Малосигнальный режим. Малосигнальные параметры транзисторов и их применения при оценки свойств усилительного звена.

Транзистор работает в малосигнальном или линейном режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нем сигнальных составляющих выходных токов ΔIвых и напряжений ΔUвых по сравнению с их значениями и Uвых0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току α_I и напряжению α_u, при этом α_I = ΔIвых / Iвых0; α_u = ΔUвых / Uвых0, где ΔIвых, ΔUвых – наибольшие отклонения выходного тока и потенциала от их значений Iвых0 и Uвых0 в ИРТ. Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2...0,3. При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными коэффициентами, независящими от уровня сигналов. Эти коэффициенты называются малосигнальными параметрами. Существует ряд систем параметров. Дальнейшее рассмотрение будем осуществлять в основном на базе системы Y -параметров. В этой системе параметры имеют размерность проводимости, а взаимосвязь между комплексными амплитудами токов и напряжений определяется системой уравнений

Iвх = Y ₁₁ U _вх + Y ₁₂ U _вых;

Iвых = Y ₂₁ U _вх + Y ₂₂ U _вых,

где I вх, Iвых, U вх, U вых – комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость У₂₁, часто называемая крутизной транзистора и обозначаемая S. Про­водимость Y₁₁ является главной характеристикой входных свойств транзистора, а Y₂₂ — выходных, поэтому указанные проводимос­ти соответственно называются входной и выходной проводимос­тью транзистора. Параметр Y₁₂ характеризует влияние выходного напряжения на входной ток, т. е. степень прохождения сигнала в направлении, обратном основному (в направлении с выхода на вход), поэтому проводимость Y₁₂ носит название проводимости обратной связи. Существенным отличием усилительных приборов от пассивных цепей является их свойство преимущественной од­нонаправленности передачи сигналов, которое может быть оха­рактеризовано неравенством |Y₂₁|» |Y₁₂|В основной частотной области транзистора, под которой пони­мается область частот f<f_s, где f_s — частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в √2 раз (на 3 дБ), взаимо­связи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. Поэтому в этой частотной об­ласти для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексных Y-параметров используется система вещественных g-параметров g_21, g_22, g_11, g_12/При этом iвх = g11uвх + g12uвых; iвых = g21uвх + g22uвых,Эти соотношения удобно в целях наглядности взаимодействия между токами и напряжениями представить в виде эквивалентной схемы замещения четырехполюсника.

Эта схема включа­ет себя два зависимых генератора тока, один из которых (источ­ник тока g_21Uвх)характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения и_вх на выходной ток i_вых, а второй g_12Uвых — воздействие обратной связи через проводимость g ₁₂ на входной ток i_вых Левая частьсоответствует верхней строчке, а правая — нижней.Одно из наиболее часто используемых соотношений, вытекающих из физической эквивалентной схемы биполярного транзистора, представленного моделью Эберса-Молла, является соотношение, определяющее взаимозависимость эмиттерного тока транзистора с разностью потенциалов U _бэ на его базо-эмиттерном переходе. Согласно этой модели I _э = I _оэ exp(U _бэ/ mU _т – 1), где m – коэффициент неидеальности p-n перехода (m ³ 1); - температурный потенциал; – постоянная Больцмана; T ‑ температура в градусах Кельвина; q» 1,6 10^–19 Кл – заряд электрона. При типовых температурных условиях (Т = 300 К) U _т» 0,026 В. При работе транзистора в линейном (усилительном) режиме выполняются следующие соотношения: I _э » I _к >> I _оэ, U _бэ/ mU _т >> 1, в результате чего I _к» I _оэ exp(U _бэ/ mU _т).(2)Отличие значений m от единицы в первую очередь обусловлено тем, что приложенное к внешним зажимам транзистора напряжение Uбэ воздействует на внутренний управляющий током коллектора переход база-эмиттер не прямо, а через дополнительное сопротивление rб базовой области. В результате внутри транзистора происходит ослабление управляющего напряжения Uбэ до значения Uб’э Это ослабление можно охарактеризовать коэффициентом деления 1/m резистивного делителя, состоящего из сопротивления rб и резистивной проводимости gб/э внутреннего перехода база-эмиттер. В результате

