Рабочий режим биполярного транзистора

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.11. Входная характеристика транзистора  в схеме с общей базой и  эпюры эмиттерного напряжения   U_Э и эмиттерного тока I_Э  

  В отсутствие сигнала (U_Э=0) напряжение на эмиттерном переходе U_ЭБ0=E_Э  и ток эмиттера I_Э^//= I_Э(0) , что на входной характеристике соответствует точке А^/ (рис.11).

  Исходная  рабочая точка А на выходных характеристиках (рис.12) определяет постоянные составляющие коллекторного тока I_K(0)  и коллекторного напряжения U_K(0) . Действительно, отрезок АК(рис.12) соответствует постоянной составляющей коллекторного тока I_K^//= I_K(0) . Из треугольника АКε катет Kε = AK∙ ctgα = I_K(0) ∙ R_K = U_R0 – постоянная составляющая напряжения на нагрузке. Отрезок ОК= Оε - Кε = E_K- U_R0= U_K0 - постоянная составляющая коллекторного напряжения.

  Пусть на входе действует переменное напряжение u_Э, изменяющееся по гармоническому закону с низкой частотой и амплитудой u_Эm , то есть u_Э= u_Эm ∙sin(ωt). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

    
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    
 
 
 
 
 

    
 
 
 
 
 

  Рис.12. Выходные характеристики транзистора  в схеме с общей базой и  эпюры коллекторного тока I_K , напряжения на нагрузке U_R и коллекторного напряжения U_K  

  Мгновенное  напряжение на эмиттерном переходе алгебраически суммируется с напряжением  Еэ, и рабочая точка перемещается по входной характеристике между точками В^/ и С^/, соответствующими экстремальным значениям входного напряжения u_Э :  

  U_ЭБmax=E_Э + u_Эm (точка B^/), 

  U_ЭБmin=E_Э - u_Эm (точка C^/). 

  Отрезок между точками В^/ и С^/ на входной характеристике (рис.11) является рабочим участком, его без большой погрешности считаем отрезком прямой линии.

  В соответствии с изменением мгновенного  значения напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ в фазе с ним изменяется и ток эмиттера I_Э: 

                                                I_Э= I_Э(0)±J_Э, 

то есть в пульсирующем токе I_Э кроме постоянной составляющей эмиттерного тока I_Э(0) появилась переменная составляющая J_Э частоты поданного на вход сигнала,  амплитуду которой можно определить, отметив проекции точек В^/ и С^/ на ось ординат: J_Эm^/= I_Э^///- I_Э^// или J_Эm^//.= I_Э^//- I_Э^/ . В нашем случае J_Эm^//=J_Эm^/ .

  J_Эm = (J_Эm^/+J_Эm^//)/2 - усредненное значение амплитуды переменной составляющей тока J_Э, если рабочий участок входной характеристики В^/ С^/ не является достаточно прямолинейным.

  Мощность, затрачиваемая источником сигнала  на входе,  .

  Определим рабочий участок на семействе выходных характеристик, для чего перенесем точки В^/ и С^/, соответствующие границам линейного участка, на выходные характеристики.

  В точке В^/   I_Э= I_Э^/// - на выходных характеристиках ей соответствуют точка пересечения линии нагрузки со статической выходной характеристикой, снятой при I_Э^/// (точка В на  рис.12); в точке С^/  I_Э= I_Э^/    - на выходных характеристиках ей соответствует точка пересечения линии нагрузки со статической выходной характеристикой, снятой при I_Э^/   (точка С на рис.12). Отрезок ВС является рабочим участком на семействе выходных характеристик. Он должен быть расположен в области активного режима транзистора, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменению току эмиттера (∆I_K~∆I_Э), чтобы не было искажения формы выходного сигнала.

