Линейные модели транзистора в режиме большого сигнала

В отличие от рассмотренного ранее режима в курсе “Аналоговая схемо­техника”, где транзистор работал в режиме малого сигнала и являлся линейным элементом, то в импульсном режиме транзистор, являющийся характерным для цифровых устройств, работает в режиме большого сигнала. В отличие от режима малого сигнала, где отклонение от рабочей точки по постоянному току порядка 20-30%, в режиме большого сигнала транзистор переходит из зоны отсечки через активную область в режиме насыщения и наоборот. Как правило, в импульсной технике транзистор работает в двух противоположных состояниях: в режиме отсечки (транзистор заперт) и в режиме насыщения (транзистор открыт и насыщен). Коэффициент передачи транзистора в этих режимах меньше единицы, т.е. он не обладает усилительными свойствами.

Кроме того, при переключении из одного режима во второй и наоборот транзистор находится в активном режиме, время переключения составляет единицы микросекунд. В переходном (активном) режиме коэффициент передачи транзистора намного больше единицы. В режиме большого сигнала характеристики транзистора нелинейны и принцип наложения неприменим.

Для анализа схем с транзисторами, работающими в режимах большого сигнала, применяют методы анализа нелинейных схем.

Такими методами являются:

1. Метод аппроксимации нелинейных ВАХ транзистора несколькими кривыми. Метод точен, однако сложен и трудоёмок.

2. Метод, основанный на рядах и интегралах Фурье (разложение на гармонические составляющие). Трудоёмок, сложен.

3. Метод аппроксимации нелинейных ВАХ кусочно-линейными функциями. Он более простой, однако, погрешность аппроксимации порядка 10-15%.

В инженерной практике он нашёл широкое применение. Рассмотрим метод аппроксимации нелинейной ВАХ кусочно-линейными функциями.

Сущность метода: для отдельных областей (отсечка, насыщение, переходная область) производится аппроксимация нелинейных ВАХ кусочно-линейными функциями. В каждой области на основе аппроксимирующих функций ВАХ представляются рядом Тейлора. На основе оговоренной линейной аппроксимацией всеми производными, начиная со второй, можно пренебречь (ряд ограничится двумя слагаемыми ), постоянную составляющую необходимо учитывать.

На основании полученных уравнений для каждой из областей, с учётом постоянных составляющих, синтезируют электрическую модель транзистора. При этом модели получаются линейными, для всех трёх областей и разные. Широко применяют модели транзисторов в системе h-параметров.

Рассмотрим аппроксимацию входных и выходных характеристик биполярного транзистора (схема с ОЭ) и полевого транзистора (с индуцированным каналом).

На рис.2.15 представлены выходные характеристики биполярного транзистора. Область отсечки (1) расположена между характеристиками и с соответствующими значениями токов коллектора и . Область насыщения (3) соответствует минимальным значениям напряжения . Сопротивление транзистора в режиме насыщения определяется тангенсом угла наклона линии 3, т.е. . Между ними находится область активного режима – 2. На входных характеристиках транзистора (см. рис.2.16) также указаны эти три основные области.

Рисунок 2.15 — Выходные характеристики биполярного транзистора

Рисунок 2.16 — Входные характеристики биполярного транзистора

Линейная аппроксимация входных характеристик биполярного транзистора с указанием характерных областей приведена на рис.2.17.

Рисунок 2.17 — Аппроксимация входных и выходных характеристик биполярного транзистора

Характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом, аналогичны рассмотренным и их аппроксимация для трёх областей см.рис.2.18 аналогична.

Рисунок 2.18 — Входные и выходные характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом

Установим значения токов коллектора для транзисторов, находящихся в области отсечки. Для схемы с общей базой при между базой и коллектором протекает обратный (тепловой) ток величиной (см. рис.2.19 а). Для схемы с общим эмиттером для обеспечения необходимо через эмиттерно-базовый переход пропускать ток (см. рис.2.19 б). При этом ток коллектора будет , т.е. в раз больше, чем для схемы с общей базой. Уменьшить ток до величины можно путём запирания транзистора положительным потенциалом на базу, пропуская ток из базы в эмиттер величиной , в результате чего , а (см.рис.2.19 в).

а) б) в)

Рисунок 2.19 — Токи коллекторов в области отсечки

Для рассмотренных трёх областей представим характеристики транзистора электрической моделью в системе h-параметров:

; (1) или ;

; (2)

Эти уравнения должны учитывать постоянные составляющие. После преобразований получаем:

; (1)

; (2)

Синтезируем электрическую модель транзистора с учётом второго (1) и первого (2) законов Кирхгофа (см. рис.2.20).

Рисунок 2.20 — Электрическая модель транзистора для области 2

Эта модель справедлива для области активного режима (2). Модель транзистора в области отсечки ( ), что обеспечивается подачей положительного потенциала на базу относительно эмиттера (общей шины) имеет вид, представленный на рис.2.21.

Для области насыщения (3), модель транзистора имеет вид (см. рис.2.22), где определяется при аппроксимации входной характеристики (см. рис.2.17), (рис.2.17), (рис.2.15).

Рисунок 2.21 — Электрическая модель транзистора для области отсечки (1)

Рисунок 2.22 — Электрическая модель транзистора в области насыщения (3)

Следовательно, модель транзистора в активной области соответствует линейной модели транзистора в усилительном режиме, дополненной постоянными составляющими и . Модель транзистора в области отсечки представляет собой разрыв эмиттера относительно базо-коллекторного промежутка, через который протекает ток .

Модель транзистора в режиме насыщения представляет собой практически замкнутые электроды – база, коллектор и эмиттер, т.к. ; ; . Для обеспечения режима насыщения транзистора необходимо подать ток в базу превышающий ток базы насыщения.