Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 4 из 17

Б i




Иногда вместо резистора г_эвключают идеальный диод Д, который во включенном состоянии заменяют закорот-кой, а в выключенном — разрывом.

Емкость С'_к, которую иногда включают в схему при ее анализе на переменном токе, отражает факт влияния на ток коллектора переменной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером.

В первом приближении



где С_к — барьерная емкость коллекторного перехода.

Остальные элементы эквивалентной схемы соответ­ствуют уже полученному выражению i_K= β_ст• i_б + I`_ко +u_кэ 1/r'_к

Подобные эквивалентные схемы рекомендуется ис­пользовать в учебных целях и при простых приближенных расчетах.

Профессиональные расчеты транзисторных схем реко­мендуется выполнять с помощью моделирующих про­грамм, использующих современные математические мо­дели транзисторов.

1.2.4. Анализ схем с транзисторами

Хотя практический анализ электронных схем рекомен­дуется выполнять на ЭВМ, для лучшего уяснения прин­ципов работы схем с транзисторами и для проведения прикидочных расчетов следует ознакомиться с графичес­ким анализом схем, а также с анализом схем на основе простейших эквивалентных схем транзистора.

Графический анализ схем с транзисторами. При анали­зе схем с транзисторами графическим способом исполь­зуется тот же подход, что и при анализе диодных схем. Применяются линии нагрузки. Но теперь для анализа схе­мы используют две линии нагрузки — для входной и вы­ходной цепей.

Обратимся к рис. 1.71. Уравнение линии нагрузки для входной цепи имеет следующий вид: Е_б= i_sR₆+ и_бэ. Ли­ния нагрузки для выходной цепи описывается выражени­ем E_к =i_к • R_к + и_кэ.

Построим линии нагрузки для входной (рис. 1.72) и выходной (рис. 1.73) цепей. При анализе напряжением «_fo часто пренебрегают (если напряжение Е_бдостаточно ве­лико).

Вначале по входной характеристике (часто используют характеристику для и_кэ= 5В) определяют искомый ток базы i_б, а затем по выходной характеристике, соответству­ющей этому току, определяют искомый ток коллектора i_K, искомое напряжение между коллектором и эмиттером и_кэ и искомое напряжение и_RK на резисторе R_K. Найденную точку 0 называют начальной рабочей точкой.

Анализ схем с использованием эквивалентных схем тран­зистора. Заменим транзистор в схеме на рис. 1.71 эквива­лентной схемой. Получим схему, представленную на рис. 1.74 (при этом вместо диода в эквивалентной схеме используется закоротка).

Из схемы на рис. 1.74 следует, что











i₆=E_s/(R₆+r₆), i_к=i_б B_ст+I`_К0, U_кэ=Е_к - i_K R_K.

Рассмотрим более сложный пример (рис. 1.75). На схе­ме, как это принято в электронике, показан только один полюс источника напряжения Е_к. Пусть β_ст= 99; г_б= = 0,5 кОм; r`_к= °°; 1_ко= 0,01 мА. Определим i_б.

Вначале выполним преобразование схемы, используя теорему об эквивалентном генераторе. Получим схему на рис. 1.76. При этом

R\+R₂

Заменим транзистор его эквивалентной схемой и про­ведем анализ полученной схемы (рис. 1.77).

Вначале определим.
Из схемы рис. 1.77 следует, что

1.2.5. Три схемы включения транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки

Транзисторы часто применяют для усиления перемен­ных сигналов (которые при расчетах обычно считают си­нусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Во входной цепи, кроме источника постоянного напря­жения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменно­го напряжения. Изобразим три характерные схемы вклю­чения транзистора.

Схема с общей базой (ОБ) (рис. 1.78). Если сопротивле­ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен­ной составляющей напряжения и_выхзначительно больше амплитуды напряжения и_ех. Учитывая, что i_выx i_вx, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы доста­точно большой, а соответствующее входное сопротивле­ние малое.

