ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 17 страница

Рис. 55. Если сигнал попадает в область загиба входной характеристики, то искажается форма этого сигнала.

В качестве следующего шага определим входное сопротивление транзистора, то есть сопротивление, которое встречает со стороны транзистора ток, идущий от источника слабого сигнала.

Поскольку входная цепь транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то можно сразу сказать, что его входное сопротивление R_вх будет небольшим. Определить величину этого сопротивления можно следующим образом: нужно на время вообще забыть о существовании транзистора и предположить, что источник слабого сигнала подключен к некоторому условному резистору R_вх (рис. 56).

Рис. 56. Соотношение между управляющим напряжением и входным током можно характеризовать величиной входного сопротивления. Нужно различать входное сопротивление для постоянного и переменного(меняющегося) тока.

Если известны ток и напряжение в цепи резистора, то его сопротивление нетрудно подсчитать по одной из формул все того же закона Ома, а именно R = U : I . Казалось бы, что для подсчета величины R_вх нужно подставить в эту расчетную формулу любое из возможных значений напряжения U_эб и соответствующий этому напряжению ток I_э . Однако подобным образом можно найти лишь входное сопротивление для постоянного тока R_вх= . Да и то для разных напряжений U_эб это сопротивление будет различным.

Пользуясь характеристикой (рис. 54), примерно определим, что при U_эб = 50 мв эмиттерный ток равен I_э = 0,2 ма, а значит, R_вх= = 50 мв: 0,2 ма = 250 ом. Тем же способом найдем, что при U_эб = 150 мв входное сопротивление R_вх= = 75 ом, а для U_эб = 250 мв найдем R_вх = 25 ом. Разными входные сопротивления получаются все из‑за того же загиба на характеристике, так как в районе загиба ток растет намного медленней, чем на прямолинейном участке.

Научившись определять входное сопротивление для постоянного тока, мы отнюдь не решили поставленной задачи: ведь нам нужно определить сопротивление, с которым встретится источник сигнала, а он, конечно, дает переменный ток. Каким же образом можно найти входное сопротивление R_вх для переменного тока? Для этого нужно посмотреть, как меняется ток I_э при изменении напряжения U_эб . Давайте вытащим на свет уже знакомые нам «дельты» (стр. 87) и будем учитывать не статические, не мертвые токи и напряжения, а их изменения.

Поскольку чаще всего используется прямолинейный участок входной характеристики, то определим величину R_вх именно для этого участка. Зададимся каким‑либо определенным изменением входного напряжения ΔU_эб , найдем соответствующее ему изменение тока ΔI_э , а затем, пустив в ход все тот же закон Ома, получим R_вх = ΔU_эб: ΔI_э . Это R_вх как раз и есть то самое входное сопротивление, которое оказывает входная цепь транзистора изменяющемуся току, и называется оно динамическим входным сопротивлением.

На рис. 56 показан пример определения величины R_вх . Определив ток I_э при напряжениях U_эб , равных 200 мв и 250 мв, подсчитав ΔU_эб = 250 мв – 200 мв = 50 мв и соответствующее ему ΔI_э = 10 ма – 6 ма = 4 ма, находим, что входное сопротивление транзистора в нашей схеме равно 12,5 ом. Это очень небольшая величина, но ничего иного мы, собственно говоря, и не ожидали от открытого диода. Несколько забегая вперед, заметим, что малое входное сопротивление доставит нам немало хлопот и явится одной из причин, ограничивающих применение схемы, которую мы сейчас исследуем.

Следующее, что нам нужно было бы сделать, это определить коэффициенты усиления по току к_I , по напряжению к_u и по мощности к_P .

Коэффициент усиления во всех случаях показывает, во сколько раз та или иная величина – ток, напряжение или мощность – на выходе усилителя больше, чем на входе.

С коэффициентом усиления по току мы уже встречались. В свое время (рис. 35) мы обозначали его греческой буквой α . Разница между коэффициентами α и к_I лишь в том, что первый относится к самому транзистору, а второй – к транзистору, включенному в определенный усилительный каскад с определенной нагрузкой. В нашей схеме нагрузка очень слабо влияет на изменение токов I_э и I_к , а поэтому можно считать, что α и к_I – это одно и то же. Попутно еще раз заметим, что коэффициент а назван коэффициентом усиления незаконно, так как в нашей схеме усиления по току не происходит – коллекторный ток I_к всегда несколько меньше эмиттерного I_э , и поэтому α < 1.

