Усилители на биполярных транзисторах (стр. 3 из 6)

4. Статистические характеристики

При анализе усилительных схем на транзисторах широко используются т.н. статические характеристики: Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную связь между постоянными токами и напряжениями на электродах транзистора.

В зависимости от того, какие токи и напряжения принимаются за независимые переменные, возможны различные" системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик. В общем случае связь между токами и напряжениями на трех электродах транзистора можно выразить шестью различными системами (по четыре семейства характеристик в каждой системе).

Мы не будем здесь рассматривать все эти случаи, а обратимся сразу к системе, получившей наибольшее распространение. Это т.н. система статических параметров (или гибридная система), которая соответствует наиболее распространенной группе малосигнальных параметров и имеет ряд преимуществ перед другими системами.

В данной системе в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

входными

выходными

обратной связи

прямой передачи

Заметим, что для разных схем включения транзистора в качестве входных и выходных выступают токи и напряжения на его различных электродах. Поэтому вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора.

Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик из четырех названных. Другие два могут быть найдены с помощью перестроений. На практике наибольшее распространение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи обычно выступают в роли второстепенных.

Статические характеристики имеют большое значение при анализе работы самых разнообразных усилительных схем. По статическим характеристикам выбираете оптимальное положение рабочей точки транзистора по постоянному току, вычисляются допустимые амплитуды колебаний переменного напряжения и тока на входе усилителя, анализируется линейность усиления и многие другие показатели схемы. По выходным характеристикам можно определить, правильно ли согласован усилительный каскад с нагрузкой, и предсказать поведение этого каскада при изменениях характера нагрузки.

В реальных схемах транзисторных усилителей в качестве входных токов и напряжений выступают напряжения и токи на конкретных электродах. Например, для схемы с ОЭ входным напряжением будет напряжение на участке эмиттер—база(

), а выходным током — ток коллектора (I_К). Часто статические характеристики транзисторных схем называют по имени электрода, ток которого эти характеристики отражают. Так, в приведенном выше случае мы будем говорить о выходных коллекторных характеристиках.

5. Статические и дифференциальные параметры транзисторов

Выше мы уже упоминали о наличии у транзисторов гак называемых малосигнальных параметров. Теперь поговорим об этом подробнее. Такие параметры характеризуют работу транзистора в режиме усиления малых переменных токов и напряжений. Многие из них имеют четкую физическую интерпретацию и непосредственно присутствуют в физических эквивалентных схемах. Некоторые же допускают только чисто математическое толкование. Смысл большинства из этих параметров сохраняется и при переходе к анализу больших сигналов, но их значения изменяются и становятся зависимыми от множества не проявлявшихся при малых сигналах факторов.

Поскольку малосигнальные параметры — это параметры, отражающие работу транзистора для переменных составляющих токов и напряжений, то в большинстве случаев они являются дифференциальными эквивалентами некоторых интегральных (статических) величин, характеризующих работу на постоянном токе. Отсюда возникает второе, употребляемое иногда даже чаще, название малосигнальных параметров — дифференциальные параметры. Между двумя этими терминами не существует однозначной эквивалентности, но почти всегда речь идет об одном и том же.

В качестве примера можем рассмотреть такой важный параметр биполярного транзистора, как коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ (

). У этого параметра есть еще одно часто встречающееся обозначение, идущее от его роли в системе так называемых h-параметров проходного линейного четырехполюсника — или

Интегральный (статический) коэффициент передачи

находится как отношение токов (рис. 1):

Рис.1. К вычислению интегрального и дифференциального коэффициента передачи тока базы

Если рассмотреть характеристику передачи транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 2.1), то можно видеть, что в точке А, соответствующей напряжениям и токам

, , , статический коэффициент передачи равен:

Предположим теперь, что на вход транзистора подан малый по амплитуде переменный сигнал. В этом случае значения токов базы и коллектора начинают колебаться в пределах (рис. 1):

и . Причем и, переходя к дифференциалам:

— дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ в точке А передаточной характеристики (рис. 1);

— угол, образованный касательной к линии передаточной характеристики в точке А и осью абсцисс (tg = ).

Из рис.1. видно, что дифференциальный коэффициент передачи несколько отличается от интегрального (статического). Но на характеристике передачи можно выделить участок (В,С), где их значения близки. Т.е., если мы рассматриваем работу транзистора при некоторых ограничениях на напряжения и токи в нем (корректно заданная рабочая точка по постоянному току и малая амплитуда переменных сигналов), то мы можем не различать его статические и дифференциальные коэффициенты передачи. Заметим также, что в общем случае эти коэффициенты зависят от частоты переменного сигнала, его формы и амплитуды, температуры окружающей среды и некоторых других факторов. Так что любые вычисления с ними являются весьма приблизительными и отражают реальные процессы в транзисторах лишь в общих чертах. То же самое можно сказать и обо всех других малосигнальных (дифференциальных) и статических параметрах транзисторов.

В зависимости от конкретной ситуации (анализируемой схемы, целей анализа, ограничений на сигналы в цепях, требуемой точности и т.п.) на практике могут использоваться различные группы параметров, характеризующих транзистор в определенном режиме работы при определенных условиях. Как правило, для каждого такого случая строится соответствующая эквивалентная схема, значения элементов которой и составляют указанную группу параметров (одна и та же эквивалентная схема может использоваться и с разными группами параметров, например, при переходе от малосигнального анализа к анализу работы на постоянном токе все дифференциальные параметры заменяются на соответствующие им интегральные эквиваленты, и наоборот).