Как найти ток базы

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Расчет параметров биполярного транзистора

В соответствии с действующей рабочей программой по дисцип­лине «Промышленная электроника» студенты специальности ЭПП должны выполнить 4 самостоятельных расчетно-графические работы под контролем преподавателя. В настоящих методических ука­заниях изложены материалы по первой работе «Расчет параметров биполярного транзистора.

В основных положениях указаний изложен минимальный объем информации, позволяющий студенту выполнить предлагаемое зада­ние. Предполагается, что студент в процессе подготовки к непосредственному расчету должен изучить в полном объеме необходимый материал по рекомендуемым ниже учебникам и пособиям. При этом следует обратить внимание на физические явления, лежащие в основе работы транзистора, разобраться во взаимосвязи между его электрическими параметрами , хорошо представлять порядок величин параметров.

При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные контрольные вопросы помогут студенту не только определить степень его готовности к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.

Кроме формулировки задания, методические указания содержат справочные сведения по транзисторам, которыми студент обязан пользоваться.

Оформление выполненного задания в тетради должно быть аккуратным, с полной записью его условия. Графики выполняются с помощью графических принадлежностей.

Рекомендуются следующие учебники и пособия:

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.-М.:Высшая школа, 1982 /стр. 42-64/.
2. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988 /стр. 20-28/.
3. Основы промышленной электроники. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова.-М.: Высшая школа, 1986 /стр. 28-34/.

1. Основные положения

1.1. Биполярный транзистор и схемы его включения Биполярный транзистор представляет собой кристалл проводника, состоящий из трех слоев с различной проводимостью, как условно показано на Рис.1. Каждый из слоев снабжён электродами, необходимыми для подключения к внешней цепи, которые называются эмиттер, база и коллектор. Возможны два типа транзисторов и в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних эмиттерном и коллекторном слоях, и в среднем-базовом слое. Как видно из Рис.1., в биполярном транзисторе два перехода, которые называются эмиттерным и коллекторным. Рис.1 Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется типом основного носителя эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа – электроны. В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые в своем дрейфе от эмиттера к коллектору прохо­дят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заря­да нейтрализуется основными зарядами материала базового слоя. Биполярные транзисторы изготовлены так, что концентрация основ­ных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя, поэтому в базовом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей, поступающая из эмиттера, а 90-99 % рабочих носителей заряда доходят до коллектора. Для обеспечения описанного выше процесса дрейфа рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжение от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора типа приведена на Рис.2. Рис.2 Чтобы поток рабочих носителей заряда (электронов) из эмиттерного слоя поступал в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан «минус», а к базовому -«плюс». С увеличением напряжения эмиттер — база увеличивается поток носителей заряда, а поэтому и ток эмиттера. Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источника внешней цепи. Это обуславливает протекание тока базы, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли потока рабочих носителей заряда, которая нейтрализуется в базовом слое. Малая величина тока базы определяет функцию базового элект­рода как управляющего. Действительно, эффективное управление транзистором может быть только такое, которое потребляет малый уровень мощности. Для достижения коллектора электронами эмиттера вошедшими в базовый слой, необходимо, чтобы источник ЭДС, включенный между коллекторным и базовым электродами, обеспечивал подачу на коллектор положительного потенциала относительно базы. Это иллюстрируется на Рис.2. На Рис.2 представлено включение транзистора по схеме с общей базой. Наряду с такой схемой, на Рис.3. представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешних цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схемы) и выходная (правые части). Наименование схемы Рис.3 включения транзистора определяется электродом, который явля­ется общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе происходит управление работой транзистора, и в эту цепь включается источник входного сигнала. Нагрузка включается в выходную цепь. Входные и выходные токи в представленных схемах включения транзистора, а также напряжения между электродами транзистора, определяемые источниками ЭДС, различны и приведены в таблице 1. Таблица 1 Токи и напряжения во входной и выходной цепях схем включения транзистора

Схема включения	Входной ток	Входное напряжение	Выходной ток	Выходное напряжение
ОБ	IЭ	UЭБ	IК	UКБ
ОЭ	IБ	UБЭ	IК	UКЭ
ОК	IБ	UБК	IЭ	UЭК

