Elektronika_i_skhemotekhnika

и ток коллектора для второго варианта. В этих определениях слово общий означает вывод транзистора, который является общим с источником сигнала и нагрузки. В связи с разными входными и выходными токами интересно знать также отношения Iк/Iб и Iэ/Iб. Воспользовавшись уравнениями (5.1) и (5.2), получим

	Iк		Iк	1	ст	h	;	I э	h	1
			ст Iб		1 ст	21э			21э
	Iб							Iб		.	(5.3)
Учитывая близость ст к							единице, приходим к выводу, что				h21э 1 и, значит,

когда управляющим является ток базы, можно получить значительное усиление тока.

Охарактеризуем транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, как элемент более сложного электронного устройства. С этой целью два взаимодействующих р—n-перехода представим в виде схемной модели (рис. 5.3), называемой моделью Молла—Эберса. На схеме зависимые источники тока, управляемые током, N I1 и I I2 отражают взаимодействие двух переходов (двух диодов). Наличие в модели источника N I1 было объяснено выше, а появление второго источника связано с тем, что если в схеме на рис. 5.2,в поменять местами источники Uп и Uбэ, то коллекторный переход будет смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Соответственно коллектор станет эмитировать электроны в базу, а эмиттер их собирать. Произойдет инверсия направления токов Iк и Iэ. Такой режим работы транзистора называют инверсным, отражая равноправность обоих переходов. Из рис 5.2, б видно, что площадь коллектора больше площади эмиттера. Следовательно, коэффициент передачи тока в инверсном включении I меньше ( I 0,5—0,8) этого же коэффициента в нормальном включении N..

Конденсаторы Ск и Сэ отражают наличие зарядов разной полярности у обоих переходов. По механизму образования емкостей их называют барьерной и диффузионной, причем, когда переход закрыт, существенную роль играет первая емкость, а когда открыт — вторая.

Выражения для токов электродов согласно схемной модели и уравнению (5.2) имеют вид

Iк N I1 I2 ;

(4.4а)

Iэ I1 I I2 ;

	I '		U	бэ
I		exp
1	э0		mUT

I		I '		U
	2		exp		бк
		к0		mUT

(4.4б)

1

;

(4.5а)

1

.

(4.5б)

Рис.5.3

Уравнения (5.4) и (5.5), являются математической моделью транзистора. Их широко применяют для анализа статических и ключевых режимов работы при прямом и инверсном включении транзисторов. Нелинейность уравнений вынуждает вести расчеты на ЭВМ или в простейших достаточно приближѐнных расчѐтах по графикам характеристик (рис. 5.4). На рис. 5.4, а, б изображены соответственно входная и выходная характеристики транзистора, в схеме усилителя напряжения и тока (усилителя мощности).

Отметим особенность характеристик. Для линейного режима (при малых приращениях токов и напряжений) напряжение Uбк отрицательно и выполняется условие Uáý mUT , поэтому слагаемыми в выражениях (4.5),

содержащими expUáê / mUT , можно пренебречь. Отсюда сразу же следует

независимость тока коллектора от напряжения Uбк(Uкэ). Реально такая зависимость существует и объясняется конечным обратным сопротивлением rк закрытого перехода база-коллектор и током термогенерации р—n-перехода .

Рис. 5.4

В режиме насыщения напряжения Uбк> 0 и оба напряжения на переходах прямые. В результате напряжение Uкэ падает (см. первую формулу (5.2)) и становится меньше, чем на каждом из переходов (Uкэ 0,1—0,35 В), а главное,

меньше Uотп = 0,4 В (см. рис. 4.3) отдельных р—n-переходов. Это соотношение между Uкэminи Uотп широко используется при построении интегральных логических схем, работающих в импульсном режиме (см. 7.1).

В транзисторах с одинаковой площадью р—n-переходов и малыми токами можно еще сильнее уменьшать Uкэ, доводя его до единиц милливольт и увеличивая прямое напряжение на переходе база—коллектор. Такой режим работы транзисторов находит применение в коммутаторах слабых сигналов.