т = Uбэ/Uб’э= 1 + r б gб’э = 1 + r б I _к/ U _т h _21э,(3)где gб’э = I _к/ U _т h _21э – дифференциальная составляющая проводимости внутреннего р-п перехода база-эмиттер; h _21э- коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ. Малым значениям тока коллектора, когда он существенно меньше максимально допустимого его значения I _кmax, параметр m» 1. Но при значениях токах коллектора, приближающихся к максимально допустимым значениям I _кmax, m = 2...5Из этого и (2), (3) вытекают соотношения, позволяющие определять приближенно значения основных g-параметров транзистора, практически не прибегая к использованию справочных данных

g ₂₁ = dI _к / dU _бэ = I _к / mU _т;

g ₁₁ = dI _б / dU _бэ = I _к / mU _т h _21э = gб'э / т; (4)

g ₁₂ = dI _б / dU _кэ» 0;

g ₂₂ = dI _к / dU _кэ = I _к / (½ U _Эр½ + ½ U _кэ½),

где U _Эр – потенциал Эрли.

Анализ свойств схемных построений осуществляют на основе соотношений и положений теории четырехполюсника и эквивалентных схем каскадов на переменном токе (рис 4.3.). При этом усилительный прибор рассматривают в виде четырехполюсника, к выходным клеммам 2–2' которого подключена нагрузка Yн, а к входным – источник сигнала с ЭДС Ec и выходным сопротивлением Zc.

Транзисторы и большинство других УП являются трехполюсными приборами. Поэтому при их представлении в виде четырехполюсника один из выводов УП оказывается общим для входной и выходной цепей, т. е. усилительные приборы представляются как четырехполюсники с одной общей стороной. Обычно этот общий вывод в схемах подключается к точке нулевого Для биполярного транзистора в ка­честве основной схемы выступает схема с общим эмиттером, а для полевого — с общим истоком. Согласно общей теории четырехполюсника основные свойства в представленной на рис 4.3 схеме для основной рабочей частотной области транзистора (f << fS) определяются формулами:

,

(5)

где gн – проводимость резистивной нагрузки; gс – выходная проводимости источника сигнала. При нахождении значений коэффициента усиления следует иметь в виду, что наличие знака минус перед результатом проведенных в соответствии с (5) вычислений, указывает на противофазность выходного напряжения uвых относительно входного uвх. Так если для какой-либо схемы параметры g21, g22, gн и gвх положительны, то знак минус перед правыми частями выражений для K указывает на инвертирующий характер передачи по напряжению. В такой схеме фактические направления изменений сигналов uвых и uвх оказываются взаимно противоположными (противофазными).

5.Принципы и схемы обеспечения заданного поло­жения ИРТ

Важнейшими требованиями, которым должна отвечать схема современного электронного устройства, являются его пригодность к серийному производству и возможность изготовления этого устройства при минимальном числе настроечно-наладочных опера­ций. Этим условиям, в первую очередь, отвечают такие усили­тельные схемы, в которых обеспечена высокая стабильность ра­боты на постоянном токе, малая зависимость этих режимов от свойств конкретного транзистора и условий его работы.

биполярный транзистор можно рас­сматривать как усилительный прибор, управляемый током. По­этому положение ИРТ стараются задавать выбором определенного значения тока базы I_б0. Эту схему можно рассматривать как схему с фикси­рованным током базы, т.е. таким током, который практически не зависит от свойств конкретного транзистора и воздействия деста­билизирующих факторов. Указанная независимость обусловленатем, что сквозная передаточная ВАХ биполярного транзистора, представляющая функциональную связь напряжения база — эмитер

U_б-э с током коллектора I_к (б), т.е. такова, что напряжение U_б-э при любом токе коллектора практически неизменно, поскольку указанная зависимость имеет логарифмический характер:

Где m— параметр, значение которого близко к единице при малых значениях тока I _К и достигает 2...5 при значениях I_к, прибли­жающихся к максимально допустимым; U _T — температурный потенциал, U_T ~ 0,026 В; /_об__э — обратный ток насыщенного перехо­ди база —эмиттер.

В каскадах на кремниевых транзисторах малой и средней мощности эта разность потенциалов имеет значение, приблизительно равное 0,7 В. В дальнейшем это приближенное значение напряжения Uбэ, соответствующее работе транзистора в режиме усиления сигналов, будем называть номинальным напряжением база-эмиттер и обозначать Uбэ0. Значение номинального напряжения в малой степени зависит от свойств конкретного транзистора. Сказанное иллюстрирует рисунок 3.1б, на котором, помимо основного графика, отвечающего типовому значению тока A, нанесен штриховой линией график, отвечающий на порядок большему значению этого тока (для А). Графики построены в соответствии с соотношением (1). Следует отметить, что значения тока Iоэ пропорциональны площадям базо-эмиттерных переходов. В

процессе изготовления партии однотипных транзисторов вариации этих площадей и, соответственно, тока Iоэ существенно меньше десятикратных, поэтому отображенные на рисунке 1б изменения хода ВАХ больше, чем те, которые наблюдаются на практике.