Полярность напряжений источников ЭДС, показанная на Рис.3. соответствует транзистору типа . При использовании транзистора типа в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников должны быть изменены. 1.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме ОЭ Сведения о конкретном типе транзистора, необходимые для правильного выбора режима его работы, обычно приводятся в виде характеристик и систем параметров. Транзистор, описывается, в первую очередь, семейством вход­ных и выходных характеристик. Входными называется семейство вольтамперных характеристик входной цепи схемы включения тран­зистора, построенных для ряда фиксированных значений напряже­ния выходной цепи. Выходными называется семейство вольтамперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из таблицы 1 каждой схеме включения транзистора соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому и вход­ные и выходные характеристики транзистора будут определяться схемой его включения. Ниже будут рассматриваться характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Эта схема включения нашла наибольшее распространение. Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа представлены на рис.4 и 5*. Входная характеристика — это семейство вольтамперных характеристик I_Б (U_БЭ), построенных при постоянных значениях напряжения U_КЭ. Обычно, как видно из рис.4, приводятся две характеристики: одна для U_КЭ=0 , а другая для значения напряжения U_КЭ ,соответ­ствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольтамперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U_КЭ практически не отличаются друг от друга. Выходная статистическая характеристика транзистора, как показано на Рис.5 – это семейство вольтамперных характеристик I_К(U_КЭ), построенных для ряда значений тока I_Б. На выходной характеристике обычно строится рабочая область, т.е. область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора. Границы этой области представленной на Рис.5. связаны с тремя факторами: __________­­__ */ Для транзисторов типа напряжения U_БЭ и U_КЭ— отрицательной полярности. Рис.4 Рис.5 — максимальным значением напряжения U_КЭмах , превышение которого приводит к электрическому пробою в коллекторном переходе транзистора; — максимальным значением коллекторного тока I_Кмах , превышение которого может приводить к перегреву эмиттерного перехода; — максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, превышение которого приводит к перегреву этого перехода, Р_Кмах. На выходной характеристике, Рис.5., последнему фактору соответствует гипербола (1) Как видно из Рис.4 и 5, транзистор представляет собой нелинейный элемент, поскольку его входные и выходные вольтамперные характеристики нелинейные, а следовательно, величины входного и выходного сопротивлений зависят от соответствующих токов и напряжений. Однако на входных и выходных характеристиках транзистора можно выделить участки, где зависимости близки к линейным. В частности , линейными можно считать зависимости в рабочей области Рис.5 , если исключить малые значения напряжения коллектор – эмиттер. Область малых значений U_КЭ , где происходит резкое увеличение тока, не используются при работе транзистора в линейном режиме усилителей и генераторов. Известно из ТОЭ, что на участках, где вольтамперные характеристики нелинейных элементов могут быть аппроксимированные отрезками прямых, эти элементы могут рассматриваться как линейные. Поэтому транзистор в рабочей области часто заменяется эквивалентным четырехполюсником, характеризующимся определенными значениями h параметров, которые являются коэффициентами в соотношениях, связывающих не величины токов и напряжений, а величины их приращений, т.е ∆I_Б, ∆I_K, ∆U_БЭ, ∆U_КЭ. (2) Из первого соотношения системы (2) при ∆U_КЭ=0 (или U_КЭ=const) следует (3) Из этого же соотношения при ∆I_Б=0 (или I_Б =const) следует (4) Аналогичным образом второе соотношение системы (2) позволяет записать: (5) (6) Физический смысл h –параметров согласно соотношениям (3) – (6) следующий: h₁₁ – входное сопротивление транзистора, при постоянном значении напряжения U_КЭ ; h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению; h₂₁ – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U_КЭ и часто обозначаемый через β; h₂₂— выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы. 1.3. Определение h параметров транзистора Расчет значений h параметров производится для электрического режима транзистора, соответствующего рабочей точке (точке покоя) на его статических характеристиках. При работе в линейном режиме эта точка обычно располагается в центре ра­бочей области. Поэтому расчету значений h — параметров должно предшествовать определение рабочей области на выходной характеристике и выбор электрических параметров (I_БП , I_КП , U_БЭП , U_КЭП ), соответствующих рабочей точке. Значения h— параметров определяются с помощью построений на выходной или входной статической характеристике и с использованием соотношений (3) – (6). При этом обозначения параметров транзистора, входящих в соответствующее соотношение, показывают, какую именно характеристику следует использовать для определения конкретного h— параметра. Величины приращений электрических параметров транзистора в соотношениях (3) – (6) вычисляется как разность между двумя крайними значениями соответствующих параметров. Величина же параметра в рабочей точке должна располагаться в центре интервала между крайними значениями. Расчет величины параметра h₁₁ проводится по соотношению (3), где приращения значений тока базы и напряжения база-эмиттер определяются как разность соответствующих координат двух точек (крайних) на зависимости I_Б(U_БЭ) входной характеристи­ки, показанной на Рис.6. Напряжение U_КЭ , для которого приводятся построения, должно совпадать с рабочей точкой транзистора. Рис.6 Построения для расчета величины параметра h₂₂ с помощью соотношения (6) проводится аналогичным образом (см .