Материал: Sb000508

В наиболее неблагоприятном случае отклонения параметров от номинальных значений за счет температурных изменений и технологического разброса имеют одинаковую направленность. В этом случае

∆Uбэ=∆Uбэtt+∆UбэТ; ∆β=∆βt+∆βТ, (5)

где ∆UбэТ, ∆βТ – отклонения параметров Uбэ и β вследствие технологического разброса. Обычно ∆UбэТ≤0,05 В, ∆βТ≤0,1h21э.

∆Iк=∆I1+∆I2

а

Рис. 10

Соотношение (5) и схема рис.10 являются исходными при проведении анализа возможных вариаций ∆Iк и ∆Iэ токов Iк0 и Iэ0. Анализ базируется на пересчете всех источников нестабильности к коллекторному или эмиттерному выводу транзистора. Параметр ∆Iк≈∆Iэ является результатом совместного воздействия указанных ранее двух источников нестабильности, т.е. ∆Iк=∆I1+∆I2, где ∆I1 – составляющая тока ∆Iк, обусловленная нестабильностью ∆Uбэ; ∆I2 – составляющая, обусловленная нестабильностью ∆β. В рамках задач, решаемых при анализе тока ∆Iк, нестабильности, порождающие его, могут быть рассматриваемы как источники малосигнальных напряжений и токов, в результате чего вычисление составляющих ∆I1 и ∆I2 тока ∆Iк правомочно осуществлять с помощью малосигнальных параметров. При вычислениях в качестве вспомогательных параметров целесообразно использовать изменения ∆U1, ∆U2, и ∆Uк=∆U1+∆U2 разности потенциалов на резисторе Rк, порождаемые каждым из токов ∆I1 и ∆I2 и их совместным воздействием. При этом ∆I1=∆U1/Rк, ∆I2=∆U2/Rк,а ∆Uк=(∆I1+∆I2)/Rк. Использование вспомогательных напряжений ∆U1 и ∆U2 позволяет осуществлять пересчеты токов ∆I1 и ∆I2 в ток ∆Iк с помощью коэффициентов усиления по напряжению (без привлечения при пересчетах коэффициентов передачи по току).

Расчеты по анализу нестабильности ∆Iк, а также последующие вычисления значений других характеристик отдельных каскадов и усилителя в целом, базируется на использовании малосигнальных параметров транзистора и применении теории четырехполюсников. Рассмотрим основные положения этой теории.

16

Критерии и особенности малосигнального режима работы транзистора Считается, что транзистор работают в малосигнальном или линейном

режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВAX. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нем сигнальных составляющих выходных токов ∆Iк и напряжений ∆Uкэ по сравнению с. их значениями Iк0 и Uкэ0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току ξi и напряжению ξu. При этом ξi=∆Iк/Iк0; ξu=∆Uкэ/Uкэ0, где ∆Iк, ∆Uкэ – наибольшие отклонения выходного тока и разности потенциалов от их значений Iк0 и Uкэ0 в ИРТ.

Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2.. .0,3. Таким образом, в качестве критериев молосигнальности режима работы можно принять одновременное выполнение условий ξi≤0,2...0,3 и ξu≤0,2...0,3.

При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяютоя постоянными коэффициентами, не зависящими 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 cиcтеме параметры имеют размерность проводимости, а взаимосвязь между комплексными амплитудами токов и напряжений определяется системой уравнений

Iвх=Y11Uвх+Y21Uвых;

Iвых=Y21Uвх+Y22Uвых,

где Iвх, Uвх, Uвых, Iвых – комплексные амплитуды сигнальных токов и . напряжений. Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость Y21, часто называемая крутизной транзистора и обозначаемая – S. Проводимость Y11 является главной характеристикой входных свойств транзистора, a 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.

В основной частотной области транзистора, под которой понимается область частот f<fS, где fS – частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в 21/2 раз, взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. В этой частотной области для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексных Y-параметров используется система вещественных g-параметров, включающая параметры g21, g11, g22, g12. При этом

iвх=g11uвх+g21uвых; iвых=g21uвх+g22uвых,

где iвх, uвх, iвых, uвых – сигнальные токи и напряжения.

Значение малосигнальных параметров зависит от того, каким образом транзистор включен в схему каскада. Рассмотрим возможные способы этого включения.

17

Способы включения транзистора в схему усилительного кяскада Возможны шесть способов подключения трехполюсного элемента к.

схеме, но практически в усилительных схемах используется только три. так как только при этих трех способах входные сигналы обладают эффективным управляющим воздействием на выходной ток. Эти применяемые способы включения иллюстрируют рис.11, где приведены эквивалентные схемы каскадов на переменном токе. Во всех схемах один из электродов усилительных приборов является общим для входных 1-1 и выходных 2-2 зажимов, поэтому схемы на рис. 11,а–в называют, соответственно, схемами с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ).

Рис. 11

Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение транзистора по схеме ОЭ. Это включение считается основным. При нем в каскаде имеет место не только наибольшее усиление по мощности, но и, как правило, существенные усиления по току и напряжению, приближающиеся к максимально достижимым. Поэтому на использование схемы 0Э ориентируются в первую очередь.

