И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
На чем основывается работа транзистора при большом сигнале?
Рассмотрение работы транзистора при большом сигнале сталкивается с рядом трудностей. Следует помнить, что физические модели транзисторов были разработаны при упрощающих предположениях, которые перестают быть справедливыми при большом сигнале. Его h- и y-параметры определяются только через малые приращения токов и напряжений и не определяют свойств транзистора для большого сигнала. В этой ситуации при использовании транзисторной схемы, предназначенной для работы в режиме большого сигнала, можно использовать лишь статические характеристики.
При выборе положения рабочей точки, помимо стремления получить малые искажения, в схемах, работающих при большом сигнале, особенно для усилителей мощности, часто учитывается мощность, потребляемая от источника питания, и мощность, рассеиваемая в транзисторе.
Что такое усилители классов А, В, С?
Как уже подчеркивалось, усилители малых сигналов обычно работают в режиме, рабочая точка которого расположена вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой. В усилителях больших сигналов в зависимости от положения рабочей точки различают режимы классов А, В, АВ и С.
Работой в классе А (рис. 4.36) называют режим работы, при котором положение рабочей точки таково, что выходной ток протекает в течение времени длительности переменного входного сигнала, т. е. в течение всего периода. В классе В выходной ток протекает только в течение полупериода входного колебания. При отсутствии входного колебания выходной ток, соответствующий рабочей точке, почти равен нулю и в транзисторе выделяется очень малая мощность. Промежуточное положение рабочей точки между режимами А и В соответствует классу АВ. В классе С выходной ток протекает в течение времени, меньшего чем полупериод.
Очевидно, что наименьшие искажения сигнала имеют место в классе А, наибольшие — в классе С[14]. Эффективность схемы наибольшая в классе С, наименьшая — в классе А.
Рис. 4.36. Работа транзистора в классе А (а) и классе В (б)
Зачем транзисторы иногда размещают на радиаторах?
Рабочая температура транзистора имеет ограниченное значение, обычно зависящее от температуры коллекторного перехода.
Для кремниевых транзисторов максимальная температура перехода лежит в интервале 150–200 °C. Температура перехода зависит от выделяемой в транзисторе мощности, температуры окружающей среды и эффективности излучения тепловой энергии транзистором и платой, на которой он закреплен. Увеличение полезной мощности, полученной на выходе транзистора, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Рассеиваемая мощность не может превышать допустимую для полупроводникового элемента. Однако допустимую мощность можно повысить, увеличив излучение тепловой энергии.
Для этого транзистор часто размещают на металлическом элементе с как можно большей поверхностью, увеличиваемой путем создания ребер. Подобные элементы, отбирающие тепловую энергию от транзистора и излучающие ее в окружающую среду, называются радиаторами. Применение радиатора позволяет получить от данного транзистора большую мощность, чем при работе без радиатора.
Какие существуют области работы транзистора?
Существуют три такие области, зависящие от смещения переходов. При работе транзистора как усилителя малых сигналов эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это — активная область работы (рис. 4.37), в которой транзистор приближенно можно считать линейным активным элементом и пользоваться параметрами, приводимыми в справочниках.
Область, в которой как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. В этой области ток коллектора минимален (Iк = Iк0), а напряжение на коллекторе максимально.
Областью насыщения называется область, в которой эмиттерный и коллекторный переходы смещены в проводящем направлении. Коллекторный ток достигает насыщения, напряжение на коллекторе имеет очень малое значение. В этой области входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ очень мало, благодаря чему достигается большое постоянство амплитуды выходного колебания, не зависящее от изменения входного сигнала.
Рис. 4.37. Области работы транзистора:
1 — область насыщения; 2 — активная область; 3 — область отсечки
Как работает транзистор в режиме переключения?
Транзистор, работающий при малых сигналах, остается все время в активной области. Если сигнал достаточно велик, мгновенная рабочая точка транзистора может проходить через три области: отсечки, активную и насыщения. Тогда говорят, что транзистор работает в режиме переключения. Подобные условия работы наблюдаются очень часто в схемах импульсной техники (см. гл. 10) и схемах цифровой техники (см. гл. 12).
При работе с импульсным сигналом важным практическим вопросом в большинстве случаев является определение скорости, с которой может нарастать выходной ток, когда ко входу подводится сигнал с большой крутизной. Скорость зависит от источника управляющего сигнала (амплитуды и внутреннего сопротивления), цепи между источником и транзистором, управляющей цепи, а также от свойств самого транзистора и выбора его рабочей точки.
С точки зрения свойств транзистора можно показать, что скорость нарастания фронтов выходного сигнала будет тем большей, чем больше предельные частоты транзистора и чем меньше постоянные времени rб'бСб'к и rэ'бСэ'б. В случае работы при больших сигналах дополнительное влияние оказывают явления, происходящие в полупроводнике при переходе из состояния насыщения в состояние отсечки и обратно.
Работа транзистора в режиме переключения представлена на рис. 4.38.
Рис. 4.38. Работа транзистора в режиме переключения: схема (а) и формы импульса входного напряжения (б), тока базы (в), напряжения эмиттер — база (г), тока коллектора (д), напряжения коллектор — эмиттер (е)
На транзистор, находящийся первоначально в состоянии отсечки, подается управляющий прямоугольный импульс большой амплитуды, который вызывает переход в состояние насыщения перехода эмиттер — база. Ток коллектора нарастает с задержкой, зависящей не только от параметров транзистора, но и от степени управления (глубины насыщения). Крутизна выходного импульса будет тем большей, чем больше возбуждение, т. е. чем больше токи базы. Однако при этом происходит расширение импульса, поскольку выходной импульс еще «длится», несмотря на исчезновение входного импульса. Процесс обусловлен наличием в базе в состоянии насыщения высокой концентрации неосновных носителей, тогда как изменение смещения перехода коллектор — база при переключении из состояния насыщения в активную область требует небольшой концентрации этих носителей.
На это требуется некоторое время, зависящее, в частности, от глубины насыщения и длительности входного сигнала, а также от свойств транзисторов. В справочниках по транзисторам приводятся некоторые данные, определяющие время включения и выключения.
Время включения является суммой времени задержки tз и времени нарастания tн, а время выключения — суммой времени накопления (рассасывания) tр и времени среза tс. Время включения и выключения связано и с другими параметрами транзистора. Например, чем частота fт больше, тем эти времена меньше. Рост емкости С22б увеличивает время включения и выключении. Работа при большом токе коллектора увеличивает время нарастания и спада, но сокращает время накопления. Возрастание тока базы вызывает уменьшение времени включения, но увеличение времени выключения. Работа при малом токе базы, обеспечивающем работу вне области насыщения, связана также с малым коэффициентом передачи транзистора по току.
С точки зрения управления транзистора различают управление током, напряжением и зарядное управление.
Что такое управление транзистора током, напряжением и зарядом?
Управлением транзистора по току называется управление входной цепью от источника с большим внутренним сопротивлением по сравнению с входным сопротивлением транзистора, а управлением по напряжению — от источника с малым внутренним сопротивлением. При управлении по току и напряжению скачкообразное изменение тока базы не вызывает мгновенного изменения тока коллекторе.
