Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Малосигнальный режим работы и малосигнальные параметры БТ
В малосигнальном режиме нелинейные свойства транзисторов по отно-
шению к сигнальным изменениям практически не проявляются. В этом слу-
чае для анализа схем можно использовать методы анализа линейных элек-
трических цепей, в частности – линейных 4-полюсников (Рис 1).
Рис. 1
Для анализа линейных 4-полюсников могут использоваться различные
системы так называемых малосигнальных параметров, связывающих токи и
напряжения на его входных и выходных зажимах. В транзисторных схемах
широко используются параметры с размерностью проводимостей:
вх
11 вх
12 вых
вых
21 вх
22 вых
,
I
Y U
Y U
I
Y U
Y U
=
+
=
+
где
вх
вых
вх
вых
,
,
,
I
I
U
U
– комплексные амплитуды входных и выходных
токов и напряжений, а Y
11
, Y
12
Y
21
Y
22
– частотно-зависимые комплексные
коэффициенты, имеющие размерность проводимостей.
Комплексные проводимости могут быть выражены следующим образом
( ) ( ) ( ) ( )
φ(ω)
ω
ω
ω
ω e
j
Y j
G
B
Y
=
+
=
, где G(ω), B(ω) – вещественная и мнимая
части комплексной проводимости, Y(ω), и φ(ω) ее модуль и фаза. Комплекс-
ная амплитуда гармонического сигнала определяет его вещественную ампли-
туду и начальную фазу
( )
( )
( )
( )
φ ω
ω
ω
ω
ω
ω
j
j t
j t
U j
U
e
e
U j e
=
=
, где
( )
ω
U j
-
комплексная амплитуда напряжения.
Коэффициенты Y
11
, Y
12
Y
21
Y
22
определяются при условии равенства
нулю напряжения на одних из зажимов 4-полюсника и называются парамет-
рами короткого замыкания.
2
вых
вх
вх
вых
вх
вых
вх
вых
11
22
12
21
вх
вых
вых
вх
0
0
0
0
,
,
,
U
U
U
U
I
I
I
I
Y
Y
Y
Y
U
U
U
U
=
=
=
=
=
=
=
=
.
В соответствии с этими определениями Y
11
и Y
22
имеют смысл входной
и выходной проводимостей транзистора, а Y
12
и Y
21
– проводимостей прямой
и обратной передачи (Рис. 2)
Рис. 2
Проводимость обратной передачи Y
12
описывает внутрикаскадную об-
ратную связь, проводимость прямой передачи Y
21
– его усилительные свой-
ства.
С помощью малосигнальных параметров 4-полюсника могут быть вы-
числены параметры каскада при условии подключения к его зажимам прово-
димостей источника сигнала и нагрузки (Рис. 3).
Рис. 3
Из теории нагруженного 4-полюсника коэффициент передачи по напря-
жению зависит не только от параметров 4-полюсника, но и от подключенной
нагрузки и определяется соотношением
21
22
н
Y
K
Y
Y
= −
+
,
где Y
н
– проводимость нагрузки. Знак "–" в правой части выражения связан с
выбранным направлением токов и напряжений.
3
Заметим, что
вх
U
представляет собой напряжение, реализующееся на
входных зажимах 1-1' в результате деления ЭДС источника сигнала
c
E
меж-
ду внутренней проводимостью источника и входной проводимостью 4-
полюсника.
Входная проводимость 4-полюсника с учетом подключенной к его вы-
ходу нагрузки описывается соотношением
12 21
вх
11
22
н
Y Y
Y
Y
Y
Y
=
−
+
,
а выходная проводимость – соотношением
12 21
вых
22
11
с
Y Y
Y
Y
Y
Y
=
−
+
и в свою очередь зависит от иммитанса (полной проводимости) источника
ЭДС, подключенного ко входу (Рис. 4).
Рис. 4
В общем случае малосигнальные параметры являются комплексными
функциями частоты и определяются физикой работы транзистора и техноло-
гией его изготовления.
Наиболее точно малосигнальные параметры конкретного транзистора
могут быть получены экспериментально. Например для измерения входной
проводимости необходимо обеспечить короткое замыкание на выходных за-
жимах, подключить ко входу тестовый источник ЭДС с известной амплиту-
дой и начальной фазой и измерить амплитуду и начальную фазу входного то-
4
ка. Тогда входная комплексная проводимость на частоте ЭДС источника на-
ходится по формуле
вх
11
вх
I
Y
U
=
.
Аналогично определяются остальные малосигнальные параметры. При
этом необходимо следить, чтобы режим короткого замыкания зажимов не
изменял режим работы транзистора на постоянном токе, т. е. подключение
короткозамыкателей необходимо делать через разделительные цепи (конден-
саторы).
В области низких частот комплексный характер малосигнальных пара-
метров и их частотная зависимость не проявляется, и токи и напряжения на
зажимах 4-полюсника оказываются связанными системой из 4 постоянных не
зависящих от частоты вещественных коэффициентов
вх
11 вх
12 вых
вых
21 вх
22 вых
I
g U
g U
I
g U
g U
=
+
=
+
.
Вещественные малосигнальные параметры в области низких частот мо-
гут быть с приемлемой для практики точностью получены не только путем
измерений, но и на основании физических представлений о работе транзи-
стора.
