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: r э – сопротивление эмиттера, r к – сопротивление коллектора, r б – 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.

Схема замещения:

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.

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 = f_в-f_н - 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 U_ш = 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:

, где

q - заряд электрона, ;

I _n.т – 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 < 50 Ом всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. Лучше использовать трансформатор для увеличения уровня и сопротивления источника сигнала.

Для БПТ основное значение имеет шум тока входного, для ПТ – шум напряжения (у них нет входного тока), т.е. при предпочтительно использовать БПТ, при -ПТ, в диапазоне транзистор выбирается по дополнительным характеристикам, при с целью минимизации шумов желательно использовать сигнальные трансформаторы.

С целью уменьшения шумов используется параллельное соединение БПТ. Шумы при этом уменьшаются в раз, где количество параллельно соединенных БПТ.

С целью устранения помех по цепям питания используются помехоподавляющие фильтры, проникающих из атмосферы – различные виды экранирования.

С помощью замкнутых объемов со стенками из материала с высокой проводимостью, мы можем практически полностью экранировать приемник от электростатических помех.

Магнитную составляющую помехи исключить невозможно. Ее можно только уменьшить путем экранирования с использованием материала с высокой магнитной проводимостью (например, пермоллой).

Очень важную роль играет заземление.

Помехи бывают продольные и поперечные.

Подавление продольных помех очень эффективно осуществляется продольным трансформатором – режекторным дросселем.

Здесь по отношению к полезному дифференциальному сигналу трансформатор не является индуктивным сопротивлением благодаря встречному включению обмоток, а продольным синфазным помехам он оказывает индуктивное сопротивление.

 

Схема полезна для подавления ВЧ помех, когда в качестве сердечника используется небольшое ферритное кольцо, в которое один или несколько раз продевается витая пара сигнальных проводов.

Помехи, порождаемые магнитными полями, пропорциональны площади пересекаемого переменным магнитным потоком контура и зависит от ориентации этого контура по отношению к источнику наводки.

ЭДС, наводимая полем будет создавать поперечную наводку, поэтому дифференциальный вход не помогает.

В схемах 1 – 6 цепи заземлены с двух сторон, возвратные токи источника сигнала проходят через шину земли полностью или частично, поэтому площадь контура велика.

В схемах 7 – 11 проводник возвратного тока расположен близко к сигнальному, поэтому подавление выше.

В схемах 1 – 2 магнитного экранирования нет, т.к. контур не изменился по сравнению с простым проводником. Такое заземление обеспечивает экранирование от электрического поля.

Заземление обоих концов дает малый эффект.

 

 

 

Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения

 

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n. Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

Iкп³Imн=Um вых/Rн

Напряжение покоя обычно выбирается Uкэп=Eк/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I _к=

 

Линию нагрузки можно построить в координатах Iк, Uкэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять Iк=0, то Uкэ=Eк. Построение статической линии нагрузки показано на рисунке справа (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины Rк и RБ:

;

При работе каскада в режиме холостого хода и рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше Eк/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно Rк включается Rн. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di_к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке (c-d). Очевидно, что угол между осью Uкэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R _н (при Rн=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U _{вых пр} с уменьшением Rн становится меньше Eк/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

;

;

.

 

 

Расчёт каскада с общим эмиттером по постоянному и переменному току.

 

Расчёт может осуществляться либо слева направо, либо справа налево. Слева направо.

Дано: R_g = 1кОм

U = 20В

h₂₁ = 100

k_U = 20

f_н = 200

δ_н = 6дБ

Найти: R1, R2, R_к, R_э1, R_э2, R_н,C1,2, C3.

По постоянному току:

1.

Шина питания по постоянному току эквипотенциальна земле (через Сф)

2. R_вх = R_э1h₂₁ = 10R_д = 100k => R_э1 = 1кОм

3. R_э/R_к = 0,1 – 0,3 => R_к = 5.1кОм

4. R_H=l0R_вых = 51кОм

(R_вых = R_кб||R_к)

5. U_к = U_п/2=>I_к = U_п/2·1/R_к = 2мА

6. U_э = I_эR_э1 = 2В

7. U_б =U_э+ 0,6 = 2,6В

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

9. => R2 = 77/6.7 = 11кОм = 12кОм

R1 = 75кОм = 82кОм
10. r_э0 = φ_Т/I_к = 25/2 = 12,5Ом

 

По переменному току:

11. k_U = R_к/(R_э+r_э0) => R_э+r_э0 = 255Ом => R_э = 242,5Ом

R_э1·R_э2/(R_э1+ R_э2) = 242,5Ом

R_э1 = 1кОм => R_э2 = 330Ом

12. δ_э = 0,5 δ = 3дБ

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

Z/R = √2 => R = X_c = R_э2+r_э0 = 342,5Ом

13.δ1 = δ2 = 1,5дБ

14.

=>X_C = 6,44кОм

C1 = 120нФ

15. δ1 = δ2 = 1,5дБ

R_н/R_д = 5 => X_C2/X_C1 = 5 => C1/C2 = 5 =>C2 =33нФ

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

 

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 U_ВЫХ усилителя) и по току (сигнал ООС пропорционален току через нагрузку).