- •Электронные твердотельные приборы
- •Часть 1
- •Введение
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.2. Собственные полупроводники
- •1.3. Электронные полупроводники
- •1.4. Дырочные полупроводники
- •1.5. Токи в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
- •2.2. Прямое и обратное включение p-n перехода
- •2.3. Теоретическая вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.4. Реальная вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.5. Емкости p-n-перехода
- •Контрольные вопросы
- •3.1. Классификация, разновидности
- •3.2. Стабилитроны
- •3.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •Контрольные вопросы
- •4. Биполярные транзисторы
- •4.1. Физические процессы и токи в транзисторе
- •4.2. Moдyляция ширины бaзы
- •4.3. Статические характеристики
- •4.4. Влияние температуры на статистические характеристики
- •4.5. Малосигнальные параметры и эквивалентная схема
- •4.6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
- •4.7. Частотные свойства биполярных транзисторов
- •Контрольные вопросы
- •5. Полевые транзисторы
- •5.1. Физические процессы в полевом транзисторе с p-n-переходом
- •5.2. Малосигнальные параметры полевого транзистора
- •5.3. Эквивалентная схема полевого транзистора для малого сигнала
- •5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •5.5. Полевой транзистор с плавающим затвором
- •5.6. Полевой транзистор с затвором Шоттки
- •5.7. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •Контрольные вопросы
- •6. Тиристоры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический Список
- •ОглавлеНие
- •Электронные твердотельные приборы
- •680021, Г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
4.6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
Расчёты основных параметров
Усилительный каскад должен содержать транзистор, источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную – нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением er и внутренним сопротивлением Rr, а нагрузку – резистором Rн .
На рис. 4.16 приведена схема усилительного каскада с ОЭ.
Полярность источника питанияEK обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы RБ и RК задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах – рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы C1 и C2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления.
В рассматриваемой схеме постоянные составляющие токов и напряжений определяются следующими выражениями:
Iб(0 ) = ;(4.11)
IK(0) = ;
UКЭ(0) = Ек – Iк(0)Rк , (4.12)
Будем считать, что источник сигнала по отношению к транзистору является генератором тока iГ iГmsin, где iГm = EГm / RГ. Тогда полный входной ток транзистора можно определить:
IБ = IБ(0) + iГmsin. (4.13)
Сопротивление нагрузки – RH >> RK.
Для описания работы транзистора воспользуемся семейством выходных характеристик (рис. 4.17) iK = f(iБ,uкэ).
Рис. 4.17
Учитывая, что характеристика резистора RK подчиняется закону Ома, получим iK = , где ()– падение напряжения на резисторе RK. Это уравнение называется уравнением нагрузочной линии. Её график имеет вид прямой линии, проходящей через точку EK на оси абсцисс и через точку EK/RK на оси ординат.
Поскольку через транзистор и RK протекает один и тот же ток iK, то его величина и напряжение UКЭ могут быть найдены путем решения системы уравнений:
iK = f(iБ,uкэ)
iK = . (4.14)
Эта система уравнений может быть решена графически, путём нахождения точек пересечения нагрузочной линии с графиками выходных характеристик транзистора.
Для определения параметров режима по постоянному току примем er = 0. Тогда значения постоянной составляющей тока коллектора Ik(0) и напряжения UКЭ(0) определяются пересечением нагрузочной линии и статистической характеристики транзистора, снятой при iБ = IБ(0) – точка А (рис. 4.17).
При подаче на вход каскада напряжения er ток базы будет изменяться относительно IБ(0) по синусоидальному закону с амплитудой IБm = и рабочая точка будет перемещаться по нагрузочной линии между точкамиB и С. Соответственно будет изменяться ток коллектора с амплитудой IKm около значения IК(0) и напряжение на коллекторе с амплитудой UKm около значения UКЭ(0). При этом ток коллектора iK будет находиться в фазе с током базы iБ, а выходное напряжение UКЭ в противофазе (увеличению тока базы соответствует увеличение тока коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе (рис. 4.17).
Для определения входного напряжения UБЭ необходимо воспользоваться входной характеристикой транзистора IБ = f(UБЭ) при UКЭ = UK(0), приведенной на рис. 4.18.
Постоянному токуIБ(0) соответствует постоянное напряжение UБ(0). При изменении тока базы с амплитудой IБm входное напряжение изменяется с амплитудой UБm. Обратим внимание на то, что выходное напряжение в данном каскаде (ОЭ) противофазно входному.
Определив с помощью графических построений амплитуды входных и выходных сигналов,
UВХ.m = UБm, IВХ.m = IБm, UВЫХ.m = UKm, IВЫХ.m = IKm,
можно рассчитать основные параметры усилительного каскада:
KU = – коэффициент усиления по напряжению;
KI = – коэффициент усиления по току;
KP =–- коэффициент усиления по мощности;
RВХ = – входное сопротивление;
RВЫХ = – выходное сопротивление,
где– выходное напряжение при RН; – выходной ток приRН = 0; – коэффициент полезного действия, где P0 = IK(0)EK – потребляемая от источника питания мощность.
Параметры усилительного каскада можно рассчитать и с помощью схемы замещения транзистора [7].
Для примера проведем расчёт усилительного каскада (рис. 4.16).
Составим малосигнальную эквивалентную схему, соответствующую схеме рис. 4.16.
Для этого заменим транзистор малосигнальной схемой замещения.
Для простоты примем, что сопротивления разделительных конденсаторов в рабочем диапазоне частот близки к нулю, а сопротивления RБ и RК велики (RБ >> h11Э, RK >> RH). Тогда схема упрощается и приобретает вид рис. 4.19.
Для токов и напряжений транзистора запишем
UБm = h11ЭIБm + h12ЭUKm,
IKm = h21ЭIБm + h22ЭUKm. (4.15)
Добавим два уравнения, описывающие источник сигнала и нагрузку:
EГm = UБm + IБmRГ,
UKm = – RHIKm. (4.16)
Из системы уравнений (4.15) и (4.16) можно получить все расчётные формулы:
KU =
KI = ; (4.17)
RВХ = ;
RВЫХ = ,
где – определитель матрицыh-параметров.
Отметим, что для схемы ОЭ hRH << h11Э, h << h22ЭRГ и h11Э << RГ.
Достоинство полученных с помощью схемы замещения соотношений (4.17) в том, что они применимы для любой схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ,ОК).