Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств
Подождите немного. Документ загружается.
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-61-
3
3
.
.
Д
Д
И
И
Н
Н
А
А
М
М
И
И
Ч
Ч
Е
Е
С
С
К
К
И
И
Е
Е
Х
Х
А
А
Р
Р
А
А
К
К
Т
Т
Е
Е
Р
Р
И
И
С
С
Т
Т
И
И
К
К
И
И
У
У
С
С
И
И
Л
Л
И
И
Т
Т
Е
Е
Л
Л
Е
Е
Й
Й
3
3
.
.
1
1
.
.
Д
Д
и
и
н
н
а
а
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
и
и
й
й
р
р
е
е
ж
ж
и
и
м
м
р
р
а
а
б
б
о
о
т
т
ы
ы
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
я
я
При анализе работы усилительного элемента различают статический и
динамический режимы работы.
Статический режим работы обеспечивается, если значения сопротивле-
ний или проводимостей на входе или выходе усилительного элемента имеют
значения, равные 0 или ∞. Для анализа статистического режима используют
статические характеристики, представляющие зависимость одной величины
от другой при постоянстве других влияющих параметров.
Динамический режим работы анализируют с привлечением динамиче-
ских характеристик, которые получают при конечных, не равных 0 или ∞,
значениях сопротивлений на входе и выходе УЭ.
3
3
.
.
2
2
.
.
В
В
ы
ы
х
х
о
о
д
д
н
н
а
а
я
я
д
д
и
и
н
н
а
а
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
а
а
я
я
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
Динамическая характеристика (ДХ) связывает между собой выходные
величины тока
к
i
и напряжения
кэ
u
. ДХ строится на семействе выходных ста-
тических характеристик. Различают характеристику по переменному и по-
стоянному току.
Характеристика по постоянному току. Рассмотрим выходную цепь
усилительного каскада на биполярном транзисторе (рис. 3.1
). Условие:
С
X →∞
,
0
L
X →
.
Рис. 3.1. Выходная цепь
усилительного каскада
С
ф
R
ф
R
к
С
р
Е
к
R
нд
С
э0
R
э0
Рис. 3.2. Нагрузочная характеристика
усилительного каскада
i
к
I
0
i
вх1
i
вх2
i
вх3
i
вх4
i
вх5
U
0
Е
к
U
кэ
a
b
c
d
e
к
E
R
=
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.2. Выходная динамическая характеристика
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-62-
Для выходной цепи усилителя запишем:
0
к к= э кφкэ
()E IR RR U= ++ +
,
0
=экφ
:,R R RR= ++
тогда
к кэ
к=
.
EU
I
R
=
−
=
График этого уравнения – ДХ по постоянному току – строится по двум точ-
кам (рис. 3.2
):
1)
к
кэ к=
0;
E
UI
R
=
= =
,
2)
кэ к=
;0U EI= =
.
Изменение величины
R
=
влияет на наклон ДХ. При изменении
к
E
ха-
рактеристика смещается вправо или влево. Очевидно, что при заданных па-
раметрах схемы величин
R
=
и
к
E
, в схеме протекает ток (
0
I
), создающий на
транзисторе напряжение (
0
U
). Точка на нагрузочной прямой, соответствую-
щая
0
I
и
0
U
, называется рабочей точкой по постоянному току.
При выборе положения точки учитываются:
1. Линейность усиления и уровень усиления.
2. Потребляемая мощность.
3. Условие эксплуатации УЭ.
4. Способ включения УЭ.
5. Работа в активном режиме.
3
3
.
.
3
3
.
.
Н
Н
а
а
г
г
р
р
у
у
з
з
о
о
ч
ч
н
н
а
а
я
я
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
я
я
п
п
о
о
п
п
е
е
р
р
е
е
м
м
е
е
н
н
н
н
о
о
м
м
у
у
т
т
о
о
к
к
у
у
Данная характеристика отражает зависимость между током и напря-
жением усиливаемого сигнала на выходе усилителя.
