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.
pnp и npn транзисторы

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2...0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.
Эквивалентная схема транзистора

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 на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:
rб = τос / Cк - объёмное сопротивление базы, где τос - постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а Cк - 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:
rб(Ом) ≈ 10 / Рмакс(Вт), где Рмакс - максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
rэ(Ом) = 25,6 / Iэ(мА) - активное сопротивление эмиттера , где Iэ - ток эмиттера.

rк = ∆Uкэ / ∆Iк (при Iб = 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.

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

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

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

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.
Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
Ск - ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и Сэ - 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 Iк = α x Iэ , 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.
Усилительные каскады ОЭ, ОБ, ОК
Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
Rвх ≈ rэ ;
Iэ = Uвх / (Rист + rэ), где Rист - выходное сопротивление источника сигнала ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) ;
Rвых = (rк + rэ) ll Rк ;
Ku = α x Rк / (rэ + Rист) ≈ Rк / (rэ + Rист) ;
Ki = 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):
Rвх = rэ x (1 + β) ;
Iб = Uвх / Rвх ;
Iэ = Iб + Iк = Iб x (1 + β) ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) = Iб x β ;
Rвых = Rк ll [rэ + rк / (1 + β)] ;
Ku = - β x Rк / [(β + 1) x rэ] ≈ Rк / rэ ;
Ki = 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:
Rвх = (rэ + Rэ) x (1 + β) ;
Iб = Uвх / Rвх ;
Iэ = (β + 1) x Iб ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) = Iб x β ;
Rвых = rэ + Rист / (1 + β) ;
Ku = Rэ / [Rэ + rэ + Rист / (1 + β)] ;
Ki = 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 значительные 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.




 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved