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 UБ ~ противоположно направлению напряжения на нагрузке UН ~. 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: 556; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!