Меню

Схема замещения транзистора по переменному току

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Читайте также:  Чем выше ток холостого хода в трансформаторе тем

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник



Схемы замещения и параметры транзистора

Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. Получили распространение физические и формализованные модели транзистора. В физической схеме замещения ее параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рисунке 2.6, а, б показаны Т-образные схемы замещения для переменных токов и напряжений для схем ОБ и ОЭ соответственно. Они справедливы для линейных участков входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Здесь rЭ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении):

Значения rЭ зависят от постоянной составляющей тока эмиттера:

Числовое значение rЭ лежит в пределах от единиц до десятков Ом. RБ — поперечное объемное сопротивление базы сопротивление базовому току. Обычно rБ >> rЭ и составляет 100 ¸ 500 Ом. Эквивалентный источник тока a×IЭ учитывает транзитную составляющую приращения эмиттерного тока, проходящую через базу в коллектор.

является дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (включенного в обратном направлении); учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения UКБ. Значения rK лежат в пределах 0,5 ¸ 1 МОм.

Емкости СЭ и СК — это емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода.

Поскольку на высоких частотах емкость СК шунтирует большое сопротивление rK, она сильно влияет на работу транзистора, а емкость СЭ шунтирует малое сопротивление rЭ и ее влияние незначительно. Емкость СК учитывают при частотах, составляющих десятки килогерц, а емкость СЭ — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (от десятков герц до единиц килогерц) емкости переходов не учитывают и в схему замещения не вводят.

Широкое распространение получили формализованные модели транзистора. Они основаны на представлении транзистора в виде четырехполюсника, который может быть характеризован одной из шести систем уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. Чаще всего используются система уравнений на базе h-параметров:

Схема замещения транзистора для системы h-параметров показаны на рисунке 2.7. Система на базе h-параметров позволяет легко измерить и определить по ВАХ транзистора. Эти параметры имеют следующий физический смысл:

h11 = U1 / I1, при U2 = 0 — входное сопротивление транзистора в режиме короткого замыкания (к. з.) на выходе для переменного тока;

— h12 = U1 / U2 , при I2 =0 — коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (х. х.) на входе для переменного тока;

— h21 = I2 / I1 ,при U2 = 0 — коэффициент передачи тока в режиме к.з. на выходе для переменного тока;

— h22 = I2 / U2 , при I1 =0 — выходная мощность транзистора в режиме х.х. на входе для переменного тока.

Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, h-параметры транзистора связаны с их физическими параметрами в схеме ОБ следующими соотношениями:

Источник

Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры

Статические характеристики биполярного транзистора, h-параметры

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства.

Все параметры можно разделить на собственные (первичные) и вторичные.

Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения. К ним относятся: rэ – сопротивление эмиттера, rк – сопротивление коллектора, rб – сопротивление базы. Значения сопротивлений рассматриваются по отношению к переменной составляющей.

С учетом этих параметров транзистор, включенный по схеме с ОЭ, может быть представлен эквивалентной схемой.

Генератор тока отражает усилительные свойства схемы, а уменьшение коллекторного сопротивления на 1-α – тот факт, что к эмиттерному переходу прикладывается часть напряжения Uкэ.

Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную зависимость между токами и напряжениями транзистора.

Статическими характеристиками являются статический коэффициент передачи тока эмиттера α и статический коэффициент передачи тока базы β.

С точки зрения системы вторичных параметров транзистор рассматривают как некоторый четырехполюсник со следующей схемой замещения.

Эквивалентная схема с h-параметрами:

1) Входное сопротивление при коротко замкнутом выходе при , к.з. на выходе по переменному току, .

2)Коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на входе, . Этот коэффициент показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие отрицательной обратной связи в нем.

3) Усиление тока при к.з. на выходе по переменному току , при , .

Показывает коэффициент усиления переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

4) Выходная проводимость при х.х. на входе , при , – часто используют выходное сопротивление.

Представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Эффект Эрли

Эффект Эрли заключается в том, что изменение напряжения между коллектором и эмиттером влечет изменение напряжения между базой и эмиттером.

