Линейный и ключевой режим работы транзисторов

Транзисторы предназначены  для решения задач усиления  и переключения электрических сигналов. Время бурного развития транзисторов –  50 –  80 годы прошлого столетия. В настоящее время следует признать, что транзисторы как отдельные компоненты используются в схемах не так часто. Массово они применяются только внутри интегральных схем.

Различают  транзисторы  двух  видов:  биполярные  и  униполярные  (полевые).

В  биполярных транзисторах  в создании токов участвуют как электроны (отрицательно  заряженные  частицы),  так  и  дырки  (положительно  заряженные частицы). Отсюда название вида транзисторов.

Биполярные транзисторы устроены сложнее полупроводниковых диодов, они имеют два pn-перехода и три вывода,  называемых  база,  эмиттер  и  коллектор.  Различают  два  вида  БТ:  NPN и PNP.

Устройство, особенности и схемотехнику  будем рассматривать на при-мере  NPN-транзисторов  –  наиболее  используемых  в  современной  практике, для  PNP-транзисторов рассуждения аналогичны и различия заключаются толь-ко в подключении питающих напряжений.

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Устройство и принцип действия  NPN-транзисторов  показаны  на  рисунке 2.19.

NPN-транзистор  имеет  три  микроэлектронные  области:  две  –  с  N-проводимостью и одну  –  с  P  –  проводимостью. Каждая область имеет вывод с указанными на рисунке названиями.

Структуру  NPN-БТ можно также представить в уже более понятных обозначениях: как два диода, соединённых анодами в области базы.

На рисунке  2.20   показан наиболее распространённый способ использования биполярных транзисторов, когда на базу и коллектор подаются положительные (+) потенциалы  по отношению  к  эмиттеру.  При  этом  положительный  потенциал  коллектора выше потенциала базы!  Другими словами, коллекторный  pn-переход  смещён в обратном направлении  (смотрите,  коллекторный диод формально  закрыт), а базовый – в прямом.

При этом если в базу задать ток, то в силу структурной особенности кристалла  биполярного транзистора,  этот  базовый  ток  Iб будет  «подсасывать»  из  коллекторной  области электроны и формировать коллекторный ток

Iк= β_*I_б ,  (2.7)

где β> 1 называется коэффициентом усиления тока базы.

Типовые паспортные значения β = 20÷500. Ток эмиттера, таким образом, в соответствии с первым законом Кирхгофа

Iэ = (β +1)_*Iб   (2.8)

Линейный режим работы биполярных транзисторов

В линейном режиме работы биполярный транзистор усиливает входные сигналы.

Простейшие транзисторные схемы, с помощью которых можно усиливать малые напряжения  показаны на рисунке 2.21.  Схемы  такой конфигурации  принято называть схемами (каскадами) с общим эмиттером (схемы ОЭ), т.к. один из выводов БТ  –  эмиттер,  используется для  формирования как входного, так и выходного сигнала  –  является общим для них.  Поясним работу такого усилителя.

Пусть  усиливаемый  сигнал  –  переменное  синусоидальное  напряжение, которое  подаётся  на  вход  схемы  общего эмиттера.  Усиленный  сигнал  снимается  с  выхода схемы ОЭ.  Усиленный сигнал имеет ту же форму синусоиды, но следует в противофазе с входным: когда входная синусоида возрастает, выходная синусоида спадает.

Основная  характеристика  усилителя  –  коэффициент  усиления  входного напряжения, который рассчитывается как

К_ус=ΔU_вых/ΔU_вх ≈ R₂/r_э,   (2.9)

где  r_э  –  сопротивление  эмиттера.  Сопротивление  эмиттера  можно  подсчитать по формуле:

r_э= ϕ_т/I_э = k_*T/q_*I_э ≈ k_*T/q_*I_к,    (2.10)

где  k — постоянная Больцмана,

Т – температура в кельвинах,

q – заряд электрона.

При температуре +25ºС (300 К) ϕт = 26 мВ.

