Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов в зависимости от схемы включения

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала. Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы – транзисторы.



При проектировании электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2...0,3), а ещё лучше – 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами – малосигнальной эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры – всё остаётся без изменений, меняется лишь направление источника тока.
Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить по справочным данным на транзистор либо некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1 Эквивалентная схема транзистора

Итак:
r_б = τ_ос / C_к – объёмное сопротивление базы, где τ_ос – постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а C_к – ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то "постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте" указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт), где Р_макс – максимальная рассеиваемая мощность транзистора.
Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) – активное сопротивление эмиттера , где I_э – ток эмиттера.
r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const) – дифференциальное сопротивление обратно смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает наличие пресловутого эффекта Эрли – эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ. Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы 50мкА, а соответственно, при токе коллектора Iк = h21э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически не имеет наклона, что позволяет нам считать сопротивление rк очень большим (не менее 10 МОм).

При Iб = 100мкА, Iэ ≈ 26мА, rк= ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В – 3В)/(30мА – 26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем выше величина тока тр-ра, тем ниже значение сопротивления rк.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
С_к – это ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и С_э – это диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками, повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства полупроводников.

Далее на повестке – источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной I_к = α x I_э , где α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.


Рис.3 Схемы транзисторных каскадов ОЭ, ОБ, ОК

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где Rист - выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈ R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u = - β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э ;
K_i = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)] ;
K_i = β + 1 .

Как уже было сказано – данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов транзисторов и могут иметь расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту сопутствующих им элементов.

Назад

Дальше