Рис. 7) на выходной характеристике. Вольтамперная характеристика, на кото­рой выполняются построения, должна соответствовать току базы рабочей точки. Рис.7 Расчет величины параметра h₂₁ (или β) проводится в два этапа. Сначала по выходным характеристикам строится зависимость I_К (I_Б) для значения напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точ­ке. Фиксированные значения I_К этой зависимости, как видно из построения на Рис.8, определяются ординатами точек пересечения вертикальной прямой, проведенной через точку U_КЭП, с вольтамперными характеристиками для фиксированных значений I_Б. Затем по построенной кривой зависимости I_К (I_Б) (см. Рис.9) определяются приращения токов коллектора и базы для подстановки в соотношение (4). Величина параметра h₁₂ близка к нулю. Об этом свидетельствует тот факт, что в рабочем интервале значений напряжения U_КЭ вольтамперных характеристики I_Б(U_БЭ) транзисторов практически не отличаются друг от друга. Обычно величина параметра h₁₂ не определяется. 1.4. Схема замещения транзистора и определении значений ее параметров Рассмотренные выше h -параметры транзистора вводятся, в известной степени, формально. Поэтому для расчетов электрических схем на транзисторах предпочтительнее использовать схему Рис.8 Рис.9 замещения полупроводникового прибора. Под схемой замещения пони­мают электрическую схему, составленную из линейных элементов (сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжений), по своим свойствам отличающихся от реального объекта (в данном случае — транзистора). В соответствии с Рис.3 схему замещения транзистора целесооб­разно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема приведена на Рис.10. Очевидно, схема замещения справедлива для тех участков статических характеристик транзистора, где вольтамперные характеристики можно считать линейными, т.е. для тех участков, для которых выше определялись значения h –параметров. В связи с этим на Рис.10 токи и напряжения, обозначенные прописными буквами, являются малыми величинами (по сравнению со значениями параметров в рабочей точке) и соответствуют приращениям токов и напряжений, которые использовались при расчете h –параметров. Рис.10 Схема замещения Рис.10 справедлива для области низких час­тот к включает в себя три активных сопротивления, величины которых можно определить как отношение приращений напряжений в цепях транзистора к соответствующим им приращениям токов: дифференциальное сопротивление эмиттерного p—n перехода, численные значения которого обычно лежат в пределах от единиц до десятков Ом; объёмное сопротивление базы, величина которого в зависимости от типа транзистора составляет 100 — 400 Ом: дифференциальное сопротивление коллекторного p—n перехода, величина которого при включении транзистора по схеме ОЭ составляет несколько кОм и выше. Кроме того, схема замещения включает генератор тока в цепи коллектора, указывающий на то, что транзистор является активным элементом. Значение тока этого генератора пропорционально значению тока базы (βiб). С целью учета частотных свойств транзистора в схеме замещения обычно предусматривается емкость коллекторного p—n перехода, шунтирующая источник тока. В связи с тем, что при низких частотах влияние этой емкости незначительно, определение величины этого параметра ниже не предусматривается. Поэтому на схеме Рис.10 присоединение емкости коллекторного перехода обозначено пунктиром. Как видно из Рис.10 в схему замещения транзистора входят четыре элемента. Величину электрических параметров этих элементов можно связать с величинами четырех h –параметров. Для этого можно использовать законы Кирхгофа, рассмотрев схему замещения транзистора при тех же условиях, при которых были получены соотношения (3) – (6), т.е. при или . При условии , т.е при коротком замыкании выходных клейм схемы 10 выходной ток, по существу, определяется только величиной тока источника, поскольку сопротивление весьма велико, а , т.е. (7) Так как i_k и i_б эквивалентны приращениям соотвествующих токов и (8) Таким образом, параметры h₂₁ и β эквивалентны, о чем отмечалось выше. С учетом эквивалентности параметров и второй закон Кирхгофа, записанный для входного контура схемы Рис.10, дает (9) Поскольку токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой первым законом Кирхгофа , (10) а также в соответствии с соотношением (7) (11) После замены и эквивалентными им приращениями параметров соотношение (11) представляется в виде (12) Откуда (13) Условие I_Б=const эквивалентно режиму, при котором I_Б=0 . Для этого режима второй закон Кирхгофа для выходной цепи позволяет записать соотношение (14) С учетом того, что r_К(Э)>>r_Э , а величины и эквивалентны величинам приращений параметров и , из соотношения (14) следует (15) Второй закон Кирхгофа для входной цепи схемы Рис.10 в режиме с I_Б=const позволяет записать (16) Откуда вследствие соотношения (14) и эквивалентности и соответственно и получается (17) Из соотношений (8), (13), (15), (17) нетрудно получить выражения для определения параметров схемы замещения транзистора через его h—параметры (18) (19) (20) (21)

