Как узнать коэффициент усиления транзистора

11) Коэффициент усиления транзистора

Коэффициент усиления транзистора (по току, мощности или напряжению) – отношение изменения соответствующего показателя в цепи коллектора и в цепи базы.

Коэффициент усиления транзистора по току

Для схем с общей базой этот коэффициент обозначается буквой α (hf_Б или h21_Б), с общим эмиттером буквой β (hf_Э или h21_Э).

Коэффициент усиления по току (или, как еще указывается в литературе, коэффициент передачи тока) в первом случае (α) есть отношение силы тока в коллекторе (I_к) к силе тока эмиттера (I_э) при неизменном напряжении в части коллектор-база:

α = I_К / I_Э, при U_К-Б = const

Коэффициент усиления по току во втором случае (β) – отношение величины силы тока в коллекторе (I_к) к силе тока в базе (I_Б) при неизменном напряжении в переходе коллектор-эмиттер:

β = I_К / I_Б, при U_К-Э = const

На показатель влияет не только входной ток, но и температура.

Коэффициент усиления транзистора по напряжению

Данный коэффициент вычисляется по формуле

K_U = U₂ / U₁,

где U₂ — изменение напряжения на выходе, а U₁ — изменение напряжения на входе.

Читайте также:

Когда появится новый логан 3

Коэффициент усиления триода по мощности

Это величина отношения выходной мощности (P₂) к мощности, подаваемой на вход триода (P₁):

Коэффициент усиления транзистора по мощности можно также определить произведением коэффициента усиления по току (К_I) и коэффициента усиления по напряжению (K_U):

12) Коэффициент усиления триода по мощности

Это величина отношения выходной мощности (P₂) к мощности, подаваемой на вход триода (P₁):

13) Зависимость фазового сдвига р от частоты представляет собой 4разо — частотную ( или фазовую) характеристику ( ФЧХ) усилителя. [1]

Зависимость фазовых сдвигов от частоты усиливаемых колебаний называется фазовой характеристикой. Снятие фазовой характеристики сводится к определению фазы колебательного процесса в данный момент времени. Фазовые сдвиги между входным и выходным напряжениями обусловлены наличием реактивных элементов в схемах усилителей. [2]

Зависимость фазового сдвига от частоты составляет фазово-частотную характеристику четырехполюсника ( обычно ее называют просто фазовой характеристикой) Дер Др ( со) и также определяет результат суммирования составляющих на выходе — устройства. [3]

15) Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатыванияисполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить). [ источник не указан 839 дней ]

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь томеханическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

Читайте также:

Aref arduino что такое

В то же время, термин «усилитель» не вполне корректно, но традиционно употребляется для устройств управления мощными электрическими нагрузками, например, «релейныйусилитель» и «магнитный усилитель».

17) ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ. Входное сопротивление Zвх (проводимость Увх) усилителя или другого устройства — это внутреннее сопротивление (проводимость) между его входными зажимами. В большинстве случаев оно может быть представлено в виде параллельного соединения резистивного (активного) сопротивления Rвх (проводимости gвх = 1 / Rвх) и емкости Свх. В этом случае полная входная проводимость в комплексной форме Yвх = gвх + jωCвx. Обычно желательно большое Rвх (малое gвх) и малое Свх. Но если входной сигнал подается по кабелю, то для согласования с ним требуется Rвх усилителя, равное волновому сопротивлению кабеля, обычно составляющему 75 или 50 Ом. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется Rвх → 0 (gвх → ∞).

Выходное сопротивление Zвых усилителя — это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником колебаний, внутреннее сопротивление которого равно Zвых. В области средних частот выходное сопротивление можно считать резистивным (активным). Если усилитель работает на нагрузку, подключаемую через коаксиальный кабель, с которым она согласована, Rвых должно равняться волновому сопротивлению кабеля во избежание отражений, приводящих к искажениям формы импульсов.

Для усилителей звуковой частоты желательно, чтобы их выходное сопротивление было как можно меньше. Это демпфирует (подавляет) собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость, выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Последнее особенно важно для усилителей, работающих на нестабильную нагрузку, например на трансляционную сеть звукового вещания. Применяются специальные показатели: коэффициент демпфирования kд = Rн / Rвых и коэффициент сброса нагрузки kc = |Uвыx хх / Uвых| = |1 + Zвых / Zн|.

18) На нижних и верхних (низших и высших) частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых относительное усиление М уменьшается до условного уровня отсчета d, называются граничными частотами усилителя: fн и fв — соответственно нижняя и верхняя. Будем использовать в основном угловую частоту ω, так что ωн = 2πfн и ωв = 2πfв. Типовым или стандартным уровнем отсчета считается значение d = 1 / √2 = 0,707. Диапазон частот от fн до fв называется полосой пропускания усилителя.

Вследствие спада усиления на краях полосы пропускания не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажениям его формы, которые называются амплитудно-частотными или частотными искажениями. Их косвенной мерой является значение относительно усиления на граничных частотах полосы пропускания. Изменение усиления на граничных частотах относительно его значения на средних частотах называется неравномерностью частотной характеристики, выражается в децибелах (20 lg М) и указывается в TУ на аппаратуру. Неравномерность нормированной АЧХ характеризуют также параметром ε(f) = М(f) — 1. При этом абсолютное значение ε при М(f) < 1 называют спадом АЧХ, а при М(f) > 1 — её подъемом.

19) Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют. Линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала. Они вызывают лишь изменение соотношения амплитуд и фаз между отдельными спектральными составляющими.

20) Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют. Линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала. Они вызывают лишь изменение соотношения амплитуд и фаз между отдельными спектральными составляющими.

21) Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него и поэтому называемые собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в усилителях постоянного тока — еще и дрейф нуля.

Читайте также:

Что обозначает короткая прерывистая линия разметки

Фон — это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя питающего напряжения. В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.

Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих помех могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода, провода электросети или какие-либо электроустановки. Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническом напряжению, соответствующему номинальный выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона составляет -60 . -70 дБ.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов и дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых сделаны детали усилителя. Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно. Количественная оценка шумовых свойств усилителей будет дана в гл. 13.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.

22) Динамическим диапазоном D усилителя называется отношение наибольшего выходного (или входного ) напряжения усилителя к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:

D = Uвых2/ Uвых1 = Uвх2/ Uвх1. (1.5)

Обычно он выражается в децибелах D, дБ=20 lgD и составляет 40 . 60 дБ. Амплитуда колебания, представляющего реальный (например, речевой) усиливаемый сигнал, непрерывно изменяется от минимального до максимального значения, отношение которых называется динамическим диапазоном сигнала Dс = Uc max / Uc min. Так, для радиовещательных речевых сигналов Dс ≈ 40 дБ, для симфонического оркестра Dc ≈ 70 дБ. Чтобы усилитель мог воспроизвести на выходе все изменения уровня входного сигнала, надо обеспечить D ≥ Dc.

Для некоторых устройств, например логарифматоров, вся АХ является нелинейной и подчиняется определенному закону. Однако ее начало и конец отклоняются от нужного закона нелинейности и по-прежнему имеют вид, показанный на рис. 1.3, б. Такие устройства характеризуются двумя динамическими диапазонами: по входу и выходу, причем Dвx ≠ Dвых.

23) При отыскании нестабильности какого-либо технического показателя γ устройства принято использовать понятие чувствительности (параметрической)

Читайте также:

Фольксваген больше туарега как называется

, (1.6)

которая по существу представляет отношение относительных нестабильностей интересующего нас показателя γ и параметра х как источника нестабильности. Безразмерная величина называется чувствительностью показателя γ к изменению параметрах. Так, если для простейшего однотранзисторного усилителя (каскада) в (1.6) γ = К, x = Iкo, то чувствительность коэффициента усиления (К) к изменениям тока коллектора в исходной рабочей точке (Iко) .

Интересующий нас показатель может быть не обязательно параметром устройства (например, коэффициентом усиления), но и какой-либо функцией (например, передаточной). В последнем случае чувствительность тоже является функцией. Частную производную дγ / дх в (1.6) называют функцией чувствительности или коэффициентом влияния параметра х на величину γ.

Относительное изменение интересующего нас технического показателя

(1.7)

Если γ зависит от нескольких параметров: хl, х2, . , то полное относительное изменение

Если интересующий нас показатель комплексный γ = γ ехр (jφ), то называется модульной чувствительностью, а— фазовой чувствительностью.

24) Простейшая схема каскада на биполярном транзисторе (рис. 1.4, а) содержит транзистор VT и резистор Rк, включенный в цепь коллектора последовательно с источником питания Еп. Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения Uвх включен источник постоянного напряжения смещения Uсм. Переменная составляющая тока коллектора, протекая через резистор Rк, выполняющий функции коллектор нагрузки, создает на нем выходное напряжение. Оно снимается с коллектора через разделительный конденсатор (на схеме не показано) и подается далее на сопротивление нагрузки каскада Rн. Конденсатор пропускает только переменную составляющую.

Рассмотрим работу каскада. В исходном состоянии или режиме покоя uвх = 0. При этом напряжение на базе равно Uсм, а ток коллектора и напряжение на нем в исходной рабочей точке равны Iко и Uко = Еп – IкоRк.

Пусть теперь подается входное переменное напряжение uвх = Umвх sin(ωt) (рис. 1.4, б). Оно дополнительно открывает транзистор в первый полупериод и частично закрывает его во второй. В результате ток коллектора изменяется около значения в исходной рабочей точке тоже по закону синуса: .Мгновенное значение напряжения коллектор — эмиттер , где — амплитуда его переменной составляющей. В первый полупериод (рис. 1.4,б) уменьшается из-за увеличения токаи падения напряжения на. Здесьиграет роль преобразователя тока в напряжение.

При достаточно большом оказывается, т. е. каскад дает усиление по напряжению. Благодаря большому внутреннему сопротивлению выходной цепи транзистора включение сопротивления почти не уменьшает амплитуду переменного тока коллектора, т.е. транзистор выступает в роли управляемого генератора сигнального тока, а сопротивление— в роли преобразователя этого тока в сигнальное напряжение.

Процесс управления током выходной цепи транзистора можно рассматривать так же, как результат изменения его мгновенного внутреннего сопротивления постоянному току (рис. 1.4,в). Благодаря этому происходит непрерывное перераспределение напряжения источника питания между транзистором и нагрузкой. Управление внутренним сопротивлением транзистора осуществляется входным напряжением.