Для того чтобы определить а, можно воспользоваться одновременно двумя приведенными на нашем графике характеристиками (рис. 54–А и Б ), одна из которых показывает зависимость I_э от U_эб , а другая – зависимость I_к от U_эб . У нашего подопытного транзистора при увеличении U_эб на 50 мв эмиттерный ток возрастает на 4 ма, коллекторный – лишь на 3,6 ма, так как одновременно на 400 мка (то есть на 0,4 ма) увеличивается ток базы. Отсюда легко найти, что α = 0,9. Это довольно низкая величина: как правило, у транзисторов α лежит в пределах 0,96–0,99.

Коэффициент усиления по напряжению к_u зависит от того, какое сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь. Поэтому сам коэффициент к_u , в отличие от α , не является параметром транзистора и характеризует усилительный каскад в целом. В нашем примере в коллекторную цепь включен резистор R_н = 1 ком, и при изменении коллекторного тока от 6 до 10 ма, то есть всего на 4 на, напряжение на этом резисторе меняется от 6 до 10 в, то есть всего на 4 в (ΔU_н = ΔI_к ·R_н ). Иными словами, при изменении входного напряжения U_эб на 50 мв (и именно при таком изменении ток I_к меняется примерно на 4 ма) выходное напряжение U_н меняется на 4 в. А это значит, что напряжение усиливается в восемьдесят раз. Такая величина вполне реальна для нашей схемы, хотя эта схема позволяет получить значительно более высокое усиление по напряжению, вплоть до нескольких сотен раз.

Коэффициент усиления по мощности к_P равен произведению коэффициентов усиления по току α и по напряжению к_u .

И это вполне понятно: мощность в равной степени зависит от тока и напряжения, и, увеличив, например, в два раза ток и в два раза напряжение, мы увеличиваем мощность в четыре раза. Поскольку коэффициент усиления по току α очень близок к единице, можно считать, что усиление по мощности примерно такое же, как и усиление по напряжению (к_u ~= к_P ).

Казалось бы, что можно как угодно увеличить усиление по напряжению к_u , а вместе с ним и усиление по мощности к_P увеличивая сопротивление нагрузки R_н . Однако в действительности здесь, конечно, существуют ограничения. (Иначе зачем было бы строить многокаскадные усилители – включай побольше сопротивление нагрузки и получай от одного каскада все необходимое усиление!) Об одном из таких ограничений мы уже говорили: чем больше R_н , тем большая часть питающего напряжения на нем теряется (рис. 38). Другое ограничение можно будет понять, познакомившись с выходной характеристикой транзистора.

Выходная характеристика транзистора (рис. 57) показывает, как меняется коллекторный ток I_к при изменении напряжения U_бк между базой и коллектором. Обычно на одном графике размещают целое семейство выходных характеристик – несколько кривых, каждая из которых снята при «своем» неизменном входном напряжении U_эб .

Вот как снимают такое семейство характеристик. Установив, например, U_эб = 150 мв, поддерживают его неизменным и постепенно, от нуля увеличивая U_бк отмечают на графике, как меняется ток I_к . Затем устанавливают другое входное напряжение U_эб , например 175 мв, и вновь, начав от нуля, меняют U_бк и регистрируют I_к . Точно так же снимают характеристики и при других значениях U_эб .

Рис. 57. Семейство выходных характеристик транзистора показывает, как меняется коллекторный ток при изменении коллекторного напряжения и при различных напряжениях на базе.

Что же можно увидеть, всматриваясь в семейство выходных характеристик транзистора? Прежде всего эти характеристики позволяют судить о том, что происходит в коллекторной цепи при работе усилительного каскада, то есть когда одновременно меняется и входное напряжение, и напряжение на коллекторе. (Напряжение на коллекторе меняется потому, что под действием сигнала в итоге меняется напряжение на нагрузке: чем больше напряжение на нагрузке, тем меньше оно на самом коллекторе.)