Для применения транзисторов в линейных усилителях режим их работы должен быть таким, чтобы нелинейные свойства проявлялись возможно меньше. Это получается, если на фоне больших постоянных токов и напряжений действуют небольшие переменные составляющие. Так как именно они являются переносчиками информации в усилителе, можно при исследовании усилительных свойств устройства ограничиться только нахождением соотношений между переменными напряжениями.

Постоянные токи и напряжения рассчитывают отдельно, используя модель Молла—Эберса.

В рабочей точке при малых приращениях переменных в модели (5.4)-(5.5) функции раскладывают в ряд Тейлора и ограничиваются линейными членами. Поэтому для малых переменных составляющих применяют малосигнальные (или дифференциальные) линейные модели, состоящие из линейных элементов и отражающие отношения приращений токов и напряжений.

Для расчетов электронных схем широко применяют метод узловых напряже-

ний. Поэтому дифференциальные параметры транзистора удобнее всего описать с помощью y-параметров линейного трѐхполюсника (рис. 4.5):

Рис. 5.5

i1 y11 y12u2 ;
	(4.	6а	)
i2 y21 u1 y22u2 ,
	(4.	6б		)

где y11= (i1/u1)u2=0 – входная проводимость; y22 = (i2/u2)u1=0 - выходная проводимость (ее измеряют и часто рассматривают как входную проводимость со стороны узлов 2); y21= (i2/u1)u2=0 — передаточная проводимость со входа на выход; y12= (i1/u2)u1=0 — передаточная проводимость с выхода на вход, отражающая обратную связь в транзисторе.

Для приведенных величин равенство нулю u1 или u2означает, что измерение соответствующего параметра производится в режиме короткого замыкания по переменному току (постоянные токи через выводы транзистора равны статическим значениям).

У маломощных транзисторов типичные значения y-параметров (в микросименсах) следующие: у11 = 2200; у12 = 0,45; у21 = 27 200; у22 = 7,8.

Схемная интерпретация соотношений (4.6), показана на рис. 5.6, а. Входная и выходная проводимости включены соответственно между входным и общим, выходным и общим узлами. Передаточные проводимости у21 и у12 из-за их необратимости представлены в виде коэффициентов у соответствующих зависимых источников тока, управляемых напряжением (ИТУН) (источник тока y21uбэ -отражает коллекторный ток, управляемый напряжением uбэ, а источник тока y12uкэ - базовый ток iбуправляемый напряжением uкэ). В большинстве практических случаев обратную связь в транзисторах через ИТУН с коэффициентом передачи у12 можно не учитывать (рис. 5.6,б) из-за малости y12 по сравнению с у11. Если к коллектору транзистора подключается база

следующего транзистора (низкоомная цепь нагрузки), то чаще всего можно не учитывать и проводимость у22 (рис. 4.6, в), так как у22<< у11.

Рис.5.6

Схемную модель транзистора (рис. 5.6, в) чаще всего будем применять при анализе его работы в линейных усилителях. Следует также учитывать соотношение между y-параметрами

y21 = h21y11 ,

(5.7)

где h 21 iê iá - коэффициент передачи тока транзистора.

Для разных типов транзисторов h21 лежит в пределах от 20 до 200, если не считать специальных транзисторов, у которых h21 может достигать нескольких тысяч. В справочных данных по транзисторам часто приводят так называемые смешанные h-параметры. Между у- и h-параметрами имеется следующая взаимосвязь:

y11 1 h11 ;

y21 h21 / h11;

y22 h22 .

(5.8)

Скорость протекания процессов в транзисторах и диодах конечна и зависит как от скорости переноса носителей заряда, так и от наличия емкостей у p-n- переходов.

Пусть в схеме усилителя напряжения на вход подаѐтся ступенька тока Iэ . Через открывшийся эмиттерный переход в базу начнут поступать электроны. Сначала, пока электроны не достигли коллекторного перехода, идѐт ток базы и ток эмиттера. Спустя среднее время пролѐта электронов через базу они достигают коллекторного перехода и начинается нарастание тока коллектора. Процесс нарастания тока коллектора с достаточной точностью аппроксимируют экспонентой. При этом изменяемым во времени параметром является коэффициент передачи тока транзистора. В операторной форме он запишется как

(s) / 1 s .	(5.9)
Для схемы усилителя напряжения и тока соответственно имеем

h 21		(s) h 21	/ (1 s h	21	э )
					,	(5.10)
где	h э ( h 21 1).
		21

Влияние ѐмкостей транзистора на время переходных процессов удобней учитывать в конкретных электронных схемах.

