Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 1 показана схема для измерения переходной характеристики транзистора. Рассмотрите импульс на коллекторе. Какую
113
он имеет форму? Определите характеристическое время установления. Сравните это время с величиной, которую вы получили из частотной характеристики в Р.2.2. Какой переходной характеристики можно было бы ожидать для эквивалентной схемы, предложенной ранее (рис. 6 в Р.2.2).
Представим, что при 2<0 заряда на емкости свх нет. При г=0 в базу поступает ток генератора іг. Какова зависимость заряда д6
500н
Рис. 1.
от времени? Из закона сохранения заряда (первый закон Кирхгофа) следует
<г-<-?«о. (1)
Из уравнения для потенциалов (второй закон Кирхгофа) имеем
(2)
?6
Исключая ток і из уравнений (1) и (2), получаем
<7б = *г-
(3)
Это известное уравнение релаксации, решение которого имеет вид
<7б=гбт(1-е-'/т), (4)
где т=гвхсвх. Наконец, мы можем получить ток коллектора
'к = Ро^=Ш1~е-'/Т). (5)
Таким образом, мы видим, что одна и та же эквивалентная схема может быть использована для описания частотной и переходной характеристик. (Вы можете спросить, не вытекает ли этот результат из каких-либо особых свойств нашей схемы? В Приложении 2.3 показано, что этот результат является общим. Он относится к любой схеме.)
Какова природа релаксации, которую мы наблюдали в работах Р.2.1 и Р.2.2? Мы видели в Р.2.1, что ток через коллекторный пере-
114
ход возникает в результате диффузии неосновных носителей через базу. Выражаясь точнее, ток коллектора зависит не от тока эмиттера или базы, а скорее от величины неосновного заряда в базе. Если мы имеем в виду р—п—р-транзистор, то неосновными носителями являются дырки. Если обозначить через р общее
количество дырок в базе, можно написать
йр
-я-'эЧЛ-Т' (6)
где т — время рекомбинации в базе. Далее, чтобы сохранить электрическую нейтральность транзистора, ма трех токов должна няться нулю:
Из (6) и (?) получаем
(«?+?)¦
Мы видим, что ток базы содержит два члена. Первый равен и противоположен скорости нарастания заряда неосновного носителя в базе. Это компонента основного носителя, которая как раз поддерживает электрическую нейтральность. Второй член равен и противоположен току рекомбинации. Эта часть тока базы заменяет те основные носители, которые теряются при рекомбинации. Сравнивая уравнения (3) и (8), мы видим, что д6~—ер является компенсирующим основным зарядом в базе, а т — время рекомбинации неосновного носителя в пределах базы.
Теперь рассмотрим отрицательную обратную связь и способ ее использования для получения кажущегося сокращения времени установления. С явлением обратной связи мы встречаемся постоянно. Живые существа можно считать тщательно разработанными системами с обратной связью. Их реакция на окружающее непрерывно меняется под действием их органов чувств. Чтобы взять кусочек хлеба, мы должны сжать его. Сила, с которой мы сжимаем хлеб, контролируется ощущением наших пальцев. Таким образом, мы сжимаем хлеб достаточно сильно, чтобы он не выскользнул из пальцев, но не настолько сильно, чтобы смять его. Большое число механических регулирующих приспособлений использует как раз этот принцип подачи какого-либо выходного сигнала обратно на вход. Системы с этим свойством называют сервосистемами.
На рис. 2 показана схема транзисторного усилителя с обратной связью с коллектора на базу. Действие этой обратной связи состоит во введении в базу добавочного тока, пропорционального напряжению на коллекторе. Последовательно с сопротивлением обратной
115
связи Я і мы включили емкость 0,5 мкф, так что рабочая точка транзистора по постоянному току остается неизменной. (Простая теория обратной связи, приводимая ниже, относится к частотам выше 1/2я/?/С^=20 гц.) Представим себе, что мы вводим ток сигнала с генератора іг в базу. Цепь обратной связи вызовет дополнительный ток в базе
(9)
где /=#„/(#/-{-/?„) является долей тока коллектора, подаваемой обратно (или коэффициентом обратной связи). К эквивалентной
?6
с6л
Рис. з.
схеме, показанной на рис. 6, Р.2.2, нужно прибавить цепь обратной связи, как это показано на рис. 3.
Теперь уравнение (3) преобразуется в
Заменяя іТ на р09б/т, получаем
<7б = *г- (И)
Рассматривая уравнение (11), мы видим, что время установления теперь уменьшилось в (1+/Ро) раз. Решая уравнение (11) для ступенчатого тока 1Т, получаем
^=Ё?=ТТЖ(1 (12)
Заметим, что усиление тока низкой частоты уменьшается пропорционально уменьшению времени установления. (Независимость произведения усиления на ширину полосы пропускания усилителя от величины обратной связи является общим результатом.)
116
Возьмем в качестве Rf сопротивление 6,8 ком. Как велик коэффициент обратной связи /? Измерьте время установления. Во сколько раз оно уменьшилось? Сравните с (1+/ро). По величине ступенчатого напряжения на коллекторе vK9 вы можете сравнить усиление тока низкой частоты без обратной связи и с нею. На какой множитель сокращается усиление тока низкой частоты?
Если продифференцировать уравнение (12) по времени, мы получим
=Ё»ке-(1+шг/т> /13)