Примечания

1. Существует графический  способ  оценки  r_э.  Для  этого  требуется  знание  входной вольт-амперной характеристики выбранного биполярного транзистора;
2. Коэффициент усиления сигнала по напряжению, как видно из формулы, зависит от температуры. В том случае, когда диапазон работы усилительной схемы широк, применяют чуть более сложные модификации схемы объединенных эмиттеров, более устойчивые к изменению температуры.

Следует иметь в виду, что выражение для  К_ус приблизительное и оно будет тем более справедливо, чем больше β, хорошо, если β >100.

Расчёт схемы ОЭ по постоянному току

На этом этапе нам необходимо рассчитать значения  R1и  R2, которые  задают  режим по постоянному току, а  R2кроме  того входит в выражение для К_ус.

Работа биполярного транзистора описывается входными и выходными характеристиками (показано  на  рисунке  2.22).  Входная  характеристика  I_б=ʄ(U_э),  как  и  следовало  ожидать,  аналогична  характеристике  п/п  диода.  Однако  у  транзистора  поведение этой  характеристики  зависит  (несильно)  ещё  и  от  напряжения  U_кэ.  Поэтому  в технических  описаниях  на  выбранный  транзистор  даются  семейства  входных характеристик, где параметром является  U_кэ. Выходная характеристика ‒ также семейство зависимостей типа I_к= ʄ (U_кэ), параметром для которых является базовый ток I_б.

Оба семейства имеют принципиально нелинейное поведение, однако, это не мешает их использовать для режима линейного усиления. Для этого надо построить  нагрузочную прямую  на выходном семействе,  рассчитать положение на ней рабочей точки (РТ) и определить из графика начальный ток базы.

Нагрузочная прямая строится, как и раньше для диода, между двумя аналогичными точками: 

I_к=  E_пит/R₂  и  U_кэ=Е_пит. В нашем расчёте  мы задались  значениями  Епит=15 В и  I_к =  E_пит/R₂  =30 мА. Тогда  R2=15/0,03 = 500 Ом. Строим прямую и выбираем положение РТ  –  это середина  линейного участка    (показано  на  рисунке  2.22). Линейным участком  будем называть участок нагрузочной прямой  между  напряжением  насыщения  и  напряжением  отсечки.  Параметры РТ в нашем примере соответствуют следующим значениям (показано  на рисунке 2.23): 

U_кэ.рт  ≈ 7 В,  I_к.рт  ≈ 16 мА,  I_б.рт ≈ 0,3 мА.

Далее: выбираем из семейства входных ту характеристику, которая соответствует найденному значению U_кэ≈ 7,0 В, задаём I_б = 0,3 мА, и определяем U_бэ≈ 0,65 В. Строим актуальный участок входной нагрузочной прямой и рассчитываем R₁= (15-0,65) В/ 0,3 мА = 45 кОм.

Примечание   –  На практике расчёт проводиться несколько сложнее.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада при t°=25 °С.

К_ус = I_э R₂/ ϕ_т = 16 мА × 500 Ом/ 26 мВ ≈ 308.

Важно  теперь  проверить:  не  превышает  ли  мощность,  рассеиваемая  на коллекторе, номинальное паспортное значение выбранного биполярного транзистора.

Расчёт ведётся в рабочей точке:  U_кэ.рт  ×I_к.рт  = 7 В×16 мА=112 мВт. Это значение постоянно и не меняется в режиме усиления входного сигнала, когда напряжения и токи коллектора меняются в широком диапазоне. Это объясняется тем, что напряжение и ток коллектора меняются в этой схеме в  противофазе: когда ток увеличивается, напряжения уменьшается, и наоборот.

Расчёт схемы ОЭ по переменному току

Пример формирования выходных сигналов схемы с ОЭ под воздействием изменения тока базы показан на рисунке 2.23. Под воздействием синусоидально изменяющегося тока базы (синусоида, изображённая пунктиром)  РТ смещается вдоль нагрузочной прямой  сначала вверх до своего максимума, а затем вниз до своего минимума.