Расчет тока базы транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

• p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
• n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

• В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
• В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база < 0 – для n-p-n транзисторов),

2. Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

5. Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n

Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n

Режим для типа n-р-n

нормальный активный режим

Определение зависимости тока базы от напряжения

Для расчета режима транзистора по постоянному току с делителем напряжения удобно воспользоваться графиком зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер. В старых справочниках по транзисторам можно было встретить такие графики. Но ничто не мешает построить эту зависимость, если это интересно, самостоятельно, либо в программе Qucs, как я собираюсь это сделать, либо с помощью макетной платы, на которой будет установлен транзистор и необходимые источники питания. Схемы проведения экспериментов получатся одинаковыми, но при реальной экспериментальной проверке следует быть очень внимательным, чтобы не испортить транзистор. Если в вашем распоряжении есть функциональный генератор с выходным сигналом треугольной формы, и генератор может работать на очень низких частотах, скажем, 0.1 Гц, то можно включить его на вход схемы и снимать показания, записывая их в таблицу.

По полученной зависимости, если она в табличном виде, легко построить график. Полученная зависимость может, в свою очередь, зависеть от других параметров, например, напряжения на коллекторе транзистора или температуры. Я не думаю, что вы настолько педантичны, что захотите проводить реальные эксперименты по полной программе. Я даже не думаю, что подобный эксперимент будет иметь для вас большее значение, чем первоначальное знакомство с предметом. Но при использовании программы вы имеете возможность не заботится о сохранности транзисторов и приборов, и в этом случае вы можете проводить подобные эксперименты всякий раз, когда у вас возникают сомнения в правильном понимании происходящего.

Экскурсия по электронике

Итак. Транзистор включен по схеме рисунка 7.7.b. Вместо того, чтобы подбирать значения сопротивлений, мы хотим получить эти значения расчетным путем.

Рис. 7.18. Получение зависимости тока базы от напряжения И рядом разместим результаты измерений параметров другого транзистора.

Рис. 7.19. График зависимости тока базы для транзистора 2N3507

Преимущество использования программы в том, что токи порядка 100 мА, если мы будем ориентироваться на предыдущие расчеты, нас будут мало интересовать, а именно такие зависимости вы можете обнаружить в справочнике. В программе достаточно изменить пределы «качания» параметра, то есть, начальную и конечную точку. Возьмем, например, в качестве начальной точки 0.75 В, а в качестве конечной 0.85 В, и повторим предыдущее моделирование в этом диапазоне значений.

Экскурсия по электронике

Рис. 7.20. График зависимости тока базы в заданном диапазоне напряжений

Вместе с тем, есть два фактора, могущие повлиять на ваше решение о способе проведения эксперимента. Первый, вы не хотите использовать программу, а второй — отсутствие данных о взаимозаменяемости транзисторов, и отсутствие нужного вам транзистора в библиотеке компонентов программы. В этом случае вы решите провести реальный эксперимент. Думаю, и в этом случае вы уже не должны испытывать затруднений.

Конечно, я, снимая характеристики, мог себе позволить использовать 2000 точек. Не думаю, что это потребуется вам. Достаточно нескольких в заданном диапазоне напряжений, который можно получить тоже с помощью нескольких предварительных замеров.