25) Простейшая схема каскада на биполярном транзисторе (рис. 1.4, а) содержит транзистор VT и резистор Rк, включенный в цепь коллектора последовательно с источником питания Еп. Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения Uвх включен источник постоянного напряжения смещения Uсм. Переменная составляющая тока коллектора, протекая через резистор Rк, выполняющий функции коллектор нагрузки, создает на нем выходное напряжение. Оно снимается с коллектора через разделительный конденсатор (на схеме не показано) и подается далее на сопротивление нагрузки каскада Rн. Конденсатор пропускает только переменную составляющую.

27) В зависимости от того, какую долю периода усиливаемого колебания синусоидальной формы ток протекает через усилительный элемент , различают несколько режимов его работы, которые принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита. Рассмотрим основные из них. Самым распространенным является режим А (рис. 1.4). Он характеризуется тем, что путем подачи постоянного смещения исходная рабочая точка транзистора выбирается при сравнительно большом токе. Поэтому ток коллектора не прерывается в течение всего периода колебания. Режим А дает малые нелинейные искажения. Он применяется во всех каскадах предварительного усиления, а иногда и в оконечных каскадах.

Режимом В называется такой режим, когда исходная рабочая точка совмещается с началом передаточной характеристики транзистора (точка О на рис. 1.5).

В режиме АВ рабочую точку А (рис. 1.5) выбирают примерно на середине начального криволинейного участка передаточной характеристики транзистора. Режим С характеризуется выбором исходной рабочей точки (А1 на рис. 1.5) в области запирания транзистора, в результате чего угол отсечки Θ < 90º. Режим С применяется в радиопередающих устройствах, а также в усилителях с повышенным КПД.

Режим D, или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Иногда употребляют понятия и других режимов или классов усиления, но пока еще нет единообразия в их обозначениях.

2) Работу усилительного прибора в схеме можно интерпретировать как процесс управления протеканием тока Iвых с помощью изменений входного сигнала Iвx или Uвх. В процессе указанного управления значения токов и напряжений в каскаде изменяются. Точка плоскости выходных или других ВАХ усилительного прибора, связывающая текущие значения токов и напряжений в каскаде, называется рабочей точкой (РТ). Рабочая точка, соответствующая отсутствию сигнальных воздействий, называется исходной рабочей точкой (ИРТ). В дальнейшем, обозначения токов и напряжений, соответствующие ИРТ, будем отмечать дополнительным индексом «0». Так, значение коллекторного тока, соответствующее исходной рабочей точке, будет обозначаться как Iко. Значение разности потенциалов между коллектором и эмиттером в этой точке — как Uкэо и т. д.

4) Напряжения, токи, а также цепи, обеспечивающие положение ИРТ в усилительной области, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения часто также называют начальными.

5) Область возможных значений выходного тока и напряжения ограничена необходимостью выполнения ряда условий, вытекающих из требования обеспечения надежной и безопасной работы усилительного прибора в схеме. В качестве параметров, определяющих эти ограничения, выступают паспортные данные на транзистор о предельно допустимых значениях выходного тока Iвыхтах и выходного напряжения Uвыхтах, а также тепловой мощности Ptтах, выделяемой в выходной цепи усилительного прибора. При отсутствии сигнала, а также при малой его интенсивности (когда ΔIвых <<</i> Iвыхо) в выходной цепи транзистора выделяется мощность Pt = UвыхоIвыхо, где Uвыхо, Iвыхо — значения выходного напряжения и тока в исходной РТ. Таким образом, область безопасной работы (ОБР) — это область выходных ВАХ, в пределах которой выполняются условия Iвых < Iвыхтах, Uвых <</i> Uвыхmах и Рt = IвыхоUвыхо << Pt</i>тах. На рис. 2.1 и 2,2 границы ОБР выделены штриховкой.

6) На основании проведенного рассмотрения может быть сформулировано следующее правило определения положения ИРТ с помощью графических построений:

Чтобы определить положение ИРТ, необходимо в соответствии с (2.2) на плоскости выходных характеристик усилительного прибора построить график ВАХ нагрузки, совместив начало его координат с точкой (Uкэ = Еп, Iк = 0) и изменив направление оси напряжений этого графика на противоположное. Точка пересечения графика, построенного таким образом, с графиком текущей выходной ВАХ усилительного прибора определит текущее положение РТ.

7) В результате с сопротивлением разделительного конденсатора можно не считаться и при составлении эквивалентной схемы для переменного тока его можно заменить коротким замыканием.

При рассмотрении работы каскада на переменном токе используют так называемую эквивалентную схему каскада для переменного тока. При ее составлении из схемы прототипа исключаются все разделительные и блокировочные конденсаторы (они замещаются накоротко замкнутыми цепями), а все источники постоянного напряжения заземляются, так как на внешних зажимах этих источников сигнальные потенциалы отсутствуют. Эквивалентная схема каскада рис. 2.5, б для переменного тока приведена на рис. 2.5, в. В схеме выходной сигнальный ток iвых транзистора протекает через параллельное соединение резисторов Rн и RвхN+1. ВАХ этого соединения, называемого эквивалентным сопротивлением Rэкв в нагрузки, определяет характер преобразования сигнального тока iвых транзистора в сигнальное напряжение uвых. Поэтому еe можно рассматривать как нагрузочную характеристику транзистора на переменном токе, а само параллельное соединение – как нагрузку транзистора на переменном токе.