Она позволяет определить:
1) максимальные значения выходного тока и напряжения;
2) требуемое изменение входного тока или напряжения.
Строится данная характеристика применительно к средним частотам
рабочего диапазона в предположении, что реактивные элементы не оказыва-
ют влияние на работу схемы.
Тогда в схеме
г к нд
R RR R
=
= <
.
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.3. Нагрузочная характеристика усилителя по переменному току
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-63-
При подаче на вход усилителя сигнала найдем ток и напряжение в вы-
ходной цепи:
вых 0 вых
вых 0 вых
,
.
iIi
uUu
= +∆
= +∆
На основании законов Кирхгофа запишем
00вых 0 вых г
E U u IR i R
=
= +∆ + +∆ ⋅
.
Уравнение соответствует прямой линии на семействе выходных характери-
стик транзистора.
1. Точка покоя
вых
0u∆=
и
вых
0i∆=
2. Вторая точка может быть определена двумя способами:
КЗ
0,U =
т. е.
вых
0,U =
тогда
вых 0
uU∆=−
,
00вых г
E IR i R
=
= +∆
,
0
вых
г
U
i
R
∆=
.
âûõ
0,u∆=
т. е.
вых 0
,
iI∆=−
тогда
к 0 вых 0 0 г
E U u IR IR
=
= +∆ + =−
,
вых 0 г
u IR∆=
.
Рис. 3.3. Нагрузочная характеристика
транзистора усилительного каскада
Е
к
к
E
R
=
0
U
R
≈
i
б5
i
б4
i
б3
i
б2
i
б1
U
кэ
U
0
I
0
R
н
I
0
i
к
а'
b'
d'
e'
d
e
а
b
c
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-64-
3
3
.
.
4
4
.
.
В
В
х
х
о
о
д
д
н
н
а
а
я
я
д
д
и
и
н
н
а
а
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
а
а
я
я
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
Входная динамическая харак-
теристика (ВДХ) – зависимость
мгновенного значения входного тока
от входного напряжения (рис. 3.4
).
ВДХ позволяет определить:
1. Входное сопротивление.
2. Диапазон изменения вход-
ных токов и напряжений. Уровень
мощности на входе.
Различают ВДХ по постоян-
ному и переменному токам. Строит-
ся ВДХ на семействе входных стати-
ческих характеристик транзистора с
учетом результатов построения вы-
ходной динамической характеристики.
По величине тока базы
б
i
на-
ходим соответствующее ему значение напряжения
бэ
U
′
.
В тех случаях, когда в справочниках не приводится семейство входных
характеристик (биполярный транзистор), за динамическую характеристику
принимают статическую характеристику. Для полевых транзисторов данная
характеристика не имеет смысла из-за высокого входного сопротивления.
3
3
.
.
5
5
.
.
С
С
к
к
в
в
о
о
з
з
н
н
а
а
я
я
д
д
и
и
н
н
а
а
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
а
а
я
я
х
х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
Сквозная динамическая характеристика (СДХ), рис. 3.5
, представляет
зависимость мгновенного значения выходно-
го тока от ЭДС источника сигнала. Данная
характеристика используется при анализе
схем на биполярных транзисторах для опре-
деления уровня нелинейных искажений.
По СДХ можно определить форму вы-
ходного сигнала при заданном напряжении
генератора, оценить уровень нелинейных ис-
кажений. Строится СДХ на основе созданных
входных характеристик. По результатам по-
строения входной динамической характери-
стики находят ЭДС источника по формуле
ист вх вх ист
E U iR= +
,
где
вх б э
UU
′
=
;
вх б
ii=
.
Рис. 3.4. Входная динамическая
характеристика транзисторного каскада
усилителя
b''
а''
с''
d''
е''
U
б'э
U
кэ1
<
U
кэ2
<
U
кэ3
<
U
кэ4
<
U
кэ5
i
б1
i
б
i
б2
i
б3
i
б4
i
б5
Рис. 3.5. Сквозная динамическая
характеристика транзисторного
каскада усилителя
Е
ист
i
к
i
к4
i
к3
i
к2
i
к1
с'''
t
i
к5
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.5. Сквозная динамическая характеристика
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-65-
Получаем характеристику, показанную на рис. 3.5.
