Квазистатический режим биполярного транзистора в усилительном каскаде


 

Графоаналитическое рассмотрение при большом сигнале

Упрощенная схема усилительного каскада на ВТ, включенного по схеме с об­щим эмиттером, показана на рис. 5.18. В этом каскаде используется один источ­ник питания EК, а для задания постоянного напряжения UВХ применен делитель R1, R2. Резисторы R1, R2 выбирают такими, чтобы ток I = EК/( R1 + R2) был много больше входного тока базы при отсутст­вии сигнала (I>>IБ). Это позволяет иск­лючить влияние возможного изменения режима работы БТ на напряжение UБЭ. Если задан ток IБ, то UБЭ находится по входной характеристика БТ. Теперь воз­никает вопрос, как определить соответст­вующую точку в семействе выходных ха­рактеристик, т.е. найти постоянное на­пряжение UКЭ и постоянный ток IК яри на­личии резистора RК, и отсутствии сигнала (режим покоя, точка покоя)? По закону Кирхгофа

UКЭ = EК IК RК (5.57)

Но ток IК и UКЭ должны соответствовать той статической характеристике, на которой отмечено в качестве параметра заданное значение IБ:

IК = f(UКЭ), IБ = const (5.58)

Из (5.57)

IК = (EК UКЭ)/ RК (5.59)

Связь IК и UКЭ изображается прямой линией, называемой нагрузочной прямой, которая отсекает в системе координат IК, UКЭ отрезки на оси токов при UКЭ = 0 I*К = EК/RК, а на оси напряжений при IК = 0 U*КЭ = EК,. Величины I*К и EК, отмечены точками А иВ нагрузочной прямой на рис. 5.19. Чем больше нагрузочное сопротивление RК, тем меньше I*К и меньше наклон нагрузочной прямой: при RК → 0 она вертикальна, при RК → ∞ приближается к оси абсцисс.

Нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пере­сечения и определяют значения IК и UКЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы IБ (параметра этих характеристик). Точка С пересечения прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению IБ называ­ют точкой покоя.

Пусть на входе имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой UВХ m. Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой

UВХ (t)= UБЭ + UВХ m sinωt (5.60)

Так как входные характеристики БТ в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения UКЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением

IБ (t)= IБ + IБ m sinωt (5.61)

где IБт – амплитуда переменной составляющей базового тока. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик будет перемещаться с частотой ω по нагрузочной прямой между точкой F, соответствующей максимальному значению тока базы UБmax= IБ + IБт, и точкой, определяемой минимальным током UБmin= IБIБт. При этом коллекторный ток изменяется от значения IК max = IК + IК m до IК min = IКIК m, где IК m – амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Предполагается, что изменение IК также имеет синусоидаль­ный характер. Из-за наличия RК изменение IК вызывает синусоидальное изменение UКЭ от значения UКЭ min = UКЭUВЫХ т до UКЭ max = UКЭ + UВЫХ т, где UВЫХт=IКmRК – амплитудное значение полезного сигнала на резисторе RК, характеризующее усилитель­ный эффект биполярного транзистора.

 

 

Мы провели наглядное графоаналитическое рассмотрение усилительного каскада, которое стало возможным потому, что был принят большой сигнал на входе, когда все амплитуды токов и напряжений оказались значительными. Если входной сигнал настолько мал, что также малы изменения токов и напряжений, то графические построения теряют смысл (невозможны). Выход состоит в том, что введенные параметры (кроме расходуемых мощностей и КПД) можно рассчи­тать с помощью эквивалентных схем, основанных на использовании дифферен­циальных параметров (см. § 5.5.2).

 

Биполярный транзистор в квазистатическом режиме как линейный четырехполюсник

Дифференциальные параметры, введенные нами для стати­ческого режима (см. § 5.4), можно применять и для квазистатичес­кого режима, справедливого для низких частот сигнала, когда свя­зи между величинами остаются почти такими, как в статическом режиме (см. § 1.2).

Для этого достаточно в уравнениях (5.51) приращения (диффе­ренциалы) заменить малыми амплитудными значениями перемен­ных величин:

dIВХ = IВХm, dIВЫХ = IВЫХm, dUВХ = UВХm, dUВЫХ = UВЫХm

так,чтобы для системы h-параметров вместо (5.51) можнобыло на­писать

UВХ m= h11IВХm + h12UВЫХm (5.73)

IВЫХm = h21IВХm + h22UВЫХm

Приведеннаясистема уравнений как раз и совпадает с системой уравнений линейного четырехполюсника при использовании h-параметров, которые являются постоянными коэффициентами. Повторяем, что такая замена приращений величин статического режима переменными составляющими справедлива только для квазистатического режима. Поэтому h-параметры в системе (5.73) можно нахо­дить по статическим характеристикам.