8) В процессе воздействия сигналов на входные зажимы усилительного прибора значения токов и потенциалов в каскаде изменяются, а РТ занимает различные положения. Линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой. При резистивной нагрузке, когда взаимосвязь тока, протекающего через нагрузку, с создаваемой этим током разностью потенциалов однозначна (между изменениями тока и напряжения нет фазовых сдвигов и запаздываний), нагрузочная характеристика имеет вид линии, в качестве которой при линейной нагрузке выступает прямая линия.

В общем случае под нагрузочной характеристикой на переменном токе понимается ВАХ на переменном токе полного сопротивления, включенного между выходной клеммой транзистора и точкой нулевого потенциала. Обычно нагрузочную характеристику на переменном токе рассматривают только при резистивном характере нагрузки. Поэтому график этой характеристики в отличие от траектории рабочей точки имеет вид не замкнутого контура, а сплошной линии.

9) В схеме рис. 2.5, б, соотношение между нагрузками на переменном Rн

и постоянном Rн- токах таково, что Rн

< Rн- . Схема, в которой Rн

> Rн- приведена на рис. 2.6, а, а графические построения, соответствующие проведению анализа ее работы на постоянном и переменном токах,- на рис. 2.6, б. Построение нагрузочной характеристики по постоянному току (Rн-) осуществлено в предположении, что первичная обмотка трансформатора имеет пренебрежимо малое сопротивление на постоянном токе, поэтому график этой нагрузочной характеристики представлен вертикальной линией. Точка пересечения этой линии с ВАХ транзистора, соответствующей начальному базовому току Iбо, определяет положение ИРТ. Ход графика нагрузочной характеристики на переменном токе (Rн

) определяет сопротивление Rн

, численно равное сопротивлению нагрузки, пересчитанному к выходу первичной ω1 обмотки трансформатора, при этом

Rн = (ω1 / ω2)²ηтрRн, (2.3)

где ω1, ω2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора; ηтр — кпд трансформатора; Rн — сопротивление нагрузки, подключенной ко вторичной ω2 обмотке трансформатора.

10) При комплексной нагрузке, например, при резистивно-емкостном ее характере между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги, в результате чего РТ в процессе усиления сигналов перемещается на плоскости выходных ВАХ транзистора не по линии, а по контуру, называемому траекторией движения рабочей точки. Конфигурация этой траектории зависит от формы сигнала, его интенсивности и скорости изменения во времени, а также от степени отклонения характера нагрузки от резистивного.

В процессе воздействия сигналов на входные зажимы усилительного прибора значения токов и потенциалов в каскаде изменяются, а РТ занимает различные положения. Линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой. При резистивной нагрузке, когда взаимосвязь тока, протекающего через нагрузку, с создаваемой этим током разностью потенциалов однозначна (между изменениями тока и напряжения нет фазовых сдвигов и запаздываний), нагрузочная характеристика имеет вид линии, в качестве которой при линейной нагрузке выступает прямая линия.

11) Проведенное рассмотрение показывает, что при комплексной нагрузке РТ может существенно отклоняться от нагрузочной характеристики, что в ряде случаев может приводить к ее выходу за пределы области безопасной работы и перегрузке выходной цепи по току (при емкостном характере нагрузки), напряжению (при индуктивном) и по току и напряжению (при индуктивно-емкостном). В целях предотвращения выхода из строя транзисторов в цепь нагрузки часто включают специальные элементы защиты, такие как диоды, стабилитроны, варисторы.

12) При усилении сигналов большой интенсивности часто необходимо обеспечить возможность получения на выходе каскада предельных сигнальных изменений тока и напряжения, соизмеримых с Iвыхmах и Uвыхmах. В указанных условиях выбор положения ИРТ осуществляют с учетом полярности сигнала и его формы. При этом, когда ожидаемые сигнальные изменения тока на выходе транзистора двунаправлены, т. е. имеют как положительные, так и отрицательные приращения, например соответствуют синусоидальному закону, то ИРТ располагают в середине усилительной области таким образом, чтобы

Iвыхо ≈ Iвыхтах / 2; Uвыхо ≈ (Uвыхтах + Uначmах) / 2. (2.6)

В этом случае обеспечивают возможность получения выходного тока и напряжения с амплитудами Iт и Um, достигающими предельных значений Iттах = Iвыхта х/ 2; Uттах = (Uвыхтах — Uначmах) / 2. (рис.2.8, а).

В случае усиления однополярных сигналов ИРТ располагают при одном из крайних возможных значении тока усилительной области ВАХ, т. е. таким образом, чтобы Iвыхо ≈ Iвыхтах (ИРТ1 на рис. 2.8, б) либо Iвыхо ≈ 0 (ИРТ2 на рис. 2.8, б). При таких положениях ИРТ обеспечивается возможность получения наибольших амплитуд импульсного сигнала Uттах = Uвыхо — Uнач. Конкретный выбор из двух возможных положений ИРТ зависит от соотношения полярности сигнала и типа проводимости транзистора.