Не помню, приходилось ли мне проводить подобные испытания, почти уверен, что если и приходилось, то использовался подходящий прибор для получения характеристик, но, сознаюсь, что с большим интересом проделал все, о чем говорил, перебрал с десяток транзисторов из библиотеки компонентов программы Qucs, добавлял вольтметр для измерения напряжения на коллекторе и смотрел, как оно зависит от напряжения базаэмиттер, менял температуру транзистора.

Частотные характеристики усилителя

Выше я говорил об амплитудно-частотной характеристике усилителя. Это достаточно важный параметр для любого усилителя. В этом смысле усилители можно разделить на несколько групп: широкополосные усилители, полосовые, избирательные.

Что такое АЧХ? Это зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при неизменной амплитуде входного сигнала. В своих примерах я использую усилители низкой частоты (или звуковые), поскольку с ними любители сталкиваются чаще, но все сказанное можно отнести к любым усилителям. На практике снимать амплитудно-частотную характеристику приходится не так часто. Но при этом, не следует забывать, что это важный параметр успеха или неудачи в вашей работе.

Что может повлиять на амплитудно-частотную характеристику простого транзисторного усилителя на одном транзисторе, включенным с общим эмиттером? Когда я рассказывал о том, что такое транзистор, я говорил, что p-n переход — это нечто подобное конденсатору. Посмотрим, как выглядит амплитудно-частотная характеристика простой RC цепи.

Экскурсия по электронике

Рис. 7.21. Амплитудно-частотная характеристика RC цепи И для сравнения я приведу АЧХ простого усилителя в той же полосе частот.

Рис. 7.22. Амплитудно-частотная характеристика каскада на транзисторе

Обе характеристики имеют область частот, где амплитуда сигнала на выходе остается постоянной. И обе имеют области частот, где амплитуда выходного сигнала меняется. Во втором случае это начальная область частот, где изменение амплитуды обусловлено конденсатором 1 мкФ, включенным на входе усилителя. Это конденсатор изменил характер зависимости амплитуды сигнала от частоты. Транзистор, который я использовал для построения каскада усиления, идеальный. И если бы ни конденсатор на входе, АЧХ была бы плоской линией «от края и до края». Что изменится, если я заменю идеальный транзистор реальной моделью?

Экскурсия по электронике

Рис. 7.23. Амплитудно-частотная характеристика с транзистором 2N3507

Я увеличил конденсатор на входе до величины 1000 мкФ, чтобы сделать амплитудночастотные характеристики RC цепи и транзисторного усилителя похожими на начальном участке характеристики. Теперь они обе в районе частоты 100 кГц (1e5 на графиках) начинают спадать. То есть, реальный транзистор, в отличие от идеального, можно представить как идеальный с добавленной внутри транзистора RC цепью. RC цепь вида, изображенного на рисунке 7.21, называется интегрирующей, а амплитудно-частотная характеристика такой цепи имеет частоту среза. За такую частоту на практике принимают частоту, где амплитудно-частотная характеристика спадает на 3 дБ. Вернемся к графику рисунка 7.2.1, который я несколько переделал: расширил диапазон частот и применил логарифмический вид графика для напряжения, а не только для частоты.

Рис. 7.24. Характер спада АЧХ за частотой среза RC цепи

Двумя вертикальными линиями я отметил участок АЧХ за частотой среза, где частота изменяется в 10 раз. В 10 раз изменяется и отношение напряжений. Если выразить это отношение напряжений в децибелах, для напряжения это 20log(U1/U2), то принято говорить,

Экскурсия по электронике

что за частотой среза напряжение спадает со скоростью 20 дБ на декаду. Добавим в этом эксперименте (с RC цепью) еще одну RC цепь с другой частотой среза.

Рис. 7.25. АЧХ двух RC цепей, включенных последовательно

Две вертикальные линии отмечают декаду на оси частот, при этом отношение напряжений, это видно на графике, равно 100 или 40 дБ. Следовательно, две RC цепи с разными частотами среза дают АЧХ, частично спадающую со скоростью 40 дБ на декаду. Кроме изменения амплитуды сигнала на частоте среза и более высоких частотах меняется фаза сигнала относительно входного. График такой зависимости называется фазо-частотной характеристикой. Но как ее получить в программе Qucs, я не знаю. Есть два способа «сжульничать» на этот раз: нарисовать эту кривую вручную, но я плохой рисовальщик, или использовать другую программу, что мне гораздо проще. Я раньше получал подобные графики в программе Multisim с помощью плоттера Боде, думаю, проще отыскать их в архиве и использовать для демонстрации.

