Лекция 9. Влияние температуры на работу транзистора в режиме нагрузки. Схемы термостабилизации

Класс усиления D (ключевой режим работы транзистора)

Класс усиления С

Класс усиления В

Класс усиления А

Схема однокаскадного транзисторного усилителя

Рассмотрим схему однокаскадного усилителя переменного тока, в которой транзистор включён по схеме с общим эмиттером (ОЭ), которая представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема однокаскадного усилителя ОЭ

В схеме имеется только один источник питания Ек, от которого питаются цепи коллектора и базы транзистора VT. Нагрузкой цепи коллектора является резистор R_н. Резистор цепи смещения в базе транзистора R_см устанавливает режим транзистора по постоянному току (ток базы I_Б0). Ток коллектора I_К0 будет зависеть от коэффициента передачи тока базы транзистора:

.

При этом на коллекторе транзистора установится напряжение

. (8.1)

На вход усилителя поступает сигнал переменного тока u_вх = U_m×sinwt через конденсатор С, который служит для разделения цепей переменного и постоянного тока на входе усилителя. При таком включении конденсатора С внутреннее сопротивление источника сигнала не влияет на режим транзистора по постоянному току, и постоянное напряжение из цепи базы транзистора не проникает в источник входного сигнала переменного тока.

На выходе усилителя (в цепи коллектора транзистора) на резисторе R_н цепи постоянного и переменного тока не разделены. К резистору R_н одновременно приложено постоянное напряжение и переменное напряжение усиленного сигнала, величина которого зависит от коэффициента усиления схемы по напряжению К_U.

Форма выходного сигнала усилителя зависит от амплитуды входного сигнала переменного тока U_m и положения рабочей точки по постоянному току. В зависимости от формы выходного сигнала различают стандартные режимы работы, которые называются классами усиления.

Рассмотрим работу усилителя в различных классах усиления. Анализ работы проведём графическим методом с использованием статических характеристик транзистора.

В классе усиления А, который также называют линейным усилением без отсечки тока, рабочая точка выбирается из условия , а форма выходного сигнала повторяет форму входного. Проведём анализ работы усилителя ОЭ по схеме на рис. 8.2. На рис. 8.3 представлены статические характеристики транзистора в схеме ОЭ, на которых построена нагрузочная линия.

Рис. 8.3. Графический анализ работы усилителя в классе усиления А

Нагрузочная линия строится на выходных характеристиках по двум точкам: точке холостого хода, в которой U_КЭ = Е_К, и точке короткого замыкания, в которой . Допустим Е_К = 12 В, R_Н = 300 Ом. Тогда максимально возможный ток коллектора I_Кmax = 40 мА. Нагрузочная линия соединяет эти точки, пересекая линии графиков выходных характеристик.

Выберем рабочую точку О_А, в которой В, I_К0 = 20 мА. Перенесём рабочую точку на входную характеристику. Току коллектора I_К0 соответствует ток базы I_Б0 = 0,4 мА. Пересечение входной характеристики, соответствующей U_КЭ = 6 В, с линией тока базы 0,4 мА даёт нам положение рабочей точки на входной характеристике. Чтобы получить выбранную рабочую точку, надо установить в схему усилителя резистор смещения кОм.

Построим теперь график синусоидального напряжения в нагрузке. На выходных характеристиках определим область насыщения, в которой графики характеристик искривляются. Моменту начала искривления характеристик соответствует напряжение на коллекторе U_КЭ » 1 В. Следовательно, максимальная амплитуда неискажённого сигнала на выходе может быть U_m.вых = 6 - 1 = 5 В. Отложим от оси, проведённой через точку U_КЭ = 6 В, амплитуды U_m.вых = 5 В вправо и влево. Получим точку U_КЭ = 11 В как наибольшее мгновенное значение напряжения на коллекторе в режиме усиления сигнала переменного тока. Перенесём на входную характеристику точки, соответствующие токам базы I_Б = 0,8 мА (граница области насыщения) и I_Б = 0,05 мА (граница области наибольшего мгновенного значения напряжения на коллекторе). Проведём через эти точки вертикальные линии, между которыми разместится график синусоидального напряжения входного сигнала.

В результате проведённых построений получим U_m.вх = 0,05 В, а амплитуды токов на входе I_m.вх = 0,28 мА и на выходе I_m.вх = 18 мА.

Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:

по напряжению; по току ;

по мощности К_Р = К_U × К_I = 100 × 64,3 = 6430.

Рассчитаем коэффициент полезного действия усилителя ,

где Р_Н – мощность усиливаемого сигнала в нагрузке;

Р_ПОТР – мощность, потребляемая от источника питания.

Мощность усиливаемого сигнала в нагрузке определяется по действующим значениям тока и напряжения, которые меньше амплитудных значений в раз. Определим действующие значения:

В; мА.