Основные характеристики и параметры приводится для этого включения. В дальнейшем параметры, относящиеся к этой схеме включения, будем в формулах применять без каких-либо дополнительных индексов, тогда как параметры, относящиеся к другим схемам включения, будем снабжать соответствующими индексами. Так, например, параметр g11ок означает входную проводимость, соответствующую включению транзистора по схеме ОК. В ряде случаев получение наибольшего усиления не является главной задачей. В связи с этим часто в усилителях применяют и другие схемы включения, которые по ряду параметров и свойств превосходят основную схему включения.

В схеме ОК (рис.11,б) коэффициент передачи напряжения близок к единице, в результате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной (uвх=uвых). Поэтому этот каскад называют повторителем напряжения (эмиттерным повторителем). Основным достоинством этого каскада является то, что он обладает малой входной и большой выходной проводимостями. Он часто используется как согласующий и разделительный, обеспечивающий высокие значения сквозного коэффициента передачи при прохождении сигнала от высокоомного источника ЭДС к низкоомным цепям, приближая

18

коэффициент передачи входной цепи к максимально достижимому значению, равному единице.

Всхеме ОБ (рис.11,в) выходной ток практически равен входному, поэтому эту схему можно назвать повторителем тока (вытекающий выходной ток повторяет втекающий входной). Повторители тока не обладают усилением потоку, имеют большую входную проводимость и пониженное (по сравнению с основной схемой) усиление по мощности. Все это ограничивает сферу применения схемы ОБ. В основном это включение применяется в высокочастотных схемах, т.е. там, где становится заметным влияние паразитных обратных связей через емкости р-n- переходов.

Вряде случаев транзистор умышленно или помимо желания разработчика оказывается включенным в схему таким образом, что все его три зажима оказываются под переменном потенциалом, как это показано на рис.12. Эти включения удобно рассматривать как разновидности соответствующих включений рис.11, которые отличаются от последних наличием ненулевой по

сопротивлению цепи Rf в общем (заземляющем) проводе. Включение в схему каскада сопротийления Rf вызывает появление внутрикаскадной отрицательно обратной связи, которая снижает входную проводимость, повышает устойчивость параметров каскада по отношению к воздействии дестабилизирующих факторов, но при этом снижает коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Рис. 12

В дальнейшем параметры и схемы, соответствующие ненулевому значению Rf, будем отмечать индексом "f". Так схемные построения рис.12,а-в будем обозначать ОЭf, OKf и OБf соответственно.

Малосигнальные параметры биполярных транзисторов В процессе применения той или иной системы малосигнальных или

других параметров возникает проблема получения данных о численном значении параметров, входящих в систему, так как без этих данных практическое использование системы оказывается неэффективным. Информация о свойствах усилительных приборов, приводимая в справочниках, обычно не содержит достаточных данных для проведения расчетов. Эти данные

19

в первую очередь ориентированы на проведение операции контроля работоспособности транзисторов при их выпуске, а не на разнообрааное их практическое использование, предусматривающее работу транзисторов не только в номинальном, но и других режимах.

В связи с этим представляет интерес рассмотрение свойств усилительных приборов, основанное на привлечении их физических эквивалентных схем. Такие схемы при весьма ограниченном числе параметров позволяют с приемлемой для практических расчетов точностью охарактеризовать свойства усилительных приборов при их работе в широком диапазоне токов, температур и при различных способах включения в схему. Одним из наиболее часто используемых соотношений, вытекающих из физической эквивалентной схемы биполярного транзистора (модели Эберса-Молла), является соотношение, определяющее взаимозависимость выходного тока транзистора и разности потенциалов на его базо-эмиттерном переходе. Согласно этой модели

Iэ=I0эexp(Uбэ/mUT) (6)

где m – коэффициент неидеальности р-п-перехода (при малых значениях тока Iк,

когда Iк<<Iкmax, m=1 и m=2...5 при значениях токах коллектора, приближающихся к максимально допустимым Iкmax); UT=kT/q – температурный

потенциал; k=1,38·10-23 – постоянная Больцмана; Т – температура в кельвинах; q=1,6·10-19 К – заряд электрона. При номинальной температуре UT=0,026 В.

Отличие значений m от единицы в первую очередь обусловлено тем, что напряжение Uбэ, приложенное к внешним зажимам транзистора, воздействует на внутренний управляющий током коллектора базо-эмиттерный переход не прямо, а через дополнительное сопротивление rб базовой области транзистора. Вследствие этого внутри транзистора происходит ослабление сигналов, управляющих током. Это ослабление можно охарактеризовать коэффициентом деления N=1/m резистивного делителя, состоящего из сопротивления rб и резистивной проводимости gбэ внутреннего базо-эмиттерного перехода. В результате этого

где h21э=dIк/dIб – коэффициент усиления транзистора по току. Считается, что коэффициент усиления h21э при линейном режиме работы транзистора в малой степени зависит от протекающих в транзисторе токов. Значение сопротивления rб обычно лежит в пределах 30...70 0м для транзисторов малой и средней мощности и 5...30 0м для транзисторов повышенной и высокой мощности.

20