Основы радиоэлектроники и связи

8. Прохождение детерминированных сигналов через активные линейные цепи : 8.3. Усилители низкой частоты

8.3.3 Схема замещения транзистора с общим эмиттером

В заданной рабочей точке на линейном участке ДПХ для переменных значений токов и напряжений транзистор можно представить в виде активного линейного четырехполюсника. Наиболее удобной системой параметров, описывающей связь между переменными токами и напряжениями для биполярного транзистора, является система h-параметров. Уравнения линейного четырехполюсника в системе h-параметров имеют вид:

где индекс 1 соответствует входной переменной, индекс 2 - выходной, а значок означает малые изменения соответствующих переменных, при которых транзистор можно считать линейным элементом.

Из уравнений (3) следует, что напряжение на входе четырехполюсника зависит как от входного тока, так и от выходного напряжения, что свидетельствует о связи входа четырехполюсника с его выходом (обратная связь); ток в выходном проводе определяется как выходным напряжением, так и током, текущим во входной цепи четырехполюсника. Таким образом, четырехполюсник характеризуется прямой - от входа к выходу, и обратной - от выхода к входу, передачей сигналов.

Каждый h-параметр имеет определенный физический смысл. Так, параметр h_{11 -} это сопротивление, через которое течет входной ток i₁ благодаря приложенному к нему напряжению u₁; h₁₂ - это параметр обратной передачи, он определяет, какая часть выходного напряжения передается во входную цепь; h₂₁ - это параметр прямой передачи тока, он показывает, как передается в выходную цепь изменение тока во входной цепи; h₂₂ - это проводимость, через которую течет выходной ток в результате приложенного выходного напряжения.

Система уравнений четырехполюсника позволяет представить линейный усилитель в виде эквивалентной схемы (или схемы замещения), входная цепь которой определяется первым уравнением, а выходная - вторым уравнением системы (3). Действительно, первое уравнение описывает в виде второго закона Кирхгофа некоторую последовательную цепь, включающую в себя сопротивление h₁₁ и источник напряжения u_экв=h₁₂ u₂. Второе уравнение системы описывает параллельную цепь в виде первого закона Кирхгофа, включающую в себя проводимость h₂₂ и источник тока i_экв=h₂₁ i_1.. Таким образом, активный линейный четырехполюсник может быть представлен в виде схемы замещения, показанной на рис.5.

Величины h-параметров четырехполюсника могут быть определены различными способами с помощью так называемых опытов холостого хода и короткого замыкания для переменных составляющих токов и напряжений. Так, осуществляя опыт короткого замыкания на выходе ( u₂=0), определяют значения параметров h₁₁ и h₂₁, а опыт короткого замыкания на входе ( i₁=0) дает возможность определить значения параметров h₁₂ и h₂₂ . Для определения h-параметров могут быть также использованы физические схемы замещения транзисторов, семейства их статических ВАХ в окрестности рабочей точки, а также эксперимент.

Рис. 5

Для транзистора с ОЭ входными переменными являются изменения тока базы и напряжения промежутка база-эмиттер, а выходными - изменения тока коллектора и напряжения промежутка коллектор-эмиттер. Система уравнений в этом случае будет иметь вид:

Опыт короткого замыкания на выходе предполагает, что u_кэ=0, при этом напряжение на коллекторе относительно земли равно напряжению U_кэ,0 . Опыт холостого хода на входе предполагает i_б =0, при этом ток базы транзистора равен току базы в рабочей точке I_б,0 .

Принцип определения h-параметров транзистора с ОЭ по его ВАХ показан на рис.6 в соответствии с соотношениями:

h_11,э= u_бэ / i_б при u_кэ =0 ( см. рис.6,а),

h_12,э = u_бэ/ u_кэ при i_б=0 (см. рис.6,б),

h_21,э= i_к/ i_б при u_кэ =0 (см. рис.6,в),

h_22,э= i_к/ u_кэ при i_б=0 (см. рис.6,г).

Рис. 6

Транзисторы с ОЭ характеризуются сравнительно слабой зависимостью входных характеристик от напряжения коллектор-эмиттер, поэтому часто принимают h_12,э » 0. На рис.7 представлена эквивалентная схема транзистора с ОЭ, где приняты обозначения: r_бэ= h_11,э - входное сопротивление транзистора с ОЭ, b =h_21,э- коэффициент передачи базового тока в коллекторную цепь, r_кэ =1/h_22,э - выходное сопротивление транзистора с ОЭ, а в качестве малых приращений переменных показаны их амплитуды при гармоническом воздействии, причем максимальные значения этих амплитуд таковы, что все мгновенные значения токов и напряжений не выходят за пределы линейного участка ДПХ.

Рис. 7

Эта схема пока не учитывает частотных свойств транзистора, так как параметры определены по статическим ВАХ. Используя физические малосигнальные модели транзистора, например, Эберса-Молла, можно также определить h-параметры, но уже с учетом частотных свойств транзистора. Можно также в модель вида рис. 7 вставить эквивалентные емкости С_бэ и С_эк, отражающие инерционные (частотные) свойства транзистора.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004