Мощность переменного тока в нагрузке

мВт.

Мощность, потребляемая от источника питания:

мВт.

Коэффициент полезного действия или 15,4%.

Если бы для получения амплитуды выходного сигнала можно было использовать всё напряжение источника питания от 0 до Е_К, коэффициент полезного действия усилителя в классе А (теоретический предел) составил бы 22,5%.

Низкое значение коэффициента полезного действия является недостатком усилителя класса А. Главное же его преимущество – усиление сигнала без искажения формы (режим линейного усиления). Поэтому усилители класса А применяются в маломощных каскадах усиления (режим усиления по напряжению) с большой величиной сопротивления нагрузки.

В классе усиления В рабочая точка выбирается из условия , то есть напряжение на коллекторе практически равно напряжению источника питания. Усиление происходит с отсечкой тока, угол отсечки составляет Q = 90⁰. Что такое угол отсечки и как определяется его величина, объяснялось в лекции 4. Форма выходного сигнала представляет собой половину периода синусоиды входного сигнала. При переводе усилителя ОЭ по схеме на рис. 8.2 из класса А в класс В схема не изменяется. Изменяется только величина резистора смещения R_см. Проведём анализ работы усилителя (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Графический анализ работы усилителя в классе усиления В

Выберем рабочую точку О_В, в которой В, I_К0 » 0 мА. Перенесём рабочую точку на входную характеристику. Току коллектора I_К0 соответствует ток базы I_Б0 < 0,05 мА, практически рабочая точка на входной характеристике располагается на уровне порогового напряжения перехода база-эмиттер. Чтобы получить выбранную рабочую точку, надо установить в схему усилителя резистор смещения кОм.

Построим теперь график синусоидального напряжения в нагрузке. На выходных характеристиках выделим область насыщения, в которой графики характеристик искривляются. Моменту начала искривления характеристик соответствует напряжение на коллекторе U_КЭ » 1 В. Следовательно, максимальная амплитуда неискажённого сигнала на выходе может быть U_m.вых =12 - 1 = 11 В. Отложим от оси, проведённой через точку U_КЭ0 = 12 В, амплитуды U_m.вых = 11 В влево. Получим точку U_КЭ = 1 В как наименьшее мгновенное значение напряжения на коллекторе в режиме усиления сигнала переменного тока. Перенесём на входную характеристику точку, соответствующую току базы I_Б = 0,8 мА (граница области насыщения). Проведём через эту точку первую вертикальную линию. Вторую вертикальную линию проведём симметрично первой относительно линии, проходящей через рабочую точку на входной характеристике. Между первой и второй вертикальными линиями разместится график синусоидального напряжения входного сигнала.

В результате проведённых построений получим U_m.вх = 0,21 В, а амплитуды токов на входе I_m.вх = 0,68 мА и на выходе I_m.вх = 38 мА.

Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:

по напряжению; по току ;

по мощности К_Р = К_U × К_I = 52,4 × 56 = 2934.

Рассчитаем коэффициент полезного действия усилителя.

Определим действующие значения напряжений и токов:

В; мА.

Мощность переменного тока в нагрузке

мВт.

Мощность, потребляемая от источника питания, будет в два раза больше. Во время импульса тока в нагрузке половина мощности рассеивается на транзисторе, поэтому мВт.

Коэффициент полезного действия или 50%, что существенно выше, чем в классе А. Однако выходной сигнал сильно искажается. Для получения полной синусоиды выходного сигнала в нагрузке применяют двухтактную схему усилителя, которая может быть трансформаторной или бестрансформаторной. Трансформаторная схема двухтактного усилителя класса В представлена на рис. 8.5.

Вторичные обмотки трансформатора Т1 включены противофазно, поэтому положительную полуволну синусоиды усиливает транзистор VT1, а отрицательную – VT2.

Рис. 8.5. Трансформаторная схема двухтактного усилителя класса В

В трансформаторе Т2 первичные обмотки трансформатора включены противофазно, поэтому в нём складываются полуволны синусоид, и в нагрузку поступает усиленный синусоидальный сигнал.

В классе усиления С рабочая точка выбирается из условия , то есть напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания, транзистор закрыт. Для перевода усилителя в класс С необходимо переключить Rсм от источника питания на общий провод (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схема усилителя ОЭ, работающего в классе С

Усиление происходит с отсечкой тока, угол отсечки составляет Q = 60⁰. Форма выходного сигнала представляет собой одну треть периода синусоиды входного сигнала. Проведём анализ работы усилителя (рис. 8.7).

Выберем рабочую точку О_С, в которой В, I_К0 » 0 мА. Рабочая точка на входной характеристике расположена в точке начала координат В, I_Б0 » 0 мА.

