Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы7

Лекция 7. Применение БТ для усиления электрических сигналов. Малосигнальные эквивалентные схемы.

Содержание:

• Усилительный каскад при включении ОБ

• Транзистор как линейный четырехполюсник. h-параметры в схеме ОБ

• Малосигнальная физическая эквивалентная схема при включении ОБ. Связь h-параметров с параметрами малосигнальной эквивалентной физической схемы.

• Малосигнальная физическая эквивалентная схема при включении ОЭ

Усилительный каскад при включении ОБ. Усилительный каскад должен содержать активный элемент, источник энергии и вспомогательные элементы. Выберем в качестве активного элемента биполярный n-p-n транзистор, включенный по схеме ОБ (рис. 7-1). Резисторы R_Э и R_К вместе с источниками напряжения Е_Э и Е_К задают рабочую точку транзистора в активном режиме – постоянные токи I_Э и I_К. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада и нелинейные искажения.

Источник сигнала представляет собой переменное напряжение, поданное на вход. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка на выходе каскада не влияли на положение рабочей точки, используются разделительные конденсаторы С₁ и С₂. При подаче переменного напряжения на вход ток базы складывается из постоянной I_Э и переменной i_Э составляющих. Напряжение между базой и эмиттером также имеет постоянную U_ЭБ и переменную u_ЭБ составляющие. Рис. 7-2 иллюстрирует тот факт, что если амплитуда переменной составляющей мала настолько, что участок входной ВАХ можно считать прямолинейным отрезком, то зависимость i_Э от u_ЭБ практически линейна.

Транзистор как линейный четырехполюсник. h-параметры в схеме ОБ. На практике часто приходится сталкиваться с задачей усиления малых сигналов. Когда переменное напряжение u_БЭ много меньше теплового потенциала _Т (_Т  25 мВ при комнатной температуре), то участок входной ВАХ можно представить отрезком прямой. Тогда на постоянные токи и напряжения накладываются малые переменные токи и напряжения, которые связаны линейными зависимостями. Для переменных составляющих транзистор удобно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 7-3). Входной переменный ток i₁, входное переменное напряжение u₁, выходной переменный ток i₂ и выходное переменное напряжение u₂ связаны между собой двумя линейными уравнениями. Любые две из этих величин могут быть выражены через две другие. Чаще всего для биполярных транзисторов используется система h-параметров, в которой в качестве независимых переменных принимаются входной ток i₁ и выходное напряжение u₂, а выходной ток i₂ и входное напряжение u₁ выражаются через них с помощью параметров h₁₁, h₁₂, h₂₁ и h₂₂:

u₁ = h₁₁i₁ + h₁₂u₂,

i₂ = h₂₁i₁ + h₂₂u₂, (7-1)

где - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для малой переменной составляющей тока;

- коэффициент обратной передачи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока;

- коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей;

- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока.

На высоких частотах появляются фазовые сдвиги и h-параметры становятся комплексными.

Низкочастотные значения h-параметров транзистора можно найти с помощью семейств входных и выходных характеристик. Параметры h₂₂ и h₂₁ определяют по выходным характеристикам:

.

Параметры h₁₁ и h₁₂ можно определить по семействам входных ВАХ.

.

В практических расчетах производные заменяют конечными приращениями, выбирая их достаточно малыми. Например, .

Эквивалентная схема на основе системы h-параметров изображена на рис. 7-4.

В зависимости от схемы включения у h-параметров ставят дополнительный индекс. Например, h_11э – с общим эмиттером, h_11б – с общей базой, h_11к – с общим коллектором.

Малосигнальная физическая эквивалентная схема при включении ОБ. Связь h-параметров с параметрами малосигнальной эквивалентной физической схемы.

Малосигнальная физическая эквивалентная схема предназначена для анализа усиления малых сигналов, причем элементы этой схемы соответствуют физическим процессам, происходящим в транзисторе. В зависимости от требуемой точности моделирования используют малосигнальные схемы различной сложности.

Рассмотрим Т-образную малосигнальную эквивалентную схему для включения ОБ (рис. 7-5). Положительное направление тока эмиттера выбрано произвольно, т.к. переменный ток в данный момент времени может иметь любое направление. Схема справедлива для сравнительно низких частот и получена путем линеаризации модели Эберса-Молла. Б - внутренняя точка базы.

Дифференциальное сопротивление эмиттера вычисляется как для любого прямосмещенного р-n перехода:

, (7-2)

- дифференциальное сопротивление коллектора, обусловленное эффектом Эрли и определяющее наклон выходной ВАХ,

r_Б - сопротивление базы (не дифференциальное).

Коэффициент прямой передачи  является дифференциальным: , но на практике мало отличается от интегрального .

Емкость коллектора C_К в активном режиме является барьерной емкостью коллекторного p-n перехода.

Параметры r_Э, r_К, , C_К зависят от выбора рабочей точки. Типичные значения r_Э  25 Ом при токе эмиттера 1 мА, r_К = (сотни кОм  единицы МОм),  = (0,95  0,995), C_К = (единицы  десятки) пФ для маломощных высокочастотных транзисторов.

h-параметры выражаются через параметры эквивалентной схемы:

, , , ,

где rБ – полное сопротивление базы, включающее сопротивление обратной связи, обусловленной модуляцией ширины базы (эффект Эрли). В инженерных расчетах часто пренебрегают коэффициентом обратной связи, вызванным влиянием эффекта Эрли, на напряжение uЭБ из-за его малости и полагают rБ = rБ.

Малосигнальная физическая эквивалентная схема при включении ОЭ. На практике часто используется усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 7-6). Источники питания Е_Б и Е_К и резисторы R_Б и R_К определяют положение рабочей точки (т.к. Е_Б и Е_К имеют одинаковую полярность, можно использовать один источник питания). При включении ОЭ ток базы управляет током коллектора, поэтому целесообразно использовать несколько иную эквивалентную схему (рис. 7-7).

Параметры эквивалентной схемы ОЭ связаны с параметрами при включении ОБ: r^*_К = (1 - ) r_К; ; .