6.Малосигнальный режим. Малосигнальные параметры транзисторов и их применения при оценки свойств усилительного звена.

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 ΔI_вых и напряжений ΔU_вых по сравнению с их значениями и U_вых0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току α_I и напряжению α_u, при этом α_I = ΔI_вых / I_вых0; α_u = ΔU_вых / U_вых0, где ΔI_вых, ΔU_вых – наибольшие отклонения выходного тока и потенциала от их значений I_вых0 и U_вых0 в 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, независящими 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 взаимосвязь между комплексными амплитудами токов и напряжений определяется системой уравнений

I_вх = Y₁₁U_вх + Y₁₂U_вых;

I_вых = Y₂₁U_вх + Y₂₂U_вых,

где I_вх, I_вых, U_вх, U_вых – комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость У₂₁, часто называемая крутизной транзистора и обозначаемая S. Про­водимость Y₁₁ является главной характеристикой входных свойств транзистора, а Y₂₂ — выходных, поэтому указанные проводимос­ти соответственно называются входной и выходной проводимос­тью транзистора. Параметр Y₁₂ характеризует влияние выходного напряжения на входной ток, т. е. степень прохождения сигнала в направлении, обратном основному (в направлении с выхода на вход), поэтому проводимость Y₁₂ носит название проводимости обратной связи. Существенным отличием усилительных приборов от пассивных цепей является их свойство преимущественной од­нонаправленности передачи сигналов, которое может быть оха­рактеризовано неравенством |Y₂₁| » |Y₁₂|В основной частотной области транзистора, под которой пони­мается область частот f<f_s, где f_s — частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в √2 раз (на 3 дБ), взаимо­связи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. Поэтому в этой частотной об­ласти для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексных Y-параметров используется система вещественных g-параметров g_21, g_22, g_11, g_12/При этом i_вх = g₁₁u_вх + g₁₂u_вых; i_вых = g₂₁u_вх + g₂₂u_вых,Эти соотношения удобно в целях наглядности взаимодействия между токами и напряжениями представить в виде эквивалентной схемы замещения четырехполюсника .

Эта схема включа­ет себя два зависимых генератора тока, один из которых (источ­ник тока g_21Uвх) характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения и_вх на выходной ток i_вых, а второй g_12Uвых — воздействие обратной связи через проводимость g₁₂ на входной ток i_вых Левая частьсоответствует верхней строчке, а правая — нижней.Одно из наиболее часто используемых соотношений, вытекающих из физической эквивалентной схемы биполярного транзистора, представленного моделью Эберса-Молла, является соотношение, определяющее взаимозависимость эмиттерного тока транзистора с разностью потенциалов U_бэ на его базо-эмиттерном переходе. Согласно этой модели I_э = I_оэ exp(U_бэ/mU_т – 1), где m – коэффициент неидеальности p-n перехода (m  1); - температурный потенциал; – постоянная Больцмана; T ‑ температура в градусах Кельвина; q 1,6 10^–19 Кл – заряд электрона. При типовых температурных условиях (Т = 300 К) U_т  0,026 В. При работе транзистора в линейном (усилительном) режиме выполняются следующие соотношения: I_э  I_к >> I _оэ, U_бэ/mU_т >> 1, в результате чего I_к  I_оэ exp(U_бэ/mU_т).(2)Отличие значений m от единицы в первую очередь обусловлено тем, что приложенное к внешним зажимам транзистора напряжение U_бэ воздействует на внутренний управляющий током коллектора переход база-эмиттер не прямо, а через дополнительное сопротивление r_б базовой области . В результате внутри транзистора происходит ослабление управляющего напряжения U_{бэ до значения} U_б’э Это ослабление можно охарактеризовать коэффициентом деления 1/m резистивного делителя, состоящего из сопротивления r_б и резистивной проводимости g_б/э внутреннего перехода база-эмиттер. В результате

т = U_бэ/U_{б’э= 1 + rб} g_{б’э = 1 + rб} I_к/U_тh_21э,(3)где g_б’э = I_к/U_тh_21э – дифференциальная составляющая проводимости внутреннего р-п перехода база-эмиттер; h_21э- коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ. Малым значениям тока коллектора, когда он существенно меньше максимально допустимого его значения I_кmax, параметр m  1. Но при значениях токах коллектора, приближающихся к максимально допустимым значениям I_кmax, m = 2...5Из этого и (2), (3) вытекают соотношения, позволяющие определять приближенно значения основных g-параметров транзистора, практически не прибегая к использованию справочных данных

g₂₁ = dI_к / dU_бэ = I_к / mU_т;

g₁₁ = dI_б / dU_бэ = I_к / mU_т h_21э = g_б'э / т; (4)

g₁₂ = dI_б / dU_кэ  0;

g₂₂ = dI_к / dU_кэ = I_к / (U_Эр + U_кэ),

где U_Эр – потенциал Эрли.

Анализ свойств схемных построений осуществляют на основе соотношений и положений теории четырехполюсника и эквивалентных схем каскадов на переменном токе (рис 4.3.). При этом усилительный прибор рассматривают в виде четырехполюсника, к выходным клеммам 2–2' которого подключена нагрузка Y_н, а к входным – источник сигнала с ЭДС E_c и выходным сопротивлением Z_c.

Транзисторы и большинство других УП являются трехполюсными приборами. Поэтому при их представлении в виде четырехполюсника один из выводов УП оказывается общим для входной и выходной цепей, т. е. усилительные приборы представляются как четырехполюсники с одной общей стороной. Обычно этот общий вывод в схемах подключается к точке нулевого Для биполярного транзистора в ка­честве основной схемы выступает схема с общим эмиттером, а для полевого — с общим истоком. Согласно общей теории четырехполюсника основные свойства в представленной на рис 4.3 схеме для основной рабочей частотной области транзистора (f << f_S) определяются формулами:

,

(5)

где g_н – проводимость резистивной нагрузки; g_с – выходная проводимости источника сигнала. При нахождении значений коэффициента усиления следует иметь в виду, что наличие знака минус перед результатом проведенных в соответствии с (5) вычислений, указывает на противофазность выходного напряжения u_вых относительно входного u_вх. Так если для какой-либо схемы параметры g₂₁, g₂₂, g_н и g_вх положительны, то знак минус перед правыми частями выражений для K указывает на инвертирующий характер передачи по напряжению. В такой схеме фактические направления изменений сигналов u_вых и u_вх оказываются взаимно противоположными (противофазными).