Физическая модель биполярного транзистора по переменному току

 

Для получения физической модели биполярного транзистора малосигнального линейного режима, транзистор удобно представить в виде четырехполюсника и использовать систему Z, Y или H параметров. Ограничимся системой Z параметров.

 

 

Тогда эквивалентная схема транзистора будет иметь вид, представленный на рис. 3.8.

 

 

отсюда видно, что:

 

 

 

 

Рис. 3.8 Т-образная малосигнальная физическая эквивалентная схема биполярного транзистора p-n-p типа с источником тока

 

 

 

Рис. 3.9 Т-образная малосигнальная физическая эквивалентная схема биполярного транзистора n-p-n типа с источником напряжения

 

Поскольку параллельное соединение источника тока и резистора эквивалентно последовательному соединению источника напряжения и резистора, то возможна схема с источником напряжения (рис. 3.9).

Все величины, выступающие в качестве параметров элементов физических эквивалентных схем, имеют четкий физический смысл:

 

 — дифференциальное сопротивление базовой области транзистора, равно сумме распределенного сопротивления базы  и ее диффузионное сопротивления типичными для маломощных планарных транзисторов являются значения 10... 100 Ом;

— дифференциальное сопротивление эмиттера (на практике часто соблюдается: );

— дифференциальное сопротивление коллектора в схеме с ОБ, обычно это сопротивление гораздо больше  и  и составляет десятки или сотни килоом;

 — емкость коллекторного перехода в схеме с ОБ;

 — дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

 — дифференциальный коэффициент передачи тока базы  схеме с ОЭ,

 — дифференциальное сопротивление коллектора  схеме с ОЭ,

— емкость коллекторного перехода в схеме ОЭ,

— сопротивление, отражающее усилительные свойства транзистора в схеме с ОБ ;

 — сопротивление, отражающее усилительные свойства транзистора в схеме с ОЭ,  .

 

При изображении физических эквивалентных схем положительные направления переменных токов и напряжений стараются принимать совпадающими с реальными постоянными токами и напряжениями на соответствующих электродах транзистора (полного совпадения обычно не получается).

В случае рассмотрения какой-либо конкретной схемы включения биполярного транзистора один из его электродов является общим для входа и выхода схемы, а выбор варианта (с источником тока или с источником напряжения) эквивалентной схемы производится с учетом удобства вычислений и анализа модели.

Несколько менее очевидным является выбор той или иной группы параметров элементов эквивалентной схемы (см. варианты 1, 2 на рис. 3.8, 3.9).

Здесь в первую очередь необходимо руководствоваться схемой включения транзистора в усилительный каскад. Если это схема с ОЭ или ОК, то следует использовать вариант 1 (по рис. 3.8, 3.9), в схеме с ОБ — вариант 2.

Показанные на эквивалентных схемах пунктиром емкости (рис. 3.8, 3.9) позволяют моделировать проявление реактивностей в транзисторе при увеличении частоты переменного сигнала. Как видно из эквивалентных схем, обычно ограничиваются рассмотрением только емкости коллекторного перехода биполярного транзистора, которая, как правило, выше всех других имеющихся емкостей и оказывает наибольшее влияние на усилительные свойства транзистора. Однако в общем случае при высокочастотном анализе следует не просто добавлять емкость коллекторного перехода, но и учитывать частотные зависимости параметров других элементов физической эквивалентной схемы транзистора (в первую очередь коэффициентов передачи  и ).

Приведенные эквивалентные схемы характерны для низкочастотных сигналов. На очень высоких частотах следует выбрать иную схему с учетом влияния малых емкостей, присущих транзистору и физических процессов, протекающих в полупроводниках.

 

Схема с общим эмиттером

 

На рис. 3.10 приведена типичная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе п-р-п-типа, включенном с ОЭ. Проведем детальный анализ данной схемы для переменной составляющей входного сигнала.

C1,C2 — разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

C3 — блокировочный конденсатор (уменьшает сопротивление переменному току в цепи эмиттера, блокирует действие ООС по току нагрузки в рабочем диапазоне частот усилителя, может использоваться для частотной коррекции);

С4 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).

