Схемотехника аналоговых электронных устройств - А. Красько

2.4. Активные элементы УУ

2.4.1. Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторами (БТ) называют полупроводниковые приборы с двумя (или более) взаимодействующими p-n-переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда.

 Для определения малосигнальных Y-параметров БТ используют их эквивалентные схемы. Из множества разнообразных эквивалентных схем наиболее точно физическую структуру БТ отражает малосигнальная физическая Т-образная схема. Для целей эскизного проектирования, при использовании транзисторов до (0,2...0,3) fT (fT — граничная частота усиления транзистора с ОЭ) возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных. Упрощенная эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис. 2.7.

Рисунок 2.7. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом:

◆ объемное сопротивление базы rб=τос/Cк,

где τос — постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;

◆ активное сопротивление эмиттера rэ=25,6/Iэ,

при Iэ в миллиамперах rэ получается в омах;

◆ диффузионная емкость эмиттера Cэд=1/(2πfTrэ),

где fT — граничная частота усиления по току транзистора с ОЭ, fT=|h21э|·fизм ;

◆ коэффициент усиления тока базы для транзистора с ОБ α=H21э/[(1+H21э)·(1+jf/fT)],

где H21э — низкочастотное значение коэффициента передачи по току транзистора с ОЭ.

◆ Δr =(0,5…1,5) Ом;

Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными H21э,fT(|h21э|·fизм),Cк,tос(rб) и режимом работы.

Следует учитывать известную зависимость Cк от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ:

По известной эквивалентной схеме не представляет особого труда, пользуясь методикой, изложенной в разделе 2.3, получить приближенные выражения для низкочастотных значений Y-параметров биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ:

Y11эНЧ = g ≈ 1/(rб + (1 + H21э)(rэ + Δr)),

Y21эНЧ = S0 ≈ H21эgэ,

Y12эНЧ ≈ 0,

Y22эНЧ ≈ 0.

Частотную зависимость Y11э и Y21э при анализе усилительного каскада в области ВЧ определяют, соответственно, посредством определения входной динамической емкости Cвх.дин и постоянной времени транзистора τ.

Выражения для расчета низкочастотных Y-параметров для других схем включения транзистора получают следующим образом:

◆ дополняют матрицу исходных Y-параметров Yэ до неопределенной Yн, а именно, если

то

◆ вычеркивают строку и столбец, соответствующие общему узлу схемы (б для ОБ, к для ОК), получая матрицу Y-параметров для конкретной схемы включения транзистора.

2.4.2. Полевые транзисторы

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые усилительные приборы, в основе работы которых используются подвижные носители зарядов одного типа — либо электроны, либо дырки. Наиболее характерной чертой ПТ является высокое входное сопротивление, поэтому они управляются напряжением, а не током, как БТ.

Рисунок 2.8. Эквивалентная схема ПТ

Определяются малосигнальные Y-параметры ПТ по его эквивалентной схеме. Для целей эскизного проектирования можно использовать упрощенный вариант малосигнальной эквивалентной схемы ПТ, представленный на рис.2.8.

Данная схема с удовлетворительной для эскизного проектирования точностью аппроксимирует усилительные свойства ПТ независимо от его типа, параметры ее элементов находятся из справочных данных

Выражения для эквивалентных Y-параметров ПТ, включенного по схеме с ОИ определяют по методике п. 2.3:

Y11з = jωCзи,

Y12з = jωCзс,

Y21и = S0ejωτ,

Y22и = gi + jωCси.

Где з, с, и соответственно затвор, сток и исток ПТ; τ — время пролета носителей, τ=Cзи/S0.

Граничную частоту единичного усиления ПТ fT можно оценить по формуле:

fT = 1/2πτ.

Анализ полученных выражений для эквивалентных Y-параметров ПТ, проведенный с учетом конкретных численных значений справочных параметров, позволяет сделать вывод о незначительной зависимости крутизны от частоты, что позволяет в эскизных расчетах использовать ее низкочастотное значение S0. При отсутствии справочных данных о величине внутренней проводимости ПТ gi, в эскизных расчетах можно принимать gi≈0 ввиду ее относительной малости.

Пересчет эквивалентных Y-параметров для других схем включения ПТ осуществляется по тем же правилам, что и для БТ.

2.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности KP, вариант схемы которого приведен на рисунке 2.9.

Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора Rб задается ток покоя Iб0=(Eк–Uбэ0)/Rб. Ток покоя коллектора Iк0=H21эIб0. Напряжение коллектор-эмиттер покоя Uк0=Eк–Iк0Rк. Отметим, что в режиме покоя напряжение Uбэ0 составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на Rк возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180°.

Рисунок 2.9. Простой усилительный каскад с ОЭ

Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ) [5,6]. Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ — это прямые линии, которые в координатах Iк, Uкэ соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.

Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному — R=, переменному — R≈ току) понятен из рисунка 2.10.

Следует отметить, что простое построение ДХ возможно только при активной нагрузке, т.е. в области СЧ АЧХ (см. рис.2.2), в областях НЧ и ВЧ нагрузочные прямые трансформируются в сложные кривые. 

Построение ДХ и их использование для графического расчета усилительного каскада подробно описано в [5,6].

Рисунок 2.10. Динамические характеристики каскада с ОЭ

Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

R= = Rк;

R≈ = Rк ∥ Rн.