ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 18 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 35Следующая ⇒

Действительно, допустив ошибку в выборе режима, вы можете уйти из рабочей области влево и сделать сигнал жертвой загиба. Вы можете нечаянно (например, повысив напряжение U_бк ) уйти из рабочей области вправо и увидеть, как мощность, выделяемая на коллекторном переходе, в какие‑то моменты становится больше допустимой (это, правда, будут не моменты, а всего один момент – транзистору достаточно один раз ненадолго перейти границу допустимой мощности, чтобы он уже навсегда перестал быть транзистором). А вот перейти нижнюю границу рабочей области даже при желании невозможно – коллекторный ток никаким разумным способом нельзя сделать меньше, чем I_ко . Именно поэтому ток I_ко называют неуправляемым коллекторным током.

Как ни мал этот ток (он обычно в тысячи раз меньше средней величины I_к ), а его влияние на работу транзистора огромно. Именно поэтому мы несколько подробней остановимся на происхождении неуправляемого тока I_ко и на той роли, которую он играет в транзисторном усилителе.

Вернемся к тем далеким временам, когда мы только научились создавать полупроводниковые кристаллы с разным типом проводимости, вводя в них донорные или акцепторные примеси (рис. 15). При введении донорной примеси в кристалле появлялись свободные электроны, и он становился полупроводником типа n , а при введении акцепторной примеси в кристалле появлялись свободные дырки, и он становился полупроводником типа р . Но еще до введения примеси в полупроводнике были свои собственные свободные заряды, причем в равном количестве и электроны и дырки. Эти собственные заряды, благодаря которым полупроводник обладал небольшой собственной проводимостью, появлялись потому, что в некотором количестве атомов, скажем, в одном атоме из нескольких миллионов, под действием тепловой энергии нарушалась связь одного из внешних электронов с ядром. Электрон уходил в межатомное пространство (отрицательный свободный заряд) и оставлял свой атом с одним свободным для других электронов местом, то есть с дыркой (положительный свободный заряд).

После введения примеси судьба собственных свободных Зарядов оказывалась различной. Если, например, в полупроводник вводилась донорная примесь и в нем появлялось большое количество примесных электронов, то собственные электроны как бы присоединялись к ним и практически терялись на их фоне: ведь примесных зарядов всегда во много раз больше, чем собственных. Но в таком полупроводнике n ‑типа оставались еще собственные дырки – очень небольшое количество дырок в сравнении с огромным количеством свободных электронов. Учитывая эту разницу в количестве, свободные электроны в полупроводнике n ‑типа мы назвали основными зарядами или основными носителями заряда, а собственные дырки – неосновными зарядами, неосновными носителями. Аналогично в полупроводнике р ‑типа (его создала акцепторная примесь) основными свободными зарядами являются дырки, а неосновными – свободные электроны.

Казалось бы, что не стоит обращать внимание на неосновные заряды – их очень мало и никакого влияния на работу pn ‑перехода они оказать не могут. В действительности же все обстоит иначе: неосновных зарядов действительно мало, но они начинают действовать, когда основные заряды «уходят от дел». И поэтому на фоне бездействующих основных зарядов малочисленный отряд неосновных становится чуть ли не главной действующей силой.

Так, в частности, когда мы прикладываем к pn ‑переходу обратное напряжение и основные заряды оттягиваются от границы между зонами, неосновные, наоборот, устремляются к этой границе – ведь у них другой знак и они все делают наоборот. Именно за счет неосновных зарядов возникает в полупроводниковом диоде обратный ток I_обр . Именно из‑за неосновных зарядов возникает в коллекторной цепи и неуправляемый ток I_ко (рис. 60).

Рис. 60. Собственные (неосновные) свободные заряды базы создают небольшой коллекторный ток, который не управляется, то есть не подчиняются управляющему напряжению на базе.