Экскурсия по электронике

Рис. 7.26. Фазочастотная характеристика одной RC цепи

На частоте среза около 153 кГц фаза выходного сигнала изменилась на 45 градусов, она будет продолжать меняться до 90 0 . И такая же фазо-частотная характеристика для двух RC цепей.

Рис. 7.27. Фазо-частотная характеристика для двух RC цепей

Значение сопротивлений и конденсаторов я брал в точности те же, что и раньше. С двумя RC цепями сдвиг фаз еще больше, а затем он завершится на некоторой частоте, где станет равен 180 0 .

К чему я это все? По аналогии между однокаскадным усилителем и одиночной RC цепью двухкаскадный усилитель будет похож по своим частотным свойствам на двойную RC цепь. То есть, будет некоторая частота, на который фазовая характеристика «повернется» на 180 0 . Казалось бы, и что? А то, что отрицательная обратная связь, если ею охвачены оба каскада усиления, а это делается достаточно часто, отрицательная обратная связь на этой частоте превратится в положительную. А двухкаскадный усилитель, если на этой частоте его усиление больше единицы, превратится в генератор. Генератор заказывали?

Особенно это относится к усилителям мощности звуковой частоты. Это прекрасная область приложения сил для начинающих в том, что касается электроники, но усилители мощности, как правило, имеют три каскада усиления: входной каскад, предоконечный и оконечный. Проблема устойчивости в таком усилителе, традиционно охваченном общей петлей обратной связи от выхода ко входу, становится весьма актуальна.

Давайте посмотрим, как влияет замена транзисторов на частотные свойства однокаскадного усилителя. Используем схему рисунка 7.23 в качестве базовой, будем выбирать из библиотеки компонентов программы Qucs разные транзисторы и посмотрим, как

Экскурсия по электронике

меняется частота среза, и не будем забывать, что на частоте среза фаза меняется на 45 0 . Затем, проведя эти эксперименты, попробуем оценить разные схемы включения транзистора: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой, — с точки зрения частотных свойств усилителя.

Выбирая транзисторы для схемы из библиотеки компонентов обращайте внимание на верхнюю граничную частоту транзистора. А если будете проводить эксперименты на макетной плате, загляните в справочник по транзисторам, верхняя граничная частота довольно часто фигурирует в качестве справочного параметра.

Рис. 7.28. Амплитудно-частотная характеристика каскада с транзистором 2N2222A

Транзистор 2N2222A имеет граничную частоту 300 МГц. А транзистор BC237BP имеет граничную частоту 150 МГц.

Рис. 7.29. Амплитудно-частотная характеристика каскада с транзистором BC237BP

Экскурсия по электронике

А теперь проверим работу транзистора 2N2222A при разных вариантах включения транзистора. Первая схема, как на рисунке 7.5, схема с общей базой. Изменилось значение резистора нагрузки и напряжение питания, увеличилась емкость конденсатора на входе усилителя, все остальное осталось без изменений.

Рис. 7.30. АЧХ усилителя с общей базой

Не меняя ничего, кроме резистора R2, новое значение 100 Ом, и напряжения питания, стало 3 В, мы получим следующую амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 7.31. АЧХ усилителя с общей базой при уменьшении сопротивления нагрузки

Очень интересно, если сравнить обе характеристики, то заметно, что частота среза с 10 МГц сместилась к 100 МГц.

Похожие исследования проведем для схемы с общим коллектором, взяв за основу схему на рисунке 7.6.

Экскурсия по электронике

Рис. 7.32. АЧХ усилителя с общим коллектором

Аналогично предыдущему эксперименту уменьшим сопротивление нагрузки R2 до 100 Ом, а напряжение питания до 3 В.

Рис. 7.33. АЧХ при изменении сопротивления нагрузки

А теперь повторим все для простой схемы с общим эмиттером. Начнем с сопротивления нагрузки в 1 кОм и напряжения источника питания 5 В. Второй эксперимент проведем с резистором 100 Ом и питанием 3 В.

Похожие публикации:
1. Выпрямитель генератора что это
2. Как очистить автоподбор слов в андроид
3. Как удалить гугл рай
4. Кто открыл явление электромагнитной индукции