Реального усилителя

Наглядное представление о протекающих физических процессах дают Т-образные эквивалентные схемы замещения реального транзистора. Одна из таких схем для переменных составляющих токов представлена на 3.6,а. В этой схеме, кроме дифференциальных сопротивлений обоих переходов, показано объемное сопротивление базы г g, обусловленное геометрическими размерами и материалом полупроводниковой пластинки.

Из-за недоступности внутренней базовой точки (см. 3.6) и, следовательно, трудностей непосредственного измерения физических параметров г Q, г , г * и )3 в инженерной практике обычно используются косвенные методы, основанные на замещении реального транзистора четырехполюсником.

Штриховыми линиями показаны ВАХ для L = 1 мкм, рассчитанные без учета эффекта сильного поля и зависимости (/Пор ((/си). При (/зи « (/пор °ни имеют меньшую крутизну вследствие того, что (/пор > (/nopi > (/пора- Штриховые ВАХ квадратичны (как и у транзисторов с длинным каналом), а ВАХ реального транзистора с коротким каналом квадратичны только вблизи порогового напряжения. С ростом (/зи они приближаются к линейным из-за эффекта сильного поля, а их крутизна оказывается меньше, чем при отсутствии эффекта сильного поля. В этом состоит третье отличие от ВАХ транзистора с длинным каналом.

4.2. Одна из структур реального транзистора:

ментов, тем легче ею пользоваться, но обычно тем менее точно она отражает свойства реального транзистора.

Параметры эквивалентной схемы одномерной теоретической модели транзистора и и р легко выразить через параметры эквивалентного четырехполюсника, т. е. через параметры реального транзистора:

Эти равенства также являются приблизительными, так как для одномерной теоретической модели транзистора принят ряд допущений (см. § 4.11). Знаки у коэффициентов передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели транзистора и реального транзистора (4.83) различны в связи с отличием направлений токов в реальном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, и условно принятыми направлениями тех же токов в эквивалентном четырехполюснике.

Постоянная времени цепи коллектора. Коллектор реального транзистора обладает некоторым сопротивлением, особенно заметным у транзисторов, изготовляемых методом диффузии. Если рассматривать область только высоких частот, то эквивалентную схему 4.31,6 можно преобразовать в схему, показанную на 4.38. При этом нужно учесть, что из-за сравнительно большого значения диффузионной емкости базы она на высоких частотах обладает малым сопротивлением, так что все сопротивление цепи базы только объемное. В режиме короткого замыкания цепи коллектора емкость Скб не играет роли, а емкость Скэ будем считать малой.

Коэффициент передачи тока реального транзистора. Учесть одновременно все факторы, влияющие на частотные свойства реального транзистора, крайне сложно. Для оценки частотных свойств можно считать, что полный коэффициент передачи тока транзистора равен произведению коэффициентов передачи, определяемых процессами в отдельных областях. Тогда, аппроксимировав Л21б выражением, аналогичным (4.78), получим

Влияние различных процессов на частотные свойства реального транзистора зависит от его конструкции и режима работы. Так, для бездрейфовых транзисторов характерно, что время пролета носителей через базу преобладает над всеми другими постоянными времени.

Статические характеристики реального транзистора в схеме ОБ показаны на 12-9 *.

Кривая, построенная по уравнению (14.17), представлена на 14.14. Здесь же приведена характеристика для реального усилителя. Аналогичный вид имеют характеристики управления МУС для действующего значения напряжения и„ или для его первой гармоники.

В режиме покоя напряжение на выходе (переменная составляющая) идеального усилителя равно нулю. Для реального усилителя оно состоит из напряжения шумов и напряжения дрейфа.

Источник сигнала и нагрузка. Любой источник сигнала можно представить в виде 1 еноратора ЭДС с с внутренним сопротивлением Rr, а нагрузку -в виде сопротивления того или иного вида. Вместе с тем усилитель со стороны входных зажимов обладает входным сопротивлением /?вх = «ВХА' вх. а со стороны выходных зажимов - усиленной ЭДС сигнала евых и выходным сопротивлением Я ( 9.2). Такое представление реального усилителя у слов-

Управляемый напряжением источник напряжения, называемый также идеальным усилителем напряжения, может рассматриваться как идеализация реального усилителя напряжения,

Управляемый током источник тока, называемый также идеальным усилителем тока, можно рассматривать как идеализацию реального усилителя тока.