По рисунку видим, что при изменении тока базы в диапазоне  от  0,05  до 0,55  мА  с  амплитудой  (0,55-0,05)/2  =  250  мкА,  ток  коллектора  изменяется  в диапазоне примерно от 3 мА до 29 мА с амплитудой (29-3)/2 =  13 мА. Имеем отсюда следующее значение коэффициента усиления по току:

К_i= 13 000/250 = 52

Напряжение коллектора изменяется в диапазоне примерно от 0,5 В до 13 В с амплитудой (13-0,5)/2 = 6,25 В. Ещё раз подчеркнём, что изменение напряжения коллектора осуществляется в противофазе  с изменением входного (усиливаемого) тока: при увеличении тока базы увеличивается коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение!

Пока мы ничего не говорили о конденсаторах  С1и  С2.  Это  так называемые    разделительные конденсаторы. Они не пропускают  постоянные составляющие усиливаемых напряжений  и пропускают только переменные. Их значения  должны  быть  достаточно  большими:  чем  больше  значения  ёмкостей,  тем меньше  ʄ_н –  минимальная  усиливаемая  частота.  Обычно  эти  конденсаторы имеют значения от 1 до 100 мкФ.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Смотрим на выходные характеристики БТ.  При  подаче большого тока  в базу (>0,3 мА) напряжение  U_кэ уменьшается до своего минимального значения (типовое  значение  0,2  В).  Говорят  «транзистор  переходит  в  режим  насыщения».

С  другой  стороны,  если  в  базу  ток  не  подавать  (I_{б ~} 0),  то  коллекторный ток прерывается и напряжение на выходе каскада будет равно напряжению питания Е_пит ‒ биполярный транзистор будет находится в «режиме отсечки».

Собственно эти два состояния БТ и описывают  ключевой режим его работы:  ключ (транзистор) включён или выключен, нагрузка подключена к питанию или отключена. Простейшие  ключевые схемы  на БТ показаны на рисунке 2.24.  На  представленных  принципиальных  схемах  показано,  что  управление схемами осуществляется с помощью цифровых сигналов: логического нуля  («0»)и  логической единицы  («1»). В современной практике такие сигналы формируются чаще всего микроконтроллерами.

Обращаем внимание, что оба вида БТ используется в схемах с плюсовым (положительным) питанием (+Е_пит) и нагрузка  в обоих случаях расположена в коллекторной  цепи  БТ.  При  этом:  логическая  единица  в  одном  из  случаев (NPN-транзистор) замыкает ключ, а в другом (PNP-транзистор) – размыкает.

Условие замыкания ключа: I_{б  *}  β  >I_к.нас  ≈  Е_пит/R_нагр. Ток базы приближённо можно рассчитать для обоих случаев так: I_б= (Е_пит-0,6)/R₁.

Зная  напряжение  питания,  сопротивление  нагрузки  и  коэффициент  усиления тока базы β, можно рассчитать по указанным формулам R_1.

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов показаны на рисунке 2.25.

Проверка работоспособности биполярных транзисторов

Многие  мультиметры  позволяют  измерять  коэффициент  усиления  тока базы (β; h₂₁) транзисторов  с гибкими выводами.  На рисунке  2.26    показано типовое решение этой задачи. В специальный разъём, соблюдая указанный на лицевой панели порядок, подключается транзистор.  Значение  β  высвечивается на дисплее.

Примечания 

1. NPN- и PNP-транзисторы имеют раздельные гнёзда для подключения.
2. Для обоих типов транзисторов предусмотрено по два гнезда для подключения эмиттера. Это связано с возможными конструктивными различиями в цоколёвках транзисторов.