Кроме того, выходные характеристики позволяют определить, как влияют на режим транзистора напряжение источника питания, напряжение, действующее во входной цепи U_эб , и само сопротивление нагрузки R_н . Наконец, семейство выходных характеристик позволяет разумно выбрать режим транзисторного усилителя, а также определить один из основных его параметров – выходное сопротивление R_вых . С определения этого параметра мы, пожалуй, и начнем (рис. 58).

Рис. 58. Соотношение между выходным напряжением и выходным током можно характеризовать величиной выходного сопротивления; нужно различать выходное сопротивление для постоянного и переменного (меняющегося) тока.

Когда решается вопрос о выборе нагрузки для транзисторного усилителя, то прежде всего нужно знать, куда эта нагрузка попадет – каково сопротивление цепи, в которую нагрузка будет включена. Именно сопротивление усилителя «со стороны нагрузки», сопротивление, с которым встретится нагрузка, попав в усилительный каскад, и называется выходным сопротивлением R_вых усилителя. В нашей схеме (мы не случайно все время подчеркиваем «в нашей схеме» – в других схемах все может быть по‑другому, и вы в этом скоро убедитесь) нагрузка включается в коллекторную цепь. И выходное сопротивление R_вых – это внутреннее сопротивление самого транзистора от вывода коллектора до вывода базы. Сопротивлением источника питания, который также входит в коллекторную цепь, можно пренебречь – оно очень мало, а при последовательном соединении главную роль играет большое сопротивление, в данном случае – сопротивление коллекторного рn ‑перехода (Воспоминание № 5).

В общих чертах можно сразу сказать, что выходное сопротивление R_вых в нашей схеме будет весьма большим, так как коллекторный переход – это, по сути дела, диод, включенный в обратном направлении. Подсчитать величину R_вых можно, пользуясь одной из выходных характеристик транзистора. На рис. 58 для этого используется выходная характеристика (зависимость I_к от U_бк , снятая при U_эб = 200 мв.

Давайте для начала, не обращая внимания на то, что происходит в самом транзисторе, поступим с ним так же, как поступали в свое время при определении входного сопротивления (рис. 56). Давайте заменим весь полупроводниковый триод одним резистором R_вых и будем считать, что именно к нему подключается нагрузка.

Выходное сопротивление для постоянного тока R_вых= определяется просто: постоянное напряжение на коллекторе U_бк нужно разделить на постоянный коллекторный ток I_к . Выходное сопротивление R_вых= очень сильно зависит от режима входной цепи, от управляющего напряжения U_эб . Когда транзистор заперт, когда нет тока в его коллекторной цепи, то R_вых= , естественно, бесконечно велико.

«Плюс» на базе ничего не меняет, так как триод продолжает оставаться закрытым. Зато с появлением на базе «минуса» появляется коллекторный ток I_к и сопротивление R_вых= резко уменьшается. Чем больше «минус» на базе, тем больше I_к , тем, следовательно, меньше R_вых= . Выходное сопротивление для постоянного тока может быть очень небольшим, вплоть до нескольких омов и даже долей ома. Совсем другие величины характеризуют выходное сопротивление для переменного тока.

Динамическое сопротивление R_вых будем определять так же, как определяли и динамическое входное сопротивление: изменим коллекторное напряжение на величину ΔU_бк , посмотрим, на какую величину ΔI_к при этом изменится коллекторный ток, а затем найдем R_вых по формуле закона Ома: R_вых = ΔU_бк:ΔI_к . У транзистора, характеристика которого приведена на рис. 57 и 58, выходное сопротивление оказалось равным 100 ком. В действительности же для нашей схемы величина R_вых может оказаться значительно больше, иногда достигая даже нескольких мегом.

То, что R_вых должно быть очень большим, видно по самой выходной характеристике: почти на всем протяжении она представляет собой слегка наклоненную прямую линию. Небольшой наклон характеристики говорит о том, что при изменении U_бк ток I_к меняется очень мало, а это как раз и свидетельствует о большом сопротивлении цепи.

