Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 6 глава

Одним из важнейших применений биполярного транзистора является усиление колебаний. На вход транзистора подаётся маломощный управляющий сигнал. Под действием входного переменного сигнала изменяются входной и выходной токи транзистора.

Транзистор может быть включен по одной из схем с ОБ, ОЭ, ОК, поэтому схему усилителя можно рассмотреть в обобщенном виде (рис. 3.24)

Во входной цепи действует источник переменного напряжения , которое необходимо усилить. В выходной цепи включается нагрузка R. Обозначим амплитуду выходного напряжения . Подразумевается, что за счет постоянных напряжений на электродах транзистор работает в активном режиме. Процесс усиления состоит в преобразовании энергии источника питания в энергию переменного тока. Транзистор под действием напряжения (или тока) входного сигнала управляет током источника питания. Величина и форма управляемого тока зависят от амплитуды и формы входного сигнала, а также от выбранного режима работы транзистора.

Основными параметрами, характеризующими режим усиления, являются:

‑ коэффициент усиления по току ; (3.58)

‑ коэффициент усиления по напряжению ; (3.59)

‑ выходная мощность ; (3.60)

‑ коэффициент усиления по мощности ; (3.61)

‑ входное сопротивление ; (3.62)

‑ выходное сопротивление , (3.63)

где - выходное напряжение в режиме холостого хода;

- выходной ток в режиме короткого замыкания.

Найдем выражения указанных параметров через h-параметры.

Используя уравнения h-параметров, запишем

,

,

.

Из этих уравнений находим . (3.64)

Обычно , поэтому ,

. (3.65)

Учитывая, что и , получим

, (3.66)

. (3.67)

Рассмотрим усилительные свойства транзистора в различных схемах. Схема с общей базой (рис. 3.25).

В цепь эмиттера поданы усиливаемое напряжение и напряжение смещения . В коллекторную цепь включается сопротивление нагрузки R последовательно с источником коллекторного напряжения . Типичные значения h-параметров в схеме с ОБ: ,

; ; .

С учетом этого коэффициенты усиления для схемы с ОБ:

Отношение на низких частотах может достигать нескольких тысяч, следовательно, и коэффициент усиления по напряжению может достигнуть нескольких тысяч; также достигает нескольких тысяч.

Схема с общим эмиттером приведена на рис. 3.26.

Входным током является ток базы. Для транзистора с общим эмиттером можно взять типичные h‑параметры:

Тогда коэффициенты усиления будут:

;

– имеет примерно такую же величину, что и в схеме с общей базой;

– в раз больше, чем в схеме с общей базой.

Схема с общим коллектором (рис. 3.27).

Сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера, а на эмиттерном переходе действует переменное напряжение . Поэтому коэффициент усиления по напряжению в этой схеме .

Типичные значения h-параметров в схеме с общим коллектором:

.

С учетом этих величин получим:

;

Схема с общим коллектором отличается высоким входным сопротивлением .

3.17. Графоаналитический расчет рабочих параметров транзистора

В диапазоне низких частот работу транзистора в рабочем режиме можно проанализировать с помощью характеристик. При включении нагрузки в выходную цепь транзистора изменение выходного тока определяется совместным воздействием входного тока и выходного напряжения. Для описания свойств транзистора и для расчета параметров транзисторного каскада на семействах статических характеристик необходимо построить нагрузочные характеристики. Метод определения параметров режима усиления с использованием характеристик называется графоаналитическим.

Рассмотрим расчет параметров транзистора в режиме усиления, включенного в схему с общим эмиттером. На семействе статических характеристик строятся входная и выходная нагрузочные характеристики.

Уравнение выходной нагрузочной характеристики для схемы с ОЭ:

(3.68)

или .

Эта характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через оси тока и напряжения.

Точки пересечения нагрузочной выходной характеристики с осями координат находим, приравнивая и . При , , , . Через эти точки проводим прямую линию. Построение нагрузочной прямой на семействе выходных характеристик в схеме с ОЭ показано на рис.3.28.