Зависимости вида
кб
( ),i fi=
к бэ
()i fU=
описывают характеристики
прямой передачи усилительного элемента.
3
3
.
.
6
6
.
.
Р
Р
е
е
ж
ж
и
и
м
м
р
р
а
а
б
б
о
о
т
т
ы
ы
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
о
о
г
г
о
о
э
э
л
л
е
е
м
м
е
е
н
н
т
т
а
а
Режим работы усилителя «А» (рис. 3.6
).
Усилительный элемент работает без отсечки тока. Данный режим ха-
рактеризуется высокой линейностью, т. е. низким уровнем нелинейных ис-
кажений. Однако КПД низкий (≤ 50 %), так как даже в отсутствии сигнала от
источника потребляется постоянный ток
0
I
(величину
0
I
можно оценить по
выходным характеристикам транзистора, (см. рис. 3.2
):
к
0
i
i
i
ξ=
<
;1
к
0
u
U
U
ξ=
<
.1
Режим «А» в основном используется во входных цепях и в каскадах
предварительного усиления.
Режим работы усилителя «В» (рис. 3.7
).
Ток покоя в режиме «В» очень мал. В идеальном случае равен нулю.
Транзистор работает с отсечкой тока
90Θ=
°, КПД до 79 %. Высокий уровень
нелинейных искажений. Режим «В» используется в двухтактных каскадах.
«АВ» – промежуточный режим работы усилителя между режимом «А»
и режимом «В». Эпюры напряжений для режима «АВ» представлены на
рис. 3.8.
Рис. 3.6. Эпюры, поясняющие работу
усилителя в режиме «А»
i
к
I
0
U
вх
U
вых
А
i
к
U
вых
U
вх
t
0
Рис. 3.7. Эпюры, поясняющие работу
усилителя в режиме «В»
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.6. Режим работы усилительного элемента
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-66-
Режим «С» применяется в усилительных каскадах, работающих на из-
бирательную нагрузку (например, колебательный контур), рис. 3.9.
3
3
.
.
7
7
.
.
Э
Э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
ы
ы
е
е
с
с
х
х
е
е
м
м
ы
ы
и
и
р
р
е
е
ж
ж
и
и
м
м
ы
ы
р
р
а
а
б
б
о
о
т
т
ы
ы
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
х
х
э
э
л
л
е
е
м
м
е
е
н
н
т
т
о
о
в
в
Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером. Биполярный
транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя и более
взаимодействующими р–n-переходами с тремя и более выводами. Усили-
тельные свойства биполярного транзистора основаны на явлении экстракции
и инжекции зарядов. Рассмотрим включение биполярного транзистора по
схеме с ОЭ.
В данной схеме общим электродом для входной и выходной цепей яв-
ляется эмиттер. База – входной электрод. Коллектор –
выходной электрод. При данной схеме включения меж-
ду выходным и входным сигналами образуется фазовый
сдвиг 180°. Транзистор в схеме с общим эмиттером
обеспечивает усиление и по току и по напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению зависит от
í
R
и может достигать сотен. При
н
0R →
,
0.
u
K →
Ко-
эффициент усиления по току при
н
0R →
стремится к
параметру
21
βh =
, при
н
R →∞
,
0.
i
K →
U
вх
U
вых
I
0
0
i
к
t
t
Рис. 3.9. Эпюры, поясняющие работу
усилителя в режиме «С»
t
0
i
к
U
вх
U
вых
t
2θ
Рис. 3.10. Ус-
ловное обозна-
чение биполяр-
ного p–n–p–n-
транзистора
Вых
Вх
Рис. 3.8. Эпюры, поясняющие работу
усилителя в режиме «АВ»
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.7. Эквивалентные схемы и режимы работы усилительных элементов
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-67-
Входное сопротивление зависит от
н
R
и соответствует среднему зна-
чению для схем включения ОК и ОБ, и по абсолютной величине находится в
пределах сотен Ом.