Если это сочетание таково, что все сигнальные воздействия направлены на увеличение тока в транзисторе, то ИРТ располагают при минимально возможных значениях тока на выходе, в противном случае — при значениях Iвыхо, приближающихся к Iвыхтах. Последний вариант менее желателен, так как при нем каскад обладает повышенным токопотреблением.

13) При организации схемы усилительного каскада один из его эквипотенциальных участков обычно присоединяется к точке нулевого потенциала. Такое подключение называется заземлением участка цепи, а точка заземления — общей точкой. Следует отметить, что заземление одного из эквипотенциальных участков (одного из узлов) цепи не отражается на ее работе. Обычно заземлению подвергаются один из зажимов источника питания и один из выводов усилительного прибора.

На рис. 2.5, а приведен пример такого схемного построения, образованного на базе схемы рис. 1,4, а путем заземления в ней цепи эмиттера. Обычно в преобразовании выходного сигнального тока ∆Iк = iвых в выходное сигнальное напряжение uвых участвует не только двухполюсник Rн, но и другие цепи.

14) Появление сигнального приращения ∆Iб базового тока Iбо изменяет ход выходной ВАХ транзистора. В результате этого точка пересечения графиков ВАХ занимает новое положение, определяя сигнальные изменения ∆Iк и ∆Uкэ коллекторного тока и разности потенциалов коллектор — эмиттер.

Аналоговый сигнал ∆Iб(t) изменяется плавно и непрерывно, в ответ на такие изменения происходят плавные и непрерывные изменения положения РТ, в результате чего процесс усиления сигнала можно трактовать как процесс управления ходом выходной ВАХ транзистора, приводящий к изменениям положения рабочей точки и появлению сигнальных составляющих тока и напряжения на выходе усилительного каскада.

15) При выборе положения ИРТ следует также руководствоваться необходимостью обеспечения безотказной работы усилительных схем. С этой точки зрения требуется, чтобы в процессе усиления сигналов РТ, и в первую очередь ИРТ, не выходили за границы области безопасной работы, т. е. в каскаде выполнялись условия Iвыхо <</i> Iвыхтах, Uвыхо ≈ Uвыхтах, а положение ИРТ удовлетворяло условию IвыхоUвыхо ≤ Ptтах (ИРТ находилась бы в пределах незаштрихованных на рис. 2.1 и 2.2 областей).

При выборе положения ИРТ следует также иметь в виду, что мощность Pt = IвыхоUвыхо имеет наибольшее значение при Uвыхо = Еп / 2 (при Iвыхо = Еп / 2Rн-).

ИЗ всего сказанного следует, что для того, чтобы определить условия, при которых транзистор обеспечивает наибольшее значение мощности Р

без выхода РТ за пределы усилительной области ВАХ, необходимо вписать в эту область треугольник мощности с наибольшей площадью, например, как это показано на рис. 2.9.

Гипотенуза этого треугольника может пересекать линию ограничений по предельно допустимой мощности Р

opt. При этом значении нагрузки УП способен выделить во внешнюю цепь наибольшую сигнальную мощность Р

Следует отметить, что значение R

opt обычно не совпадает с тем, которое вытекает из условия равенства сопротивлений нагрузки и источника. Таким образом, ограничения по увеличению площади треугольника мощности и соответственно по возможностям получения больших мощностей Pt связаны с тем, что реальные УП имеют ограничения по току, напряжению и мощности.

В условиях отсутствия ограничений по мощности Pt в качестве формулы для оценки значения R

opt может быть использовано соотношение

16) Большие токи Iко и Iсо желательны с точки зрения уменьшения влияния факторов, дестабилизирующих работу каскада на постоянном токе. С этой точки зрения необходимо, чтобы в каскаде на биполярном транзисторе выполнялось условие Iко>> Iкоh21Э, где Iко— неуправляемый ток обратносмещенного р-n перехода; h21Э — номинальное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с заземленным эмиттером.

Если к усилителю малых сигналов не предъявляются какие-либо специальные требования, то значение токов Iко и Iсо выбирают в интервале 0,5 . 5 мА. Исключение составляют случаи построения так называемых микромощных усилителей, где токи Iко и Iсо могут достигать десятка микроампер и менее.

17) Взаимосвязь изменений ΔIвых тока Iвых от сигнальных изменений ΔIвx или ΔUвх входного тока Iвx или входного напряжения Uвх должна быть не только причинно-следственной, но и по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости значений ΔIвых от ΔIвx или ΔUвх возможно неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе, каскада при работе его усилительного прибора на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора в усилительном каскаде является эквидистантность графиков семейства ВАХ, представленных на рис. 2.1 и 2.2. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных ВАХ УП, где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью. Протяженность этой области ограничена с одной стороны так называемой линией насыщения (1 на рис. 2.1 и 2.2), а с другой — линией отсечки (2 на рис. 2.1 и 2.2). При значениях тока коллектора, соответствующих областям выходных ВАХ, лежащим левее линии 1 и ниже линии 2, не только нарушается пропорциональная зависимость выходных сигнальных приращений от входных, но вообще прекращается управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток, т. е. усилительный прибор полностью теряет усилительную способность.