Сейчас настал момент сделать короткую остановку и обратить внимание на одну очень интересную особенность коллекторной цепи. До сих пор у нас не было случая поговорить об этой особенности, а сейчас как раз наступил удобный момент. Дело вот в чем. В коллекторной цепи транзистора работают только неосновные заряды. Действительно, заряды, которые попадают из эмиттера в базу, для базы оказываются неосновными. В транзисторе р‑n‑р , например, из эмиттера (зона р ) в базу (зона n ) поступают дырки, а в самой базе основные заряды – это электроны. Именно дырки – неосновные для базы заряды – уходят в коллекторный pn ‑переход и создают коллекторный ток I_к . Коллекторный ток, как мы уже говорили, очень похож на обратный ток диода. Это видно хотя бы по тому, что ток возникает под действием обратного напряжения – к коллектору приложен «минус», запирающий pn ‑переход для основных зарядов – электронов базы. И поэтому создаваться такой ток может только неосновными зарядами базы, то есть дырками.

Но в базе, как вы сами понимаете, имеется два сорта дырок: собственные (тепловые) дырки и чужие, впрыснутые из эмиттера. Оба сорта дырок – и собственные, и впрыснутые – участвуют в создании коллекторного тока на равных правах, и, казалось бы, между ними нет никакой разницы. Но разница все же есть. Количество впрыснутых дырок мы можем менять по своему вкусу, изменяя напряжение U_эб . Можно вообще прекратить впрыскивание дырок в базу, подав на нее «плюс», достаточный для того, чтобы запереть эмиттерный переход. А вот изменить количество собственных дырок базы мы не можем – это не в нашей власти.

Количество собственных дырок базы определяется лишь свойствами кристалла и температурой. А поэтому ток I_ко , создаваемый собственными неосновными носителями базы (ее собственными тепловыми дырками), всегда протекает в коллекторной цепи и не подчиняется воздействию управляющего напряжения. Несколько забегая вперед, заметим, что ток I_ко может сильно влиять на режим транзистора. А поскольку этот ток, так же как и обратный ток диода, сильно зависит от температуры (рис. 21), то приходится принимать решительные меры для того, чтобы обеспечить температурную стабильность транзисторного усилителя.

Семейство выходных характеристик – это своего рода сценарий, по которому можно было бы снять увлекательный фильм. Ведь за каждой характеристикой, за каждым ее изгибом и поворотом стоят интересные события, которые происходят в самом транзисторе. А поскольку характеристик много, то события эти сложным образом переплетаются, как в самом настоящем детективе.

Представьте себе, как из эмиттера в базу впрыскиваются свободные заряды (в триоде р‑n‑р , с которым мы все время имеем дело, из эмиттера в базу впрыскиваются дырки) и как эти заряды в результате диффузии проходят сквозь базу и попадают к коллекторному переходу. Здесь напряжение U_бк «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток I_к . (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.)

При увеличении коллекторного напряжения U_бк ток I_к немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока I_к под действием U_бк . Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением U_бк расширяется лишенная свободных зарядов область коллекторного перехода, и такое расширение происходит частично за счет территории базы. База становится чуть тоньше, силам диффузии тогда чуть легче проталкивать сквозь нее поступившие из эмиттера свободные заряды, и в итоге немножко возрастает коллекторный ток.

Слово «немножко» мы применили не напрасно – напряжение U_бк очень слабо влияет на величину тока I_к . Как бы ни старалось коллекторное напряжение, оно не может двинуть по коллекторной цепи больше зарядов, чем их поступило из базы. Поэтому резко увеличить коллекторный ток можно только одним способом: нужно увеличить отрицательное напряжение на базе I_эб (мы лишь для краткости говорим «напряжение на базе», фактически речь идет о напряжении между базой и эмиттером) и таким образом впрыскивать из эмиттера в базу большее количество свободных зарядов. При этом мы как бы поднимаемся на ступеньку выше, перескакиваем на более «высокую» выходную характеристику, снятую при более высоком входном напряжении U_эб .