Несмотря на простоту организации и кажущуюся очевидность заложенных принципов функционирования, схемы с фиксированным током базы не находят широкого применения, т. к. они не могут обеспечить высокой стабильности и определенности положения ИРТ. Это связано с тем, что у биполярных транзисторов наблюдается существенный разброс значений коэффициентов передачи B тока базы, и так как , то при фиксированном токе Iб0 токи Iк0 в различных экземплярах усилительных схем при бесподстроечной технологии их изготовления могут существенно отличаться. Таким образом, рассмотренный принцип обеспечения заданного положения ИРТ не может гарантировать возможность получения серийнопригодных усилительных схем, поскольку стабилизации должен подвергаться ток коллектора, а не ток базы.

Схема эмиттерно-базовой стабилизации, с помощью которой при определенных условиях в каскадах усиления обеспечивается высокая стабильность и определенность тока коллектора Iк0. В ней потенциал базового вывода транзистора питается от низкоомной цепи, например, от резистивного делителя, относительно которого выполняется условие , благодаря чему при фиксированных значениях питающих напряжений Eп+ и Eп- потенциал базы Uб0 практически не зависит от тока базы Iб0, т. е. от свойств конкретного транзистора, что и дает основания называть эту схему схемой с фиксированным потенциалом базы.

Разность потенциалов U0 = Uбэ0–Eп- на резисторе R₂ в этих условиях также не зависит от свойств конкретного транзистора, при этом в соответствии с той ролью, которую играет эта разность потенциалов в обеспечении заданного значения тока Iк0, ее можно назвать токозадающей разностью потенциалов. В дальнейшем эту разность потенциалов будем обозначать U0. Очевидно, что для создания тока в транзисторе значение разности потенциалов U ₀ должно быть не ниже номинального напряжения Uбэ0.

С точки зрения обеспечения в схеме стабильного и определенного тока Iк0 существенным является то, что при работе биполярного транзистора в режиме усиления сигналов разность потенциалов Uбэ0 база-эмиттер в малой степени зависит от тока коллектора, поскольку эта зависимость по характеру приближается к логарифмической, определяемой соотношением (1). В результате можно считать, что в каскаде на биполярном транзистор потенциал Uб0 передается (транслируется) к его эмиттеру за вычетом номинального напряжения Uбэ0, которое для кремниевых транзисторов приблизительно равно 0,65...0,70 В Благодаря этому, независимо от свойств конкретного транзистора,

. следует, что при данной токозадающей разности потенциалов U0 в условиях, когда Uкэ0>Uнач, а Iдел>>Iб0, вариации значения сопротивления R0 в схеме практически не вызывает изменений напряжения UR0 на этом сопротивлении. Ток же, протекающий через это сопротивление и, соответственно, через коллекторно-эмиттерную цепь транзистора, вследствие этого оказывается пропорциональным значениям сопротивления R0.

Существуют другие варианты построения схемы с фиксированным потенциалом базы, в которых значение этого потенциала определяет не базовый делитель, а выходной потенциал предшествующей схемы.

Рассмотрим основные источники неопределенности положения ИРТ в схеме.

Основным фактором, обуславливающим неопределенность режимов работы на постоянном токе схемы, является разброс транзисторов по параметрам Uбэ0 и Iоэ.

Отклонения ∆Iк коллекторного тока Iк0 из-за вариаций ∆Uбэ разности потенциалов Uбэ0 тем меньше, чем большее значение сопротивления имеет резистор R0, а именно

; .

Поэтому с точки зрения стабильности и определенности положения ИРТ желательно, чтобы выбор значений R0 и Uэ0 обеспечивал выполнение условий R0>>∆Uбэ/Iэ0 и Uэ0>>∆Uбэ

Из (1) и (3) следует, что в этой схеме вариации параметра Iоэ в пределах от Iоэ1 до Iоэ2 приводит к изменениям тока коллектора, которые можно оценить по формуле .

Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определенности тока Iк0, малой зависимости этого тока от конкретных свойств транзистора и возможных температурных изменений желательно, чтобы в схеме на рисунке 2 выполнялись соотношения Uэ0>>∆Uбэ и , где .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: