Анализе работы усилителя на биполярном транзисторе по переменному току (малосигнальный анализ)

Методические указания к домашнему заданию № 2

По справочным вольт-амперным характеристикам биполярного транзистора (рис. 6) определим параметры его малосигнальных моделей в h- и y-параметрах в усилительной области при токе базы I_б = 400 мкА и напряжении U_кэ = 6 В.

При анализе работы усилителя на биполярном транзисторе по переменному току (малосигнальный анализ) транзистор заменяют его малосигнальной моделью, представляющей собой классический четырехполюсник. Наиболее распространены малосигнальные модели в так называемых h- (рис. 7, а) и y-параметрах (рис. 7, б). При этом h-параметры легче определить, зато y-параметры удобнее использовать.

Рис. 6. Семейства входных (а) и выходных (б) ВАХ биполярного транзистора

Рис. 7. Малосигнальные модели биполярного транзистора: а – модель в h-параметрах; б – модель в y-параметрах

При малосигнальном анализе рассматривается работа транзистора в режиме усиления переменного входного сигнала малой амплитуды, когда абсолютные значения входного тока и входного напряжения транзистора мало изменяются по сравнению с их постоянными составляющими (рис. 8). В этом случае транзистор можно описать системой линейных уравнений.

Рис. 8. Временнáя диаграмма напряжения в режиме малого сигнала: U= – постоянная составляющая напряжения; u~ – переменная составляющая

Для модели в h-параметрах независимыми величинами являются переменные составляющие входного тока i_вх и выходного напряжения u_вых, а зависящими от них величинами – переменные составляющие выходного тока i_вых и входного напряжения u_вх:

                                          (6)

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером систему (6) следует записать в виде

                                           (7)

Буква «Э» в индексах h-параметров обозначает схему включения транзистора (при включении транзистора по схеме с общей базой или общим коллектором в обозначениях h-параметров появятся буквы «Б» и «К» соответственно; входными токами и напряжениями, выходными токами и напряжениями будут i_э, u_бэ, i_к, u_кб и i_б, u_бэ, i_э, u_кэ соответственно).

Значения h-параметров можно определить по входным и выходным ВАХ транзистора в окрестностях предварительно найденной точки покоя. Исходя из уравнений (7) параметр h_11э должен определяться как

                                  (8)

где ΔU_бэ, ΔI_б – малые изменения абсолютных значений напряжения и тока базы транзистора вблизи точки покоя; U_кэ.п – выходное (в данном случае коллекторное) напряжение транзистора в точке покоя.

Поскольку параметр h₁₁ определяется как отношение входных напряжения и тока, он должен называться входным сопротивлением транзистора.

Аналогично определяются остальные h-параметры биполярного транзистора:

                                     (9)

                                  (10)

                                   (11)

Здесь I_б.п – входной ток транзистора (ток базы) в точке покоя; ΔU_кэ, ΔI_к – малые изменения абсолютных значений коллекторных напряжения и тока вблизи точки покоя.

Параметры h₁₂, h₂₁, h₂₂ называются соответственно коэффициентом обратной связи по напряжению, коэффициентом передачи входного тока и выходной проводимостью транзистора.

Параметры h₁₁ и h₁₂ определяются по входным ВАХ биполярного транзистора, а h₂₁ и h₂₂ – по выходным ВАХ. При этом коэффициент обратной связи по напряжению h₁₂ обычно настолько мал, что на практике можно считать его равным нулю.

Пусть в режиме покоя биполярный транзистор характеризуется следующими значениями тока и напряжения: I_б.п = 600 мкА, U_кэ.п = 6 В. Определим по входным ВАХ входное сопротивление транзистора h_11э в окрестностях точки покоя (рис. 9). Для выполнения условия U_кэ = U_кэ.п в выражении (8) мы должны использовать ветвь ВАХ, соответствующую выходному напряжению U_кэ = 6 В, которая отсутствует на приведенной характеристике. В то же время известно, что при работе биполярного транзистора в усилительном режиме ветви его входных ВАХ, соответствующие различным значениям выходного напряжения, с увеличением этого напряжения свыше 2–3 В проходят настолько близко друг к другу, что практически сливаются в одну. Поэтому на рис. 9 мы отметили точку покоя А на имеющейся в нашем распоряжении ветви характеристики, соответствующей U_кэ = 5 В.

Рис. 9. К определению параметра h11э по входной вольт-амперной характеристике транзистора

Отметим на этой же ветви ВАХ рядом с точкой А две дополнительные точки B и C (чуть выше и чуть ниже точки покоя, как это показано на рис. 9). Тогда в соответствии с выражением (8) входное сопротивление транзистора в окрестностях точки покоя будет определяться как отношение разностей координат точек B и C:

Параметры h₂₁ и h₂₂ определим по выходным ВАХ транзистора (рис. 10). Точкой покоя транзистора на выходных ВАХ является D.

Рис. 10. К определению параметров h_21э (а) и h_22э (б) по выходным вольт-амперным характеристикам биполярного транзистора

Условием определения коэффициента передачи входного тока h_21э согласно выражению (10) является неизменность выходного напряжения U_кэ = U_кэ.п = 6 В. Выполняя данное условие, отметим на выходных ВАХ (рис. 10, а) две дополнительные точки E и F – точки пересечения прямой, описываемой уравнением U_кэ = 6 В (вертикальная пунктирная прямая), с ветвями ВАХ, лежащими чуть выше и чуть ниже ветви, соответствующей току базы покоя I_б.п = 0,6 мА. В данном случае мы выбрали ближайшие ветви ВАХ, соответствующие значениям тока базы 0,8 и 0,4 мА. Согласно выражению (10)

В качестве ΔI_б мы подставили разность значений тока базы для точек E и F.

Условием определения выходной проводимости h_22э согласно выражению (11) является неизменность входного тока I_б = I_б.п = 0,6 мА, т.е. мы должны оставаться на ветви ВАХ, соответствующей этому току. Выполняя данное условие, отметим на ней две дополнительные точки L и M слева и справа от точки покоя D (рис. 10, б). Строго говоря, мы должны отметить эти точки как можно ближе к точке покоя, исходя из самого понятия малосигнальной модели. Но как видно из рис. 10, б, ветвь ВАХ почти на всем своем протяжении является прямолинейной, и мы можем расставить точки L и M на большее расстояние – в этом случае нам будем удобнее измерять разность их координат по вертикальной оси (оси тока). Выходная проводимость h_22э находится как отношение разностей координат точек M и N:

Простые, как было только что показано, в определении, h-параметры, тем не менее, не очень удобно применять при малосигнальном анализе. Все дело в их «разнородности» – среди них есть и безразмерные коэффициенты (h₁₂, h₂₁), и сопротивление (h₁₁), и проводимость (h₂₂). Поэтому при составлении системы уравнений для транзисторной схемы по методу узловых потенциалов, когда потенциалы узлов схемы связывают друг с другом посредством проводимостей ветвей, удобнее использовать малосигнальную модель биполярного транзистора в y-параметрах (рис. 7, б). Эта модель описывается системой уравнений

                                         (12)

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером система (12) преобразуется к виду

                                         (13)

Очевидно, что y-параметры, связывающие переменные составляющие напряжений (независимые величины) с переменными составляющими токов (зависимые величины), имеют размерность проводимостей.

Значения y-параметров биполярного транзистора удобнее определять не из вольт-амперных характеристик, а из полученных ранее значений                h-параметров:

         (14)

Подставив в выражения (14) найденные нами значения h-параметров, получим