19

Методическое пособие по курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

4. Работа усилительных каскадов в режиме малого сигнала

4.1 Критерии и особенности малосигнального режима работы транзисторов.

Малосигнальным или линейнымрежимом работы транзистора называется такой режим, при котором в процессе работы не проявляется влияние нелинейностиВАХтранзистора. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нём сигнальных составляющих токов (I_вых) и напряжений (U_вых) по сравнению с их значениями вИРТ (I_вых, U_вых).

Количественно интенсивность использования транзистора оценивается соответствующим коэффициентами:

(?)

где : I_вых ,U_вых - наибольшие отклонения выходного тока и напряжения, соответственно.

Считается, что значение коэффициентов интенсивности (_i ,_u) для работы в линейном режиме должно быть меньше 0,20,3. Если же значение коэффициентов_i и_uбудет больше отмеченной величины, то влияние нелинейностиВАХ транзистора становится заметным и выражается быстрым ростом нелинейных искажений.

При анализе усилительных каскадов, последний в общем виде может быть представлен в виде четырехполюсника (рис 4.1).

рис4.1

В данном случае имеются входные зажимы: 1-1’ , выходные зажимы 2-2’. U₁ и U₂ разности потенциалов между входными и выходными зажимами четырёхполюсника соответственно. Для четырёхполюсника, например используяY-параметры (проводимость) можно составить систему уравнений, увязывающую между собой входные и выходные токи и напряжения:

(4.1)

где: - комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.

При малосигнальном режиме работы транзистора Y- параметры считаются постоянными, не зависящими от уровня сигнала, и называются малосигнальными параметрами. Решая систему уравнений (4.1) при условии что можно получить значения Y- параметров:

- входная проводимость со стороны зажимов 1-1’ при закороченных зажимах 2-2’;

- выходная проводимость со стороны зажимов 2-2’ при закороченных зажимах 1-1’;

- передаточная проводимость при закороченных зажимах 2-2’;

- передаточная проводимость при закороченных зажимах 1-1’.

Отступая от отвлеченной терминологии применительно к четырехполюснику и возвращаясь к транзистору, включенному в виде четырёхполюсника можно отметить, что Y- параметры имеют следующие характеристические значения:

Y₁₁- входная проводимость транзистора;

Y₂₂- выходная проводимость транзистора;

Y₂₁- крутизна транзистора (S);

Y₁₂- проводимость обратной связи (характеризует влияние выходного тока).

Обычно для транзисторных каскадов: .

В общем виде значения Y- параметров и входных и выходных токов и напряжений являются величинами комплексными, однако в основной частотной области транзистора, под которой понимают область частот : f < f_s , где f_s- частота на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в раз, взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. Тогда в этой частотной области комплексные Y- параметры можно заменить вещественными g - параметрами (g₁₁,g₂₂,g₁₂,g₂₁), имеющими те же значения, что и Y- параметры. При этом система уравнений (4.1) перепишется в виде:

где: i_вх, i_вых, u_вх, u_вых- значения сигнальных токов и напряжений.

Систему уравнений (4.2) можно для наглядности представить в виде схемы замещения черехполюсника рис(4.2):

рис.4.2

эта схема включает два зависимых генератора тока, это:

g₂₁U_вх- характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения на выходной ток;

g₁₂U_вых- характеризует степень воздействия обратной связи через проводимость g₁₂на входной ток.

4.2 Малосигнальные параметры биполярных и полевых транзисторов.

Приводимая в справочниках информация часто направлена не на использование транзистора, а на его выпуск. Т.е. при расчетах электрических схем часто информации оказывается недостаточно. Поэтому стремятся к рассмотрению свойств усилительных приборов опираясь на их физические эквивалентные схемы. Подобные схемы позволяют с приемлимой для практических расчетов точностью оценить свойства усилительных приборов при их работе в широком диапазонетоков, напряжений, температур, при различных способах их включения. Одним из базовых соотношений, вытекающим из эквивалентной схемы биполярного транзистора, является соотношение, определяющее взаимозависимость выходного тока от потенциала на его базо-эмитерном переходе (модель Эбберса-Молла):

, ,

(При К В).

