Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

эквивалентная схема биполярного транзистора

Анализ работы усилителя в широком диапазоне частот можно осуществить на основе метода эквивалентных схем, являющегося одним из наиболее распространенных расчетных методов теории электрических цепей. Поскольку электронные усилители строятся на основе биполярных и полевых транзисторов, и пассивных радиоэлементов, то на первом этапе необходимо получить эквивалентную схему активного элемента – транзистора.

Эквивалентную схему транзистора можно получить, если воспользоваться некоторыми методами теории электрических цепей, в частности, методами анализа линейных активных четырехполюсников. Четырехполюсником называется устройство, которое имеет две точки входа и две точки выхода. Биполярный и полевой транзисторы в любой схеме включения представляют собой четырехполюсник. Различают пассивные и активные четырехполюсники. Пассивные четырехполюсники не содержат источников напряжения или тока. Каскад усилителя на биполярном или полевом транзисторе способен усиливать мощность входного сигнала и является активным четырехполюсником. Теория четырехполюсников разработана для линейных систем, для которых характерна линейная зависимость между током и напряжением. Биполярный и полевой транзисторы являются нелинейными элементами. Однако, при работе в режиме малого сигнала, характерном для усилителей напряжения, усилитель на транзисторе можно считать линейным устройством, и применить к нему теорию линейных четырехполюсников.

На рис. 5.6 представлена эквивалентная схема линейного четырехполюсника. Каждый четырехполюсник характеризуется четырьмя величинами: током и напряжением на входе и током и напряжением на выходе.

Рис. 5.6.Эквивалентная схема четырехполюсника

В теории четырехполюсников зависимости между входными и выходными токами и напряжениями анализируют, используя режимы холостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсника. В результате параметры транзистора находятся из соответствующих уравнений для токов и напряжений. Поскольку к четырехполюсникам относятся различные по физическим принципам функционирования устройства, то уравнения для токов и напряжений будут в каждом случае разными. Существует шесть различных систем уравнений, описывающих связь токов и напряжений для разных видов четырехполюсников.

Будем рассматривать биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером как активный линейный четырехполюсник.

Рис. 5.7. Транзистор по схеме с общим эмиттером как четырехполюсник

Особенности биполярных транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в - параметрах. Для схемы с ОЭ в этой системе за независимые переменные берутся входной ток И выходное напряжение , а зависимыми будут входное напряжение и выходной ток . Таким образом, можно записать:

(5.12)

(5.13)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

(5.14)

(5.15)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки транзистора, представляют собой некоторые постоянные величины – -параметры биполярного транзистора. Транзистор в малой окрестности рабочей точки (режим малых сигналов) может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в - параметрах:

, (5.16)

. (5.17)

Для транзистора по схеме с ОЭ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.18)

. (5.19)

Биполярные транзисторы отличаются небольшим значением входного сопротивления и сравнительно высоким значением выходного сопротивления. Поэтому в такой схеме для нахождения -параметров уравнений легко осуществить режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника и режим холостого хода на входе четырехполюсника.

Осуществляя режим холостого хода на входе четырехполюсника, найдем из уравнений 5.18 и 5.19 параметры и при и выясним их физический смысл:

- величина, обратная коэффициенту усиления по напряжению при разомкнутой входной цепи, характеризует внутреннюю обратную связь в биполярном транзисторе;

= - выходная проводимость транзистора при разомкнутой входной цепи.

Два оставшихся параметра можно найти, осуществив режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника. При коротком замыкании на выходе 0. Тогда из уравнений 5.18 и 5.19 найдем:

= - дифференциальное входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

= - коэффициент усиления тока базы транзистора при коротком замыкании на выходе.

Так как мы рассматриваем построение эквивалентной схемы биполярного транзистора для переменных составляющих токов и напряжений, то все токи и напряжения в уравнениях в -параметрах представляют собой переменные составляющие, соответствующие определенному режиму работы биполярного транзистора по постоянному току. Условие для переменной составляющей тока базы 0 соответствует условию для постоянной составляющей, величина которой определяется напряжением смещения. Условие для переменного напряжения =0 соответствует условию Для постоянного напряжения на коллекторе. При этих условиях -параметры принимают вид:

, (5.20)

, (5.21)

, (5.22)

. (5.23)

Параметр имеет размерность сопротивления и для его определения необходимо иметь семейство входных характеристик транзистора.

Параметр также может быть найден по входной характеристике. Он является безразмерным, его величина мала и составляет, примерно, .