Каждая выходная характеристика из нашего семейства, в частности характеристика, снятая при входном напряжении U_эб = 200 мв, по сути дела, представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода (рис. 19). И это вполне понятно: ведь коллекторный переход – это не что иное, как полупроводниковый диод, включенный в обратном направлении. Не стоит придавать значения тому, что выходная характеристика транзистора в сравнении с характеристикой диода оказывается перевернутой «вверх ногами». Характеристика перевернута только потому, что «ее так повесили», только потому, что нам так удобней на нее смотреть. Только поэтому коллекторный ток, который является обратным током «коллекторного диода», растет не вниз от нуля, а вверх, и только поэтому «минус» напряжения на коллекторе мы откладываем не влево от нуля, а вправо.

Выходная характеристика транзистора похожа на вольтамперную характеристику диода «во всех подробностях». При небольших напряжениях на выходной характеристике имеются загибы, а при больших напряжениях ток I_к резко возрастает. Это начинается электрический пробой, вслед за которым, как мы уже знаем, произойдет тепловой пробой, и транзистор выйдет из строя. Таким образом, можно сразу же сделать некоторые рекомендации по поводу рабочего режима транзистора: напряжение на коллекторе никогда не должно заходить в область левого загиба, так как в этой области происходит искажение формы сигнала (подобно тому, как искажается сигнал на загибах входной характеристики; рис. 55). С другой стороны, напряжение на коллекторе не должно заходить в область правого загиба, то есть не должно заходить в область пробоя. На деле, выбирая режим транзисторного усилителя, приходится вводить еше более строгие ограничения.

На семействе выходных характеристик транзистора нужно отметить несколько запретных зон (рис. 59). Это говорит о том, что коллекторный ток и коллекторное напряжение не должны быть ни слишком большими, ни слишком малыми, что они могут изменяться не как угодно, а лишь в определенных пределах – в пределах не заштрихованной на рисунке рабочей зоны.

Рис. 59. На выходной характеристике можно отметить запрещенные области, то есть такие значения коллекторного тока и напряжения, которые по каким‑либо причинам не должны (или не могут) появляться.

Чем же определяются границы этой рабочей области? Чем определяется тот набор токов и напряжений, при которых режим коллекторной цепи не попадает в опасные запретные зоны?

Левая граница рабочей области нам уже известна – за ней находится запретная зона загибов, загнутых участков характеристик. Попадание в эту запретную зону приводит к искажению формы сигнала. Чтобы не попадать в зону искажений, не нужно допускать, чтобы напряжение на коллекторе становилось меньше чем U^*_бк .

Правая граница рабочей области – это изогнутая линия с надписью «Не входить – пробой!». Переход этой границы влечет за собой прямо‑таки смертельную опасность, так как приводит в запретную зону, где коллекторному рn ‑переходу транзистора грозит тепловой пробой. Еще знакомясь с диодами, мы установили, что рn ‑переход может выйти из строя, если превысить некоторую величину подводимой к нему мощности. Эта мощность – мы назвали ее допустимой мощностью, – как всегда, равна произведению тока на напряжение (Воспоминание № 4). У диода ей соответствует вполне определенное значение обратного тока и обратного напряжения.

У транзистора дело обстоит иначе: при одном и том же напряжении на коллекторе ток через рn ‑переход, то есть коллекторный ток, может иметь разную величину. Все зависит от числа зарядов, впрыскиваемых в этот переход из базы, то есть в итоге все зависит от управляющего напряжения U_эб . Вот почему одному и тому же значению допустимой мощности – у нас она равна 50 мвт – соответствуют разные комбинации коллекторного тока I_к и коллекторного напряжения U_бк . При небольшом коллекторном токе I_к можно допустить сравнительно высокое коллекторное напряжение U_бк , а при увеличении тока I_к напряжение U_бк должно быть поменьше. Вычислив допустимое напряжение на коллекторе для разных управляющих напряжений U_эб (а значит, для разных коллекторных токов), мы как раз и получим изогнутую пограничную линию, переступать которую нельзя «под страхом смерти».

И, наконец, еще одно, третье ограничение: коллекторный ток не должен быть меньше некоторой величины I_ко . Здесь, правда, мы выразились не совсем точно – коллекторный ток не то что не должен переступать границу I_ко , а он просто не может перейти эту границу. Запретная зона, которая лежит ниже линии I_ко , отличается от двух предыдущих запретных зон именно тем, что в нее просто невозможно попасть.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 129; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!