Ключевой режим работы транзистора

В
зависимости от состояния p-n
переходов
транзис­торов различают три вида его
работы:

Режим
отсечки, при котором оба его перехода
(эмиттерный и коллекторный) будут
закрыты. Ток базы в этом случае равен
0, ток коллектора равен обратному току.
Уравнение динамического режима будет
иметь вид,

U_кэ
= Е_к
—
I_кбо
R_к.

Произведение
I_кбо
R_к
≈ 0,
значит, напряжение коллектор-эмиттер
транзисто­ра U_кэ
будет стремиться к напряжению источника
питания Е_к.
Графически режимы работы ключа в виде
областей показаны на рис.7.13.

Рис.
7.13.
Режимы работы ключа

Режим
насыщения, когда оба перехода (эмиттерный
и коллекторный) открыты, в транзисторе
происходит свободный переход носителей
зарядов. Ток базы транзистора I_б
будет максимален, а ток коллектора
примерно равен току насыщения транзистора,
т. е. I_к
= I_к.н,
U_кэ
= Е_к
—
I_к.н
R_н.
Произведение I_к.н
R_н
будет стремиться к значению величины
напряжения источника питания Е_к,
значит, напря­жение коллектор-эмиттер
транзистора U_кэ
будет стремиться к 0.

Линейный
режим — при котором эмиттерный пере­ход
открыт, а коллекторный закрыт. При этом
верны следующие соотношения параметров:

I_б.max
>
I_б
> 0, I_к.н
>
I_к
> I_кбо,
Е_к
> U_кэ
> U_кэ.нас.

Ключевым
режимом работы транзистора называется
такой режим, при котором рабочая точка
транзистора скачкообразно переходит
из режима отсечки в режим насыщения и
наоборот, минуя линейный режим.

Рассмотрим
схему ключевого каскада на одном n-p-n
транзисторе
(рис. 7.14)
и диаграммы ее работы (рис. 7.15).

Рис.7.14.
Схема ключевого каскада

Рис.7.15.
Диаграмма работы ключа

Резистор
R_б
ограничивает ток базы транзистора,
что­бы он не превышал максимально
допустимого значения для данного
транзистора. В промежуток вре­мени
от 0 до t₁
входное напряжение и ток базы близки к
0
и транзистор находится в режиме отсечки.
Напряжение коллектор-эмиттер U_к
является выходным и будет близ­ко к
напряжению питания Е_к.
В промежуток времени от t₁
до t₂
входное напряжение и ток базы транзистора
становятся максимальными и транзистор
войдет в режим насыщения. После момента
времени t₂
транзистор пере­ходит в режим отсечки.
Следовательно, транзисторный ключ
является ин­вертором, т. е. изменяет
фазу поступающего на его вход сигнала
на 180 °. Емкость перехода база-эмиттер
транзистора VТ₁
совместно с сопротивлением резистора
R_б
представляет собой интегрирующую цепь,
которая замедляет процесс открывания
и закрывания транзистора. Для преодоления
этого недостатка параллельно резистору
R_б
включают конденсатор, называемый
ускоряющим или форсирующим, его емкость
должна
быть
больше входной емкости транзистора.

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей базой

Обычно
сопро­тивление эмиттера r_э
равно десяткам ом, с базы r_б
сотням Ом, а сопротивление коллектора
r_к
составляет от десятков тысяч до сотен
тысяч ом. Принципиальная схема каскада
с общей базой и соответствующая ей
эквивалентная схема показаны на рис.
7.16.

Рис.
7.16.
Схема каскада с ОБ и эквивалентная схема
транзистора

Входное
сопротивление R_вх
каскада с общей базой вычисляют по
следующей формуле:

Входное
сопротивление каскада ОБ весьма мало
и состав­ляет всего несколько десятков
Ом, при этом величина 1 — α, используемая
в рассмотренной формуле, стремится к
0.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R_б1 и R_б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R_к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R_э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R₂ делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R₁ делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R₂ делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I_б – U_бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I_к – U_кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I_R – U_R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R_к, который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С, транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R_к, наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R_к., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h₂₁. Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (R_к) и эмиттерное (R_э) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R_вх=R_э*h₂₁, а выходное равно R_вых=R_к. Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R_э;

• Номиналы резисторов R_к и R_э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U_и.п.=12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P_max=150 мВт; I_max=150 мА; h₂₁>50.

