Критерии и особенности малосигнального режима работы транзистора

Считается, что транзистор работает в малосигнальном или линейном режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нем сигнальных составляющих выходных токов и напряженийпо сравнению с их значениямиив ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по токуи напряжению, при этом –,, где,– наибольшие отклонения выходного тока и потенциала от их значенийив ИРТ.

Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2...0,3.

При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня сигналов. Эти коэффициенты называются малосигнальными параметрами. Существует ряд систем параметров. Дальнейшее рассмотрение будем осуществлять в основном на базе системы Y-параметров. В этой системе параметры имеют размерность проводимости, а зависимость токов транзистора от приложенных к нему напряжений определяется системой уравнений

где , , ,– комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.

Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость Y₂₁часто называемая крутизной транзистора и обозначаемаяS. ПроводимостьY₁₁является главной характеристикой входных свойств транзистора, аY₂₂– выходных, поэтому указанные проводимости соответственно называютсявходной и выходной проводимостью транзистора. ПараметрY₁₂характеризует влияние выходного напряжения на входной ток, т. е. степень прохождения сигнала в направлении, обратном основному (в направлении с выхода на вход), поэтому проводимостьY₁₂носит названиепроводимости обратной связи. Существенным отличием усилительных приборов от пассивных цепей является их свойство преимущественной однонаправленности передачи сигналов, которое может быть охарактеризовано неравенством.

В основной частотной области транзистора, под которой понимается область частот , где– частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается враз, взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. В этой частотной области для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексныхY-параметров используется система естественныхg-параметров, включающая параметрыg₂₁,g₁₁,g₂₂.g₁₂. При этом

(4.1)

где ,,,– сигнальные токи и напряжения.

Соотношения (4.1) удобно в целях наглядности взаимодействия, между токами и напряжениями представить в. виде эквивалентной схемы замещения четырехполюсника (рис. 4.1). Эта схема включает два зависимых генератора тока, один из которых (источник тока) характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения_хна выходной ток, а второй– воздействие обратной связи через проводимостьна входной ток.

Каскады усиления переменного сигнала

Под переменными сигналами понимаются такие, которые имеют относительно большие скорости изменения или малое время существования, а также сигналы, которые не содержат постоянных составляющих. Усилители переменных сигналов в отличие от усилителей постоянного тока не способны воспроизводить сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы.

В усилителях таких сигналов допустимо использование на пути распространения сигнальных токов и напряжений разделительных конденсаторов С_р. Кроме того, в них могут применяться блокировочные конденсаторыС_б, исключающие влияние на распределение сигнальных потенциалов участков цепи, зашунтированных этими конденсаторами. Таким образом, под усилителями переменных сигналов понимаются такие, в схемах которых применены разделительные и блокировочные конденсаторы. При составлении эквивалентных схем для переменного тока эти конденсаторы замещаются короткими замыканиями.

Синтез схемы каскада переменного сигнала осуществляется в два этапа. На первом проводится выбор его структуры и номиналов элементов с точки зрения обеспечения заданного режима работы на постоянном токе. На втором этапе в схему каскада вводятся разделительные и блокировочные конденсаторы, с помощью которых формируется требуемая схема включения транзистора по переменному току.

На рис. 4.7 приведены типовые схемные построения каскадов ОЭ, ОК и ОБ. Последнее условие эквивалентности выполняется на всех частотах, где сопротивлением конденсаторов С_риС_бможно пренебречь.

Низкочастотные и переходные искажения в усилителях переменного сигнала

На низких частотах выполнить условия пренебрежимо малого значения сопротивления конденсаторов С_риС_бне удается, в результате чего в каскаде возникают низкочастотные искажения, и при прохождении прямоугольного импульса большой длительности происходит спад его вершины, возникающий из-за того, что каскад не способен передавать постоянные напряжения. Для снижения этих искажений требуется увеличение емкостей конденсаторовС_риС_б, что не всегда выполнимо из конструктивных и экономических соображений. Поэтому номиналы емкостей этих конденсаторов выбирают исходя из предельно допустимых частотных или переходных искажений.

Рассмотрим принципы выбора минимально возможного значения емкостей конденсаторов С_риС_б, при котором спад АЧХ усилителя в разделительной цепи из-за плохого шунтирующего действия блокировочного конденсатораС_бне превысит заданных значении_ри_бсоответственно.