Проведём построения синусоид входного и выходного сигнала. В результате построений получим U_m.вх = 0,63 В, U_m.вых = 11 В, амплитуды токов на входе I_m.вх = 0,68 мА и на выходе I_m.вх = 38 мА.

Рис. 8.7. Графический анализ работы усилителя в классе усиления С

Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:

по напряжению; по току ;

по мощности К_Р = К_U × К_I = 17,5 × 56 = 978.

Коэффициент полезного действия усилителя класса С достигает 97%, однако выходной сигнал сильно искажён. Класс С применяется для усиления сигналов высокой частоты, когда нагрузкой коллекторной цепи служит колебательный контур.

Схема усилителя ОЭ, работающего в классе усиления D, представлена на рис. 8.8, а, временная диаграмма работы – на рис. 8.8, б.

Транзистор при работе в классе D можно представить как ключ, коммутирующий цепь нагрузки под воздействием импульсов входного сигнала. Когда входного сигнала нет (U_ВХ = U_БЭ = 0), транзистор закрыт (находится в режиме отсечки). При появлении входного сигнала (для транзистора структуры p-n-p импульс отрицательной полярности) сначала открывается переход база-эмиттер, начинается инжекция дырок из эмиттера в базу, и только через некоторое время дырки достигают коллектора. Поэтому ток коллектора появляется с запаздыванием на время t_з – время задержки, которое определяется временем пролёта носителей зарядов через область базы. Затем за время нарастания t_н ток коллектора увеличивается до установившегося значения . Полное время включения транзисторного ключа – переход от режима отсечки в режим насыщения – составляет t_вкл = t_з + t_н. Для уменьшения времени включения ток I_б.вкл выбирают больше необходимого для насыщения транзистора I_б.нас.

а)

б)

Рис. 8.8. Усилитель ОЭ, работающий в классе усиления D:

а – схема; б – временная диаграмма работы

При выключении надо перевести транзистор из режима насыщения в отсечку. Для этого на вход подают противоположную полярность входного напряжения. В течение времени t_расс происходит рассасывание избыточного заряда не основных носителей в области базы. Транзистор при этом остаётся открытым. Затем за время спадания t_сп ток коллектора уменьшается до нуля из-за разряда динамической ёмкости насыщенного коллекторного перехода. Полное время выключения транзисторного ключа составляет t_выкл = t_расс + t_сп. Чем больше будет ток базы I_б.выкл, тем быстрее можно закрыть транзистор. Однако увеличивать токи I_б.вкл и I_б.выкл слишком сильно нельзя, так как это может привести к перегреву базы и выходу транзистора из строя.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются режимы усиления тока, напряжения и мощности при работе транзистора в режиме нагрузки? Нарисуйте схему однокаскадного транзисторного усилителя и поясните назначение элементов схемы.

2. Как устанавливается рабочая точка класса А? Перечислите преимущества и недостатки усилителя, работающего в классе А.

3. Перечислите преимущества и недостатки усилителя, работающего в классе В. Как получить в нагрузке синусоидальный сигнал?

4. Сравните параметры усилителей, работающих в разных классах усиления. Чем объяснить изменение коэффициентов передачи по току, напряжению и мощности?

Как было отмечено в лекции 1, полупроводниковые материалы обладают отрицательной зависимостью удельного сопротивления от температуры. С ростом температуры прямое и обратное сопротивление p-n переходов уменьшается, а токи переходов растут (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Влияние температуры на вид вольтамперной характеристики p-n перехода

На рис. 9.1 пунктирной линией показано изменение положения прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики с ростом температуры. Следует отметить, что изменение температуры полупроводника может быть вызвано как влиянием окружающей температуры, так и разогревом самого полупроводника при протекании токов нагрузки.

Поскольку транзистор представляет собой два близко расположенных и влияющих друг на друга p-n перехода, изменение температуры сильно влияет на режим работы транзистора.

С ростом температуры возрастает ток коллектора, в результате чего в режиме нагрузки снижается напряжение на коллекторе, и рабочая точка смещается ближе к области насыщения.

С уменьшением температуры снижается ток коллектора, растёт напряжение на коллекторе, и рабочая точка смещается ближе к области отсечки. В результате искажается форма синусоиды выходного сигнала – теряется качество работы усилителя.

Для снижения влияния температуры в схемах усилителей применяют цепи термостабилизации. Эти цепи образуют отрицательные обратные связи (ООС), стабилизирующие режим работы транзистора по постоянному току. В результате влияния цепей термостабилизации рабочая точка усилителя удерживается в выбранном при расчёте схемы положении, и в некотором диапазоне температур режим работы усилителя практически не изменяется.

Различают два способа термостабилизации режима работы усилителя: с ООС по току базы и с ООС по напряжению база-эмиттер.