Выходное сопротивление зависит от сопротивления генератора
Г
R
.
Выходное сопротивление – десятки кОм, также средняя величина по сравне-
нию со схемами включения ОБ и ОК. Поскольку биполярный транзистор –
токовый прибор, то он лучше работает на сравнительно низкоомную нагрузку.
3
3
.
.
8
8
.
.
Ф
Ф
и
и
з
з
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
а
а
я
я
э
э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
а
а
я
я
с
с
х
х
е
е
м
м
а
а
б
б
и
и
п
п
о
о
л
л
я
я
р
р
н
н
о
о
г
г
о
о
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
а
а
Сложность процессов, протекающих в транзисторе, привела к появле-
нию большого числа эквивалентных схем. Мы будем использовать эквива-
лентную схему Джиаколетто. Эта схема дает удовлетворительные результа-
ты в описание работы транзистора в диапазоне частот
в
0,5ff
Τ
≤
, где
Τ
f
–
граничная частота передачи тока базы транзистора. Совместно с сопротивле-
нием
н
R
и
Г
R
схема показана на рис. 3.11.
Параметры
бк
r
′
и
кэ
r
слабо сказываются на работе каскада, из справоч-
ных данных не определяются, и в дальнейшем мы их не будем принимать во
внимание.
S
– крутизна характеристики, определяет усилительные свойства тран-
зистора;
бк
C
′
– емкость коллекторного перехода. Является элементом внут-
ренней ОС;
бэ
С
′
– емкость прямосмещенного перехода б'э;
бб
r
′
– распределен-
ное (объемное) сопротивление базовой области (омическое сопротивление
базы);
бэ
r
′
– активное сопротивление эмиттера;
бэ
SU
′
– управляемый генера-
тор тока.
Рис. 3.11. Эквивалентная схема транзистора – схема Джиаколетто
R
г
R
н
r
б'э
r
б'к
С
б'э
r
б'б
С
б'к
r
кэ
SU
б'э
(Э)
(Э)
(К)
(Б)
(Б')
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.8. Физическая эквивалентная схема биполярного транзистора
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-68-
Данная схема позволяет оценить частотные и усилительные свойства
транзистора в схеме с ОЭ. Параметры схемы зависят от режима работы по
постоянному току, и требуют пересчета для конкретного выбранного режима
работы транзистора.
3
3
.
.
9
9
.
.
О
О
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
п
п
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
о
о
в
в
э
э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
о
о
й
й
с
с
х
х
е
е
м
м
ы
ы
п
п
о
о
с
с
п
п
р
р
а
а
в
в
о
о
ч
ч
н
н
ы
ы
м
м
д
д
а
а
н
н
н
н
ы
ы
м
м
Обычно в справочниках приводятся следующие параметры:
ОС
τ
– постоянная времени ОС транзистора;
изм
к кэ
()СU
– емкость коллектора при
кэ
U
const;
ээ
()СU
– емкость эмиттера при
э
U
const;
minизм
min 21к
β ()hI=
– минимальное значение коэффициента передачи тока
базы;
maxизм
max 21к
β ()hI=
– максимальное значение коэффициента передачи тока
базы;
э спр
21изм T
hf f=
– граничная частота передачи тока базы.
Используя эти справочные данные, определяют:
1. Коэффициент усилений по току в типовом режиме при нормальной
температуре
max min
β ββ=
.
2. Объемное сопротивление базы
ОС
бб
к
τ
r
С
′
= ξ
,
параметр
ξ
учитывает емкость выводов:
3. Сопротивление
( )
3
бэ
к
25,2 10
β1rr
I
−
′
×
= + +∆
,
где
r∆
– дополнительное сопротивление, может присутствовать в мощных и
высоковольтных транзисторах,
( )
0,5 2r∆= −
Ом.