Схема с общим эмиттером (О Э) (рис. 1.79). Так как i_выx >> i_вx а при достаточно большом сопротивлении R_Hам-



плитуда переменной составляющей напряжения и_выхзна­чительно больше амплитуды напряжения и_вх, следователь­но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 1.80). При оп­ределении переменных составляющих токов и напряже­ний источники постоянного напряжения и₁и и₂заменя­ют закоротками (закорачивают). После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного на­пряжения и_вх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и назва­ние — схема с общим коллектором.

Само напряжение и_бэи особенно переменная состав­ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения и_вх примерно равна амплитуде переменной составляющей на­пряжения и_еых. В соответствии с этим усилительные кас­кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями.

Учитывая также, что i_вх« i_вых, отмечают, что схема уси­ливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема отличается повышенным входным сопротивле­нием, так как при увеличении входного напряжения уве-



личению входного тока препятствует увеличение как на­пряжения и_6э, так и напряжения и_вых.

На практике наиболее часто используется схема с об­щим эмиттером.

1.2.6. h-параметры транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 1.81). В четырехполюснике условно изображен тран­зистор, включенный по схеме с общим эмиттером.

Для разных схем включения транзистора токи и напря­жения этого-четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:

i₁, — переменная составляющая тока базы;

и₁ — переменная составляющая напряжения между ба­зой и эмиттером;

i₂ — переменная составляющая тока коллектора;

и_г— переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называе­мые h-параметры. При этом




т. е.


Коэффициенты h_ij определяют опытным путем. Напри­мер, h₁₁ определяют, устанавливая и_г=0 (режим короткого замыкания на выходе). При этом




и, замыкания на выходе). При этом /*n = .

Как легко заметить, коэффициент h₁₁ представляет со­бой входное сопротивление транзистора для переменно­го сигнала..

Аналогично

-коэффициент обратной связи по напряжению.

Режим работы при i₁=0 называют холостым ходом на входе.

Далее



-коэффициент передачи тока,



Параметры, соответствующие схеме с общим эмитте­ром, обозначают буквой «э», а схеме с общей базой — бук­вой «б».

Можно показать, что



Для создания математической модели транзистора пол­ный набор h-параметров часто не требуется.

1.2.7. Временные диаграммы токов

транзистора при его вхождении в активный режим работы и частотные (динамические) свойства

Для характеристики инерционных, динамических свойств транзистора изобразим указанные в заголовке вре­менные диаграммы (рис. 1.82). При этом предполагается, что ток эмиттера изменяется скачкообразно.

Наличие задержки при изменении тока i_к, характери­зуемой временем задержки t_з, объясняется тем, что элект­роны, инжектированные эмиттером, достигают коллекто­ра спустя некоторое время. Плавное нарастание тока коллектора в течение так называемого времени нараста­ния t_нобъясняется хаотичностью движения электронов и их различной средней скоростью.

Непосредственно после начала протекания тока i_эток i_бдостаточно велик, что объясняется накоплением заря­дов в базе транзистора. После накопления этих зарядов ток базы принимает значение, соответствующее коэффи­циенту β_ст.

Обратимся к режиму работы транзистора, характерно­му тем, что имеется переменная составляющая тока базы малой амплитуды. Для анализа таких режимов и раньше (при ручных расчетах) и теперь (при использовании ма­тематического моделирования) широко используют комплексный (символический) метод. Обратимся к это­му методу.

Пусть I_б— комплексное действующее значение (ком­плекс действующего значения) переменной составляющей тока базы, а I_к — комплексное действующее значение пе­ременной составляющей тока коллектора. Введем в рассмотрение комплексный коэффициент передачи базово­го тока β. По определению β =I_к/I_б
На коэффициент β оказывают влияние многие факто­ры, и в первую очередь частота сигнала и емкости p-n-пе­реходов транзистора.

