Транзисторные схемы

1. Введение
Целью данной работы является описание транзисторных схем. Работа должна состоять из теоретической и практической частей. Целью теоретической части является изложение следующих тем: усилительный каскад на биполярном транзисторе, графический расчет усилительного каскада, малосигнальные схемы замещения транзистора, определение h-параметров по характеристикам, Y-параметры транзистора, использование схем замещения транзистора для анализа усилительных каскадов в режиме малых сигналов, малосигнальные физические эквивалентные схемы биполярного транзистора, схема для включения транзистора ОБ, схемы для включения транзистора с ОЭ, сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения, особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах, динамические свойства транзистора при включении с общей базой, динамические свойства транзистора в схеме ОЭ. Целью практической части является расчет схемы Дарлингтона.

2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Рис.2.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером.
Усилительный каскад должен содержать нелинейный управляющий элемент (транзистор или лампу), источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную - нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением eГ и внутренним сопротивлением RГ, а нагрузку - резистором RН ( во многих случаях нагрузка может стоять на месте резистора RК). На рис. 2.1 приведена схема усилительного каскада с ОЭ. Полярность источника питания EК обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы RБ и RК задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах - рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы CР1 и CР2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления. В рассматриваемой схеме постоянные составляющие токов и напряжений определяются:

2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Рис.2.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером.
Усилительный каскад должен содержать нелинейный управляющий элемент (транзистор или лампу), источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную - нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением eГ и внутренним сопротивлением RГ, а нагрузку - резистором RН ( во многих случаях нагрузка может стоять на месте резистора RК). На рис. 2.1 приведена схема усилительного каскада с ОЭ. Полярность источника питания EК обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы RБ и RК задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах - рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала.
...

3. Графический расчет усилительного каскада
Будем считать, что источник сигнала по отношению к транзистору является генератором тока iГIГmsint, где IГm=EГm/RГ. Тогда полный входной ток транзистора можно считать известным

Сопротивление нагрузки будем считать большим RН >> RК.
Для описания работы транзистора воспользуемся семейством выходных характеристик (рис.3.1) iК=f(iБ,uКЭ). Учитывая, что характеристика резистора RК подчиняется закону Ома, получим:

где (EК-uКЭ) - падение напряжения на резисторе RК. Это уравнение называется уравнением нагрузочной линии. Ее график имеет вид прямой линии, проходящей через точку EК на оси абсцисс и через точку EК /RК, на оси ординат. Чем меньше RК, тем более круто проходит нагрузочная линия.
...

4. Малосигнальные схемы замещения транзистора
В общем случае транзистор представляет собой активный (способный преобразовывать энергию источника сигнала) нелинейный четырехполюсник (рис. 4.1,а). Его можно описать семействами характеристик - нелинейными функциями двух переменных.
(4.1)
В зависимости от схемы включения транзистора величинам i1, i2, u1, u2 соответствуют те или иные реальные токи и напряжения.

Рис.4.1. Схемы замещения транзистора.
Однако на практике часто приходится сталкиваться с задачей усиления малых сигналов. В этом случае на постоянные составляющие токов I(0) и напряжений U(0) (определяющих рабочую точку транзистора) наложены малые переменные сигналы i(t), u(t) или:

Связи между малыми приращениями линейны и определяются полными дифференциалами функций f1 и f2:

Частные производные перед независимыми переменными обозначим символами h11, h12, h21, h22 и будем называть h-параметрами транзистора.
...

5. Определение h-параметров по характеристикам
Низкочастотные значения h-параметров транзистора можно найти с помощью семейств входных и выходных характеристик. Для этого:
1. Отмечают на характеристиках положение рабочей точки по постоянному току, в которой определяются h-параметры.
2. Определяются малые приращения токов и напряжений относительно рабочей точки и рассчитываются h-параметры.
В качестве примера определим значения h11Э, h12Э, h21Э, h22Э - параметров транзистора в рабочей точке, задаваемой величинами IБ(0), IК (0), UБЭ (0), UКЭ(0).
Параметры h22 и h21 определяют по выходным характеристикам (рис. 5.1).
.
Условие iБ=const эквивалентно равенству нулю переменной составляющей IБ m.
По характеристикам определяем

Отметим, что приращения выбираются вдоль характеристики, снятой при iБ =IБ (0).