Для нахождения параметров h11 и h21 в теории четырехполюс­ников необходимо на низких частотах сделать опыт короткого за­мыкания на выходе по переменному напряжению (UВЫХm = 0). От­сутствие переменного напряжения при использовании статичес­ких характеристик означает постоянство выходного напряжения (UВЫХ = const). Для нахождения в теории четырехполюсника пара­метров h12 и h22 проводится опыт холостого хода по переменному току на входе. Но при имитации этого опыта на статических характе­ристиках это эквивалентно постоянству входного тока (IВХ = const). Это отмечалось в § 5.3.

Уравнения, аналогичные (5.73), применяют и для описания це­пей, когда нельзя пренебречь влиянием реактивных элементов, например, емкостных составляющих токов, так как связи при малом сигнале и в этом случае остаются линейными, как у четырехполюс­ника. Необходимо только ввести комплексные амплитуды, h-параметры должны стать комплексными (частотозависимыми):

(5.74)

Конечно, комплексные параметры уже нельзя определить по стати­ческим характеристикам и требуются специальные измерения.

В справочниках по транзисторам обычно приводятся значения h-параметров для низких частот, когда эти величины являются дей­ствительными. На высоких частотах из-за влияний паразитных ем­костей трудно экспериментально осуществить режим холостого хо­да во входной цепи по переменной составляющей. Поэтому на высо­ких частотах более удобна система y-параметров, в которой легко реализуются режимы короткого замыкания по переменному току без нарушения режима работы транзистора по постоянному току: необ­ходимо шунтировать входную и выходную цепи конденсатором дос­таточно большой емкости.

Уравнения при использовании у-параметров для высоких частот имеют вид

(5.75)

рис. 5.20

В теории простейших четырехполюсников широко используют­ся эквивалентные схемы на основе систем h-, у-, z-параметров. Их можно применять для биполярных транзисторов (рис. 5.20). Значе­ния параметров действительные. Недостаток эквивалентныхсхемзаключается в том, что значения параметров одного транзистора изменяются при замене схемы включения БТ. Так как дифферен­циальные параметры сложным образом связаны с физическими процессами БТ и, кроме того, зависят от схемы включения БТ, то эквивалентные схемы БТ часто называют формальными или эквивалентными схемами с внешними параметрами четырехполюсни­ка.

5.6. Нелинейная и линейная динамические модели
биполярного транзистора

5.6.1. Нелинейная динамическая модель биполярного транзистора

Наиболее распространенной нелинейной моделью БТ для ди­намического режима является модель, основанная на статической модели Эберса-Молла. Инерционные свойства БТ учитываются путем включения емкости эмиттерного перехода СЭ и коллекторно­го перехода СК (рис. 5.22). Каждая из этих емкостей складывается из барьерной и диффузионной емкостей переходов:

СЭ= СЭ б + СЭ дф; СК= СК б + СК дф

где СЭ б, СК б – барьерные емкости переходов, учитывающие токи смещения, а СЭ дф, СК дф – диффузионные емкости в областях вне границ переходов.

Параллельное соединение безынерционного диода, предста­вляющего собой ВАХ эмиттерного перехода, и емкости СЭ – это нелинейная электрическая модель «изолированного» эмиттерно­го перехода. Добавление к этой модели зависимого генератора тока αII'К, учитывающего собирающее действие эмиттерного пе­рехода для носителей, инжектированных коллектором, превра­щает эту часть схемы в нелинейную электрическую модель реаль­ного эмиттерного перехода в транзисторе. То же можно сказать и о коллекторном переходе.

Полученная схема соответствует прямому включению обоих пе­реходов в статическом режиме, т.е. режиму насыщения или двухсто­ронней инжекции. Заметим, что при таком изображении нелинейной модели коэффициенты передачи в зависимых генераторах нор­мального активного режима αN инверсного активного режима αI соответствуют статическому режиму работы БТ, т.е. являются параме­трами» не зависящими от частоты сигнала.

Значения барьерной и диффузионной компонентов емкостей СЭ и СК зависят от напряжения на переходах, что усложняет про­цесс анализа и расчеты в динамическом режиме, когда эти вели­чины изменяются. Кроме того, необходимо учитывать, что емко­сти не изменяются мгновенно с изменениями напряжения, а обла­дают собственной инерционностью. Объясняется это тем, что формирование емкостей (изменение зарядов) связано с движени­ем носителей заряда и такими понятиями, как время жизни, время пролета, время максвелловской релаксации.