Так как входные характеристики , снятые при разных напряжениях на коллекторе, расходятся незначительно, можно воспользоваться в качестве нагрузочной входной статической характеристики, снятой при . Перенося точки выходной нагрузочной характеристики на входную (усредненную) характеристику, получим входную нагрузочную характеристику. При расчете параметров напряжение источников и , а также сопротивления нагрузки и ток базы считаются заданными. Точка пересечения нагрузочной характеристики с выходной статической характеристикой при заданном токе базы называется рабочей точкой А (рис.3.29, а). Ей соответствует ток и напряжение , а также ток базы . Аналогично для точки А на входной характеристике задаётся ток базы и напряжение базы . По оси тока базы в окрестностях рабочей точки А откладываем отрезки, соответствующие амплитуде входного тока . Точки В и С пересечения этих прямых с входной нагрузочной характеристикой определяют рабочий участок для заданной амплитуды . При этом усредненная амплитуда переменной составляющей напряжения базы . Переносом точек В и С на выходную нагрузочную характеристику получим рабочий участок на выходной нагрузочной характеристике (рис. 3.29, а).

Через точки В и С на выходных характеристиках проводим прямые, параллельные осям тока и напряжения . В пределах рабочего участка ВС определяем амплитуды переменных составляющих коллекторного тока и напряжения:

;

.

В соответствии с полученными выше соотношениями для схемы с ОЭ получим:

– коэффициент усиления по току ;

– коэффициент усиления по напряжению ;

– мощность выходного сигнала ;

– мощность входного сигнала ;

– коэффициент усиления по мощности ;

– входное сопротивление переменному току ;

– выходное сопротивление переменному току ;

– мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе ;

– мощность, потребляемая от источника питания ;

– коэффициент полезного действия по коллекторной цепи .

Для получения неискажённого усиления необходимо использовать линейный участок характеристик транзистора, на котором изменения выходных и входных токов и напряжений были бы пропорциональны.

3.18. Частотные свойства биполярных транзисторов

Усилительные свойства транзистора определяются свойствами материала, из которого они изготовлены, конструкцией, технологией их производства, режимом работы, схемой включения. С ростом частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются. Это означает, что уменьшается усиление, появляется фазовый сдвиг, т.е. запаздывание выходного тока по отношению к входному.

Существенное влияние на диапазон рабочих частот оказывают следующие параметры:

– время пролёта неосновных неравновесных носителей области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

– емкости эмиттерного и коллекторного переходов;

– объёмное сопротивление базы, определяемое её геометрическими размерами.

Диффузионный характер распространения неравновесных носителей в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. В результате этого амплитуда сигнала на выходе транзистора уменьшается, а следовательно, уменьшается и коэффициент передачи тока . С ростом частоты сигнала среднее время перемещения дырок в транзисторе p-n-p становится сравнимо с его периодом и положительный полупериод быстро сменяется отрицательным, число инжектированных дырок уменьшается, и часть их доходит до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими от положительного полупериода. Сигнал на выходе транзистора получается усредненным, а усилительный эффект и коэффициент уменьшаются.

Чем больше толщина базы, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока.

Время диффузионного перемещения дырок . Это время соответствует периоду колебаний напряжения переменной частоты , которое транзистор ещё усиливает.

Таким образом, предельная частота транзистора в схемах с ОБ и ОЭ может быть рассчитана по следующим зависимостям:

; , (3.69)

где - коэффициент диффузии дырок, - ширина области базы. Для n‑p‑n‑транзистора выбираются свои коэффициенты диффузии.

Влияние дисперсии скоростей носителей заряда сказывается и на форме сигнала. Если на вход транзистора подать прямоугольный импульс, то на его выходе фронт и спад каждого импульса растянутся и импульсы примут вид трапеции. Аналогично форма сигнала искажается и в случае подачи на вход транзистора сигнала синусоидальной формы.

С ростом частоты ток коллектора будет отставать по фазе от тока эмиттера. Чем больше толщина базовой области и чем меньше коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, тем больше фазовый сдвиг . С повышением частоты сигнала угол возрастает.

На низких частотах коэффициенты передачи тока и являются постоянными и действительными, а с ростом частоты они приобретают комплексный характер:

(3.70)

. (3.71)

Фазовые сдвиги выражаются:

(3.72)

, (3.73)

где и – предельные частоты транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером.

На этих частотах модуль коэффициента передачи токов в схемах с ОБ и ОЭ уменьшается в раз (т.е. на 3 дБ) по сравнению с его значением на низких частотах:

. (3.74)

На рис. 3.30 приведены зависимости коэффициентов передачи токов в схемах с ОБ и ОЭ, а также зависимость фазового угла от частоты.

Так как , то .

Это позволяет установить связь между предельными частотами в схемах с ОБ и ОЭ: (3.75)

или . (3.76)

Предельная частота передачи тока в схеме с ОЭ в (1- ) раз меньше предельной частоты передачи тока в схеме с ОБ. Основной причиной резкого уменьшения коэффициента с ростом частоты является увеличение фазового сдвига.

