Биполярният транзистор
Транзисторът е кран за ток. Има три извода – емитер, база, колектор. Малък ток в базата IБ отваря крана и през колектора тече β пъти по-голям ток IК = β·IБ. При нашия транзистор β = 200. За да усилва, преходът база–емитер е отпушен (≈ 0,65 V), а колекторният – запушен.
Как се държи, се вижда от изходните характеристики: за всеки ток на базата – колко колекторен ток тече при всяко напрежение UКЕ. Схемата на предусилвателя позволява само точките от товарната права: колкото повече ток тече през RК = 4,7 kΩ, толкова повече напрежение пада върху него. Пресечната точка е работната точка: IК = 1,39 mA, UКЕ = 4,12 V.
IК(UКЕ) при различен ток на базата
IБ = 2 μA IБ = 4 μA IБ = 6 μA IБ = 8 μA IБ = 10 μA IБ = 12 μA товарна права работната точка
Всяка сива линия е един ток на базата (през 2 μA); синята е 8 μA. Почти хоризонтални са: токът зависи от базата, не от UКЕ. Леко нагоре са заради ефекта на Ърли. Вдясно, близо до 0 V, транзисторът е в насищане – кранът е отворен докрай. Дръпни RК до 10 kΩ: правата става полегата и работната точка стига насищането.
Работната точка и как се задава
Работната точка трябва да стои, където сме я сложили. Но β на два транзистора от една кутия може да е 100 и 400, а и се мени с температурата. Най-простият начин е фиксиран ток на базата: един резистор RБ от захранването. Той дава IБ, а IК = β·IБ – значи работната точка плава заедно с β.
Предусилвателят прави друго: делител RБ1/RБ2 задава напрежението на базата, а резисторът RЕ в емитера – тока: IК ≈ (UБ − 0,65)/RЕ, без β! Ако токът порасне, напрежението на RЕ расте и запушва базата – това е отрицателна обратна връзка (тема 5).
При β = 200 колекторът е на 5,09 V с фиксиран ток и на 5,51 V с делител.
Напрежението на колектора срещу β
фиксиран ток на базата делител + RЕ (предусилвателят) сега
Входът: звукът, както е записан
входът x(n)
Изходът: звукът с фиксиран ток
изходът y(n)
Червената линия (фиксиран ток) пада от захранването до нула; зелената (делител) почти не мърда. Чуй думата през схемата с фиксиран ток (изходът е в един и същ мащаб): при β = 200 минава; при 400 транзисторът е наситен и остават само горните полувълни – хрипти; при 50 токът е малък, стръмността също, и думата е 4 пъти по-тиха.
Класове на работа
Колко от периода тече ток през транзистора, зависи от отместването на базата. Тук към него 1,8 V се добавя синус 1 V. Токът тече 360° от периода – клас A.
| Клас | Ток тече | КПД | Къде |
|---|---|---|---|
| A | 360° – винаги | ≤ 25 % | предусилватели (нашият) |
| B | 180° – половината | ≤ 78,5 % | двутактни крайни стъпала (тема 7) |
| AB | малко над 180° | между A и B | крайни стъпала без „стъпало“ |
| C | < 180° | висок | ВЧ предаватели с LC контур |
| D | ключ: включено/изключено | > 90 % | ШИМ усилватели |
Колекторният ток
колекторен ток входът (отместване + синус)
Пунктирът е входът, зеленото – колекторният ток. В клас A токът никога не стига нула: изходът е цял синус, но транзисторът харчи и в покой. В клас B тече само при положителната полувълна. В C – само на върха.
Полевият транзистор MOSFET
MOSFET управлява тока на стока с напрежението на гейта спрямо сорса. Гейтът е изолиран – в него не тече ток (огромно Rвх). Под прага Uпраг = 2 V ток няма; над него токът расте квадратично, не експоненциално. Затова е по-„мек“, но с по-малка стръмност при малки токове.
При UГС = 3 V през стока текат 105 mA, а стръмността е S = 200 mA/V. Биполярният при 1,4 mA има S = IК/VT ≈ 54,2 mA/V.
Биполярен: експонента
IК(UБЕ)
MOSFET: парабола над прага
IС(UГС) сега
Вляво: 50 mV повече на базата дават ~7 пъти повече ток. Вдясно: до 2 V – нищо, после парабола.
Схеми на свързване и h-параметри
Транзисторът има 3 извода, а усилвателят трябва да има 4 (2 вход + 2 изход). Затова единият извод е общ – оттам имената:
| Общ е | Биполярен | Полеви | Лампа |
|---|---|---|---|
| втори изходен електрод | общ емитер (ОЕ) | общ сорс | общ катод |
| първи изходен електрод | общ колектор (ОК) | общ дрейн | общ анод |
| управляващ електрод | обща база (ОБ) | общ гейт | обща решетка |
При малък сигнал транзисторът е четириполюсник с четири числа – h-параметрите. В работната точка на предусилвателя (IК = 1,39 mA): h21e = β = 200; h11e ≈ β·VT/IК = 3,72 kΩ; h22e ≈ IК/UA = 13,9 μS; h12e ≈ 0.
Самопроверка
1. Защо работната точка с фиксиран ток на базата е нестабилна?
IК = β·IБ, а β се мени от транзистор на транзистор и с температурата – колекторното напрежение плава.
2. Какво прави RЕ в схемата с делител?
Отрицателна обратна връзка по ток: ако IК порасне, расте UЕ, намалява UБЕ и токът се връща. IК ≈ (UБ − 0,65)/RЕ не зависи от β.
3. Каква част от периода провежда транзисторът в клас B? Какъв е максималният КПД?
180°; 78,5 %.
4. Каква е основната разлика между биполярен транзистор и MOSFET?
Биполярният се управлява с ток на базата (експоненциално), MOSFET – с напрежение на гейта (квадратично), а в гейта не тече ток.