Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие
.pdf
yy
yy
y
I
21 2 1 2
/ при 0yIU U
– проводимость прямой передачи (кру-
тизна) УЭ в режиме КЗ по выходу;
22 2 2 1
/ при 0yIU U
– выходная проводимость УЭ в режиме
короткого замыкания (КЗ) на входе.
Проводимость
y
– внутреннюю ОС в нем. В отличие от пассивных схем, где
12
21 12
называются
, в УЭ
y-параметрами.
y
характеризует усилительные свойства УЭ, а
21
21 12
. Элементы матрицы проводимостей (4.2)
Для обеспечения режима работы УЭ по постоянному току на его
электроды подается напряжение питания. Поэтому при экспериментальном определении
у-параметров режим КЗ на входе и выходе УЭ
осуществляется на частоте сигнала (например, включением параллельно соответствующим выводам УЭ конденсатора достаточно большой
емкости).
В области низких частот вместо системы комплексных
параметров используется система вещественных
g-параметров, тогда
y-
(4.1) примет вид:
,
(4.3)
,
, , , iiuu
где
12 1 2
igugu
1111122
igugu
2211222
– сигнальные токи и напряжения.
I
1
U
1
y
11 12
y
12
yy
22 12
21
2
U
()yyU
21 12 1
2
можно определить по статическим ВАХ УЭ через отношения соответ-
0
Рис. 4.2. Формальная эквивалентная схема УЭ
Значения g-параметров или приводятся в справочниках, или их
41
g
g
g
g
g
ствующих токов и напряжений. Значения g-параметра зависят от режима работы УЭ, точнее, от тока в выходном электроде. Эта зависимость практически линейная, т. е. если известно значение, например,
проводимости
БТ для тока
11
gI gI
I
, то для тока
к1
() ()
11 к211к1
. (4.4)
I
она будет равна
к2
I
к2
I
к1
Выражениям (4.1), (4.2) соответствует электрическая эквивалентная схема, показанная на рис. 4.2. Наличие в схеме зависимого управляемого напряжением генератора тока является признаком активности
схемы.
4.1.3. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Для описания процессов, происходящих в БТ, работающем в линейном режиме, используется ряд физических моделей. Каждая модель
по-своему адекватно отображает его свойства. Поэтому в дальнейшем
рассматривается основная модель, получившая наибольшее распро-
странение при ручных методах анализа (рис. 4.3). На рисунке
емное (распределенное) сопротивление базы; проводимости
имитируют прямо смещенный эмиттерный и обратно смещенный
кэ
С
коллекторный переходы;
С
хода;
– диффузионная емкость эмиттерного перехода, обуслов-
бэ
– барьерная емкость коллекторного пере-
к
r
– объ-
б
бэ
и
ленная инжекцией носителей из эмиттера в базу.
I
б
б
C
к
б
r
U
б
бэ
U
бэ
бэ
GU
C
бэ
бэ
э
I
к
к
кэ
э
Рис. 4.3. Физическая модель биполярного транзистора
Зависимый (управляемый) генератор тока
ность УЭ, где
G – внутренняя проводимость прямой передачи.
GU
отражает актив-
бэ
42
g
g
f
f
g
f
f
g
Пример 4.1
Параметры физической модели БТ КТ324Е при
r
= 3 мА;
б
= 2,5 пФ и
= 72 Ом;
С
= 20пФ.
бэ
= 0.6 мСм;
бэ
= 40 мкСм; G = 75 мСм;
кэ
U
кэ
= 3 В и
I
=
к
С
=
к
Частотные свойства (инерционность) транзистора оцениваются
предельными и граничными частотами
дельные частоты
)(hf
рых
21э
усиления по току
21б
)(hf
уменьшаются в
и
,
ff
hh
21э 21б
2
, , ,
fff
hh y
21э 21б 21
– этo частоты, на кото-
раз по сравнению с низко-
частотными значениями этих параметров (рис. 4.4).
стота
уменьшается
по крутизне
2
раз по сравнению с
− частота, на которой проводимость
y
21
. На граничной частоте
21
Предельная ча-
.Пре-
T
21
)(yf
T
в схеме с общим эмиттером статический коэффициент усиления по
)(hf
току
21э
стора определяются некоторой частотой
этой частоте. В этом случае
= 1. Нередко в справочниках частотные свойства транзи-
21э
)(hf
на
fh f
T21э
f и значением
()
. Например, для транзистора
КТ345В указывается, что на частоте 100 МГц модуль коэффициента
усиления по току (статический) равен 3,6, очевидно, что при этом
3,6 100 360f
T
МГц.
Предельные и граничные частоты связаны соотношениями:
,
h
21э
,
T
g
бэ
бэ к
(4.5)
.