Эффект Миллера

Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению Кu, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в Кu раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Волна проходит через конденсатор, попадает на базу и уменьшает входной сигнал. Из этого следует, что для источника сигнала емкость Скб в (Кu +1) раз больше, чем при подключении Скб между базой и землей. Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пкФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю.

Читайте также:  Электрический ток проводит водный раствор глюкозы водный раствор хлорида натрия расплав серы расплав

Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные) — п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.

С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).

С точки зрения управления электрическим полем — полевыми.

Различают схемы включения:

— с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;

— с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;

— с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.

Отличие биполярных от полевых транзисторов: практически бесконечное входное сопротивление, несколько худшие усилительные свойства, лучшие температурные характеристики, возможность параллельного включения с целью увеличения тока, опасность повреждения статическим напряжением.

По способу создания канала различают ПТ с p-n-переходом (канал p- или n-типа), встроенным каналом (МДП) и индуцированным каналом (МОП).

ПТ с управляющим р-n переходом содержит три п/п области одного и того же типа проводимости, называемые истоком — каналом — стоком.

Движение носителей заряда начинается от истока в направлении стока по каналу, ширина которого зависит от напряжения, приложенного к затвору. Соответственно имеет 3 электрода: затвор, сток и исток. р-n переход является высокоомной областью неподвижных носителей заряда –ионов.

Подавая на затвор запирающее напряжение (в нашем случае «-«) мы увеличиваем ширину р-n переходов и соответственно уменьшаем ширину канала и увеличиваем его сопротивление.

Резистор автоматического смещения служит для автоматического создания напряжения смещения. При его увеличении возможно полное запирание. Сопротивление в цепи затвора необходимо для заряда конденсатора.

При подаче на затвор отпирающего напряжения > 0,5В происходит отпирание р-n-перехода, возникает ток затвора и ПТ теряет основное своё преимущество: высокое входное сопротивление.

МОП с изолированным затвором и индуцированным каналом.

При приложении к затвору напряжения положительной полярности определенной величины, в области подложки (наиболее близко расположенная к затвору), под диэлектриком, образуется канал из неосновных носителей зарядов электронов. Для него характерно ещё большее входное сопротивление, но меньшее усиление, так как управляющий затвор находитя на большем расстоянии от канала.

МДП со встроенным каналом.

При подаче положительного напряжения увеличиваем ширину канала, и ток по нему тоже увеличивается. При подаче отрицательного напряжения уменьшаем ширину канала и ток по нему, вплоть до полного закрытия транзистора.

«+» возможность работы без начального смещения

«-» протекание тока при наличие U3 = О

Чтобы р-п переходы были надёжно заперты относительно подложки (П), мы подаём на П напряжение, противоположное полярности по отношению к напряжению на стоке, т.е. для п — канала это будет «-«. В обычных случаях соединяем П и U

КМОП — комплиментарные МОП с п и р переходом.

«+» отрицательный температурный коэффициент мощности, т.е. при нагреве ток стока уменьшается.

ПТ п — типа с р-п переходом не рекомендуется использовать при комбинации больших (20-50В) напряжений на затворах и относительно больших (> 1 мА) тока стока, из-за резкого возрастания тока затвора.

Достоинства ПТ: высокое входное сопротивление.

Недостатки: более низкое, по сравнению с БПТ, усиление по напряжению.

Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования.

Усилители — устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

УПТ – усилитель постоянного тока

УЗЧ – усилитель звуковых частот

УНЧ – усилитель низких частот

УВЧ – усилитель высоких частот

ШПУ – широкополосные усилители

УПУ — узкополосные усилители

Δf = fв-fн — полоса пропускания или полоса усиливаемых частот.

Амплитудно-частотная характеристика отражает зависимость модуля коэффициента усиления , определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты. Однако очень редко один усилительный каскад обеспечивает требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют много каскадные усилители с конденсаторной связью между каскадами, общий коэффициент усиления которых определяется как произведение коэффициентов усиления всех каскадов

.

Каскады рассчитываются последовательно от оконечного к первому. Оконечный каскад обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке . По коэффициенту усиления оконечного каскада определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада и.т.д. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

Поэтому второй характеристикой усилителей является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость угла фазового сдвига от частоты.

