2.2.4. Основные статические и динамические параметры

Существует несколько т. н. малосигнальных параметров БПТ. Наибольшее применение находит система h-параметров, вносящая минимальные погрешности при анализе в расчёте УК на БПТ. Для определения h-параметров используются уравнения эквивалентной схемы БПТ в виде т. н. h-четырёхполюсника (рис. 80):

Рис. 80

В качестве независимых переменных здесь приняты одновременно ток на входе и напряжение на выходе , из-за h-параметры имеют различные размерности, а сама система называется смешанной (гибридной). Полагая, что ; ; ; ; h-четырёхполюсник рис.79 представляется в виде эквивалентной схемы усилителя при включении БПТ с ОЭ, а её h-параметры определяются по статическим характеристикам транзистора (рис.73), которые выражаются следующим образом:

при ;

при ;

при ;

при .

здесь – входное сопротивление БПТ при КЗ на выходе (в Ом); – коэффициент обратной передачи по напряжению при ХХ входа; – коэффициент передачи тока при КЗ выхода; – выходная проводимость при ХХ входа (в сименсах).

Параметрами типа h особенно часто пользуются при анализе и расчёте усилительных каскадов низкой частоты (УНЧ) или усилителей постоянного тока (УПТ) для определения динамических параметров каскада: входного , выходного сопротивлений; коэффициентов усиления по току , напряжению или мощности :

где – знак приближения соответствует практическим случаям, когда , т. е. ; В УНЧ). Знак минус означает переворачивание фазы выходного сигнала;

где

Из приведённых соотношений видно, что динамически параметры можно определять графически, так и аналитически (по средним значениям h-параметров).

2.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах

2.3.1. Три схемы включения и расчетные параметры

Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 81: схема с общим истоком (ОИ) – аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) – аналог схемы с ОБ; схема с общим стоком (ОС) – аналог схемы ОК.

Рис. 81. Схемы включения полевого транзистора: а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

Для каждой из них можно определить соответствующую эквивалентную схему (рис. 82)

Рис. 82. Эквивалентные схемы усилительных каскадов на полевом транзисторе: a – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

Для всех схем важнейшим параметром является их большое входное сопротивление, что является следствием протекания очень малого тока затвора, который для ПТ с управляющим p-n переходом равен от 1 до 10мА, а для МОП транзисторов – в 1000 раз меньше[24].

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

Ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Каждая из вышеупомянутых схем используется в усилительных каскадах в зависимости от требуемых параметров. Чаще используется схема с «ОИ», позволяющая получить наибольшее усиление по мощности. Схема с «ОЗ» в основном применяются с целью получения относительно малого входного сопротивления и малых шумов за счет исключения шумов тока затвора [23]. Усилители с общим стоком «ОС» предпочтительны при необходимости иметь большое входное при малом входном сопротивлениях каскада, хотя коэффициент усиления по напряжению у них меньше единицы.

Основным преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными являются большое входное сопротивление, малая зависимость параметров от температуры, малые нелинейные искажения и малые шумы.

Малый уровень шумов в диапазоне низких и инфранизких частот (вплоть до частот 1–2 Гц) и высокое входное сопротивление. Делают предпочтительным ПТ по сравнению с БПТ гидролокационной аппаратуре и системах связи на сверхдлинных волнах, а также в схемах ИК техники [23].

В то же время основными их недостатками по сравнению с БПТ являются: малая мощность, малое значение крутизны S, большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, , , и тогда на частоте , получим [24].

При расчете динамических параметров и оценке возможностей УК на ПТ в различных схемах включения удобно использовать эквивалентные схемы каскадов в виде ранее упомянутых четырехполюсников. Известно, что УК на ПТ можно представить в виде простейшего четырехполюсника, аналогичного по своим свойствам каскаду на ламповом триоде [25].

Расчетные параметры УК на ПТ на основе таких схем приведены ниже в таблице, в которой источником внутренней ЭДС является параметр , где – коэффициент усиления по напряжению; – амплитуда напряжения входного сигнала; – внутренне сопротивление.

Внутреннее сопротивление, как и другие параметры, можно экспериментально находить по соответствующим статическим вольтамперным характеристикам (рис. 83).

Рис. 83. Статические выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с p-n переходом