Обратим внимание еще на одно принципиальное отличие ди­намической модели от статической модели Эберса-Молла. Ста­тическая модель является универсальной в том смысле, что она без изменений применима для всех схем включения БТ и всех ре­жимов работы (нормального активного, инверсного активного, от­сечки и насыщения). Используя уравнения этой модели, можно определить все токи и статические характеристики, предвари­тельно вычислив напряжения на переходах. Практически при ис­следовании какого-либо режима схема может существенно упро­щаться, так как удобнее выражать токи зависимых генераторов в каждой схеме со своим управляющим воздействием и своим ко­эффициентом передачи тока.

Рассмотрим схемы включения БТ с общей базой и общим эмит­тером. Входной сигнал в динамическом режиме подается между об­щим и входным электродами. Входным электродом будут эмиттер в схеме с ОБ и база в схеме с ОЭ. Цепь, в которую входят общий и входной электроды, называют входной. Цепь, содержащую общий электрод и коллектор, называют выходной, а сам коллектор – выход­ным электродом. В коллекторную (выходную) цепь включают нагруз­ку, на которой создается выходной сигнал или отклик на управляю­щее воздействие во входной цепи.

Внешнее отличие динамической модели БТ от статической состоит в наличии в первой реактивных элементов (емкостей СЭ и СК). Очевидно, что отклик в выходной цепи (или переход­ный процесс) будет зависеть от того, между какими элемента­ми или точками модели включается входной сигнал (генератор сигнала), так как реактивные параметры модели будут влиять по-разному.

 

5.6.2. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, рассмотренные в § 5.5. Там же отмечался формальный харак­тер этих схем, зависимость дифференциальных параметров от схемы включения транзистора и отсутствие непосредственной свя­зи с физической структурой транзистора. Поэтому нашли широкое распространение эквивалентные схемы с так называемыми физи­ческими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую модель Эберса-Молла, т.е. тесно связаны с физичес­кой структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной ди­намической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме то­го, в усилительных схемах используется либо нормальный актив­ный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недо­пустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ог­раничиться рассмотрением наиболее распространенного нор­мального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включе­ния с ОБ изобразить, как на рис. 5.23.

Поясним смысл элементов модели. Резистор rЭ представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В пер­вом приближении его можно определить по формуле для идеализи­рованного р-n-перехода:

rЭ = dU/dI ≈ φT/IЭ (5.76)

где IЭ – постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной температуре φT =0,026 В, то при IЭ = 1 мА rЭ = 26 Ом.

Величина rК называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и мо­жет быть определено по наклону выходной характеристики:

(5.77)

Величина rК обратно пропорциональна значению h22Б – парамет­ра (5.43), называемого выходной проводимостью БТ. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (СЭ, СК) оказались теперь присое­диненными параллельно резисторам rЭ и IК. Сопротивления облас­тей Rээ', RKK' и RББ' в схеме оставлены, хотя обычно из нее исключа­ют малое сопротивление Rээ' (Rээ' << rЭ) и иногда RKK' (десятки ом). Сопротивление базы RББ', которое может превышать сотни ом, все­гда остается в модели.

Следует заметить, что коэффициент передачи в малосигналь­ной модели должен быть дифференциальным, т.е. определяться через приращения:

(5.78)

а не через отношение токов, как это было ранее в нелинейной модели:

(5.79)

Этот коэффициент называют интегральным коэффициентом пе­редачи тока. Значения αN инт и αN диф обычно мало отличаются, поэ­тому дополнительные индексы «диф» и «инт» можно опустить, пока в этом нет специальной необходимости.

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она при­менима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять мес­тами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с фи­зическими параметрами. Электрод «Б» следует изобразить входным, а «Э» – общим, как показано на рис. 5.24. Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изобра­жении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рис. 5.25. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холо­стого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока αN к току β и замены rК и СК на r*К и С*К соответственно. Связи этих величин определяются формулами

r*К =α rК / β = rК /( β+1) (5.80)

С*К =( β+1) СК (5.81)

Легко убедиться, что r*К характеризует наклон выходной характери­стики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимо­стью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшает­ся r*К по сравнению с rК, во столько же раз возрастает емкость С*К по сравнению с СК, т.е. rК СК = r*К С*К.

 

 

ТИРИСТОРЫ



Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 2416;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.02 сек.