2015-04-08
1216
.Динамические характеристики
Из всех существующих видов динамических характеристик для практических расчётов используют только четыре из них, а именно:
1. Выходные динамические характеристики;
2. Входные динамические характеристики;
3. Сквозные динамические характеристики;
4. Проходные динамические характеристики.
Выходные динамические характеристики представляют собой зависимость выходного тока УЭ от напряжения между его выходными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи. Например, для биполярных транзисторов, включённых по схеме с общим эмиттером, выходной динамической характеристикой является зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы, т.е.
IK = f (UКЭ) при iБ = Const.
Выходные динамические характеристики являются наиболее употребительными и применяются при анализе и расчёте каскадов предварительного усиления для определения точки покоя на семействе выходных статических характеристик УЭ по следующим известным данным: напряжению питания выходной цепи Е, сопротивлению нагрузки выходной цепи постоянному току R=и напряжению (или току) смещения управляющего электрода. Эта характеристика представляет собой прямую линию. Для её построения используется выражение:
|
|
|
UВЫХ. = Е – IВЫХ.× R = ………………. (4.1)
При UВЫХ. = 0 IВЫХ. = Е / R =.
При IВЫХ. = 0 UВЫХ. = Е.
Полученные значения UВЫХ. и IВЫХ. откладываются на осях семейства выходных статических характеристик и соединяются прямой линией. Прямая, проведенная через обе отмеченные точки, и является выходной динамической характеристикой, которую часто называют нагрузочной прямой постоянного тока. Точка пересечения этой прямой со статической выходной характеристикой для применённого в каскаде напряжения (для лампы) или тока (для транзистора) смещения характеризует режим работы УЭ при отсутствии сигнала на входе и называется точкой покоя. Координаты этой точки определяют ток покоя I0 и напряжения покояU0 между выходными электродами усилительного элемента, связанные уравнением:
U0 = E – I0×R =……………………. (4.2)
При увеличении R =нагрузочная прямая постоянного тока идёт положе, а при уменьшении R = -круче.
Выходную динамическую характеристику переменного тока, также представляющую собой прямую линию, используют при расчёте каскадов мощного усиления для графического определения отдаваемых каскадом мощности, тока и напряжения сигнала, потребляемой мощности от источника питания и коэффициента гармоник каскада.
Эту характеристику называют нагрузочной прямой переменного тока. Так как в момент прохождения сигнала через нуль рабочая точка УЭ находится в точке покоя, нагрузочная линия переменного тока пересекается с нагрузочной линией постоянного тока в точке покоя.
|
|
|
Для построения нагрузочной прямой переменного тока отмечают на горизонтальной оси семейства статических выходных характеристик УЭ точку U0 + I0·R~, где R~ – сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току (току сигнала). Проведенная через эту точку и точку покоя прямая и будет являться нагрузочной прямой переменного тока.
В зависимости от схемы каскада сопротивление выходной цепи УЭ переменному току Z может быть меньше, равно или больше сопротивления этой цепи постоянному току R =.
Ключевой режим работы транзистора
Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.
В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.
В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.
Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.
Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.
h-параметры
Связь между входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) напряжениями и токами четырехполюсника (рис. 6) выражается системой двух уравнений. Выбрав два из входящих в эту систему параметров за независимые переменные, находят два других.
Рис. 6. К определению параметров транзистора как четырехполюсника
Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока ΔI1, и выходного напряжения ΔU2, а приращения входного напряжения ΔU1 и выходного тока ΔI2 выражают через так называемые h-параметры транзистора:
ΔU1 = h11ΔI1 + hl2ΔU2, (4.18)
ΔI2 = h21ΔI1 + h22ΔU2. (4.19)
Параметры, входящие в уравнения (4.18), (4.19), определяют:
h11 = ΔU1 / ΔI1 — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (ΔU2 = 0); h21 = ΔI2 / ΔI1 — коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении (ΔU2 = 0); h12 = ΔU1 / ΔU2 — коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (ΔI1 = 0); h22 = ΔI2 / ΔU2 — выходную проводимость транзистора при неизменном входном токе (ΔI1 = 0).
|
|
|
Конкретные значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, т.е. от того, какие токи и напряжения являются входными и выходными. В справочниках обычно приводят h-параметры, измеренные в схеме ОБ для средней полосы частот при типовых значениях постоянных составляющих тока и напряжения.
Установим связь h-параметров транзистора с их физическими параметрами в схеме ОБ.
Рис. 7. Схема замещения транзистора в физических параметрах,
включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)
С этой целью воспользуемся схемой рис. 7, а. Примем в ней напряжение εuкб = 0, переменные составляющие заменим приращениями: uэб = ΔU1, iэ = ΔI1, uнб = ΔU2, iк = ΔI2, а ток iб выразим через входной ток: iб = (1 – α)ΔI1.
Для входной цепи транзистора (см. рис. 4.10, а) при ΔU2 = 0 имеем
ΔU1 = ΔI1[rэ + (1 – α)rб], откуда h11 = rэ + (1 – α)rб. (4.20)
Для того же режима (ΔU2 = 0) ток выходной цепи
ΔI2 = α ΔI1 h21 = α. (4.21)
В отсутствие приращений входного тока (ΔI1= 0) ток в выходной цепи
ΔI2 = ΔU2(rк(б) + rб) ≈ ΔU2 / rk(б) или h22 = 1 / rк(б). (4.22)
Для этого же режима напряжения на входе и выходе соответственно равны
ΔU1 = ΔI2rб, ΔU2 ≈ ΔI2rк(б), откуда h12 ≈ rб / rк(б). (4.23)
Полученные соотношения для h-параметров используем для выражения физических параметров транзистора через его h-параметры:
rэ = h11 – (1 – h21)h12 / h22, rб = h12 / h22, rк(б) = 1 / h22, α = h21 (4.24)