Усилительный каскад задерживает сигнал на какое-то время. Каждые гармонические составляющие задерживаются на разное время.

Амплитудная характеристика усилителя (реальная):

По амплитудной характеристике можно выделить следующие основные параметры усилителя:

1. Коэффициент усиления по току ;

2. Коэффициент усиления по напряжению

3. Коэффициент усиления по мощности ;

4. Чувствительность усилителя минимальное значение входного сигнала, при котором полезный сигнал на выходе уже различим на уровне помех (при отношении сигнал — шум)

5. Динамический диапазон — отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому, при которых не возникает искажение .

1) Тепловой шум (Джонсона).

Любой резистор генерирует на своих концах шум напряжений. У него горизонтальный частотный спектр (одинаковая мощность шума на всех частотах). Шум с горизонтальным спектром называется «белым шумом».

, где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура в кельвинах; R – сопротивление; В — полоса частот, Гц.

Например, резистор с R=10 кОм, при комнатной температуре в полосе пропускания В=10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение шума в разомкнутой цепи порядк Uш = 1,3 мкВ. Для уменьшения теплового шума можно уменьшить температуру резистора.

2) Дробовой шум.

Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, определяемым по формуле:

q— заряд электрона, ;

I n – постоянный ток, проходящий через резистор;

B – ширина полосы частот измерения.

Значение этого шума (в % — м отношении) тем меньше, чем выше ток.

3) Шум 1/f (фликкер — шум).

Дробовой и тепловой шумы – это неуменьшаемые в данных условиях виды шума, происходящие вследствие действия физических законов. Самый дорогой резистор имеет тот же тепловой шум, что и дешевый углеродный резистор с таким же сопротивлением.

Реальные источники имеют различные источники шумов: флуктуации сопротивления, порождающие дополнительные напряжения шума, пропорциональные протекающему току. Этот шум зависит от конструкции резистора, резистивного материала и, в особенности, от концевых соединений. Шум имеет спектр 1/f (постоянная мощность на декаду частоты), иногда его называют «розовый шум».

4) Шум тока базы транзистора и шум катодного тока в электронных лампах.

Биполярные транзисторные усилители могут обеспечить очень хорошие шумовые параметры в диапазоне от 200 Ом до 1 МОм, при токе коллектора менее 1 мкА.

При больших сопротивлениях источника >100 кОм преобладает шум тока транзистора, поэтому лучшим устройством для усиления сигнала с шумом будет ПТ, хотя у него шум напряжения больше чем у БПТ, но ток затвора и его шум исчезающе малы.

При очень малых сопротивлениях Rэ1 = 1кОм

8. R1/R2 = 17,4/2,6 = 6,7

9. => R2 = 77/6.7 = 11кОм = 12кОм

По переменному току:

12. δэ = 0,5 δ = 3дБ

При понижении частоты, ёмкостное сопротивление Сэ возрастает, увеличивается эквивалентное сопротивление в эмиттерной цепи и уменьшается коэффициент усиления.

15. δ1 = δ2 = 1,5дБ

Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС

Читайте также:  Проводник с током электростанции

В общем случае обратную связь (ОС) можно определить как связь выходной цепи усилителя или каскада усиления с его входной цепью. Она образуется тогда, когда усиленный сигнал с выхода отдельного каскада усилителя или усилителя в целом передается на его вход через цепи, дополнительно вводимые для этого (внешняя ОС) или уже имеющиеся в нем для выполнения других функций (внутренняя ОС). К последним, например, относятся общая цепь источника питания усилителя, межэлектродные емкости в электронных приборах.

В большинстве случаев внутренняя ОС и непреднамеренно возникшие цепи внешней ОС (например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя) вызывают так называемую паразитную ОС. В реальных устройствах паразитная связь, как правило, приводит к изменению их свойств в худшую сторону и возникновению других нежелательных явлений (в частности, генерацию паразитных колебаний, частоты которых значительно выше или ниже частот усиливаемых колебаний), часто трудно поддающихся контролю и устранению.

