом случае напряжение в коллекторе тран­зистора будет близко к нулю.

Уменьшение напряжения на коллекторе связано с появлением сопротивления R_к.

Входное и выходное сопротивления транзистора на перемен­яем токе определяются выражениями

R_1вх=ΔU_б/ΔI_б; R_1вых=ΔU_к/ΔI_к.

Для постоянного тока эти сопротивления определяются выражениями

R_2вх=ΔU_б/ΔI_б; R_2вых=ΔU_к/ΔI_к.

Эти параметры определяются по входным и выходным харак­теристикам транзистора (рис. 2.6, в, г). На этих характеристиках устанавливаются точки А₁ и В₁ соответственно.

Для этих точек по характеристикам определяются напряжение и ток. Для точки А₁ имеем U_б1 = 0,7 В и I_б1 = 0,2 мА. Для точки B₁ имеем U_1к = 7,5 В, I_1к =15 мА. Для этих данных получим R_2вх = 0,7/0,2 = 3,5 кОм, R_2вых = 7,5/15 = 0,5 кОм. Для определения со­противлений на переменном токе необходимо установить на ха­рактеристиках точки А₂ и В₂. В этих точках получим следующие значения

U _б2 =0,9 В и I_б2 = 0,6 мА;

U _2к = 35 В и I_2к =17,5 мА.

Определим значение ΔU _б = 0,9- 0,7 = 0,2 В, ΔI_б = 0,6 - 0,2 = 0,4 мА, ΔU _к = 35-7,5 = 27,5 В, ΔI_к = 17,5- 15 = 2,5 мА. В резуль­тате имеем

R_1вх = 0,2/0,4 = 0,5 кОм и R_1вых = 27,5/2,5 = 11 кОм.

Кроме входных и выходных сопротивлений по характеристи­кам транзистора можно определять и другие параметры. Так, по выходным характеристикам для точки В₁ находится базовый ток I_б = 0,175 мА, при этом ток коллектора равен I_к = 15 мА. Отсюда определяется коэффициент усиления транзистора на постоянном токе

β = I_к / I_б =15/0,175=85,7

На переменном токе коэффициент усиления определяется выражением

h₂₁ = ΔI_к / ΔI_б =2,5/(0,175-0,15)=100

Кроме рассмотренных параметров транзистора следует привес­ти еще два соотношения, которые используются в практических расчетах. Используя α - коэффициент передачи транзистора по току из эмиттера в коллектор, можно написать выражения

I_к = α· I _э; β = α/(1- α).

Коэффициент α = 0,95... 0,98.

Для определения рабочей точки транзистора необходимо прове­сти нагрузочную прямую. Рабочая точка или рабочий режим - со­стояние транзистора при отсутствии входного сигнала. Эта прямая проводится в области линейных участков выходных характеристик транзистора. Эта прямая не должна заходить в область больших - предельных мощностей рассеивания транзистором. Положение на­грузочной прямой показано на рис. 2.6, б. Прямая ВС является на­грузочной. Положение ее на выходных характеристиках определя­ется резистором R_к, Если усилитель имеет питающее напряжение Е= 20 В, это точка С, то при R_к = 2,5 кОм определяется максимальный ток через резистор R,. = 20/2,5 = 8 кОм, что соответствует точке В. Между точками В и С проводится прямая. По этой нагрузочной прямой можно определить напряжение в коллекторе для различных базовых токов. Для I_б = 0,1 мА U_к= 15 В; для I_б = 0,2 мА U_к= 10 В; для I_б = 0,3 мА U_к = 5 В; для I_б = 0,4 мА U_к = 2,5 В.

А теперь рассмотрим схему с общей базой (рис. 2.6, д). Выходные и входные характеристики усилителя (рис. 2.6, е, ж) несколько отличаются от предыдущего включения. В эмиттер подается отрица­тельное напряжение. На переходе транзистора эмиттер-база напря­жение падает на 0,6 В. Через резистор R_э, протекает ток I_э= (U_э - 0,6)/ R _э. Для простоты изложения положим, что I_э=U_э /R_э. Ток эмит­тера протекает через коллекторную цепь. Лишь незначительная часть тока эмиттера ответвляется в базовую цепь. В этой схеме, как и в предыдущей, нагрузочная прямая ВС определяется резистором R_к.