Коэффициент m различен при разных токах. При , когда I_k (?) I_{k max}m.

Это обусловлено тем, что потенциал U_бэ воздействует на p-n переход база- эмиттер не прямо, а через сопротивление базы (r_б). Следовательно внутри транзистора происходит ослабление управляющих токов сигналов.

(рис 4.3)

Это ослабление можно характеризовать коэффициентом деления m резистивного делителя, состоящего из сопротивления базы (r_б) и резистивной проводимости (g_бэ) внутреннего перехода база- эмиттер. Тогда :

(4.3)

- коэффициент усиления транзистора по току.

В линейном режиме . Для транзисторов малой и средней мощности . Для мощных транзисторов При линейном режиме I_б<<I_k­, тогда I_k I_э. Тогда из этого и соотношений (4.3) и (4.4) вытекают соотношения, позволяющие оценить приближенные значения основных g-параметров транзистора, минимум справочных данных, либо измеренных данных, например, с использованием характернографа:

(4.5)

(4.6).

Кроме этого для биполярного транзистора :

(4.7)

где U_эр- потенциал Эрли.

Сущность потенциала Эрли состоит в следующем (рис 4.4):

U_эр U_бэ

рис 4.4

Потенциал U_бэхотьи в слабой мере, но зависит от U_кэпри постоянном токе I_k. Этот эффект обусловлен изменением эффективной ширины базы и описывается следующей приблизительной зависимостью:

Т.е. при изменении U_кэпроисходит модуляция ширины базы и изменении U_бэ. Это приводит к зависимости . Т.е. наблюдается наклон ВАХ транзистора. При этом при различных I_бусловно проведенные линии ВАХ для различных токов до пересечения с осью U_кэ приводит к пересечению этих линий в одной точке. Точка с этим потенциалом и называется потенциалом Эрли. Для тарнзисторов малой мощности при n-p-n структуре U_эр= 100...150 В, для p-n-p структуры U_эр= 60...100 В.

Для полевых транзисторов g-параметры представляются в виде :

;

; (4.8)

;

См.

Анализ схемных построений осуществляют на основе соотншений и положений теории четырехполюсников. Транзистор в общем виде имеет три вывода (трехполюсник). Для получения его характеристик, в зависимости от варианта включения транзистора, один из его выводов соединяется с шиной общей для входного и выходного сигналов (рис 4.5)

рис 4.5

Тогда эквивалентная схема в виде четырехполюсника представится в виде (рис 4.6).

рис 4.6

К выходным зажымам подключается нагрузка Y_н.К входным зажимам источник сигналаE_cс выходным сопротивлениемZ_c. Для проведения анализа, напримерg-параметров, на основе справочных данных требует, чтобы в справочнике отмечалось какому варианту включения транзистора соответствует данный параметр. Для биполярных транзисторов основной схемой включения является схема сОЭ, а для полевых транзисторов- схема сОИ. Именно этим включениям соответствуют соотношения (4.5)…(4.8).

Для основного диапазона работы, когда f<<f_s, тогдаY_н = ­­­­­­­­g_н ,g_c = 1/Z_c.(Резистивный источник сигнала можно получить):

наличие знака “-”, при нахождениии коэффициента усиления (К,К_обр), говорит о том, что выходной сигнал инверсен (противоположен по фазе) относительно входного сигнала.

Если комплексным характером параметров транзистора пренебречь нельзя (ff_s), соотношения (4.9) остаются в силе, однако необходимо использовать комплексные значенияY-параметров.

Принципы расчетов транзисторных каскадов на основе соотношений (4.9) при условии, когда не условия малосигнальности [], также можно использовать, но при этом берут средние значения токов и потенциалов, например дляg₂₁это будет выглядеть так:

.