На рисунке приведена структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС. Стрелками показаны направления прохождения сигнала.

Часть усиленного внешнего сигнала с выхода усилителя (прямая цепь передачи сигналов) поступает по цепи ОС на его вход и складывается там с внешним сигналом. При таком сложении амплитуд сигналов (внешнего и ОС) на входе усилителя возможны два принципиально отличных по конечному действию случая: либо сумма амплитуд сигналов больше амплитуды внешнего сигнала (фазы колебаний с одинаковой частотой на выходе цепи ОС и входной сигнала совпадают, сдвиг фаз равен 0°), либо меньше его (их фазы противоположны, сдвиг фаз равен 180°). В первом случае говорят о ПОС (положительной обратной связи), во втором – о ООС (отрицательной ОС). В большинстве случаев ПОС паразитная.

Обратная связь (ОС), охватывающая один каскад, называется местной, несколько — общей.

Если во входной цепи усилителя вычитается ток в цепи ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной. Если во входной цепи вычитается напряжение входного сигнала из сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной. По способу получения (снятия) сигнала ООС с выхода усилителя различают ООС по напряжению (когда сигнал ООС пропорционален UВЫХ усилителя) и по току (сигнал ООС пропорционален току через нагрузку).

Источник

Лекция 14. Схема замещения биполярного транзистора в физических параметрах

Представление транзистора схемой замещения (эквивалентной схемой) необходимо для проведения расчетов цепей с транзисторами. Особый интерес представляет схема замещения в физических параметрах, в которой все ее элементы связаны с внутренними (физическими) параметрами транзистора.

Ниже рассматриваются схемы замещения транзисторов ОБ и ОЭ для переменных составляющих токов и напряжений применительно к расчету схем с транзисторами, работающими в усилительном режиме, в частности усилительных каскадов. Такие схемы замещения справедливы для линейных участков входных и выходных характеристик транзистора, при которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Рис. 4.10. Схема замещения транзистора в физических параметрах, включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

Т-образная схема замещения транзистора ОБ показана на рис. 4.10, а. По аналогии со структурой транзистора (см. рис. 4.5), она представляет собой сочетание двух контуров: левого, относящегося к входной цепи (эмиттер — база), и правого, относящегося к выходной цепи (коллектор — база). Общим для обоих контуров является цепь базы с сопротивлением rб.

Охарактеризуем элементы, входящие в схему замещения.

1. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении). Это сопротивление определяется выражением

rэ = dUэ / dIэ, Uкб = const (4.13)

Сопротивление rэ позволяет учесть связь между напряжением на эмиттерном переходе иэ и проходящим через него током iэ. Объемное сопротивление эмиттерной области является низкоомным, поэтому оно, как и сопротивление вывода эмиттера, в схеме замещения не учитывается. Величина rэ зависит от постоянной составляющей тока эмиттера Iэ и связана с ней соотношением

rэ = φТ / Iэ = 0,025 / Iэ.

Числовое значение rэ лежит в пределах от единиц до десятков ом.

2. Объемное сопротивление базы rб. Оно определяется в направлении прохождения базового тока в слое базы от границы с эмиттерным переходом. Базовый слой является сравнительно высокоомным и обычно rб > rэ. Числовое значение rб зависит от типа транзистора и составляет 100—400 Ом.

3. Эквивалентный источник тока αiэ. Он учитывает транзитную составляющую приращения эмиттерного тока, проходящую через область базы в коллектор.

4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении). Это сопротивление определяется выражением

rк(б) = dUкб / dIк, Iэ = const. (4.15)

Сопротивление rк(б), как было показано, учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения Uкб вследствие эффекта модуляции базы. Значение rк(б) лежит в пределах 0,5—1 мОм.

5. Источник напряжения εuкб во входной цепи. Он определяет напряжение внутренней положительной обратной связи и отражает влияние эффекта модуляции базы на входную цепь транзистора, в частности изменение входного напряжения под действием изменения коллекторного напряжения. Числовое значение коэффициента обратной связи ε сравнительно мало (10–4—10–3), поэтому источник напряжения εuкб в схему замещения часто не вводят.