18) В ряде случаев условия работы схемы отличаются от типовых. Часто базовые выводы транзисторов VТ1 и VТ2 подключены к точкам с ненулевым значением постоянных потенциалов, например к средней точке резистивного делителя постоянного напряжения. Такая ситуация часто встречается на практике, когда рассматриваемая схема питается от однополярного источника питания (рис. 6.8, б), а также в многокаскадных усилительных трактах, когда в их состав входят несколько непосредственно или кондуктивно связанных каскадов. В этих условиях особое внимание обращается на обеспечение симметрии схемы на постоянном токе, которая достигается строгим выравниванием токозадающих потенциалов U01 и U02 в точках подключения базовых выводов транзисторов VТ1 и VT2, например подбором сопротивлений в резистивных делителях, питающих базовые цепи транзисторов в схеме рис. 6.8, б. Необходимость выполнения условия симметрии связана с тем, что рассматриваемая схема весьма чувствительна к разности потенциалов между базовыми выходами транзисторов VТ1 и VT2, т. е. к разности потенциалов . Возникновение этой разности потенциалов хотя и не приводит к заметным изменениям тока I , но вызывает его перераспределение между двумя ветвями схем. В результате этого коллекторно-эмиттерный ток одного транзистора увеличивается, а другого — уменьшается. Появление разности потенциалов между базами транзисторов в 70…80 мВ вызывает практически полную асимметрию в работе схемы на постоянном токе, при которой один, из транзисторов оказывается закрытым, а другой — в состоянии насыщения, вследствие, чего схема теряет способность усиливать сигналы.

19) Важнейшими требованиями, которым должна отвечать схема современного электронного устройства, являются его серийнопригодность и возможность изготовления этого устройства при минимальном числе настроечно-наладочных операций. Условию высокой серийнопригодности в первую очередь отвечают такие усилительные схемы, в которых обеспечиваются высокая стабильность работы на постоянном токе, малая зависимость этих режимов от свойств конкретного транзистора и условий его работы.

В соответствии с рис. 2.1 биполярный транзистор можно рассматривать как усилительный прибор, управляемый током. Поэтому имеются стремления задавать положение ИРТ за счет выбора определенного значения тока базы Iбо, например, как это реализовано в схеме рис. 3.1, а. Эту схему можно рассматривать как схему с фиксированным током базы, т. е. таким, который практически не зависит от свойств конкретного транзистора и воздействия дестабилизирующих факторов. Указанная независимость обусловлена тем, что сквозная передаточная ВАХ биполярного транзистора, представляющая функциональную связь напряжения база — эмиттер Uбэ с током коллектора Iк (рис. 3.1, б), подобна ВАХ стабилитрона, т. е. такова, что напряжение Uбэ при любом токе коллектора практически неизменно, поскольку указанная зависимость имеет логарифмический характер

Uбэ = тUт ln (Iк / Iоэ), (3.1)

где т — параметр, значение которого близко к единице при малых токах Iк и достигает 2 . 5 при приближающихся к максимально допустимым; Iоэ — обратный ток насыщенного перехода база-эмиттер; Uт ≈ 0,026 В — температурный потенциал.

20) Разность потенциалов Uо = Uбо — на резисторе R2 в этих условиях также не зависит от свойств конкретного транзистора, при этом в соответствии с той ролью, которую играет эта разность потенциалов в обеспечении заданного значения тока Iко, ее можно назвать токозадающей разностью потенциалов. В дальнейшем эту разность потенциалов будем обозначать Uо. Очевидно, что для создания тока в транзисторе значение разности потенциалов Uо должно быть не ниже номинального напряжения Uбэо.

С точки зрения обеспечения в схеме рис, 3.2 стабильного и определенного тока Iко существенным является то, что при работе биполярного транзистора в режиме усиления сигналов разность потенциалов Uбэо база — эмиттер в малой степени зависит от тока коллектора, поскольку эта зависимость по характеру приближается к логарифмической, определяемой соотношением (3.1).

Таким образом, можно считать, что в усилительном каскаде на биполярном кремниевом транзисторе малой и средней мощности потенциал Uбо передается (транслируется) к его эмиттеру, за вычетом номинального напряжения Uбэо, которое для кремниевых транзисторов приблизительно равно 0,65 . 0,70 В. Благодаря этому независимо от свойств конкретного транзистора. ((В каскадах на кремниевых транзисторах малой и средней мощности эта разность потенциалов имеет значение, приблизительно равное 0,7 В. В дальнейшем это приближенное значение напряжения Uбэ, соответствующее работе транзистора в режиме усиления сигналов, будем называть номинальным напряжением база — эмиттер и обозначать Uбэо.))

21) Несмотря на простоту организации и кажущуюся очевидность заложенных принципов функционирования, схемы рис., 3.1, а с фиксированным током базы не находят широкого применения, так как они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положения ИРТ. Это связано с тем, что у биполярных транзисторов наблюдается существенный разброс значений коэффициентов передачи В тока базы, и так как Iкo ≈ Iбо В, то при фиксированном токе Iбо токи Iко в различных экземплярах усилительных схем при бесподстроечной технологии их изготовления могут существенно отличаться. Таким образом, рассмотренный принцип обеспечения заданного положения ИРТ не может гарантировать возможность получения серийнопригодных усилительных схем, ведь стабилизации должен подвергаться ток коллектора, а не ток базы.