Простейшие усилители тока, напряжения и мощности на одном транзисторе

Сначала, используя базу в качестве электрода, на который подается сигнал, получим две возможные схемы (рис. 5.7, а и б). В схеме рис. 5.7, б использован транзистор типа p-n-p, чтобы обеспечить естественное протекание тока эмиттера от источника питания +Uп. В дальнейшем применяются в основном более быстродействующие транзисторы типа n-p-n, поэтому в схеме рис. 5.7, б применим транзистор с другим типом проводимости и преобразуем схему так, чтобы опять ток эмиттера совпадал с направлением, указанным стрелкой (рис. 5.10).

Рис.5.7

Затем, будем подавать сигнал на эмиттер и также образуем две схемы, но так как одна из них нашла практическое применение в специальных схемах так называемого «токового зеркала» она на рис. 4.8 не изображена, а будет показана при описании дифференциального каскада.

Таким образом, образованы три схемы усилителей, в которых транзистор включен параллельно с нагрузкой и при этом один из его электродов является общим с источником сигнала и нагрузкой (схемы с общим эмиттером (рис.4.7, а), с общей базой (рис. 4.8) и с общим коллектором (рис. 4.10)).

Uбэ Uотп

Проведем упрощѐнный анализ работы усилителя (рис. 4.7, а). Сначала рассмотрим его работу при условии, что источник напряжения смещения Uсм = 0. Включение нагрузки параллельно транзистору, являющемуся источником тока, управляемым напряжением uc с внутренним сопротивлением Rc, вызывает перераспределение тока Uп/ Rбал (рис. 5.6, д), между транзистором и Rн .Заменяя управляемую проводимость gу транзистором, т.е. подставляя вместо gу его параметр - передаточную проводимость -y21uбэ, необходимо учитывать, что это можно делать только для линейного режима работы транзистора. Нелинейность входной характеристики Iб (Uбэ ) приводит к тому, что при напряжениях

0,4 В транзистор будет заперт, а значит и его ток коллектора будет равен нулю, т.е. в уравнении (5.11) gу= 0. Получающееся напряжение на нагрузке, или что тоже самое, на выходе усилителя будет равно максимально достижимому в данной схеме. Обозначив его через U вВых .Обратите внимание на то, что входной сигнал имеет низкий уровень U cН 0,4 В .

Функциональный аспект в логических компонентах(см.). В логических компонентах рассмотренный режим работы является одним из основных, а этот усилитель принято называть инвертором, т.е. устройством, которое инвертирует уровень входного сигнала и восстанавливает уровень максимального напряжение на выходе. Анализ инвертора в этом режиме очень прост: транзистор удаляется из схемы, так как токи всех его электродов

равняются нулю.
Если входной сигнал имеет значение, приводящее	к неравенству
uбэ U* 0,7В , то транзистор войдѐт в режим насыщения.	В этом режиме

переходы база – коллектор и база эмиттер открыты, а напряжение на выходе

инвертора Uкэ.нас uбк uбэ 0,4В имеет низкий уровень Uвыхн . Заметьте, что отличие этого напряжения от нуля принципиально и связано с разными площадями эмиттерного и коллекторного переходов.

Для быстрых приближѐнных расчѐтов статического режима

часто транзистор, находящийся в режиме насыщения, заменяют в модели инвертора одним узлом, объединившем узлы подключения базы, коллектора и эмиттера. В этом случае расчѐт, так же как и в предыдущем, очень прост.

При более точном расчѐте учитывают падение напряжения на переходе

база эмиттер равное, в данном	случае uбэ	U* 0,7В ;		на переходе
коллектор эмиттер Uкэ нас. 0,3	В. Напряжение	сигнала при		этом имеет

высокий уровень UсВ ,а коэффициент передачи тока для большого сигнала B h21 может упасть до значения равного единице. В этом случае инвертор

работает как усилитель с h21 100 только при переходе сигнала на выходе от

одного уровня к другому, обеспечивая тем самым малое время переключения.