6. Емкости Сэ(б), Ск(б) эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них, так же как емкость одиночного p-n-перехода, равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода.

Величина барьерной емкости зависит от напряжения смещения p-n-перехода, в частности при прямом смещении барьерная емкость больше, чем при обратном. Следовательно, барьерная емкость эмиттерного перехода больше, чем коллекторного перехода.

В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной области объемного заряда p-n-перехода, диффузионная емкость характеризует изменение заряда в базе, вызванное изменением напряжения на переходе. Изменение заряда в базе под действием напряжения на эмиттерном переходе связано с инжекцией носителей заряда в базе, а под действием напряжения на коллекторном переходе — с эффектом модуляции базы. Для того чтобы заряд в базе изменился на одну и ту же величину, изменение напряжения на коллекторном переходе должно быть большим, чем изменение напряжения на эмиттерном переходе.

Величины емкостей Сэ(б) и Ск(б) зависят от типа транзистора. Так, у высокочастотных транзисторов они существенно меньше, чем у низкочастотных. Для ориентировочной оценки укажем, что емкость Сэ(б), определяемая преимущественно диффузионной емкостью, составляет сотни пикофарад, а емкость Ск(б), определяемая в основном барьерной емкостью, — десятки пикофарад.

Несмотря на указанное различие в величинах эмиттерной и коллекторной емкостей, влияние емкости Ск(б) на работу транзистора в области повышенных частот проявляется сильнее, чем влияние емкости Сэ(б). Это связано с тем, что емкость Сэ(б) зашунтирована малым сопротивлением rэ, а емкость Ск(б) —большим сопротивлением rк(б). Поэтому емкость Ск(б) приходится учитывать в схеме замещения при частотах, составляющих десятки килогерц, а емкость Сэ(б) — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (десятки герц и единицы килогерц) емкости переходов не учитывают и в схему замещения не включают.

7. Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока, более точно характеризующий величину α для малых приращений этого тока. Он выражается соотношением

α = dIк / dIэ, Uкб = const. (4.16)

Величину коэффициента α в области средних частот принимают неизменной. С переходом в область повышенных частот, при которых начинает сказываться время прохождения дырок через базу, коллекторный и базовый токи отличаются по фазе от эмиттерного тока, а коэффициент α уменьшается. При повышенных частотах коэффициент передачи тока становится комплексной величиной (α = α0 + jα(ω)), модуль и аргумент которой следует рассчитывать для соответствующей частоты. О частотных свойствах транзистора судят по так называемой граничной частоте fα, при которой модуль коэффициента передачи тока |α| уменьшается в √2 раз. Частота fα входит в число основных параметров транзистора.

Т-образная схема замещения транзистора ОЭ приведена на рис. 4.10, б. Сопротивления rэ, rб имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме ОБ. Источник напряжения, учитывающий обратную связь, в схеме замещения не показан ввиду малого значения коэффициента обратной связи. Поскольку входным током в схеме ОЭ является ток базы транзистора, в выходную цепь схемы замещения включен источник тока βiб. Направления токов, так же как и для схемы ОБ, подчиняются условию iэ = iк + iб.

Сопротивление rк(э) = rк(б) / (1 + β), как указывалось, учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения икэ вследствие эффекта модуляции базы. Так как исходным в схеме ОЭ является ток базы, который в 1 + β раз меньше тока эмиттера, то при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ в 1 + β раз уменьшается не только активное, но и емкостное сопротивление коллекторного перехода. Это означает, что в схеме ОЭ Ск(э) = (1 + β) Ск(б). Увеличение емкости Ск(э) приводит к еще большему ее влиянию в области повышенных частот, чем Сэ(э) = Сэ(б). В связи с этим емкость Сэ(э) в схеме ОЭ обычно не учитывают.

Дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме ОЭ β = dIк / dIб, Uкэ = const, является также частотно-зависимым. Если граничную частоту fβ в схеме ОЭ определять, как и в схеме ОБ, по снижению коэффициента передачи тока в √2 раз, то

fβ = fα / (1+ β), (4.17)

т.е. частотные свойства транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ.

Источник