Принимаем R_к=10*R_э

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U_бэ = 0,66 В

Решение:

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P_рас.max=0,8*P_max=0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I_к0=P_рас.max/U_кэ0=P_рас.max/(U_и.п./2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R_к+R_э)=(U_и.п./2)/I_к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R_к=10*R_э, находим значения резисторов :

R_к = 270 Ом; R_э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U_к0=(U_кэ0+ I_к0*R_э)=(U_и.п.— I_к0*R_к) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I_б=I_к/h₂₁=[U_и.п./(R_к+R_э)]/h₂₁ = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R_б1,R_б2. Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I_б, чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R_б1,R_б2: I_дел.=10*I_б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R_б1+R_б2=U_и.п./I_дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U_э=I_к0*R_э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I_к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U_б=U_э+U_бэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R_б2= (R_б1+R_б2)*U_б/U_и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 ОмR_б1= (R_б1+R_б2)-R_б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор R_б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R_б1=1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t_н=R_вх*C_вх, где R_вх=R_э*h₂₁, C_вх — разделительная входная емкость каскада. C_вых транзисторного каскада, это C_вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f_н=1/t_н. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t_н=1/(R_вх*C_вх)<<f_н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R_б1. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R_б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Режимы работы усилительных элементов

Описание существующих классов режимов работы каскадов предварительного
усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности.

Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать,
что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ).
В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа
ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в
насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения.

В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и
имеющих различные области применения.
В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима
работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С.
Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент
загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется — классом D.
На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью
заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале «EDN Europe»: «Сочинение новых классов усилителей —
не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы…».

Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются — уровень нелинейных искажений и КПД каскада.
Поговорим поподробней о каждом из режимов.

1. Режим класса А.

Рис.1

На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), представляющая собой зависимость выходного тока каскада от поступающего на вход напряжения. Синим — входное напряжение, чёрным — соответственно, выходной ток элемента. Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной характеристики, а любые допустимые значения входного сигнала (напряжения или тока) не вызывают изменения выходного тока. Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А? Как минимум не ниже пикового тока, отдаваемого каскадом в нагрузку! Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %.

На практике — около 40…45% для двухтактных каскадов и около 30% — для однотактных.

Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений,
в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов.
В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре
класса High End.

2. Режим класса В.

Рис.2

Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики усилительного элемента (Рис. 2), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток, а соответственно и потребляемая каскадом мощность близки к нулю. В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма. Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%.

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным
при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток
покоя (10…30мА).

Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный
режим АВ.

3. Режим класса АВ.

Рис.3

Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение на передаточной характеристике между началом координат и серединой линейного участка (Рис.3). Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. Поэтому данный режим работы усилителя характеризуется достаточно высокими значениями КПД (60…70%) при относительно небольших уровнях нелинейных искажениях формы выходного сигнала. Что, собственно говоря, и определило его повышенную популярность в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности.

4. Режим класса С.

Рис.4

В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилительный элемент наглухо заперт (Рис.4). Если рассматривать каскады на биполярных транзисторах — то р.т. находится за точкой отсечки полупроводника, т.е. на 0,6…0,7В ниже начала области относительной линейности. Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к 100%. Хотя на практике реальные значения КПД составляют 80…90%. Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для усиления широкополосных сигналов.

А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД.

4. Режим класса D.

Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью
заперт
(режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%)
значение КПД устройства.

Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко
используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления
энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей.

А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД — 90…95%.

Рис.5

На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Работает это устройство следующим образом.
Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в
прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности).
После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал
первоначальной гармонической формы.
Выглядит это примерно так:

Рис.6

Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной
формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность
импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная — нижним.

Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена
на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это,
не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.