На рис. 3.2 приведена так называемая схема эмиттерно-базовой стабилизации, с помощью которой в каскадах усиления обеспечиваются высокая стабильность и определенность тока коллектора Iко. В ней потенциал базового вывода транзистора питается от низкоомной цепи, например, с помощью резистивного делителя, относительно которого выполняется условие Iдел >> Iбо ≈ Iко/В, благодаря чему при фиксированных значениях питающих напряжений и потенциал базы Uбо практически не зависит от тока базы Iбо, т. е. от свойств конкретного транзистора, что и дает основания называть эту схему схемой с фиксированным потенциалом базы.

22) Основным соотношением, на базе которого осуществляется анализ на постоянном токе с помощью графических построений, является соотношение

Uзи = Uо — Uи= Uо — Iио · Rи (3.5)

при этом также считается, что Iио = Iсо и поэтому для определения тока стока достаточно найти ток истока.

Построение графиков ВАХ проводится в соответствии с (3.5) на плоскости сквозных характеристик транзистора, представляющих зависимость выходного тока транзистора (тока стока Ic) от входного напряжения (напряжения затвор — исток Uзи). Выходное напряжение Uси транзистора должно выступать в этих характеристиках в качестве параметра. Но учитывая, что в полевом транзисторе, работающем в линейном режиме, токи стока и истока в малой степени зависят от разности потенциалов между стоком — истоком, при графической интерпретации сквозных характеристик полевого транзистора можно ограничиться использованием одной характеристики.

Соответствующие графики и построения, направленные на определение положения ИРТ в схеме рис. 3.3, а, представлены на рис. 3.3, б. Эти построения предполагают, что в истоковой цепи транзистора включен линейный резистор Rи с ВАХ рис. 3.3, в, а на затвор транзистора с помощью делителя R1R2 подан потенциал Uо. Точка пересечения графика ВАХ сквозной характеристики с отображенной на ней в соответствии с (3.5) ВАХ двухполюсника Rи определит искомое положение ИРТ, т. е. значение тока Ico и разности потенциалов Uзио, выступающей в роли напряжения смещения.

23) Важной технической задачей, решаемой при проектировании усилительных схем, является обеспечение возможности их бесподстроечного выпуска в условиях наличия разброса характеристик у транзисторов, используемых при изготовлении этих схем. Основным фактором, обусловливающим неопределенность режимов работы на постоянном токе схемы рис. 3.2, является разброс транзисторов по параметрам Uбэо и Iоэ.

Iко ≈ Iэо = (Uо — Uбэо) / Rо ≈ (UR2 — 0,7) / Rо. (3.2)

Из (3.2) следует, что отклонения ΔIк коллекторного тока Iко из-за вариаций ΔUбэ разности потенциалов Uбэо тем меньше, чем большее значение сопротивления имеет резистор Ro, а именно

ΔIк = ΔUбэ / Rо, ΔIк / Iко = ΔUбэ / ΔUR0. (3.3)

Поэтому с точки зрения стабильности и определенности положения ИРТ желательно, чтобы выбор значений Ro и Uэо обеспечивал выполнение условий Rо >> ΔUбэ / Iэо и URO >> ΔUбэ. Обычно приемлемая определенность тока коллектора в отдельно взятом каскаде организованном по схеме рис. 3.2, наблюдается при значениях напряжения Uэо, превышающих 1 . 2 В.

Из (3.1) Uбэ = тUт ln (Iк / Iоэ), (3.1) и (3.3) следует, что в этой схеме вариации параметра Iоэ в пределах от Iоэ1 до Iоэ2 приводят к изменениям тока коллектора, которые можно оценить по формуле

ΔIк = (тUт/Ro)ln (Iоэ1 / Iоэ2). (З.4)

Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определенности тока Iко, малой зависимости этого тока от конкретных свойств транзистора и возможных температурных изменений желательно, чтобы в схеме рис. 3.2 выполнялись соотношения: UR0 >> ΔUбэ и Iдел >> Iбо ≈ Iко / В, где В ≈ h21Э.

24) Типовое схемное построение каскада на полевом транзисторе, обеспечивающее высокую стабильность и определенность положения ИРТ, приведено на рис. 3.3, а.

Основным соотношением, на базе которого осуществляется анализ на постоянном токе с помощью графических построений, является соотношение

Uзи = Uо — Uи= Uо — Iио · Rи (3.5)

при этом также считается, что Iио = Iсо и поэтому для определения тока стока достаточно найти ток истока.

Рассмотренный графический принцип определения положения ИРТ применим и при нелинейном характере БАХ двухполюсника Rи. Соответствующие построения для случая, когда в качестве сопротивления Rи использован двухполюсник с ВАХ рис. 2.4, а, отмечены на рис. 2.4, б штриховой линией.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

В тех случаях, когда целью проверки является отбор лучших образцов триодов из данной партии, процесс испытания состоит в измерении обратного тока коллектора (рис. 1) и определении коэффициента усиления β (рис. 2). Коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме, с общим эмиттером, находят по формуле

β = (R/U)I_k,

где — R сопротивление резистора, кОм, U — напряжение источника питания (например, батареи для карманного фонаря), В, I —ток коллектора, мА.