C
бэ
и
бэ
:
, (4.6)
Частота
fhf
T21э
ffffh
yh h
21 21э 21э
зависит от параметров
f
h
21э
f
h
21э
ff
h
21б
T21э
2( )
CC
43
f
f
g
g
f
y
f
)/ , (hfh
)/ ,(hfh
21э 21э
21б 21б
)(/yfg
21 21
1
3
0,707
2
f
h
21э
f
y
h
21
21б
(log)f
Рис. 4.4. Частотные зависимости нормированных уси-
лительных параметров биполярного транзистора:
а частота
1 –
– еще и от
y
21
)/(hfh
21э 21э
б
f
; 2 –
:r
y
21
21 21
()1
)(/yfg
f
h
21э
бэ б
; 3 –
)/(hfh
21б 21б
. (4.7)
r
Кроме предельных и граничных частот инерционные (частотные)
свойства БТ оценивают его постоянной времени τ со стороны входных
зажимов в режиме КЗ по выходу:
()
rC C
ббэ к
Постоянная времени
:
y
21
1
бэ б
связана простым соотношением с частотой
1
2π
. (4.8)
r
. (4.9)
21
Очень часто в справочниках не приводятся значения сопротивле-
r
ния
, а имеются данные о емкости
б
44
C
и постоянной времени цепи
к
g
g
обратной связи
rC
ОС б к
. В этом случае сопротивление
r
можно
б
рассчитать по формуле
/rC
Так как емкость
C
, а значит, и
к
бОСк
коллекторе, то, если это необходимо, емкость
к тому напряжению, при котором измерялось значение
() ()
CU CU
кк2 кк1
. (4.10)
зависят от напряжения на
ОС
C
следует пересчитать
к
:
ОС
U
к1
. (4.11)
U
к2
Сравнивая формальную (см. рис. 4.2) и физическую (см. рис. 4.3)
модели БТ, можно методом узловых потенциалов в области умеренно
высоких частот получить следующие приближенные выражения:
yg jC
11 11 11
yjC
12 12
yg j
21 21
yg jC
22 22 22
/(1 ),
,
,
(4.12)
.
Здесь
Cr
11 б
CC
12 к
CgrC
(1
22 21 бк
,
/
,
(4.13)
)
– соответственно входная, проходная и выходная статические емкости
БТ.
, ,
Параметры
ми, а
, , rC
бк
gg
11 21 22
называют низкочастотными параметра-
– высокочастотными.
Таким образом, знание трех низкочастотных параметров фор-
, ,
мальной модели
gg
11 21 22
и трех высокочастотных параметров
45
f
f
f
R
R
физической модели
, , rC
бк
позволяет полностью описать поведение
БТ в полосе частот.
Пример 4.2
Значения предельной и граничной частоты
мени
y
для транзистора КТ324Е (см. пример 4.1):
= 117 МГц,
21
4.1.4. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
= 4,88 МГц,
f
h
21э
f
h
21б
≈ 600 МГц,
и постоянной вре-
Т
= 600 МГц,
T
1, 3 6 1 0
с.
9
Упрощенная динамическая модель ПТ для малого сигнала, имеющая одинаковый вид как для МОП-транзистора, так и для транзистора
с управляющим р–n-переходом, показана на рис. 4.5. На этой схеме
усилительные свойства транзистора моделируются генератором тока
зи
,SU
где
/Siu
c зи
при
си
const u
– крутизна статической сток-
затворной характеристики (имеет значения от 0,5 до нескольких де-
сятков миллиампер на вольт).
си c
i
при
зи
constu
– внут-
/
ui
реннее (дифференциальное) сопротивление (составляет величину от
нескольких десятков до сотен килоом).
Частотные (инерционные) свойства ПТ моделируются емкостями
, , CCC
зи зс си
Здесь
.
C
– барьерная емкость управляющего р–n-перехода;
зи
C
–
зс
распределенная вдоль канала барьерная емкость (проходная емкость).
Через эту емкость часть сигнала с цепи стока попадает в цепь затвора,
т. е. возникает внутренняя обратная связь (ОС). Для транзисторов с
/2CC
управляющим p–n-переходом
емкости
C
является емкость между стоком и подложкой (подложка,
си
зс зи
. Основной составляющей
как правило, соединена с истоком).
з
I
з
C
зс
I
с
с
SU
зи
i
C
си
U
си
и
и
U
зи
C
зи
Рис. 4.5. Физическая модель полевого транзистора
46
g
R
R
Для малого переменного сигнала (а именно эти модели рассматриваются в курсе) широко используется формальная модель полевого
транзистора (рис. 4.2), где
Здесь
11 11 12 12 21 22 22 22
CCC
11 зи зс
ходная емкость;
1/
R
22
.
i
Параметры S и
; ; ; y jC y jC y S y g jC
– входная статическая емкость;
CCC
22 си зс
i
являются низкочастотными параметрами по-
левого транзистора, а емкости
CC
12 зс
– выходная статическая емкость;
, , CCC
11 12 22
– высокочастотными.
