1.2 Характеристики, параметры, эквивалентные схемы эп

Для сравнения ЭП между собой, описания их свойств и представления их в виде электрической схемы применяют - характеристики, параметры, эквивалентные схемы ЭП.

в зависимости от числа выводов (полюсов, электродов) большинство ЭП являются двух или трехполюсниками. Последние, является частным случаем четырехполюсника.

Графическая или аналитическая зависимость между напряжением и током на выводах ЭП называется статической или просто вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Большинства электронных приборов (ЭП) имеют резко выраженные нелинейные зависимости между напряжением, приложенным к каким-либо электродам прибора, и током в цепи этих электродов. Для нелинейных элементов ВАХ является важнейшей характеристикой, поскольку она отражает физические явления, которые определяют работу электронного прибора, наглядно характеризует взаимосвязь токов и напряжений, изменяющихся в большом диапазоне, и позволяет судить о возможностях прибора даже не зная его принципа работы.

Если, конкретная ВАХ снята при изменении какого-либо дополнительного параметра, то образуется так называемое семейство ВАХ. Набор семейств ВАХ дает более полную информацию об ЭП по сравнению с набором одиночных ВАХ.

Часто информация о ВАХ оказывается избыточной, и свойства ЭП оценивают с помощью параметров ВАХ ЭП. Они характеризуют поведение ВАХ в области рабочей точки. Совокупность постоянных напряжений и токов на выводах ЭП называют рабочей точкой ЭП. Аналогично понятиям теории цепей под параметром ЭП понимают отношение отклика, т.е. выходного сигнала ЭП к величине воздействия, т.е. входному сигналу. В зависимости от характера входного сигнала различают два вида параметров ВАХ:

• статическое сопротивление (статический параметр) – это сопротивление постоянному току в заданной рабочей точке (U₀, I₀)

R₀=U₀/I₀;

• дифференциальное сопротивление (дифференциальных параметров ВАХ ЭП) – это сопротивление переменному току малой амплитуды

R_диф = dU/dIU/I=U_m/I_m.

Очевидно, что вследствие нелинейности ВАХ значения статического R₀ и дифференциального R_d параметра, зависят от выбора рабочей точки (U₀, I₀), причем их значения для одной рабочей точки не одинаковы.

Значения статического R₀ и дифференциального R_d параметра можно найти, если известна аналитическое выражение ВАХ I=f(U) . Допустим, что имеется ЭП, у которого ВАХ описывается выражением I = AU², где A — постоянный коэффициент, причем U О (рис. 1.2, а). Зависимость производной dI/dU=2АU от напряжения имеет вид, показанный на рис. 1.2,6. Из приведенного частного примера можно сделать вывод, который оказывается справедливым для всех электронных приборов с нелинейной ВАХ: Численное значение дифференциального параметра зависит от положения рабочей точки на ВАХ. Иногда производную д1/дU,, называют проводимостью, а величину, ей обратную, — сопротивлением ЭП переменному току R_d.

Е сли точное выражение для ВАХ неизвестно, то численное значение статического R₀ и дифференциального параметра R_d можно найти непосредственно по имеющемуся графику ВАХ в выбранной рабочей точке (рис. 1.3, а). Очевидно, что чем меньше U, тем ближе значение параметра, полученного графоаналитическим путем, к истинному значению. Если входной сигнал гармонический, то за амплитуду принимать половину размаха сигнала.

Если амплитуда напряжения (тока) велика, то возможен следующий подход к использованию ВАХ для расчетов. Участок ВАХ, в пределах которого сигнал изменяется, заменяется прямой линией (рис. 1.3,6). Этот прием получил название линеаризации ВАХ. На линеаризованном участке поведение ВАХ характеризуется усредненными параметрами, например:

Статические ВАХ и дифференциальные параметры, найденные непосредственно по статическим ВАХ (аналитическим или графоаналитическим методом), целесообразно использовать для расчетов радиоэлектронных схем, работающих на частотах, на которых не сказываются реактивности ЭП и инерционность носителей заряда.

Более общим, является расчет радиоэлектронных схем с применением эквивалентных схем ЭП по переменному току. Иногда вместо термина «эквивалентная схема» используется термин «схема замещения». Смысл, вкладываемый в эти термины, идентичен. Эквивалентной принято называть схему, реакция которой на входное воздействие одинакова (с определенной степенью точности) с реакцией самого ЭП. Можно выделить два подхода к построению эквивалентной схемы ЭП. Основываясь на знании физических процессов и свойств отдельных областей ЭП, эквивалентную схему представляют в виде сопротивлений, емкостей, индуктивностей, источников тока или ЭДС, соединенных определенным образом между собой. Полученная таким образом эквивалентная схема называется физической. Однако эквивалентную схему можно получить, не обращаясь к внутренним процессам в ЭП, а установив лишь формальные соотношения между токами и напряжениями на внешних выводах ЭП. Такая эквивалентная схема называется формальной.

Фактически формальная эквивалентная схема сводит анализируемый ЭП к активному четырехполюснику с соответствующими входными и выходными токами и напряжениями. Один входной и один выходной выводы могут быть соединены между собой.

Для расчета схем, в которых ЭП представлен активным четырехполюсником, существует хорошо разработанная в теория электрических цепей методика. Но для ее использования с целью получения численных характеристик схемы необходимо иметь значения коэффициентов, описывающих четырехполюсник.

В последующих разделах будет показано, как взяв за основу формальную схему того или иного, вида и зная физическую эквивалентную схему ЭП, можно выразить параметры формальной эквивалентной схемы через параметры физической. Подчеркнем, что эквивалентные схемы, о которых шла речь, рассматриваются для переменных токов и напряжений. При этом считается, что по постоянному току в ЭП обеспечен определенный режим. Изменение режима по постоянному току ведет к изменению в той или иной степени значений параметров эквивалентных схем.

До последнего времени расчет радиоэлектронных схем проводился в основном вручную с применением простейших математических приборов: логарифмической линейки, арифмометров, непрограммируемых калькуляторов и т.п. Малая скорость вычисления, большая доля чисто механических расчетов приводили к тому, что всю информацию о ЭП (ВАХ, эквивалентные схемы) стремились максимально упростить для сокращения времени расчета. В ряде случаев (особенно при разработке сложных радиоэлектронных схем) велись лишь прикидочные расчеты, а доводка схем осуществлялась чисто экспериментально.

Появление быстродействующих ЭВМ с соответствующим программным обеспечением, персональных компьютеров, использование при расчетах интерактивного (диалогового) режима позволили в настоящее время перейти к машинному проектированию радиосхем. При машинном проектировании можно более точно учесть процессы в ЭП, что, естественно, приводит к усложнению и эквивалентных схем, и уравнений, их описывающих. При таких расчетах ЭП представляется математической моделью, под которой понимается система уравнений (или математическое описание другого вида), описывающая электрические процессы в приборе и позволяющая определить с требуемой точностью необходимые характеристика и параметры ЭП в различных условиях работы.