Tretyak_Tikhonov_Uch_posobie_2012

Взависимости от предельно допустимой мощности рассеяния на коллекторе различают транзисторы малой, средней и большой мощности.

Взависимости от предельно допустимой частоты тока и напряжения различают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные транзисторы.

10.7. Нагрузочный режим работы биполярного транзистора

При работе транзисторов в усилителях используется нагрузочный (динамический) режим работы транзистора. Усилителями называются устройства, в которых с помощью малых изменений величины на их входе происходит управление значительно большими изменениями

няющийся в зависимости от входного сигнала uвх, в коллекторную цепь транзистора T включается нагрузочное сопротивление Rк.

Уравнение нагрузочного режима для цепи коллектора имеет вид

При изменении входного сигнала uвх изменяется ток базы, что приводит к изменению тока цепи коллектора Iк, следовательно, изменяется напряжение на нагрузочном сопротивлении IкRк, что приводит к изменению напряжения Uкэ, переменная составляющая которого поступает на выход усилительного каскада.

В соответствии с уравнением (10.17) строится нагрузочная вольтамперная характеристика транзистора.

240

стики со статическими являются рабочими точками в усилительном каскаде при соответствующих токах базы.

Графоаналитический метод с использованием нагрузочной характеристики, построенной на семействе статических характеристик, широко применяется при анализе работы усилительных схем.

Ключевой режим работы транзистора от усилительного отличается тем, что транзистор может находиться только в двух состояниях: в состоянии отсечки, которому соответствует точка 1 на нагрузочной характеристике, и в состоянии насыщения, которому соответствует точка 2 (см. рис. 10.23). Особенность этого режима состоит в том, что на коллекторе транзистора рассеивается очень маленькая мощность, и поэтому, в отличие от усилительного режима, отпадает необходимость использования радиатора даже для мощных транзисторов. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, можно опреде-

где Iк – ток коллектора; Rк – сопротивление коллекторного перехода. В режиме отсечки ток Iк очень мал, поэтому и мощность Рк также мала. В режиме насыщения ток Iк достигает максимального значения, но сопротивление Rк мало, поэтому и мощность Рк тоже мала. Пере-

241

ход транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения и обратно происходит практически мгновенно под действием управляющего напряжения, подаваемого на базу. За это время транзистор не успевает нагреться.

10.8. Полевые транзисторы

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Протекание тока в канале обусловлено только одним типом зарядов. Электроды, подключенные к каналу, называются стоком и истоком, а управляющий электрод – затвором. Управляющее напряжение, создающее электрическое поле в канале, приложено между затвором и истоком.

Различают полевые транзисторы двух типов: с затвором в виде р- n перехода и с изолированным затвором.

Устройство транзистора с затвором в виде p-n перехода представлено на рис. 10.24. Основу полевого транзистора составляет полупроводниковая пластина р-типа, к торцам которой приложено напряжение UС, создающее ток IС, протекающий через сопротивление нагрузки Rн.

Рис. 10.24. Схематическое изображение полевого транзистора с p-n переходами

В полупроводниковой пластине этот ток создается движением основных носителей заряда. Торец пластины, от которого движутся носители заряда, называется истоком. Торец, к которому движутся носители заряда, называется стоком. В две противоположные боко-

242

вые поверхности основной пластины вплавлены пластинки n-типа. На границе раздела возникают p-n переходы, к которым в непроводящем направлении между истоком и затвором приложено входное напря-

жение UЗ.

Величина этого напряжения может изменяться при обязательном сохранении указанной на схеме полярности. С увеличением напряжения на затворе области p-n пе-

реходов увеличиваются, а попе- IС речное сечение канала и его проводимость уменьшаются.

Таким образом, изменением напряжения UЗ на затворе можно изменять ток через сопротивление нагрузки Rн и выходное на-

пряжение Uвых.

Работу полевого транзистора принято характеризовать зави-

симостью IC=f(UC) при различных значениях напряжения на затворе UЗ (рис. 10.25).

Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком приведено на рис. 10.26.

Полевой транзистор может включаться также по схеме с общим

Рис. 10.26. Схемы включения с общим истоком и условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:

а – с каналом n-типа; б – с каналом р-типа

Перед биполярными полевые транзисторы имеют существенные преимущества, к которым относятся большое входное сопротивление, малый уровень собственных шумов, незначительное влияние темпе-

243

ратуры на усилительные свойства. Ток затвора полевого транзистора очень мал и составляет Iз=10–8–10–12 А.

Полевые транзисторы выпускаются также с изолированным затвором. В отличие от транзистора с затвором в виде p-n перехода в транзисторах с изолированным затвором между каналом и затвором внесен изолирующий слой. У транзисторов с изолированным затвором, которые называют транзисторами МДП-типа (металл-

диэлектрик-полупроводник), ток затвора уменьшен до величины

IЗ=10–13–10–16 А.

10.9. Классификация усилителей

Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов за счет энергии включенного источника питания. Различные усилители применяются

личают усилители медленно изменяющихся напряжений и токов или усилители постоянного тока (рис. 10.27,а), усилители низких частот (рис. 10.27,б), усилители высоких частот (рис. 10.27, в), широкополосные усилители (рис. 10.27, г) и узкополосные усилители (рис. 10.27,д).

Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различного типа приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различного типа

Вусилителях с нелинейным режимом работы при увеличении амплитуды напряжения на входе больше некоторого граничного уровня изменение напряжения на выходе усилителя практически отсутствует.

Такие усилители применяются главным образом в устройствах импульсной техники, в том числе логических.

Внастоящее время усилительная техника основана на широком внедрении усилителей в интегральном исполнении. Поэтому актуальным становится не разработка самих усилителей, а их применение для реализации различных функциональных узлов систем автоматики, управления и измерения.

10.10. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

На рис. 10.28 приведена типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.

В этой схеме общий провод входной и выходной цепей заземлен. Источник входного сигнала (показан на схеме штриховой линией) имеет ЭДС ec=uc и внутреннее сопротивление Rвт. С1 и С2 – разделительные конденсаторы, отделяющие постоянный ток (цепь питания) от переменного тока (цепи источника усиливаемого сигнала

245

составляет 100–300 кОм, что значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.

Рис. 10.30. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОК

0,8–0,9, т.е. близок к единице. При этом сигнал на выходе усилительного каскада повторяет форму и фазу сигнала на входе.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых составляет (10–50) Ом, что значительно меньше выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.

Усилительный каскад с ОБ имеет значение коэффициента усиления по напряжению, близкое к его значению для усилительного каскада с ОЭ. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления по току меньше единицы и, вследствие этого, мал его коэффициент усиления по мощности. Кроме того, он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.

10.11. Усилительные каскады на полевых транзисторах

По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком

248

(ОИ) и общим стоком (ОС). Чаще других используется усилительный каскад с ОИ.

На рис. 10.31 приведена типовая схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ. Назначения всех элементов схемы аналогичны их назначениям в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ.

+Ес

Рис. 10.31. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ

При синусоидальном входном сигнале усилительного каскада с

ОИ:

▪входное сопротивление Rвх=102–103 кОм;

▪выходное сопротивление Rвых=Rс=10–100 кОм;

▪коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хо-

да Кu = U&и =10–100;

U&с

▪ коэффициент усиления по току Кi = I&и =50–500;

I&с

=(0,6–40)·103.

Главным достоинством усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ относительно усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ является большое входное сопротивление, основным недостатком – меньшее быстродействие. Последнее объясняется наличием больших емкостей между электродами полевого транзистора, влияние которых в приведенном выше анализе не учитывалось.

249