. (4.14)
– про-
Чем высокочастотнее транзистор, тем меньше значения барьерных емкостей.
Пример 4.3
У МОП-транзистора КП301, предназначенного для работы в высо-
кочастотных устройствах,
C
= 3,5 пФ,
11
C
= l пФ и
12
C
= 3,5 пФ, а
22
у транзистора с управляющим р–n-переходом КП102, который приме-
C
няется во входных каскадах усилителей низкой частоты,
C
= 5 пФ и
12
Низкочастотные параметры ПТ (S,
C
22
≈ 5 пФ.
)
можно определить непо-
i
= 10 пФ,
11
средственно по его статическим характеристикам через отношения
приращений соответствующих токов и напряжений.
4.2. СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРА В РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ
ВКЛЮЧЕНИЯ
4.2.1. ТРАНЗИСТОР КАК АКТИВНЫЙ ТРЕХПОЛЮСНИК
Свойства УЭ во многом определяются его схемой включения. Для
БТ, как для и ПТ, существуют три схемы включения, в которых он является активным элементом, т. е. элементом, усиливающим мощность
подаваемого на вход сигнала (рис. 4.6 и 4.7).
Для оценки свойств УЭ в системе у-параметров необходимо знать
по четыре параметра для каждой
схемы включения (двенадцать в об-
щем случае комплексных параметров). Однако число этих параметров
47
можно сократить до четырех, если учесть связь между у-параметрами
для разных схем включения.
б в а
Рис. 4.6. Схемы включения биполярного транзистора с общей базой (а),
с общим эмиттером (
б), с общим коллектором (в)
а б в
Рис. 4.7. Схемы включения полевого транзистора с общим истоком (а),
с общим затвором (
Так как самой распространенной схемой включения является схема
с общим эмиттером (ОЭ), то параметры других схем включения выражают через параметры этой схемы.
Если
б) и с общим стоком (в)
y
yy
11 12
yy
21 22
(4.15)
– это y-матрица для схемы с ОЭ, то
yyy
y
к
11 12 11
()
yy yyyy
21 11 21 11 22 12
48
()
(4.16)
f
g
g
g
– аналогичная матрица для схемы с ОК, а
y
б
21 11 22 12 12 22
()
yy y
21 22 22
(yyyy yy
)
(4.17)
– для схемы с ОБ.
Значит, достаточно экспериментально или расчетным путем определить у-параметры для схемы ОЭ, а затем, используя (4.16) и (4.17),
рассчитать эти параметры и для схем ОК и ОБ.
Аналогичные соотношения связывают у-параметры схемы включения ПТ ОИ с у-параметрами схем включения ОС и ОЗ.
Если рабочий
(см. разд. 4.1.3), то вместо комплексных y-параметров ис-
f
y
21
диапазон частот усилителя ограничен частотой
пользуется система вещественных g-параметров.
Каскад на БТ и ПТ можно представить активным трехполюсником,
к выходным зажимам которого подсоединена нагрузка, а к входным –
источник сигнала (см. рис. 4.1).
Согласно общей теории четырехполюсника его свойства описываются формулами, приведенными в табл. 4.1
Таблица 4.1
Параметры нагруженного трехполюсника
Название Обозначение
Коэффициент передачи
по напряжению
KU
Выражение
U
2
1
g
21
g
22 2
Сквозной коэффициент
передачи по напряжению
Коэффициент передачи
по току
KE
e
KI
i
U
49
2
1
I
2
1
22 2 1 11 2
g
21
)(
gg gg
gg
21 2
g
g
11 2g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
Окончание табл. 4.1
Название Обозначение Выражение
Входная проводимость
Выходная проводимость
YU
вх
YU
вых
I
1
1
I
2
2
gg
gg
11 2
22 2
22 1
11 1
g
g
1/ , 1/
В табл. 4.1
Rg R
2211
нагрузки и источника сигнала;
– проводимость соответственно
11 22 21 12g
ggg
– определитель
матрицы g-параметров.
4.2.2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
В РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ВКЛЮЧЕНИЯ
Зная у-параметры для схемы ОЭ (4.15) и их связь с у-параметрами
для схем ОК (4.16) и ОБ (4.17), с учетом соотношений табл. 4.1 и неравенств
gg g
21 11 22 12
, получим выражения для интересующих
нас параметров трех схем включения БТ, которые сведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Параметры схем включения биполярного транзистора
Схема включения
Параметр
ОЭ ОБ ОК
g
21
K
22 2
hg
K
i
21 2
22 2
g
g
22 2 21 21
g
21
g
22 2
hg h
21 2 21
11()
gh h
gg
21 11
gg
21 11 2
(1)hg
21 2
22 2
g
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]