1. Режимы работы усилительных каскадов Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя: • режим класса A; • режим класса B; • режим класса AB; • режим класса C; • режим класса D. Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечки – половиной той части периода, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.
1.1. Режим класса А Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток , а следовательно и коллекторный ток нигде не снижаются до нуля (рис. 1.1). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки равен . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.
Рис. 1.1. Усиление в режиме класса А
1.2. Режим класса В Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 1.2). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Угол отсечки равен . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.
Рис. 1.2. Усиление в режиме класса В
Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода - второй транзистор в этом же режиме. На рис. 1.3. представлена схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного типа, но с идентичными параметрами, образующих так называемую комплементарную пару. Для питания коллекторной цепи используется два одинаковых источника питания и , которые создают обратное включение коллекторных переходов. Резисторы и одинаковы, при они фиксируют потенциал баз транзисторов, равный потенциалу корпуса.
Рис. 1.3. Двухтактная схема класса В с симметричным источником питания
Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.
1.3. Режим класса АВ Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала. Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Усиление в режиме класса АВ При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет . При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации нелинейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзистора. Схема двухтактного усилительного каскада, работающего в классе AB, приведена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Двухтактная схема класса AВ с делителем напряжения Коллекторные токи покоя и задаются напряжением смещения, подаваемым на базы транзисторов с сопротивлений и , и составляют незначительную часть максимального тока в нагрузке: , вследствие этого результирующая характеристика управления двухтактной схемы класса AB принимает линейный вид (штрихпунктирная линия на рис. 1.6).
Рис. 1.6. Характеристика управления двухтакной схемы, работающей в классе AB Напряжения смещения транзисторов VT1 и VT2 определяются как ; . Ток делителя , , , должен быть не менее : . Чем ближе работа усилительного каскада к классу A (чем больше угол отсечки ), тем меньше КПД, но лучше линейность усиления. КПД каскадов при таком классе усиления выше, чем для класса А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого коллекторного тока .
1.4. Режим класса С В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току (рис. 1.7). Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки . Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.
Рис. 1.7. Усиление в режиме класса С Из-за больших нелинейных искажений режим класса С не используется в усилителях звуковой частоты, этот режим нашел применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередатчиках).
1.5. Режим класса D Иначе этот режим называется ключевым режимом. В этом режиме рабочая точка может находиться только в двух возможных положениях: либо в зоне отсечки (транзистор заперт и его можно рассматривать как разомкнутый ключ), либо в зоне насыщения (транзистор полностью открыт и его можно рассматривать как замкнутый ключ). В активной зоне рабочая точка находится только в течение короткого промежутка времени, необходимого для перехода её из одной зоны в другую. Поэтому при работе в ключевом режиме линия нагрузки может на среднем своем участке выходить за пределы гиперболы допустимых мощностей, при условии, что переход транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот производится достаточно быстро (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Ключевой режим работы транзистора Как уже было показано выше, транзистор в режиме отсечки можно представить в виде разомкнутого ключа, так как практически все напряжение источника питания падает между его эмиттером и коллектором, а ток коллектора близок к нулю. Входное напряжение приложено к эмиттерному переходу транзистора в запирающем направлении (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Схема ключевого режима работы транзистора В режиме насыщения во входной цепи транзистора протекает достаточно большой ток базы, при котором ток коллектора достигает максимального значения , близкого к – максимально возможному току в цепи источника питания. При этом напряжение транзистора имеет минимальное значение , близкое к нулю, что позволяет представить транзистор в виде замкнутого ключа. Отсюда и название этого режима работы – ключевой. В режиме насыщения напряжение на коллекторном переходе может быть определено: . (1.1) В обычном режиме напряжение смещает коллекторный переход в обратном направлении, т. е. . Учитывая то, что в режиме насыщения , третьим слагаемым в выражении можно пренебречь. Тогда при достаточно большом базовом токе , ток коллектора , где – коэффициент передачи по току, может достичь величины, при которой . (1.2) При выполнении этого условия знак в выражении (1.1) изменится на противоположный: , т. е. коллекторный переход будет смещен в прямом направлении, так же как и эмиттерный. Минимальное значение базового тока, при котором выполняется условие (1.2), называется током насыщения . Выражение (1.2) называют критерием насыщения транзистора. Чем больше базовый ток значения , тем глубже насыщение транзистора, тем больше заряд инжектированных из эмиттера носителей накапливается в базе. Относительное значение этого превышения называется степенью насыщения транзистора: . (1.3) Рассмотрим переходный процесс переключения транзистора. Пусть на вход транзистора подан сигнал (рис. 1.10). На интервале эмиттерный переход смещен в прямом направлении и по нему протекает базовый ток . При этом ток в коллекторной цепи начнет протекать с задержкой на время , которое требуется инжектируемым в базу носителям для прохождения расстояния, равного ширине базовой области.
