ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ И УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

НА ТРАНЗИСТОРАХ

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности.

Наиболее распространенными являются биполярные и полевые транзисторы.

Биполярный транзистор представляет собой структуру р-n-р или n-р-n типа, полученную в одном монокристалле полупроводника (рис. 4.1). Внутренняя область, разделяющая р-n-переходы, называется базой. Внешний слой, предназначенный для инжектирования носителей в базу, называется эмиттером, а р-n переход П1, примыкающий к эмиттеру, - эмиттерным. Другой внешний слой, экстрактирующий (вытягивающий) носители из базы, называется коллектором, а р-n переход П2 - коллекторным.

Транзистор - активный элемент, усиливающий мощность электрического сигнала. Это усиление происходит за счет потребления энергии внешних источников питания. Изменяя ток по входной цепи по определенному закону, можно получить в выходной цепи усиленный сигнал той же формы.

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов является входным, второй выходным, а третий - общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Схемы различных усилительных каскадов для транзисторов типа n-р-n приведены на рис. 4.2.

Рисунок 4.1 – Структура и изображение на схемах биполярного транзистора типа р–n–р (а) и типа n–p–n (б)

Для транзисторов р-n-р типа в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направления токов. В усилительном режиме работы транзистора его эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном независимо от схемы включения.

Рисунок 4.2 – Схемы усилительных каскадов с общим эмиттером (а), с общим коллектором (б) м с общей базой (в)

Основными параметрами усилителей являются: коэффициент усиления по току К₁ = DI_ВЫХ/DI_ВХ, коэффициент усиления по напряжению К_U = DU_ВЫХ/DU_ВХ, коэффициент усиления по мощности К_Р = DР_ВЫХ/DР_ВХ, входное сопротивление R_ВХ=DU_ВХ/DI_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ=

DU_ВЫХ /I_ВЫХ, коэффициент полезного действия - отношение мощности, поступающей в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания,

h = Р_Н/Р_П.

Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером, имеющая наибольшее усиление мощности. Каждая схема включения характеризуется входными и выходными семействами статических вольт-амперных характеристик (рис. 4.3).

Статические ВАХ снимаются при отсутствии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Используя статические вольт-амперные характеристики можно определить приближенные значения h-параметров транзистора. Для определения h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выходных).

Рисунок 4.3 - Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора

Параметры рассчитываются по конечным приращениям токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:

DU_БЭ=h₁₁DI_Б + h₁₂DU_КЭ, (4.1)

DI_К = h₂₁DI_Б + h₂₂DU_КЭ, (4.2)

где h₁₁ = | DU_БЭ / DI_Б | U_КЭ= const - внутреннее сопротивление транзистора;

h₁₂= | DU_БЭ / DU_КЭ | I_Б = const - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;

h₂₁ = | DI_К/ DI_Б | U_КЭ= const - коэффициент передачи (усиления) по току;

h₂₂= | DI_К / DU_КЭ| I_Б= const - выходная проводимость транзистора.

Для определения параметров h₁₁и h₁₂ схемы с общим эмиттером на семействе входных характеристик (рис. 4.1, а) в рабочей точке А строят треугольник АВС (из А проводят прямые, параллельные оси абсцисс и оси ординат до пересечения со второй характеристикой в точках В и С). Из полученного треугольника находим:

h₁₁= |DU_БЭ/DI_Б| = АВ/АС (4.3)

h₁₂=|DU_БЭ/DU_КЭ|= АВ/|U_КЭ2- U_КЭ1|. (4.4)

В рабочей точке А^/ на выходных характеристиках (рис. 3 б) определяют параметры h₂₁и h₂₂:

h₂₁ = |DI_К /DI_Б| = А^/D^//(I_Б2- I_Б1) (4.5)

h₂₂= |DI_К/DU_КЭ| = В^/С^//А^/В^/(4.6)

При наличии сопротивления в выходной цепи получаем динамический режим работы транзистора. В таком режиме изменения коллекторного тока при Е_К = const и R_Н = const зависят не только от изменения базового тока, но и от изменений напряжения на коллекторе:

U_кэ= Е_к - I_н R_к(4.7)

которое, в свою очередь, определяется изменениями как базового, так и коллекторного токов. То есть в динамике одновременно изменяются все токи и напряжения в транзисторе. Характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, называются динамическими. Они строятся на семействах статических ВАХ при заданных значениях Е_К и R_К. Для построения динамической выходной характеристики схемы с общим эмиттером (рис. 4.4) используется уравнение динамического режима (4.7), которое представляет собой уравнение прямой. Точка пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора (точка Р). Изменяя I_Б, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя - Р_О. Существует три основных режима работы транзистора: активный (линейный, усилительный) I, насыщения II и отсечки III. Область отсечки ограничена сверху ВАХ соответствующей I_Б = -I_КО (оба р-n перехода транзистора закрыты). Область насыщения ограничена справа прямой линией, из которой выходят статические ВАХ (оба р-n перехода транзистора открыты). Активная область лежит между областями насыщения и отсечки (эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт). В активном режиме точка покоя транзистора Р_О находится примерно посредине нагрузочной прямой МN, а рабочая точка не выходит за пределы участка МN. Активный режим используется в усилителях, генераторах и других устройствах обработки непрерывно изменяющихся сигналов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзисторов и используются в импульсном и цифровых устройствах.