В реальном случае, когда на входе транзистора появляется усиливаемый сигнал и напряжение на базе непрерывно меняется, подобное перескакивание с одной выходной характеристики на другую происходит непрерывно. Но одновременно с этим меняется и напряжение на коллекторе: мы уже говорили (рис. 38), что чем больше коллекторный ток I_к , тем больше напряжение на нагрузке U_н = I_к ·R_н , тем меньше напряжение на самом коллекторе U_бк = E_к – U_н .

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося U_эб , и с учетом меняющегося U_бк ? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61).

Рис. 61. Нагрузочная прямая показывает, как меняется коллекторный ток под действием входного сигнала и с учетом того, что напряжение на нагрузке (а значив и на коллекторе) тоже меняется при изменении тока.

Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: R_н = 1 ком и E _к = 12 в. Чтобы построить линию нагрузки, введем в наш сценарий две фантастические ситуации: рассмотрим, что происходит в коллекторной цепи, когда коллекторный ток равен нулю (первая фантастическая ситуация) и когда коллекторный ток настолько велик, что все напряжение батареи теряется на нагрузке и на самом коллекторе вообще нет никакого напряжения (вторая фантастическая ситуация). Подобных ситуаций в реальном случае не бывает, и поэтому мы будем о них говорить, применяя так называемую сослагательную форму «если бы да кабы».

Если бы коллекторный ток был равен нулю, то на нагрузке вообще не было бы никакого напряжения (U_н = 0) и все напряжение источника E_к было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А ; она как раз соответствует U_бк = E_к , так как напряжение батареи E_к мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение U_бк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Е_к было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток I_к ) был бы по закону Ома равен I_к = Е_к ·R_н . На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике – поставим на ней точку Б . Она как раз и соответствует напряжению U_бк = 0 и току I_к = 12 ма, который под действием напряжения Е_к = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки R_н = 1 ком.

Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б ) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А ). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни I_к , ни U_бк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.

Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке R_н и выбранном напряжении питания Е_к связаны между собой входное напряжение U_эб , напряжение на коллекторе U_бк и коллекторный ток I_к . Так, например, точка М говорит о том, что при U_эб = 250 мв режим коллекторной цепи будет U_бк = 2 в и I_к = 10 ма; при U_эб = 150 мв режим уже совсем иной: U_бк = 10 в, I_к = 2 ма (точка N ). Разумеется, эти данные относятся лишь к R_н = 1 ком и Е_к = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки R_н , то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ ), а если уменьшить R_н – более круто (АГ ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Е_к и уменьшается напряжение на коллекторе U_бк . Так при одном и том же входном напряжении U_эб = 150 мв получаем U_бк = 10 в при R_н = 1 ком (точка N ); и U_бк = 8 в при R_н = 2 ком (точка А' ).

Уменьшение питающего напряжения Е _к одновременно уменьшает и ток I_к , и напряжение U_бк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия А'В при Е_к = 6 в).

Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно найти пределы изменения коллекторного тока и напряжения на коллекторе. Так, если входное напряжение меняется от 150 мв до 250 мв (наша входная характеристика говорит о том, что такие пределы изменений вполне допустимы), то все события в транзисторе будут происходить в пределах участка MN нагрузочной прямой. При этом коллекторный ток будет меняться от 2 ма до 10 ма, а напряжение на коллекторе – от 2 в до 10 в. Отсюда легко найти и амплитудные значения напряжения и тока выходного (усиленного) сигнала I_ампл = I_к(MN) :2 = 8 ма: 2 = 4 ма. Мы делим I_к(MN) на два потому, что в этом интервале должны «поместиться» две амплитуды («положительная» и «отрицательная»), а значит, на каждую из них придется только половина I_к(MN) . Аналогично находим и амплитуду переменного напряжения: U_ампл = U_бк(MN) :2 = 8 в:2 = 4 в.

Прежде чем двигаться дальше, нам нужно покаяться в грехах, рассказать о некоторых неточностях, которые мы допустили, пытаясь отделить суть дела от второстепенных подробностей, и, по возможности, избежать лишних названий, терминов и объяснений.