Эквивалентная схема сигнальной цепи, содержащей разделительный конденсатор, приведена на рис. 4.8, при этом рис. 4.8,асоответствует случаю, когда сигнальные изменения представлены с помощью генератора тока, а рис. 4.8,б – с помощью генератора ЭДС. Оба представления взаимно эквивалентны. КонденсаторС_рразделяет цепь на два независимых на постоянном токе участка. Рассмотрим передаточные свойства этой цепи на участке1–2на переменном токе в схеме рис. 4.8,а, считая, что в качестве источника сигнала выступает генератор сигнального токаi_сс внутренним сопротивлениемR1, а нагрузкой – резисторR2. В области средних частот точки1–2эквипотенциальны, так как на этих частотах сопротивление конденсатораС_рпо сравнению с сопротивлением внешней по отношению к нему цепи пренебрежимо мало. В результате этого в схеме рис. 4.8,бна средних частотах коэффициент передачи частотно-независим и равен.

По мере понижения частоты и перехода в низкочастотную область сопротивление конденсатора повышается, и, хотя при этом напряжение u₁растет, общее выходное напряжениеu₂рассматриваемой цепи падает. Эквивалентная схема рис. 4.8 имеет достаточно широкую применимость. В частности, она может быть использована при рассмотрении особенностей работы и частотных искажений в области низких частот схемы рис. 2.5,б, если в соответствии с рис. 4.8,ав качестве источника сигнального тока принят ток, в качестве резистораR2 – двухполюсник, а качествеR1 – параллельное соединениеи.

Нормированная АЧХ разделительной цепи определяется соотношением

, (4.12)

где _р=С_р(R1+R2) – постоянная времени разделительной цепи. На основании (4.12) можно сформулировать требования к значениям емкости конденсатораС_р, при которых на нижней граничной частотеспад нормированной АЧХ не превышал бы:

,

где .

В схемах рис. 4.7 конденсаторы С_бв области низких чаете не могут оказать достаточного блокирующего действия, в результате цепь заземления общего провода УП не имеет нулевого сопротивления и схемы ОЭ, ОК. и ОБ выступают в роли схем рис. 4.6, т. е. каскадов ОЭ_f, ОК_fи ОБ_f. В них

, (4.13)

где R_f– резистивное сопротивление внешней по отношению к транзистору цепи, шунтируемой конденсаторомС_б;– постоянная времени блокирующей цепи. Для схемы ОЭ_f(рис. 4.7,а)R_f=R, для ОК_f(рис. 4.7,б)R_f=R_к, для ОБ_f(рис. 4.7,в)R_f=R_дел, где.

Из-за ненулевого значения сопротивления Z_fв области низких частот коэффициенты усиления каскадов (рис. 4.7) в этой области частот меньше номинальныхК₀вFраз, при этом параметры имеют комплексный характер (), а нормированная АЧХ дополнительный спад_б. Ход основных частотных зависимостей согласно (4.11) и (4.13) определяется соотношениями

(4.14 а)

Для схем ОЭ_fи ОИ_fg=g₁₁, для ОК_fи ОИ_fg=g₂₂, для ОБ_f и ОЗ_f g=g₁₁. На рис. 4.9 приведены построенные в соответствии с (4.14а) графики АЧХ для схемы ОЭ_f. Обычно, вследствие чего наиболее заметно рассматриваемые процессы проявляются в каскадах ОЭ и ОИ, в меньшей степени в схеме ОБ и практически незаметны при включениях ОЗ, ОК и ОС. Поэтому выбор номиналов блокировочных конденсаторов на основании допустимых значений ее осуществляют только при построении схем ОЭ, ОИ и ОБ. Соотношения для выбора значения емкости конденсораС_бпо допустимым частотным искажениям, оцениваемым: параметром_б. вытекают из (4.14а). При этом

- для включений ОЭ и ОИ: (4.14 б)

- для включения ОБ: (4.14 в)

Соотношения (4.14б) и (4.14в) используются при оценках предельных значений емкостей конденсаторов С_б, обеспечивающих приемлемый уровень низкочастотных искажений.

В любом усилительном каскаде, не являющемся УПТ, т. е. с АЧХ, имеющей спад в области низких частот, возникают переходные искажения. Эти искажения связаны с тем, что усилители переменных сигналов не способны передавать постоянные и медленно меняющиеся сигнальные напряжения. В частности, если в схеме рис. 4.8 сигнальный ток i_сили сигнальная ЭДСЕ_симеет видcкачка, то напряжениеu₂на выходе разделительной цепи будет изменяться по экспоненциальному закону, а именно, где– значение напряжения на выходе разделительной цепи в момент начала действия импульсного сигнала. График напряженияu₂(t) приведен на рис. 4.10. При конечной длительностиt_ипрямоугольного импульса к моменту его окончания вершина импульса претерпевает спад

, (4.15)

где f_0,7– нижняя граница полосы пропускания разделительной цепи, определенная по уровнюd=0,7.