Величины и и обычно выбирают в пределах R = 5-90 кОм и U=1,5-9 В.

Для облегчения вычисления коэффициента β сопротивление резистора и напряжение источника питания и подбирают такими, чтобы их отношение было равно целому числу, кратному десяти, например, 10, 20, 30 и т.д.

При выборе величин R, R_огр и и учитывают то, что ток

где β _пр— предполагаемое максимальное значение β , не должен превышать допустимый для данного типа транзистора максимальный ток коллектора, а сопротивление резистора R_огр, ограничивающего ток через миллиамперметр в случае соединения коллектора с эмиттером, должно быть приблизительно равно , где U — напряжение источника питания в вольтах, — ток полного отклонения миллиамперметра в амперах.

При отсутствии миллиамперметра измерить коэффициент усиления β маломощного транзистора можно с помощью омметра. Выполняют это так.

Соединяют между собой проводники омметра и устанавливают стрелку прибора на нулевую отметку шкалы.

Затем собирают схему, приведенную на рис. 3,а, переводят ползунок переключателя в положение 3—1 и замечают первое показание омметра Ω₁ . После этого переводят ползунок в положение 3—2 и устанавливают движок резистора R₂ в такое положение, при котором показание омметра возрастает на 1000 Ом, то есть становится равным Ω₁ + 1000.

Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении коэффициента усиления по току β с помощью омметра

Выполнив эти измерения, отключают омметр, измеряют сопротивление резистора R₂ и вычисляют искомую величину по приближенной формуле:

В тех случаях, когда проверке усилительной способности подвергается партия транзисторов, желательно упростить процесс измерения. Этого можно достичь, если ввести в участок 2—4 схемы второй резистор R₁ (рис. 3,6).

В этом случае разность сопротивлений участков 2—4 и 1—4 равна (R₂ + R₁) — R₁ = R₂ и формула для вычисления β принимает простой вид:

Из последнего выражения нетрудно видеть, что схема рис. 3,б позволяет определять коэффициент усиления β путем простого считывания его со шкалы резистора R₂. Для этого необходимо только отградуировать резистор в десятках килоом.

Простым и надежным способом проверки транзисторов, а также методом отбора лучших образцов из имеющихся партий триодов является испытание полупроводникового триода в макете какого-нибудь генератора. Если с вводом транзистора в схему и включением источника питания генератор сразу же начинает работать, то испытываемый транзистор считают исправным. О качестве его судят по показанию вольтметра переменного тока, присоединенного к коллектору-эмиттеру нижнего транзистора через конденсатор емкостью 4700-6800 пФ. Чем больше угол отклонения стрелки прибора, тем лучше проверяемый транзистор.

И, наконец, несколько слов о таком дефекте транзистора, как «плавание»

«Плавание» полупроводникового триода определяют наблюдением за стрелкой омметра, присоединенного к эмиттеру и коллектору проверяемого транзистора. Если стрелка не устанавливается против какой-нибудь отметки шкалы, а меняет свое положение, то триод считают «плывущим».

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Коэффициент hfe транзистора – это коэффициент усиления транзистора по току. Показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Для согласованной работы нескольких транзисторов в каскадах, их подбор часто начинают по коэффициенту усиления. Учитывая большой разброс параметров hfe, важно точно знать этот параметр у каждого транзистора.

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Коэффициент hfe маломощных транзисторов измеряется очень просто, для начала необходим мультиметр с возможностью измерения hfe, переводим прибор в необходимый режим измерения.

Затем, зная структура транзистора и его цоколевку, подключаем транзистор в специальное гнездо на панели мультиметра.

Важно! Необходимо правильно подсоединять транзистор, согласовывать выводы транзистора (Б-К-Э), с надписями на панели.

После подключения на дисплее появиться значение hfe. Если значение попадает в рамки указанные производителем, тогда такой транзистор можно считать рабочим.

Во многих мультиметрах контактные площадки посажены очень глубоко, это совсем не помеха для нового транзистора. Но как, же измерить коэффициент усиления по току транзистора, если он был выпаян с платы и имеет недостаточно длинные выводы? Для этого можно использовать несколько удлинительных проводов, и подключить транзистор отдельно от мультиметра.

Для наглядного теста произведена проверка hfe нескольких транзисторов, для двух разных типов: BC239 и КТ361Б.

BC239 n-p-n транзистор, с заявленным параметром hfe 120-800. Значение hfe колебалось от 555 до 563, в зависимости от конкретного транзистора.

КТ361Б p-n-p транзистор, с параметром hfe 50-350. Показания прибора составили 103-105.

Оба вида транзисторов показали незначительный разброс коэффициента усиления, что позволяет их использовать в необходимых целях. Как проверять другие параметры транзисторов, а также их работоспособность, мы расскажем вам позже.

Как узнать коэффициент усиления транзистора

Страшное слово — Транзистор

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только — очень маленьких.

Транзистор — это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух — поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h21э. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току — это отношение коллекторного тока к току базы:

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h21э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но — не обольщайтесь. Дальше — хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.