Параметр также является безразмерной величиной и его можно определить по семейству выходных характеристик.

Параметр имеет размерность проводимости и может быть определен из семейства выходных характеристик. Величина обратная называется выходным сопротивлением транзистора.

Определение -параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему биполярного транзистора, широко используемую для анализа устройств на основе биполярного транзистора – усилителей, генераторов, преобразователей частоты. Первое уравнение (5.18) системы уравнений позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где последовательно включены входное сопротивление и эквивалентный генератор внутренней обратной связи. Второе уравнение (5.19) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы. Согласно второму уравнению изменение тока на выходе транзистора зависит от двух составляющих: управляемого генератора тока и величины , определяемой выходной проводимостью. Поэтому в выходную цепь эквивалентной схемы транзистора надо включить управляемый генератор тока и выходную проводимость. Эквивалентная схема биполярного транзистора, составленная на основе уравнений 5.18 и 5.19, при замене приращений переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями

Токов и напряжений, представлена на рис.5.8.

Рис.5.8. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Проводя аналогичные рассуждения, можно получить эквивалентную схему полевого транзистора, представляя полевой транзистор, включенный по схеме с общим истоком, в виде линейного активного четырехполюсника, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Полевой транзистор как линейный четырехполюсник

Особенности полевых транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в - параметрах. Для схемы с ОИ в этой системе за независимые переменные берутся входное напряжение и выходное напряжение , а зависимыми переменными будут входной ток и выходной ток . Эти зависимости можно представить следующими уравнениями:

, (5.24)

. (5.25)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

, (5.26)

. (5.27)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки, представляют собой некоторые постоянные величины – -параметры полевого транзистора. Полевой транзистор в малой окрестности рабочей точки может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в - параметрах:

, (5.28)

. (5.29)

Полевые транзисторы отличаются высокими значениями величин входного и выходного сопротивлений. Поэтому для нахождения -параметров необходимо осуществить режим короткого замыкания на входе и на выходе четырехполюсника.

При коротком замыкании на входе 0, а при коротком замыкании на выходе =0. При этом из уравнений (5.28), (5.29) можно найти -параметры:

, , , .

Условие 0 означает, что равна нулю лишь переменная составляющая входного напряжения, а постоянная составляющая соответствует уровню начального смещения. Условие 0 означает, что равна нулю переменная составляющая выходного напряжения, а постоянная составляющая равна напряжению на стоке транзистора.

Для схемы с ОИ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.30) . (5.31)

Из этих уравнений можно выяснить физический смысл - параметров:

- входная проводимость. Величина обратная входной проводимости равна входному сопротивлению полевого транзистора;

- коэффициент внутренней обратной связи между выходной и входной цепями полевого транзистора. Его величина составляет, примерно, ;

- крутизна полевого транзистора;

- выходная проводимость. Величина обратная выходной проводимости равна внутреннему сопротивлению полевого транзистора .

Крутизну и внутреннее сопротивление полевого транзистора можно найти из семейства выходных характеристик. Заменяя в системе уравнений приращения переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями токов и напряжений, можно записать уравнения в следующем виде:

, (5.32)

. (5.33)

Определение -параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему полевого транзистора, показанную на рис.5.10. Первое уравнение (5.32) позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где параллельно включены входная проводимость и эквивалентный генератор тока = , отражающий внутреннюю обратную связь в полевом транзисторе. Второе уравнение (5.33) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы, включающую в себя выходную проводимость и эквивалентный генератор тока , характеризующий усилительные свойства полевого транзистора.

Рис.5.10. Эквивалентная схема полевого транзистора

В результате анализа мы получили похожие эквивалентные схемы для биполярного и полевого транзисторов. В правых частях эквивалентных схем включены генераторы, которые отражают усилительные свойства активных элементов. В левых частях схем включены генераторы, отражающие внутреннюю обратную связь в активных элементах. Поскольку коэффициенты внутренней обратной связи достаточно малы, в дальнейшем анализе будем пренебрегать их величиной. С учетом этого можно исключить эти генераторы из левых частей эквивалентных схем и предложить единую упрощенную эквивалентную схему для биполярного и полевого транзисторов, представленную на рис. 5.11. Эта схема включает в себя входное и выходное сопротивление транзистора и генератор тока , характеризующий усилительные свойства активного элемента. Для биполярного транзистора , а для полевого транзистора .

Рис. 5.11. Эквивалентная схема биполярного и полевого транзисторов




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.