В активном режиме работы ток эмиттера связан с напряжением база-
эмиттер уравнением Эберса-Молла
бэ
э
оэ
,
T
U
mU
I
I e
=
(1)
где m – коэффициент неидеальности p-n-перехода (m=1 при малых значениях
тока I
к0
, когда I
к
<<I
кmax
, и m=2...5 при значениях токах коллектора, прибли-
жающихся к максимально допустимым I
кmax
); U
T
=kT/q – температурный по-
тенциал; k=1,38∙10
-23
Дж/с – постоянная Больцмана; Т – температура в кель-
винах; q=1,6∙10
-19
К – заряд электрона. При номинальной температуре U
T
=0,026 В.
Отличие значений m от единицы в первую очередь обусловлено тем, что
напряжение U
бэ
, приложенное к внешним зажимам транзистора, воздейству-
ет на внутренний управляющий током коллектора базо-эмиттерный переход
не прямо, а через дополнительное сопротивление r
б
базовой области транзи-
стора. Вследствие этого внутри транзистора происходит ослабление сигна-
лов, управляющих током (Рис. 5).
5
Рис. 5
Это ослабление можно охарактеризовать коэффициентом деления рези-
стивного делителя, состоящего из сопротивления r
б
и резистивной проводи-
мости g
бэ
внутреннего базо-эмиттерного перехода
б'э
бэ
бэ б
1
1
1
U
N
m U
g r
=
=
=
+
,
где U
б'э
– напряжение на переходе, а U
бэ
- напряжение на электродах транзи-
стора. В результате этого с учетом того, что из физики работы транзистора
к
бэ
β
T
I
g
U
=
, получаем
б к
б бэ
1
1
1
,
0,026β
r I
m
r g
N
=
= +
= +
(2)
где β=dI
к
/dI
б
– коэффициент усиления транзистора по току. Считается, что
коэффициент усиления β при линейном режиме работы транзистора в малой
степени зависит от протекающих в транзисторе токов. Значение сопротивле-
ния r
б
обычно лежит в пределах 30...70 Ом для транзисторов малой и средней
мощности и 5...30 0м для транзисторов повышенной и высокой мощности.
При линейном режиме ток базы существенно меньше тока эмиттера, по-
этому I
э
≈I
к
. Из этого и (1) вытекают соотношения, позволяющие определять
приближенно значения основных g-параметров транзистора, практически не
прибегая к использованию справочных данных:
б
к
к
21
21
11
бэ
бэ
;
.
β
T
dI
dI
I
g
g
g
dU
mU
dU
=
=
=
=
(8)
Если подставить в выражение для g
21
значение m из формулы (2), то по-
лучим зависимость проводимости прямой передачи от тока коллектора
к
21
б к
β
T
I
g
U
r I
=
+
, представленную на рис. 6.
6
Рис. 6
Как видно g
21
увеличивается с ростом тока коллектора, однако следует
заметить, что здесь не учтена зависимость от тока коллектора значения β.
Кроме того, для биполярного транзистора с приемлемой для ручных
оценок точностью можно считать, что
к
к
12
22
Эрли
кэ
Эрли
0;
,
I
I
g
g
U
U
U
≈
≈
≈
+
где U
Эрли
– потенциал Эрли. Сущность потенциала Эрли иллюстрирует рис.
7, на котором приведены графики выходных характеристик транзистора, ап-
проксимированные ломаными линиями. Для транзисторов малой мощности
при n-p-n-структуре U
Эрли
≈100...180 В и 50...100 при p-n-p-структуре.
Рис. 7
Полученные выражения для g
11
, g
12,
g
21,
g
22
справедливы для случая,
когда входным током является ток базы, а входным напряжением – напряже-
7
ние база-эмиттер, выходным током является ток коллектора, а выходным на-
пряжением – напряжение коллектор-эмиттер (рис. 8).
Рис. 8
Как видно, для данной схемы вывод эмиттера является общим для вход-
ной и выходной цепей. Можно предложить и другие включения транзистора,
когда общим для входной и выходной цепей являются выводы базы или кол-
лектора, рассматриваемые в следующем разделе.
Полученные параметры (рис. 8) относятся к собственно транзистору, без
учета цепей обеспечения питания по постоянному току, которые всегда име-
ются (Рис. 9) и шунтируют (создают пути протекания сигнальных токов)
входную и выходную цепи транзистора.
Рис. 9
Однако цепи питания стараются организовать таким образом, чтобы их
влияние на прохождение сигнала было минимальным. В этом случае их
влияние на тракт прохождения сигнала игнорируется. Но в общем случае
импеданс, создаваемый цепью питания транзистора относительно земли не-
обходимо учитывать (рис. 10).
8
Рис. 10
На последнем рисунке влияние цепей питания учтено включением шун-
тирующих импедансов G
1
, G
2
. Кроме того, необходимо исключать влияние
источника сигнала и нагрузки на цепи обеспечения питания транзистора по-
стоянным током. На схеме рис. 10 это сделано с помощью разделительных
конденсаторов С
р1
, С
р2
, емкости которых выбирают настолько большими,
что на эквивалентной схеме для переменного сигнала их можно заменить ко-
роткими замыканиями.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"