В третьем режиме включения транзистора с общим коллекто­ром биполярный транзистор работает в режиме повторителя сиг­нала (рис. 2.6, з, и). Для этого режима имеем U_б = U_э, I_э = U_э/R_э, I_э = I_к, I_б = I_к /β.

Рассмотрим выбор точки покоя усилительного каскада (рис. 2.7, а) на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Выбор точки покоя сводится к выбору тока коллектора I _к и напряжения U_K в режиме покоя. На семействах выходных и вход­ных характеристик, показанных на рис. 2.7, в, г, эта точка обо­значается буквой А. Через эту точку на выходных характеристиках проходит линия нагрузки ВС. В усилителях напряжения рабочая точка выбирается исходя из заданных значений амплитуды на­пряжения в коллекторе U _к и связанной с ней амплитудой тока коллектора (рис. 2.7, б) I_к = U_к/R_к. Нагрузочная прямая проводит­ся на выходных характеристиках транзистора при условии, что

I_{к max} = Е/R_к.

При действии на входе переменного сигнала напряжение в коллекторе не должно выходить за пределы участка ВС. В точке В для транзисторов малой мощности U_{к min} = 1 В, а для транзисто­ров с рассеиваемой мощностью более 1 Вт в точке В U_{к min} = 2 В.

При проведении нагрузочной прямой необходимо учитывать мощность, рассеиваемую транзистором. Гипербола допустимой мощности Р_тах приведена на выходных характеристиках (см. рис. 2.7, в). После определения по выходным характеристикам ра­бочего режима транзистора можно установить положение входно­го сигнала в базовой цепи. По входной характеристике определя­ется рабочая точка А' и уже из этого устанавливается напряжение U_бA’. На входной характеристике определяется амплитудное значе­ние входного сигнала

U_{к min} = U_бA’ -U_бС’.

На рис. 2.8, а, б, в показаны три схемы установления рабочей точки транзистора.

В схеме (см. рис. 2.8, д) рабочая точка в режиме покоя транзи­стора устанавливается с помощью делителя R₁ и R₂. Режим покоя транзистора определяется выражениями:

U_кэ = E- I_к·R_к - I_э·R_э, U_бэ = I₂·R₂ - I_э·R_э;

U_б = E- R₁·(I₂ - I_бА), Iк = I_э,

где I₂ - ток, протекающий через резистор R₂. В этой схеме, чем больше ток делителя R₁, R₂, тем лучше стабилизация режима покоя транзистора. Однако для увеличения I₂ необходимо уменьшить сопротивление резисторов R₁, R₂, что приведет к увеличению выделяемой на них мощности и уменьшению входного сопротив­ления каскада.

На практике ток делителя определяют из условия I₂ >(5...10) ·I_бА - для транзисторов с Р < 1 Вт и I₂ >(1...5) ·I_бА - для транзисторов с Р> 1 Вт.

Желательно также, чтобы ток делителя не превышал 10... 15 % тока коллектора, т.е. I₂ < (0,1...0,15) ·I_кА .

Таблица 2.1

В схеме (см. рис. 2.8, б) применяется цепь автоматического сме­шения транзистора в точку покоя. Это смещение задается резис­тором R_б, и определяется как

I_б=U_кб/R_б

На рис. 2.8, в приведена схема, где рабочая точка задается на­пряжением в базе транзистора U_б = 0, через резистор R_б на базу подается нулевой потенциал общей шины. Поскольку U_э = U_б, то через транзистор протекает ток, определяемый эмиттерным рези­стором R_э,

I_к = I_э =-E₂/ R_э

В результате в коллекторе устанавливается напряжение, равное

U_к = Е₂/2.

В аналогичном режиме задаются рабочие точки в схеме (рис. 2.8, г).

На рис. 2.8, д, е приведены две схемы составных транзисторов. С помощью этих схем можно значительно уменьшить входной ба­зовый ток усилительного каскада. Они применяются в том случае, когда транзистор VT2 рассеивает большую мощность и для его раскачки требуется значительный базовый ток. При объединении транзисторов следует знать, что с увеличением коллекторного тока коэффициент усиления транзисторов падает. Эта зависимость пред­ставлена на рис. 2.8, ж, а в числовом виде отображается табл. 2.1.