Раньше, при ручных расчетах, частотные свойства транзистора учитывали, включая в соответствующие экви­валентные схемы источник тока, управляемый током и

характеризуемый комплексным коэффициентом β. При этом обычно использовали несложные формулы, описы­вающие зависимость коэффициента β от частоты.

Часто в одну и ту же эквивалентную схему включали и указанный управляемый источник, и некоторые емкости (например, барьерные емкости переходов).

При современном машинном анализе электронных схем используют универсальные математические модели транзисторов, правильно моделирующие самые различные режимы. В таких моделях используют управляемые источ­ники с вещественными, а не комплексными коэффици­ентами B. При этом полное отражение частотных свойств

транзистора достигается включением в его математичес­кую модель дополнительных элементов, в частности диф­фузионных емкостей. Изложенное очень полезно осознать как пример того, насколько сильно развитие методов вычислений влияет на инженерные подходы при проек­тировании электронных схем.

Однако использование для представления коэффици­ента р комплексных чисел очень наглядно, так как позво­ляет оценить кроме амплитуды выходного сигнала его сдвиг по фазе по отношению к входному. Этот сдвиг возникает на высоких частотах. По-видимому, такое пред­ставление будет использоваться и в дальнейшем.

Кроме коэффициента β, в форме комплексных чисел представляют и другие параметры транзистора (а, r`_ки т. д.). Изобразим график зависимости модуля |β| от часто­ты f для транзистора КТ603А (рис. 1.83) и дадим более детальный типичный график зависимости модуля |β| от

частоты (рис. 1.84). Значение коэффициента β на посто­янном токе β_пт имеет нулевую мнимую часть, поэтому β_пт =|β_пт|. На графиках f_пред0Э— предельная частота коэффи­циента передачи тока в схеме с общим эмиттером (часто­та среза), а f_гран0Э— граничная частота этого коэффици­ента (частота единичного усиления). В некоторых книгах в эти термины вкладывают другой смысл.

Для транзистора КТ603А f_гран0Э — не менее 200 МГц, а на частоте 100 МГц выполняется условие |β| > 2.



1.2.8. Классификация и система обозначений

Система обозначений современных типов транзисторов приведена в [3] и установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исход­ный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов, третий (цифра) — основные функциональные возможности транзистора, четвертый (число) — обозначает порядковый номер раз­работки технологического типа транзистора, пятый (бук­ва) — условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

Г, или 1, — германий или его соединения;

К, или 2, — кремний или его соединения;

А, или 3, — соединения галлия (арсенид галлия);

И, или 4, — соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т — биполярные и П — полевые транзисторы.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатацион­ных признаков транзисторов применяются следующие цифры:

для транзисторов малой мощности (максимальная мощ­ность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):

1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее гранич­ной частотой) не более 3 МГц;

2-с граничной частотой 3...30 МГц;

3-с граничной частотой более 30 МГц;

для транзисторов средней мощности (0,3...1,5 Вт):

4— с граничной частотой не более 3 МГц;

5— с граничной частотой З...ЗО МГц;

6— с граничной частотой более 30 МГц;

для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт):

7. 
   — с граничной частотой не более 3 МГц;
   
8. 
   — с граничной частотой 3...30 МГц;
   
9. 
   — с граничной частотой более 30 МГц.
   

Для обозначения порядкового номера разработки ис­пользуют двузначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превышает число 99, то применяется трехзначное число от 101 до 999.

В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э).

Стандарт предусматривает также введение в обозначе­ние ряда дополнительных знаков. В качестве дополнитель­ных элементов обозначения используют следующие сим­волы:

цифры от 1 до 9 — для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конст­рукции или электрических параметров;

буква С — для обозначения наборов в общем корпусе (транзисторные сборки);

цифра, написанная через дефис, для бескорпусных транзисторов:

1—с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе;

3—с жесткими выводами без кристаллодержателя;

4. 
   — с жесткими выводами на кристаллодержателе;
   

5— с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;

6— с контактными площадками на кристаллодержателе, но без выводов.