Таким образом, в логических элементах при низком ( 0,4 В) и высоком ( 0,7 В) уровнях сигнала усилитель работает в режиме переключения, а выходное напряжение изменяется с высокого ( Uп / 2) на низкий уровень (< 0,4

В).

Формально значения выходного напряжения легко находят из уравнения (4.11), положив соответственно gу= 0 и gymax>>gн + gбал . Последнее неравенство практически всегда выполняется при gymax = 0,02 Сим, которое легко выполняется в современных биполярных транзисторах.

Структурный аспект проектирования. Когда требуется линейное изменение масштаба сигнала с коэффициентом масштабирования больше единицы, необходимо схемы рис. 4.7 несколько изменить, чтобы обеспечить их линейный режим работы. Эта цель достигается, если переход баз-эмиттер

Рис. 4.8

Схему надо изменить так, чтобы транзистор был всѐ время открыт, а сигналы не могли изменить напряжение, приложенное к переходу база –

эмиттер, меньше уровня U отп и больше уровня Uбэ* 0,7В Обычно это

достигают или с помощью дополнительного источника смещения (подают Uсм 0,5В), или с помощью делителя напряжения.

Для линейного режима работы транзистора на входе справедливо уравнение второго закона Кирхгофа

U см uc iс Rc UбэА uбэ ,
где UбэА – напряжение в рабочей точке А, выбираемое при	uc = 0 с
целью обеспечения линейного режима работы транзистора.

Для упрощения расчѐтов анализируют только режим усиления сигналов. Тогда в вышеприведѐнном уравнении остаются только переменные составляющие

uбэ uс iб Rc uc uбэ y11Rc

или

uбэ		uc		iк y21 uбэ		y21uc	, uн iк R н .
		y11Rc и				y11Rc
1				1

Отсюда легко находим коэффициенты передачи напряжения и тока

K

uн

y21Rн

;

K

iн

h

u

i

1 y11Rc

21

uc

ic

,

где приближение справедливо, если пренебречь переменной составляющей тока, протекающей через балластный резистор. Это можно делать когда сопротивление нагрузки значительно меньше балластного сопротивления. Но именно этого и требуется для эффективного управления потоками энергии, поступающими от источника питания, как было выяснено в начале данного раздела. Максимальное усиление напряжения получается, если y11Rc 0:

Ku y21Rн .

Входное и выходное сопротивления равны соответственно

Rв х 1 y11 h11 ;

Rв ых Rбал .

Таким образом в усилителе, в котором транзистор включѐн по схеме с общим эмиттером, можно получить усиления напряжения и тока. Здесь же сразу отметим, что из общих соображений симметрии две оставшиеся схемы

включения могут обеспечить одна усиление тока (как будет видно из дальнейшего транзистор здесь включѐн по схеме с общим эмиттером), а другая усиление напряжения (транзистор включен по схеме с ОБ). Так как любой усилитель усиливает ещѐ и мощность сигнала на нагрузке, то очевидно в правильно спроектированном усилителе дуальные коэффициенты передачи (Ku и Kiсоответственно для ОК и ОБ) должны приближаться к единице. Как это часто бывает не главное свойство устройства повторитель напряжения (тока) используется чаще , чем более полезное свойство. Вспомните, ещѐ недавно транзисторные радиоприѐмники назывались транзисторами, хотя мало кому придет в голову автомобиль назвать гайкой, поскольку как и транзистор она является наиболее часто встречающейся деталью.

5. 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ) ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели Усилитель постоянного тока на низкой частоте не имеет спада АЧХ (рис.

5.1). Это возможно, если на пути прохождения сигнала от входа к выходу нет конденсаторов. Такая схема уже была рассмотрена (рис. 4.2), о некоторых ее недостатках уже писалось:

а) при Uc=0 через нагрузку протекает постоянный ток

IH=UK/RH=[UП-Rбал(IK+IH)]/RH;

IH(1+ Rбал/RH )= UП /RH - Rбал IK /RH;

IH= (UП -RбалIK )/ (Rбал+RH);

б) через источник uC протекает постоянный ток.