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:
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.
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:
Ск – это ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и
Сэ – 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
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.
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:
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 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.
|