Энциклопедия практической электроники - Рутледж Д.
ISBN 5-94074-096-0
Скачать (прямая ссылка):
Vc
Vb
а) б)
Рис 9.6. Эпюры напряжения с искажениями на коллекторе (U) и базе (UJ в схеме предусилителя (а) Масштаб осциллограмм изменен для наглядности. BAX транзистора в активном режиме (б)
Линия коллекторного напряжения Uc имеет более сглаженную форму в области минимума отрицательной полуволны и заостренную в области максимума положительной полуволны. Происходящее станет более понятным, если сравнить форму кривых напряжения на базе Ub и коллекторе. Кривая напряжения базы искажена таким же образом, только искажение сдвинуто на полпериода: расширение пика наблюдается в области положительной полуволны, а сужение - в области минимума отрицательной полуволны. Если принять во внимание, что усилитель инвертирует выходной сигнал, то рассматриваемая схема работает как хороший усилитель напряжения, в котором форма сигнала выходного и входного напряжений полностью совпадает.
В качестве доказательства можно инвертировать сигнал одного из каналов на осциллографе, подобрать необходимый масштаб для компенсации усиления амплитуды сигнала и сравнить формы сигналов входного и выходного напряжений методом наложения. Вы увидите, что кривые окажутся практически одинаковыми.
[204] 9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
^ Чтобы объяснить природу искажения напряжения на базе, рассмотрим вольт-амперную характеристику (BAX) эмиттерного перехода (рис. 9.66). На графике приведены две характеристики - ток базы 1ь и ток коллектора 1с. Соответствующие им кривые имеют одинаковую форму, хотя значения базового тока меньше в ? раз по сравнению с коллекторным. Из-за разницы значений кривая базового тока сдвинута правее графика коллекторного. Подробнее об этом можно прочесть в любой книге по полупроводниковой электронике. Здесь же достаточно отметить, что для значений базового напряжения, близких к величине Uf, ток с большой точностью описывается следующей формулой:
Ib = Ibsexp(Ub/Ut) (9.17)
Ic = Icsexp(Ub/Ut) (9.18)
где Ib - ток базы, 1с - ток коллектора, a Ub - напряжение между эмиттером и базой. Аналогичное выражение для тока и напряжения может быть использовано и в случае р-п диода. Величина U1 называется тепловым напряжением и вычисляется по формуле:
Ut = kT/q (9.19)
где к - постоянная Больимана, равная 1,38 х 10~23 Дж/К, T - абсолютная температура в градусах Кельвина, a q - заряд электрона, равный 1,6 х 10~19 К. Для комнатной температуры 295 К или 22 0C значение будет следующим:
Ц = 25 мВ (9.20)
Данная формула показывает, что в основе физических процессов, связанных с прохождением тока в диоде и транзисторе, лежит тепловое возбуждение атомов примеси и генерация носителей заряда. В фюрмулах 9.17 и 9.18 токи І^и являются коэффициентами пропорциональности. Их называют токами насыщения, соотношение между ними выражается через коэффициент усиления следующим образом:
los = ?lbs , (9.21)
Оба тока возрастают с увеличением температуры, а величина ? зависит как от температуры, так и от уровня тока. Поэтому токи насыщения в действительности не являются константами.
Следующим важным моментом, на который следует обратить внимание, является то, что в выражениях 9.17 и 9.18 токи 1ь и 1с всегда положительны, даже тогда, когда приложено отрицательное напряжение. В реальности такое невозможно. Иначе получился бы вечный источник питания, так как мощность при отрицательном напряжении была бы тоже отрицательной. Очень часто Ibs и Ics, полученные из этих формул, используются для того, чтобы показать динамику снижения тока до нуля при нулевом напряжении или отрицательные значения тока при отрицательных напряжениях. В действительности формула для тока при его малых и отрицательных значениях гораздо сложнее. Особенно изменяется эффективное значение напряжения Ut. В силу этого автор настоящей книги предлагает использовать более простое уравнение для значений напряжения Uf, которое справедливо для рассматриваемого диапазона напряжений.
9.5. СОПРОТИВЛЕНИЕ БАЗЫ ТРАНЗИСТОРА ЩЩ
Как следует из вышеприведенных формул, ток диода или транзистора возрастает в е раз при увеличении напряжения на каждые 25 мВ. Это очень резкий рост. Для десятикратного роста тока достаточно изменить входное напряжение на величину:
AU = U, In(IO) - 60 мВ (9.22)
Следовательно, для транзистора, имеющего коэффициент ? = 100, кривая 1ь смещена вправо относительно кривой 1с (по оси напряжения) на 120 мВ. Это и является причиной того, что прямое падение напряжения перехода база-эмиттер должно находиться между значениями 700 и 800 мВ, а не между значениями 600 и 700 мВ, которые характерны для обычного диода.
9.5. Сопротивление базы транзистора
Тангенс угла наклона на графике зависимости тока базы соответствует проводимости перехода база-эмиттер, которая определяется как малосигнальный параметр и обозначается gb. Поскольку выражение 9.17 является экспоненциальной зависимостью, то формула для расчета проводимости очень проста:
dlb _ 1„
gb"dUb"Ut (9'23)
Можно самостоятельно проверить результат данного соотношения. На практике принято использовать величину входного сопротивления (в данном случае базового) гь, которая обратна проводимости gb. Для комнатной температуры она равна:
