Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электродытранзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуациивозможны и другие, приводящие, например, к протеканиюв n-p-n-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярноголярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именнов активном режиме транзистор наилучшим образом проявляетсвои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим — полностью противоположен активномурежиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиметранзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзисторав инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чемврежиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции)— оба переходатранзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).
Рис 1.3 Схемы включения биполярных транзисторов (направлении работы соответствует активному режиму работы ).
1.5. Классы усиления
В процессе работы транзисторного усилительного каскада напряжение и ток на его входе изменяются по закону изменения усиливаемого сигнала. Если транзистор все это время находится в активном режиме, то данные изменения передаются на выход и в усиленном виде повторяются в выходном сигнале каскада. Однако сами колебания входного сигнала (например, гармонического) могут периодически выводить транзистор из активного режима в режим насыщения или отсечки в зависимости от того, каков точный уровень напряжения и тока на входе в каждый конкретный момент времени. Может показаться, что указанные колебания режимом совершенно бесполезны в реальных схемах и их нужно всячески избегать, но это не так. Существуют схемы, в которых необходимо обеспечить усиление сигнала только при условии, что его мгновенное значение лежит выше или ниже некоторого порога. Иногда эти схемы комбинируются так, чтобы каждая отвечала за свой диапазон значений входного сигнала, а на выходе многокаскадного усилителя восстанавливается полный усиленный сигнал (например, двухтактные усилители мощности). За счет такого включения становится возможным существенно повысить общий КПД усилительной схемы.
Чтобы различать динамику изменений режимов работы транзистора (а это имеет значение при расчете их энергопотребления и тепловыделения) вводится понятие класса усиления. Различают пять основных классов усиления, которые обозначаются прописными латинскими буквами: А, В, АВ, C,D.
Класс усиления А. При работе в данном классе усиления транзистор все время находится в активном режиме. Колебания переменного сигнала на его входе никогда не должны выводить транзистор в режим насыщения или отсечки, т.е. их амплитуда ограничена некоторой областью, определяемой тек электрическими характеристиками конкретного транзистора, напряжением питания и начальным постоянным смещением на входе каскада. Заметим, что постоянное протекание значительных токов через транзистор приводит, во-первых, к большому энергопотреблению, а во-вторых, к разогреву полупроводниковой структуры (итоговый КПД каскада усиления в классе А теоретически не может превышать 50%, а реальные его значения и того ниже). Это является неизбежной платой за высокую линейность усиления, достижимую в классе А.
Класс усиления В. Предполагает, что транзистор находится в активном режиме, т.е. усиливает входной сигнал только половину периода его действия. Вторую половину периода изменения напряжения входного гармонического сигнала транзистор находится в режиме отсечки. Основными достоинствами класса В являются: высокий КПД (до 70%) и малая мощность тепловых потерь, рассеиваемых в транзисторе, что крайне важно для усилителей большой и средней мощности. Однако у усилителей в классе В есть и существенный недостаток — большой уровень нелинейных искажений, что; вызвано повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.
Класс усиления АВ. Данный класс усиления является промежуточным между классами А и В. В этом случае транзистор также переключается между режимом отсечки и активным режимом, но преобладающим является все-таки именно активный режим. Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе АВ компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала. Схемы усилителей мощности строятся так, что участок со значительными нелинейностями, когда транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и наоборот, просто не оказывает влияния на выходной сигнал.
Класс усиления С. В классе усиления С транзистор большую часть периода изменения напряжения входного сигнала находится в режиме отсечки, а в активном режиме — меньшую часть. Этот класс часто используется в выходных каскадах мощных резонансных усилителей (например, в радиопередатчиках).
Класс усиления D. Предназначен для обозначения ключевого режима работы, при котором биполярный транзистор может находиться только в двух устойчивых состояниях: или полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (режим отсечки).
1.5. Классы усиления