 

Представляют интерес следующие характеристики каскада:

 

- входное сопротивление,

- выходное сопротивление,

- коэффициент усиления по току, ;

- коэффициент усиления по напряжению, ;

- коэффициент усиления по мощности, .

 

 

 

Рис. 3.10 Схема усилительного каскада с ОЭ

Здесь и далее, везде, предполагается, что верхняя рабочая частота примененного транзистора много выше максимально возможной частоты входного сигнала, а эквивалентные сопротивления фильтрующего, разделительных и, если он есть, блокировочного конденсаторов ничтожно малы в рабочей полосе частот и они воспринимаются короткозамкнутыми для переменного тока.

 

 

Рис. 3.11 Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ (рис. 3.10) для переменных составляющих токов и напряжений

Направления переменных токов и напряжений (имеется ввиду фаза переменного тока), принимаемые при построении эквивалентной схемы (Рис. 3.11) за положительные, в принципе, могут выбираться произвольно. Но все выбираемые направления взаимосвязаны друг с другом и, задавая положительное направление какого-либо одного параметра, другие следует устанавливать в соответствии с фазой. Начинать удобнее всего с задания положительных направлений для переменных токов всех электродов транзистора. Их лучше всего принять совпадающими с направлениями постоянных токов на этих электродах. Положительное направление тока генератора , учитывающего усилительные свойства транзистора, должно совпадать с выбранным направлением тока коллектора.

Видно, что направление входного напряжения U_{Б ~} противоположно направлению напряжения на нагрузке U_{Н ~}. Это означает, что усилитель с ОЭ инвертирует проходящий через него переменный сигнал (т.е. изменяет его фазу на 180°).

Сопротивление  отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току и в нашем случае равно: .

Входное сопротивление  эквивалентной схемы на рис. 3.11 определяется параллельным включением цепи смещения базы  и входным сопротивлением транзистора:

 

 

В предположении отсутствия блокировочного конденсатора  для переменного напряжения в точках схемы Б—Корпус можно записать:

(3. 1)

Формула (1 ОЭ) может быть использована для определения сопротивления базы, если доступно моделирование, т. е. известны , , , а  определяется по формуле (8):

Таким образом, входное сопротивление  транзисторного усилительного каскада по схеме с ОЭ определяется цепью делителя  и , коэффициентом передачи тока базы  и сопротивлением ООС по переменному току в цепи эмиттера  Если подключить конденсатор , то общий импеданс цепочки автосмещения  определится по формуле:

 где

а в формуле для вычисления  этот импеданс займет место величины .

Как правило, емкость конденсатора выбирается так, чтобы шунтировать резистор  в области усиливаемых частот. В этом случае резистором  можно вовсе пренебречь и не учитывать в формуле (1 ОЭ).

Выходное сопротивление( ) эквивалентной схемы на рис. 3.11 определяется при отключенной нагрузке по переменному току и нулевом входном сигнале, т.е.  (следовательно, ). Для усилительного каскада с ОЭ, как правило, выполняется  поэтому можно считать  или в общем случае

(3. 2)

Коэффициент усиления по току .Входной ток усилительного каскада содержит две составляющие:

— ток делителя, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой в цепи делителя;

— ток базы, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление коллекторным током.

 

             

И далее получаем:

где  — коэффициент передачи тока входной цепи.

Ток в нагрузке  зависит от токораспределения в выходной цепи:

С учетом  записывается:

где  — коэффициент передачи тока выходной цепи.

Коэффициент усиления по току эквивалентной схемы на рис. 3.5 определяется соотношением:

(3. 3)

Коэффициент усиления по напряжению(). Переменное напряжение на выходе каскада (на нагрузке) (Рис. 3.12) определяется соотношением:

,

где .

С другой стороны, для переменного напряжения на входе усилительного каскада можно записать:

 

Коэффициент усиления по напряжению схемы определяется как отношение выходного напряжения к входному:

Получаем:

(3. 4)

Применяем формулу (1 ОЭ):

(3. 5)

Коэффициент усиления по мощности ( ). Перемножение соотношений, полученных ранее для коэффициентов усиления по току  и по напряжению , дает формулу для коэффициента усиления по мощности  :

(3. 6)

 

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 561; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!