Рис.1.10. Переходный процесс переключения транзистора Затем коллекторный ток нарастает постепенно в течение времени , что связано с процессом накопления носителей в базе. После окончания входного импульса в точке входной сигнал меняет полярность; эмиттерный переход смещается в обратном направлении и инжекция носителей в базу прекращается. Но поскольку в базе был накоплен некоторый заряд носителей, то ток коллектора еще в течение времени будет поддерживаться, а затем снижаться до нуля в течение времени . Время называют временем рассасывания неосновных носителей в зоне базы. Таким образом, импульс коллекторного тока существенно отличается от входного импульса в первую очередь тем, что имеет заметные фронты нарастания и спадания. Фронт спадания коллекторного тока в основном определяется степенью насыщения транзистора. Поэтому с целью избегания глубокого насыщения в цепь базы обычно вводят ограничительное сопротивление (рис. 1.9). А с целью уменьшения времени включения это ограничительное сопротивление шунтируют конденсатором , который в первый момент времени шунтирует сопротивление и поэтому обеспечивает быстрое нарастание базового , а следовательно, и коллекторного тока . Затем, когда он зарядится от источника входного сигнала, ток базы потечет уже через ограничительное сопротивление и будет ограничен рост тока и, следовательно, степень насыщения транзистора. Конденсатор поэтому называют форсирующим (ускоряющий процесс включения транзистора). Рассмотрим диаграмму, отражающую величину потерь в транзисторе, работающем в ключевом режиме. На рис. 1.11, а представлена форма входного импульса (ток базы ). На рис. 1.11, б упрощенно изображена форма импульса коллекторного тока . Для простоты будем считать, что ток базы нарастает в течение фронта линейно до величины и в течение фронта спадает до величины обратного тока коллекторного перехода . На рис. 1.1, в показано изменение напряжения на коллекторе от максимального значения, приближенно равного , до минимального значения . На рис. 1.11, г представлена мощность , рассеиваемая на транзисторе: , где – период следования импульсов; и – длительность фронта нарастания и спадания тока; и – мгновенное значение тока и напряжения в течение фронтов нарастания и спадания, – длительность импульса коллекторного тока; – длительность паузы между импульсами.
Рис. 1.11. Мощность, выделяемая на транзисторе при ключевом режиме работы Из выражения (3.57) следует, что второе слагаемое, несмотря на большую величину , исчезающе мало, так как . То же можно сказать и о четвертом слагаемом, которое очень мало из-за того, что . Таким образом получается, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, работающем в ключевом режиме, а следовательно и нагрев транзистора, в основном определяется длительностью фронтов, и и, частотой следования импульсов . Потери мощности на транзисторе, обусловленные указанными причинами, называются динамическими потерями или потерями на переключение. С целью снижения этих потерь следует уменьшать длительностью фронтов нарастания и спадания тока транзистора. Для этого служат так называемые форсирующие цепи, которые принудительно ускоряют процесс нарастания и спадания тока. В ключевом режиме КПД оказывается очень высоким, близким к 100 %. Этот режим преимущественно используется в силовых транзисторах, работающих в схемах бесконтактных прерывателей постоянного и переменного тока.
2. Фоторезисторы 2.1. Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток. Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.
Рис.2.1. Монокристаллический и плёночный фоторезистор Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 2.1. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала. Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 2.2) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток
Рис. 2.2 Схема включения для измерения параметров и характеристик фоторезисторов.
Iт = E / (Rт + Rн), (2.1)
где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки. При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток
Iс = E / (Rс + Rн). (2.2)
Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости
Iф = Iс – Iт. (2.3)
Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.
2.2. Характеристики фоторезисторов Основными характеристиками фоторезисторов являются: • Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. • Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения. • Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, а сернисто-свинцовые – в инфракрасной (рис. 6 приложения). • Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность оганичивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.
2.3. Параметры фоторезисторов Основные параметры фоторезисторов: • Рабочее напряжение Uр – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях. • Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях. • Темновое сопротивление Rт – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности. • Световое сопротивление Rс – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения. • Кратность изменения сопротивления KR – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению). • Допустимая мощность рассеяния ¬– мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации. • Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока. • Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением. • Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА / (лм * В) К0 = Iф / (ФU), (2.4) где Iф – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА; Ф – падающий световой поток, лм; U – напряжение, приложенное к фоторезистору, В. • Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение Sинт = К0Umax. • Постоянная времени ф – время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики. • При включении и выключении света фототок возрастает до максимума и спадает до минимума не мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени , равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок iф будет нарастать и спадать во времени по закону iф = Iф (1 – e – t / ); iф = Iф e – t / , (2.5) где Iф – стационарное значение фототока при освещении. • По кривым спада фототока во времени можно определить время жизни неравновесных носителей.
2.4. Применение фоторезисторов В последние годы фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике.
3. Задачи 3.1. Задача 1 Рассчитать и построить в соответствующем масштабе вольтамперную характеристику идеализированного диода в диапазоне изменения напряжения питания от – 10 до + 0,7 В при Т = 300 К и обратном токе насыщения, равном I0. Величина константы для Т = 300 К будет 0,026 В. По построенной ВАХ графическим методом определить дифференциальное сопротивление Rдиф диода, сопротивление постоянному току R0 для заданного значения напряжения на диоде Uпр, соответствующего рабочей точке на прямой ветви ВАХ. Величины I0, Uпр приведены в таблице 3.1.
3.1.1. Решение Расчет вольтамперной характеристики проводится в соответствии с уравнением , в котором величина I0 = 2,0 nA представляет тепловой ток p-n перехода, называемый также током насыщения. Для комнатной температуры Результаты расчета прямой ветви (U>0) вольтамперной характеристики представляются в таблице 3.2. Таблица 3.2 – Результаты расчета прямой ветви (U>0) Uпр, В 0 0,10 0,15 0,18 0,20 0,22 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 Iпр, А 0 0,75• 10-7 4,72• 10-7 1,41• 10-6 2,93• 10-6 6,08• 10-6 1,82• 10-5 1,12• 10-4 4,3• 10-3 0,16 6,32 241,92
Результаты расчета обратной ветви (U<0) представлены в таблице 3.3.