Так, например, мы назвали входными характеристиками все графики, приведенные на рис. 54, в то время как входной характеристикой официально называется лишь зависимость I_э от U_эб . Более того, зависимость напряжения на нагрузке U_н от напряжения U_эб на входе транзистора попала в число входных характеристик совсем уже незаконно: все эти характеристики снимаются без нагрузки, при постоянном напряжении на коллекторе и поэтому называются статическими. Статическими, кстати, называются и все наши выходные характеристики. Они тоже снимаются без нагрузки, а влияние R_н учитывается путем несложных вычислений и построений.

Мы не отметили на входной характеристике очень небольшой эмиттерный ток, возникающий при отсутствии входного напряжения, то есть при U_эб = 0, если при этом есть хотя бы небольшое напряжение на коллекторе. Этот начальный ток появляется благодаря тому, что коллекторный ток создает в самой базовой области на ее собственном, внутреннем сопротивлении некоторое внутреннее напряжение, отпирающее эмиттерный переход даже тогда, когда нет внешнего отпирающего напряжения.

Другой «странный ток» – довольно большой коллекторный ток I_к , который существует даже при отсутствии коллекторного напряжения, то есть при U_бк = 0. Он появляется из‑за диффузии через базу зарядов, впрыснутых в нее из эмиттера.

Мы не будем продолжать перечисление подобных второстепенных, но несомненно интересных подробностей. Во‑первых, с некоторыми из них нам еще предстоит встретиться. Во‑вторых, уже пора сделать какие‑нибудь полезные выводы из долгого и трудного разбора входных и выходных характеристик транзистора.

УЧИТЕСЬ ДЕЛАТЬ ВЫВОДЫ

Первые несколько выводов мы, как говорится, можем «взять голыми руками», бегло взглянув на рис. 56 и 58. Выводы эти касаются параметров самого транзистора – он обладает очень небольшим входным сопротивлением, очень большим выходным сопротивлением и не дает усиления по току.

Другие выводы – они касаются режима транзисторного усилителя – будут сделаны на основании анализа входной и выходной характеристик, причем мы будем наблюдать за усилителем в динамическом режиме, то есть когда на его вход подан усиливаемый сигнал, а в коллекторную цепь включена нагрузка.

Чтобы легче представить себе то, что происходит в этом случае с транзистором, мы воспользуемся совмещенными графиками, пример построения которых понятен из рис. 62.

Рис. 62. Если известно, как меняется входное напряжение, то, пользуясь входной характеристикой, можно построить график входного (эмиттерного) тока.

В левой части рис. 62 помещена входная характеристика транзистора, которая показывает, как меняется ток I_э при изменении управляющего напряжения U_эб . Само же напряжение U_эб непрерывно меняется, так как ко входу усилителя подведен сигнал U_сиг . Кроме того, на входе действует еще и напряжение смещения U_см . Суммируясь, U_см и сигнал дают меняющееся напряжение U_эб . График этого напряжения (рис. 62–Б ) мы «положили набок» и совместили его с входной характеристикой. «Совместили» – это значит, что деления на оси напряжения U_эб графика Б совпадают с делениями на оси напряжения U_эб графика А . Иными словами, одинаковые значения напряжений –100 мв, 200 мв, 300 мв и т. д. – лежат строго друг против друга, то есть совмещены.

Обратите внимание, что ось времени, на графике Б размечена не в «законных» единицах времени – не в сек, мсек, мксек и т. д. На этой оси маленькими буквами а, б, в отмечены лишь три наиболее интересных момента. Так, например, от момента 0 до момента а входного сигнала нет, и на базе действует только одно смещение. Моменты б и в соответствуют положительной и отрицательной амплитудам усиливаемого сигнала. Суммируясь с U_см или вычитаясь из него, эти амплитуды дают наибольшее U_{эб‑макс} или наименьшее U_{эб‑мин} напряжение на базе.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 114; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!