Сравнительный анализ схем включения транзисторов

~ ЛЕКЦИЯ 4 ~

Сравнительный анализ схем включения транзисторов

Сравнение схем включения транзисторов проводят по пяти основным параметрам, к которым относят коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, входные и выходные сопротивления транзисторов.

Таблица 1. Сравнение схем включения транзисторов.

Из анализа данных сравнения видно, что схема включения ОЭ обладает большими коэффициентами усиления по току, напряжению и мощности и сравнимыми сопротивлениями на входе и выходе, что привело к широкому использованию этой схемы для усиления мощности.

Схема включения транзистора ОК (эмиттерный повторитель) в основном применяется для согласования высокоомного выхода усилителя с низкоомной нагрузкой в выходных каскадах усиления мощности, R_вх >> R_вых. Схему ОК можно использовать для усиления тока в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителей.

Преимуществом схемы включения транзистора ОБ является то, что данная схема обладает наименьшими нелинейными и частотными искажениями. В связи с этим, ее применяют в каскадах предварительного усиления для снижения искажений в многокаскадных усилителях при усилении напряжения.

Динамический режим работы транзистора

Режим работы транзистора с нагрузкой называют динамическим.

В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются под воздействием входного сигнала. При этом усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на зависимости выходного тока от величины напряжения, приложенного к входной цепи.

Рисунок 30. Схема включения транзистора ОБ в динамическом режиме.

Рисунок 31. Схема включения транзистора ОЭ в динамическом режиме.

В динамическом режиме для анализа работы транзистора на выходных статических характеристиках строят динамическую характеристику, называемую линией нагрузки.

Рассмотрим работу транзистора в динамическом режиме для схемы ОЭ при постоянном токе.

Линия нагрузки – это зависимость напряжения на коллекторе U_кэ от сопротивления в коллекторной цепи R_к:

U_кэ = E_к– I_кR_к

Линию нагрузки строят по двум точкам: короткого замыкания (КЗ) и холостого хода (ХХ). Параметры этих точек определим по уравнению линии нагрузки.

В режиме короткого замыкания падение напряжения в выходной цепи стремится к нулю, а ток в коллекторной цепи к максимальному значению:

I_{к max} = E_к / R_к

В режиме холостого хода сопротивление в выходной цепи стремится к бесконечности, а ток – к нулю, напряжение становится максимальным:

U_кэ = E_к

Исходя из этого, запишем параметры точек:

  т. КЗ → U_кэ = 0, I_{к max} = E_к / R_к;

  т. ХХ → I_к = 0, U_кэ = E_к.

Построим линию нагрузки на выходных статических характеристиках транзистора для схемы ОЭ.

Рисунок 32. Динамическая выходная характеристика.

Точки пересечения линии нагрузки со статическими характеристиками называют рабочими точками. Они определяют токи и напряжения в транзисторе при изменении сопротивления R_к и входного тока I_б. При изменении этих величин транзистор может попадать в один из трех режимов: отсечки, активный, насыщения.

В режиме отсечки токи в транзисторе очень малы (I_к → 0, I_б → I_б0), эмиттерный переход закрыт. На линии нагрузки это – интервал от точки 1 до точки Е_к.

В активном режиме увеличиваются токи (I_б1 £ I_вх £ I_{б max}, I_к1 £ I_к £ I_к5) и изменяется напряжение U_кэ (U_{кэ min} £ U_кэ £ Е_к), эмиттерный переход открывается. На линии нагрузки это – интервал точки 1 до точки 5.

В режиме насыщения увеличение входного тока больше I_{б max} приводит к незначительному росту тока I_к (I_{к max}), т.к. практически все свободные носители заряда уже участвуют в образовании тока через эмиттерный переход. На линии нагрузки это – интервал от точки 5 до точки I_{к max}.

Для определения режима, в котором находится транзистор, используют коэффициент насыщения К_s:

где I_б – ток в цепи базы;

I_{б max} – максимально допустимый ток базы для данного типа транзистора (из справочника).

Если К_s → 0 – транзистор находится в режиме отсечки;

0 < К_s £ 1 – в активном режиме;

К_s > 1 – в режиме насыщения.

В активном режиме транзистор находится в рабочем включении, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.

Кроме рабочего используют инверсное (обратное) включение, при котором транзистор работает с очень малыми токами.

Параметры транзисторов

Для оценки и сравнения транзисторов используют следующие виды параметров:

  - классификационные;

  - постоянного тока;

  - физические;

  - малого сигнала;

  - большого сигнала;

  - предельные.

К классификационным параметрам относят: коэффициент передачи тока a (схема ОБ), предельную частоту усиления f_a, статический коэффициент усиления тока b (схема ОЭ), максимально допустимое обратное напряжение U_{в max}.

Параметры постоянного тока или эксплуатационные применяют для расчета транзистора по постоянному току. К ним относят: обратный ток коллектора I_к0, обратный ток эмиттера I_э0, начальный ток коллектора I_кн.

Физические или первичные параметрытранзистора не зависят от схемы включения.

Ими являются: объемное сопротивление базы r_б, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_э, дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода r_к, коэффициент передачи тока a, коэффициент усиления тока b, предельные (граничные) частоты усиления f_a иf_b, емкости эмиттерного С_э и коллекторного С_к переходов.

Параметры малого сигнала зависят от схемы включения транзистора. Малымназывают сигнал, амплитуда которого мала по сравнению с приложенным к транзистору постоянным напряжением, определяющим выбор рабочей точки.

Практическое применение находят три системы малосигнальных параметров: параметры сопротивления или z-параметры, проводимости или y-параметры и гибридные или h-параметры.

Параметры большого сигнала характеризуют работу транзистора в режимах, при которых токи и напряжения на входе и выходе изменяются в широких пределах. Эти параметры применяют для расчета транзистора в предоконечных и выходных каскадах усилителей.

Основными параметрами большого сигнала являются:

  1. Статический коэффициент передачи тока:

.

  2. Статическая крутизна прямой передачи тока:

.

К предельным или максимально допустимым параметрам относят:

  1. Максимальную мощность Р_{к max}, рассеиваемую транзистором:

Рк max = Iк max · Uкэ

  2. Максимальный ток коллектора I_{к max} (до 12 А).

  3. Максимально допустимое обратное напряжение U_{кб доп} или U_{эб доп}.

  4. Предельную частоту передачи тока f_a, f_b.