При этом:

Рис.5.1. Выходные характеристики.

Рис.5.2. Входные характеристики.
Параметры h11Э и h12Э определяются аналогично по входным характеристикам транзистора (рис.5.2).
...

7. Использование схем замещения транзистора для анализа усилительных каскадов в режиме малых сигналов
С помощью схем замещения транзистора легко рассчитать параметры усилительной схемы для сигналов малой амплитуды. Для примера проведем расчет усилительного каскада (рис. 2.1).
Составим малосигнальную эквивалентную схему, соответствующую схеме рис. 2.1; для этого:
1. Источник постоянного напряжения замкнем накоротко (его сопротивление переменному току близко к нулю).
2. Заменим транзистор малосигнальной схемой замещения.
Полученная таким образом малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада изображена на рис.7.2,а.

Рис.7.2. Эквивалентные схемы усилительного каскада.
Для простоты примем, что сопротивления разделительных конденсаторов в рабочем диапазоне частот близки к нулю, а сопротивления RБ и RК велики ( RБ >> h11Э, RК >> RН). Тогда схема упрощается и приобретает вид рис. 7.2,б. Тогда для токов и напряжений транзистора запишем:

(7.
...

8. Малосигнальные физические эквивалентные схемы биполярного транзистора
Как и схемы замещения, малосигнальные физические (моделирующие) эквивалентные схемы предназначены для расчета малых переменных составляющих токов и напряжений, но элементы этих схем соответствуют структуре и физическим процессам реального транзистора. Параметры элементов физических эквивалентных схем вычисляются с помощью соотношений, вытекающих из теории транзисторов. Наиболее распространенные физические эквивалентные схемы получают путем линеаризации уравнений моделей Эберса - Молла, При этом уравнения предварительно упрощают, записывая для активного режима (малосигнальные физические эквивалентные схемы предназначены для анализа усилительных каскадов, в которых используется активный режим работы транзистора). В данном подразделе будут рассмотрены низкочастотные варианты эквивалентных схем, не учитывающие инерционность физических процессов в транзисторе.

9. Схема для включения транзистора ОБ
Т-образная малосигнальная эквивалентная схема приведена на рис. 9.1. Она включает:

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

сопротивление тела базы;

дифференциальное выходное сопротивление транзистора;

дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме с общей базой.
 
Рис.9.1. Т-образная малосигнальная эквивалентная схема.
Схема получена путем линеаризации классической модели Эберса-Молла для активного режима. Для данного режима генератор тока aIi2 в схеме на рис. 9.1 отсутствует и iЭ = i1. При линеаризации вместо эмиттерного перехода с нелинейной характеристикой появляется его дифференциальное сопротивление rЭ. Сопротивление rК, учитывающее эффект Эрли определяется по выходным характеристикам транзистора в схеме с ОБ (см. определение параметра h 22) величина r к составляет десятки - сотни килоом и часто не учитывается. h21Б » a - параметр , аналогичный статическому коэффициенту передачи тока a , но для малых приращений.
...

10. Схемы для включения транзистора с ОЭ
Схема на рис. 9.1 может быть использована и при включении транзистора с ОЭ. Для этого ток эмиттера IЭm надо выразить через ток базы IБm. В соответствии со схемой на рис. 9.1 для тока коллектора справедливо
(10.1)
кроме того: IЭm=IБm+IКm, тогда

или
(10.2)
где

- дифференциальный коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ; (соотношение аналогичное ).
Так как , то
  (10.3)
Дифференциальный коэффициент передачи тока h21Э может отличаться от статического  на десятки процентов, но технологический разброс еще больше и в последнее время между ними часто не делают различия, считая h21Э .

- выходное сопротивление транзистора в схеме ОЭ ( в десятки раз меньше, чем rК в схеме с ОБ.
 
Рис.10.1. Эквивалентные схемы.
С учетом выражения (10.2) Т-образная, малосигнальная эквивалентная схема для включения с ОЭ приобретает вид (рис. 10.1, слева). Для схемы с общем эмиттером часто используют и П-образную эквивалентную схему (рис 10.
...

11. Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения

Рис.10.1. Эквивалентная схема усилительного каскада .
Для сравнения усилительных каскадов воспользуемся малосигнальными физическими эквивалентными схемами при различных схемах включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК). При анализе будем полагать, что во всех схемах обеспечивается одинаковый режим по постоянному току.
Схема ОЭ.
Принципиальная схема усилительного каскада и соответствующая ей малосигнальная эквивалентная схема приведены на рис. 2.1 и 10.1 соответственно. Малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада ( схема для переменных составляющих) получена следующим образом:
1. Транзистор заменен его малосигнальной эквивалентной физической схемой ( в данном случае Т-образной).
2. Источники постоянного напряжения замкнуты накоротко (их сопротивление переменному току близко к нулю).
...

13. Динамические свойства транзистора при включении с общей базой
 
Рис.13.1. Эквивалентная схема транзистора при включении с ОБ.
Рассмотрим высокочастотную малосигнальную физическую эквивалентную схему транзистора при включении с ОБ (рис.13.1). По сравнению с аналогичной низкочастотной схемой (рис. 9.1) в нее добавлена емкость эммитерного перехода CЭ, состоящая из диффузионной CЭД и барьерной CЭБ емкостей. В общем случае CЭ=CЭД+CЭБ. Но для прямо смещенного перехода CЭCЭДд. Кроме того, параллельно обратно смещенному коллекторному переходу включена емкость CК =CКБ + СКД CКБ. Генератор тока может быть представлен двумя способами: в первом случае он управляется током с комплексной амплитудой , протекающим через r э, что сответствует базовым моделям Эберса - Молла. Отметим, что при появлении емкости CЭ ток . При этом ток генератора равен h21Б , где h21Б - низкочастотное значение параметра. Во втором случае генератор управляется током эмиттера с комплексной амплитудой .
...

14. Динамические свойства транзистора в схеме ОЭ
Для перехода к схеме ОЭ, как и ранее, выразим выходной ток через ток базы . Из схемы (рис. 14.1) имеем:
, (14.1)
где - напряжение между коллектором и точкой Б.
Подставляя в (14.1) получим
, (14.2)
где
; (14.3)
;
rк* =rк(1 - H21Б) . (14.4)
Отметим, что С*К и r*К - комплексные частотнозависимые величины. Эквивалентная схема транзистора с учетом (14.2...14.4) приведена на рис.14.1 .

Рис. 14.1
  Физический смысл H21Э следует из (14.3).
При , , поэтому H21Э называется коэффициентом передачи тока базы на частоте f. Вместо H21Э и также используются обозначения ~ и f . Для оценки частотных свойств транзистора в схеме с ОЭ найдем частотную зависимость H21Э. Подставляя (13.3) в (14.3), получим
, (14.5)
где
. (14.6)
Величину fH21Б называют предельной частотой коэффициента передачи тока базы.
При f=fH21Б
.
...

15. Схема Дарлингтона

На рис.15.1 показана схема Дарлингтона. Q1 – маломощный транзистор, Q1 – мощный транзистор.

Рис. 15.1. Схема Дарлингтона.
На рис.15.2 показана эквивалентная схема схемы Дарлингтона.



Рис. 15.2. Эквивалентная схема схемы Дарлингтона.
Найдем , используя законы Кирхгофа:

Входное сопротивление равно

Выходное сопротивление равно

Коэффициент передачи по напряжению равен

Коэффициент передачи по току равен

Найдем



16.
...

17. Список литературы

1. Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники. – М.: Энергия,
1974.
2. Бергельсон И. Г., Минц В. И. Транзисторы биполярные. – М.: Сов. Радио, 1976.
3. Васильев В. А. Радиолюбителю о транзисторах. – М.: Досааф,1973.
4. Диоды и транзисторы/ Под редакцией Чернышёва. – М.: Энергия, 1976.
5. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высш. шк., 1998. С.175–185.
6. Пасынков В.В., Чиркин Д.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы М. :Высш. шк., 1981. С.166-248.
7. Пляц О. М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным схемам. – Минск: Вышэйшая школа, 1979.
8. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под редакцией Н. И. Горюнова. – М.: Энергия, 1979.
9. Терещук Р. М., Терещук И. М., Седов С. А. Полупроводниковые приёмно усилительные устройство. Справочник радиолюбителю. Издание второе, стереотипное. – Киев: Наукова думка, 1982.
10. Транзисторы/ Под редакцией А. А. Чернышёва. – М.: Энергия, 1979.