представляет собой отрезок прямой, проходящий через начало координат под определенным наклоном к оси абсцисс. Однако у реального усилителя линейный участок сквозной ДХ ограничен точками А и В ( 1.16, а). Это связано с тем, что ВАХ УЭ, являясь нелинейными, при сигнале, превышающем определенный уровень, не обеспечивают линейную зависимость между выходным напряжением и ЭДС, отчего и происходит «завал» сквозной ДХ.

Таким образом, путем изменения начального подмагничивания дросселя можно регулировать ток в нагрузке. Зависимость среднего значения тока нагрузки от МДС обмотки управления реального усилителя представлена на 22-3. Как видно из рисунка, характер этой зависимости таков, что при отсутствии тока управления на выходе магнитного усилителя уже имеется значительный ток нагрузки (/01 на 22-3). Если требуется, чтобы при отсутствии сигнала управления ток на выходе усилителя (начальный ток нагрузки) был близок к нулю или имел какое-либо другое определенное значение, то на магнитопроводах усилителя располагают дополнительную обмотку, называемую обмоткой смещения, питаемую от постороннего источника и создающую МДС FCM. В этой обмотке устанавливают необходимый ток смещения, который обеспечивает требуемое значение начального тока магнитного усилителя (/02 на 22-3).

На этом же рисунке показана ФЧХ для реального усилителя ^переменного тока.

В первую очередь, из-за конечной магнитной проницаемости для всех значений напряженности магнитного поля ток нагрузки при отсутствии подмагничивания усилителя постоянным током (р = 0) не будет, в отличие от идеального усилителя, равен нулю, а, следовательно, характеристика Icpil.=F(p) не будет проходить через начало координат ( 6.36). Изменяется также наклон линейного участка выходной характеристики к оси р. У реального усилителя ОН будет Меньше 45° [arctg(A/cp;i/A/7)<450]. Та же причина обусловливает плавное замедление приращения тока нагрузки при больших величинах параметра р, так что нельзя указать точное численное значение предельной степени подмагничивания постоян-

Теперь будем увеличивать коэффициент обратной связи. На 6.39 показаны две зависимости &0.с/ср* от р для больших значений &0.с (прямые OBi и OBz), а на 6.40 — соответствующие им выходные характеристики усилителя (кривые 2 и абвгд). Как видно из 6.40. с увеличением коэффициента обратной связи крутизна выходной характеристики становится большей. При Pz=&o.c/cp* для реального усилителя (6.139) и при k0.c=\ для идеального усилителя (6.139а) выходная характеристика становится в своей линейной части вертикальной (кривая 2 на 6.40), коэффициент усиления по мощности &м = °°, и обмотка управления служит лишь для того, чтобы переводить магнитопроводы в режим насыщения. Если 60.с увеличивать еще больше, то выходная характеристика усилителя приобретает релейный вид (кривая абвгд на 6.40), что используется при создании бесконтактных магнитных реле [Л.36]. Характеристика усилителя имеет две точки неустойчивой работы — б и г. При увеличении подмагничивания р до величины, соответствующей точке б, выходной ток определяется характеристикой аб. При дальнейшем увеличении р ток выхода усилителя изменяется скачком до величины, соответствующей точке д, и далее будет определяться верхней частью характеристики усилителя. При уменьшении тока управления (уменьшении р) ток выхода будет вначале определяться характеристикой гд и далее в точке г скачком уменьшаться до величины, соответствующей точке а.

Графическая зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения усилителя от амплитуды (или действующего значения) его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристики ( 12.3). Амплитудная характеристика реального усилителя (сплошная линия на 12.3) не проходит через начало координат, поскольку в реальных усилителях напряжение на выходе при отсутствии входного напряжения определяется уровнем собственных шумов усилителя и помехами. При больших входных напряжениях (t/BX > ^вхтах) реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной (показанной пунктиром), искривляясь из-за перегрузки усилительных элементов со стороны входа. Таким образом, реальный усилитель может усиливать без заметных искажений напряжения не ниже t/BX min и не выше ^вхтах (участок АВ на 12.3).