Для схемы с ОБ ; для схемы с ОЭ ; . (3.77)

Векторные диаграммы токов транзистора на низких и высоких частотах приведены на рис. 3.31, а, б соответственно.

б

а

На низких частотах можно считать, что ток коллектора совпадает с током эмиттера . Ток базы мал, а коэффициент передачи тока ба зы в схеме с ОЭ велик. С ростом частоты ток коллектора несколько уменьшается вследствие уменьшения коэффициента передачи , а фазовый сдвиг между токами и увеличивается, что приводит к увеличению модуля тока базы . Кроме предельных частот и для оценки частотных свойств используется граничная частота коэффициента передачи тока базы . Граничная частота – это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ равен единице. Она может быть выражена через предельные частоты и :

. (3.78)

Обнаружено, что в области частот произведение модуля коэффициента передачи тока базы на частоту измерения есть , величина постоянная, т.е., .

Это позволяет определить граничную частоту , воспользовавшись приводимыми значениями .

При анализе работы транзисторов с помощью Y-параметров используют предельную частоту крутизны , на которой модуль проводимости прямой передачи уменьшается в раз по сравнению с её значением на низких частотах. Зависимость модуля проводимости прямой передачи от частоты идентична зависимости от частоты коэффициентов передачи и . Значение всегда выше значения .

Известно, что качество транзистора характеризуется его способностью усиливать мощность колебаний. С ростом частоты коэффициент усиления по мощности падает. Поэтому важнейшим частотным параметром является максимальная частота генерации, или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

. (3.79)

Величина называется постоянной времени коллекторной цепи, характеризующей обратную связь в транзисторе на высокой частоте. Для повышения максимальной частоты генерации необходимо увеличивать предельную частоту и снижать постоянную времени коллекторной цепи.

Таким образом, транзистор, предназначенный для работы в области высоких частот, должен иметь малую толщину базы, малое объёмное сопротивление базы и малую емкость коллектора. Требования эти противоречивы: уменьшение толщины базы увеличивает объёмное сопротивление ; уменьшение сопротивления (увеличение концентрации примесей в базе) увеличивает емкость коллекторного перехода и снижает величину пробивного напряжения U_{к. доп}.

На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Хотя эмиттерные ёмкости значительны ( ), но так как они шунтированы малым сопротивлением эмиттера , их следует учитывать на очень высоких частотах (порядка десятков мегагерц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через ёмкость, становится значительной, в результате чего уменьшается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фаз .

Полное сопротивление коллекторного перехода также определяется параллельным соединением активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода порядка 1 МОм и суммы ёмкостей зарядной и диффузной .

Обычно и . Из-за большого сопротивления шунтирующее действие ёмкости сказывается на низких частотах. Ёмкость коллектора стараются по возможности уменьшить путём уменьшения рабочей поверхности коллекторного перехода либо увеличения его толщины.

Влияние активного сопротивления базы на частотные свойства можно объяснить, рассмотрев сопротивление эмиттера и ёмкость эмиттерного перехода совместно с как частотно-зависимый делитель напряжения (рис. 3.32).

Чем больше , тем меньше управляющее напряжение на эмиттерном переходе . С ростом частоты модуль эмиттерного сопротивления уменьшается и управляющее напряжение падает.

3.19. Эквивалентные схемы транзисторов на высоких частотах

На высоких частотах в эквивалентных схемах необходимо учесть частотно-зависимые элементы, а также частотную зависимость коэффициента передачи тока . На рис. 3.33, а представлена Т-образная схема замещения.

Зависимость от частоты можно моделировать цепью (рис. 3.33, б), состоящей из частотно-независимого генератора тока , подключенного через RC-цепь, выходной ток которой есть произведение частотно-зависимого коэффициента передачи на ток эмиттера:

; (3.80)

. (3.81)

Подставляя выражение в (3.80), найдем

. (3.82)

Сравнивая (3.70) с (3.82), найдем, что .

Итак, для описания частотных свойств транзистора с помощью Т‑образной схемы необходимо знать четыре статических параметра , которые могут быть вычислены по известным h-параметрам, и четыре высокочастотных параметра , которые определяют путем измерений. Обычно величины указываются в справочниках, а диффузионная емкость эмиттера может быть вычислена по формуле

. (3.83)

В некоторых случаях используется П- образная схема замещения, построенная на основе Y-параметров транзистора, включенного в схему с ОЭ (рис. 3.34).