- •Электроника и схемотехника
- •Аналоговых электронных
- •Устройств
- •Учебное пособие
- •1. Полупроводниковые приборы
- •1.1. Полупроводниковые диоды
- •1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов
- •1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе
- •1.1.3. Работа диода при подключении внешнего обратного напряжения
- •1.1.3.1. Тепловой ток диода
- •1.1.3.2. Токи генерации и утечки в реальных диодах
- •1.1.4. Работа диода при подключении внешнего прямого напряжения
- •1.1.5. Основные параметры диодов
- •1.1.5.1. Сопротивления диода
- •1.1.5.2. Емкости диода
- •1.1.6. Типы полупроводниковых диодов
- •1.1.6.1. Выпрямительные диоды
- •1.1.6.2. Стабилитроны
- •1.1.6.3. Варикапы
- •1.1.6.3.1. Вольт-фарадная характеристика варикапа
- •1.1.6.3.2. Добротность варикапа
- •1.1.6.4. Туннельный диод
- •1.1.6.4.1. Принцип квантово-механического туннелирования
- •1.1.6.4.2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
- •1.1.6.5. Импульсные диоды
- •1.1.6.6. Диоды с накоплением заряда
- •1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки
- •1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды
- •1.1.6.9. Фотодиод
- •Рассмотрим общие характеристики фотодиодов.
- •1.2. Биполярные транзисторы
- •1.2.1. Устройство и режимы работы транзистора
- •1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме
- •1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов
- •1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)
- •1.2.3.2. Основные параметры транзистора с об
- •1.2.3.3. Схема включения транзистора с общим эмиттером (оэ)
- •1.2.3.4. Выходные и входные характеристики транзистора , включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.5. Параметры транзистора, включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором (ок)
- •1.2.3.7. Параметры транзистора с ок
- •1.2.4. Эквивалентные схемы транзисторов
- •1.2.4.1. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса-Молла
- •1.2.4.2. Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора
- •1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах
- •1.2.4.5. Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах
- •1.2.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Зависимость параметров биполярного транзистора от частоты.
- •1.2.5.1. Процессы в схеме с общей базой
- •1.2.5.2. Процессы в схеме с оэ
- •1.3. Полевые транзисторы
- •1.3.1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом.
- •1.3.1.1. Устройство и принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •1.3.2. Полевой транзистор, включенный по схеме с ои а) с n-каналом,
- •1.3.2. Дифференциальные параметры.
- •1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •1.4. Тиристоры
- •1.5. Интегральные схемы
- •1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы
- •1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры
- •1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы
- •1.6.3. Приборы с зарядовой связью
- •1.6.4. Фотоэлектрические приборы. Понятие об оптоэлектронных приборах.
1.2.4.2. Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора
Большому классу электронных схем свойственен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительно больших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие. В этом случае постоянные и переменные составляющие сигнала могут анализироваться раздельно, и анализ постоянных составляющих осуществляется с помощью физической модели Эберса-Молла, а при анализе переменных составляющих используется малосигнальная эквивалентная схема, состоящая из линейных элементов. Параметры ее элементов получают путем линеаризации исходных характеристик транзистора в окрестности режима работы по постоянному току.
Из малосигнальных эквивалентных схем биполярного транзистора наибольшее распространение получила Т-образная схема, которую легко получить из модели Эберса-Молла (рис.1.2.9). На рис. 1.2.12 представлена малосигнальная схема для транзистора, включенного по схеме с ОБ.
Рис. 1.2.12. Малосигнальная эквивалентная схема транзистора с ОБ
Если транзистор работает в нормальном режиме, то из эквивалентной схемы можно исключить источник тока , и обозначить через .
Направление тока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения может быть любым (поэтому знак на схеме для простоты опущен). Коллекторная и эмиттерная емкости изображены штриховыми линиями, так как они учитываются только на высоких частотах.
Приращение тока коллектора в данной схеме
Iк=дифIэ +U/zк.диф. (1.2.28)
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода зависит от положения рабочей точки (точка покоя Iэ0), при Uкб=0.
= . (1.2.29)
Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера, при Uкб =const равен
(1.2.30)
Емкость коллекторного перехода Ск, которая шунтирует генератор тока Iэ проявляется при работе на высоких частотах сигнала.
Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rк.диф имеет тот же смысл, что и в схеме при больших сигналах и равно
, (1.2.31)
где , - длина свободного пробега в области базы, - концентрация примесей, - относительная диэлектрическая проницаемость среды, - абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства, - толщина базы, - модуль обратного напряжения.
Малосигнальная схема с ОЭ представлена на рис.1.2.13.
Приращение коллекторного тока в схеме с ОЭ равно
Ik = дифIб+(Uкэ/Z*кдиф) (1.2.32)
Рис. 1.2.12.Малосигнальная эквивалентная схема транзистора с ОЭ
Чтобы обе эквивалентные схемы (рис.1.2.11 и 1.2.12) были равноценны, они как четырехполюсники должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания. Приравнивая напряжения холостого хода и , и учитывая, что в режиме холостого хода , получаем
. (1.2.33)
Переходя от к и учитывая, что , получаем
. (1.2.34)
В то же время коллекторная емкость равна
C*k=(диф+1)/Ck (1.2.35)
1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах
Биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, во входной цепи которого действуют переменные составляющие напряжения U1 и тока I1, а в выходной цепи - U2 и I2.
I1 I2
U1 U2
Рис. 1.2.13. Представление транзистора в виде четырехполюсника
Для малых сигналов четырехполюсник является линейной системой, т.е. описывается системой линейных уравнений, в которой две переменные являются независимыми, а остальные две - их линейными функциями. Существует несколько систем параметров, но наиболее распространенной является система h-параметров. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах отражает зависимость выходного тока I2 и входного напряжения U1 от его входного тока I1 и выходного напряжения U2
U1=h11I1+h12U2 (1.2.36)
I2=h21I1+h22U2,
где h11 = U1/I1, при U2=0 - входное сопротивление в режиме короткого замыкания по выходу; h12 = U1/U2, при I1=0 - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению в режиме холостого хода по входу; h21 = I2/I1, при U2=0 - коэффициент передачи тока в режиме короткого замыкания по выходу; h22 = I2/U2, при I1=0 - выходная проводимость в режиме холостого хода по входу.
Часто вместо U и I используют обозначения U и I, понимая под ними амплитудные или действующие значения переменных составляющих синусоидальной формы.
В зависимости от схемы включения транзистора система уравнений (1.2.36) может быть конкретизирована, например для схемы с ОЭ система перепишется следующим образом:
, (1.2.37)
где и определяются с помощью опытов короткого замыкания на выходе, и определяются с помощью опытов холостого хода на входе. Данные параметры в схеме с ОЭ имеют следующий физический смысл: и - входное сопротивление и коэффициент передачи тока эмиттера при коротком замыкании на выходе транзистора, и - коэффициент обратной связи по напряжению и выходная проводимость при обратном холостом ходе на входе транзистора. Эквивалентная схема транзистора с ОЭ в h-параметрах представлена на рис. 1.2.14.
Данная эквивалентная схема также является малосигнальной.
Источник называется зависимым источником, так как значение тока этого источника зависит от тока другой ветви – тока базы, а источник - зависимым источником ЭДС , который характеризует обратную связь по напряжению.
Рис. 1.2.14 Эквивалентная схема транзистора с ОЭ в h-параметрах
Аналогично можно записать систему уравнений для транзистора с ОБ, и построить его эквивалентную схему в h-параметрах.