  Так как ток коллектора I_K≈I_Э (α=0,98 и более), то изменения тока I_K в выходной цепи следуют за изменениями входного тока I_Э. Рабочая точка на выходных характеристиках при этом перемещается по нагрузочной линии между точками В и С. При положительном полупериоде напряжения u_Э  возрастают токи I_Э и I_K, возрастает напряжение на нагрузке U_R , а коллекторное напряжение U_K уменьшается в соответствии с уравнением: E_K=I_K∙R_K+U_K  . И наоборот, при отрицательном полупериоде u_Э уменьшаются токи I_K и I_Э, уменьшается напряжение на нагрузке U_R , а коллекторное напряжение U_K возрастает (см. временные диаграммы U_R=f(t) и U_K=f(t)  на рис.12). Проекции точек В и С на ось ординат (I_K ) определяют, в каких пределах изменяется ток коллектора при подаче сигнала (I_K^/// и I_K^/  - экстремальные значения I_K  на рис.12), а проекции этих точек на ось абсцисс (U_K ) –пределы изменения коллекторного напряжения U_K (U_K^/ и U_K^///) и напряжения на нагрузке (U_R^/// = I_K^/// ∙ R_K и U_R^/ = I_K^/ ∙ R_K ), т.е. определяют амплитуды переменных составляющих J_Km, u_Rm (u_Km):

                                  J_Km= I_K^///-I_K^// =I_K^//-I_K^/

    (катеты   ВL  и АМ на рис.12, это и есть амплитуда переменной составляющей J_K);

              u_Rm=U_Rmax-U_R0 =U_R0-U_Rmin .

      Можно u_Rm определить из треугольника АМС. MC = AM∙ctgα = J_Km ∙ R_K = u_Rm.

    Амплитуда выходного сигнала

              u_Km=U_K^//-U_K^/=U_K^///-U_K^//.

  Выходным  сигналом является переменная составляющая коллекторного напряжения (именно она через разделительный конденсатор снимается с коллектора и подается на вход следующего каскада для дальнейшего усиления). При этом |u_Km| =| u_Rm| (на какую величину U_R  возрастает, на ту же величину U_K  уменьшается). Это видно на эпюрах рис.12.

  Если нагрузку R  убрать из коллекторной цепи, то при подаче входного сигнала u_Э все токи (I_Э и I_K ) начнут изменяться во времени, а коллекторное напряжение U_K=Е_K изменяться не будет, значит, не будет и выходного сигнала.

  Выходная  мощность Рвых (мощность, отдаваемая в нагрузку переменной составляющей тока коллектора J_K):

  

.

  Она пропорциональна площади треугольника АМС на рис.12 и мала по сравнению  с потребляемой от источника питания  в коллекторной цепи мощностью Ро = Ек ∙ I_K(0) = АК* *0ε, которая пропорциональна площади прямоугольника  0NDε (рис.12).

  КПД коллекторной цепи . В режиме неискаженного усиления η<0,25 (обычно единицы процентов).

  Бóльшая же часть мощности идет на разогрев резистора (протекает через него постоянная составляющая тока I_K(0) , поэтому рассеивается на нем мощность P_R== I_K(0)* U_R0 ) и транзистора (Рк = Ро – Р_R  ).

  Рабочие параметры транзистора (K_i, K_u, K_p)  - величины, связывающие малые изменения токов и напряжений транзистора при наличии нагрузки в выходной цепи. K_i – коэффициент усиления по току, K_u - коэффициент усиления по напряжению, K_p - коэффициент усиления по мощности.

    Для рассмотренного примера (схема  с общей базой)

    

где R_Э - сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода. Для повышения K_u надо увеличивать R_K  и Ек.

  Схема с общей базой усиления по току не дает , т.к. J_K<J_Э, она дает большое усиление по напряжению (во сколько раз сопротивление R_K , стоящее в выходной цепи, обладающей большим сопротивлением R_вых, больше сопротивления входной цепи, обладающей малым сопротивлением  R_вх, - вот почему дословный перевод "транзистор" обозначает "преобразователь сопротивлений") и такое же усиление по мощности (может достигать нескольких тысяч).

  Входное сопротивление в схеме с общей  базой

   (сопротивление прямосмещенного  эмиттерного перехода, единицы ¸ десятки Ом).

  Выходное  сопротивление в схеме с общей  базой

   (сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода, десятки ¸ сотни кОм и более). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Решим вопрос с фазой выходного сигнала.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.13. Упрощенная схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с общей базой 

  При отсутствии входного сигнала  uвх=u_Э  протекают постоянные токи I_Э(0) на входе   и I_K(0)  на  выходе. Коллекторный ток I_K(0), протекая через резистор R_K, создает на нем падение напряжения U_R0 = I_K(0) ∙ R_K указанной на рис.13 полярности. Напряжение на коллекторном переходе U_K0 = E_K - U_R0 тоже постоянно.