1сплавной транзистор
1,5 2диффузионный транзистор
23мезотранзистор
−
ξ= − −
−−
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.9. Определение параметров эквивалентной схемы по справочным данным
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-69-
4. Граничная частота в схеме с ОЭ (пересчет к выбранному режиму по
постоянному току)
спр
изм
спр
изм
T
T
к кр
3
Tэб
к кр
2
12π 25,2 10
f
f
II
fС
II
−
=
−
+×
,
где
эб
С
– конструктивная (барьерная) емкость эмиттера
кэ
эб э
к бэ
U
СС
U
′
ϕ+
=
ϕ−
.
5. Диффузионная емкость
бэ
С
′
и постоянная времени в цепи эмиттера:
бэ
T
β1
τ
2πf
′
+
=
;
бэ
бэ
бэ
τ
.C
r
′
′
′
=
6. Пересчет емкости
бк
C
′
с учетом режима по постоянному току:
изм
к
3
бк к
кр
0,5
U
СС
U
′
=
.
7. Сопротивление
( )
кэ кэ
бк
кк
β 1 ; по выходным характеристикам,
UU
r
II
′
∆∆
=−−
∆∆
бк к
2.rr
′
=
8. Крутизна эквивалентного генератора
бэ
β1
S
r
′
+
=
.
3
3
.
.
1
1
0
0
.
.
О
О
с
с
н
н
о
о
в
в
н
н
ы
ы
е
е
с
с
о
о
о
о
т
т
н
н
о
о
ш
ш
е
е
н
н
и
и
я
я
п
п
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
о
о
в
в
в
в
с
с
х
х
е
е
м
м
е
е
с
с
О
О
Э
Э
Определим основные параметры и частотные свойства схемы каскада с
ОЭ.
Упростим схему, пересчитав емкости внутренней обратной связи
бк
С
′
во входной и выходной контур эквивалентной схемы транзистора.
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.10. Основные соотношения параметров в схеме с ОЭ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-70-
Емкость
бк
С
′
меньше чем, чем емкость
бэ
С
′
, и чем меньше
н
R
, тем
меньше ее влияние. Однако к емкости
бк
С
′
приложено напряжение
бэ
U
′
и на-
пряжение
кэ
U
, находящееся в противофазе к
бэ
U
′
. При этом
бк бэ кэ
UUU
′′
= +
может значительно превышать
бэ
U
′
.
Ток в выходной цепи транзистора
к бэ
I SU
′
=
, напряжение на нагрузке
кэ к н
U IR=
. Тогда
бк н бэ
(1 )U SR U
′′
= +
.
При пересчете
бк
С
′
во входной контур (к зажимам
бэ
′
) ее величина
должна быть увеличена в
н
(1 )SR+
раз. Находим емкость входной цепи
0
С
:
0бэ бк н
(1 )С С С SR
′′
=++
,
а схема транзистора приобретает вид, показанный на рис. 3.12.
Пересчет
бк
r
′
во входную цепь приведет к тому, что новое значения
бк
r
′
уменьшится в
н
(1 )SR+
раз:
0
бк
бк
н
1
r
r
SR
′
′
=
+
.
При очень больших значениях
н
R
,
соизмеримых с
бк
Z
′
, необходимо поль-
зоваться общей схемой, без упрощений.
Рассмотрим основные параметры схемы.
1. Входное сопротивление:
бэ
вх б б
0бэ
1ω
r
Zr
jC r
′
′
′
= +
++
.
На частоте, стремящейся к нулю,
емкость
0
C
не шунтирует сопротивление
бэ
r
′
транзистора и входное сопротивление
транзистора становится максимальным и
Рис. 3.12. Эквивалентная схема биполярного транзистора
SU
б'э
r
б'б
R
г
(Б)
(Б')
r
б'э
(Э)
(Э)
R
н
(К)
Е
С
0
Рис. 3.13. График, отражающий
частотную зависимость модуля
входного сопротивления транзистора
r
б'б
+ r
б'э
r
б'э
|Z
вх
|