Виды эквивалентных схем. Схемы замещения. Физические схемы. Смешанные схемы

Виды эквивалентных схем. Представление транзистора в виде эквивалент­ной схемы позволяет производить расчет электронных устройств методами теории линейных цепей.

Все эквивалентные схемы транзистора можно разделить на два класса: формальные схемы замещения и моделирующие (физи­ческие) схемы.

Схемы замещения получаются как схемное отображение урав­нений четырехполюсника, и каждая из них содержит четыре эле мента, по числу параметров четырехполюсника. Схемы замещения по своей природе являются точными, если параметры их элемен­тов определены при тех же условиях, что и параметры эквивален­тного четырехполюсника. Параметры элементов схем замещения зависят от режима транзистора и частоты сигнала. На повышен­ных частотах эти параметры становятся комплексными и расчет схем, включающих такие элементы, в диапазоне частот оказыва­ется затруднительным.

Этой трудности в определенной степени удается избежать пу­тем использования моделирующих или физических схем, которые со­ставляются либо на основе моделирования физических процессов в транзисторе, либо с помощью выбора частотно-зависимых эле­ментов и способа их включения, при которых зависимость пара­метров схемы от частоты удовлетворительно совпадает с частот­ной зависимостью параметров эквивалентного четырехполюсника. Параметры физических схем определяются с помощью физической теории транзистора или путем экспериментального исследования моделируемых зависимостей.

Физические схемы являются приближенными, но в то же время более простыми, чем схемы замещения, и более удобными для ана­лиза.

Сложность структуры физической схемы зависит от точности отображения физических свойств транзистора. Чаще всего исполь­зуются упрощенные физические схемы, при составлении которых учитываются лишь главные свойства транзистора в ограниченном диапазоне частот сигнала и параметров электрического режима. Стремление отобразить те или иные свойства транзистора, имеющие важное значение в конкретном случае его применения, обусловило многообразие структур моделирующих схем, среди ко­торых имеются и так называемые смешанные схемы, характеризую­щиеся объединением параметров эквивалентного четырехполюсни­ка с параметрами физических схем.

Схемы замещения. Любой транзистор может быть представлен схемой замещений с двумя зависимыми генераторами тока или ЭДС в соответствии с той или иной системой параметров эквивалент­ного четырехполюсника. При этом уравнения, описывающие экви­валентную схему, должны точно совпадать с соответствующей си­стемой уравнений эквивалентного четырехполюсника.

На рис.1 в качестве примера показана схема замещения транзистора эквивалентным четырехполюсником, описываемого системой - параметров (4). Данная схема содержит два генератора тока, что оказывается неудобным при анализе и практических расчетах. Более удобны схемы замещения с одним зависимым генератором. Параметры элементов таких схем однозначно связаны с параметрами эквивалентного че­тырехполюсника и определяются из условия равенства напряжений и токов в системах уравнений, описывающих эквивалентную схему и эквивалентный четырехполюсник.

Для установления связи между параметрами элементов П-об­разной схемы с одним генератором (рис.2) и эквивалентного четырехполюсника (рис.1)найдем входной и выходной токи П-образной схемы:

Уравнения (4) и (8) описывают один и тот же четырехполюсник в том случае, когда коэффициенты при входном и выходном напряжениях в обеих системах уравнений равны. Приравняв соответствующие коэффициенты, получим связь между

параметрами рассматриваемых схем в виде:

Если положить, что параметр =0, то параметры П – образной схемы превращаются в параметры эквивалентного четырехполюсника, т.е.

= , = , = (10)

Аналогичным путем могут быть построены и другие схемы замещения с одним зависимым генератором как П – образные, так и Т- образные и установлена связь параметров элементов схем с параметрами эквивалентного четырехполюсника.

Моделирующие схемы. Эквивалентные схемы, составленные на основе учета физических свойств транзистора или представления транзистора в виде различных моделей, также могут иметь П – образную и Т- образную конфигурацию. Наиболее хорошо и наглядно отражает физические свойства транзистора Т- образная эквивалентная схема, в которой

используются физические параметры транзистора. На рис.3 показана Т- образная схема применительно к транзистору, включенному по схеме с ОБ.

В схеме диффузионная емкость эмиттерного перехода не учитывается, а влияние накопления и рассасывания неосновных носителей заряда учитывается путем использования частотно-зависимого коэффициента передачи тока .

Входящие в состав схемы величины составляют:

В данной схеме в отличие от предыдущей используется коэффициент передачи тока . Входящие в схему величины могут быть определены как

В свою очередь

r*_э = (1+ ), r*_к = / (1+ ), С*_к = С_к (1+ )

Следует отметить, что записанные выше величины являются частотно-зависимым, так как в их выражения входит частотно-зависимый коэффициент передачи тока. С ростом частоты физическая схема усложняется из-за необходимости введения в нее дополнительных элементов, например, индуктивностей, которые не играли заметной роли в диапазоне средних - повышенных частот.

Смешанная схема. В практике расчета схем большое распро­странение получила смешанная П-образная эквивалентная схема, имеющая несложную структуру и удовлетворительно описывающая свойства транзистора в широком диапазоне частот. Эта схема на­ходит наибольшее применение при включении транзистора с ОЭ.

Смешанная П-образная схема составляется следующим об­разом.

Вначале транзистор представляется эквивалентным четырех­полюсником, а точнее, схемой замещения четырехполюсника с дву­мя зависимыми генераторами (см.рис.1). Y—параметры эле­ментов, входящих в эту схему, определяются на низкой частоте исходя из физических представлений или путем расчета, основан­ного на результатах измерений, и обозначаются буквой qс ин­дексом. Сопротивление базы при этом во внимание не принимается. Затем совершается переход к П-образной схеме замещения четы­рехполюсника (см.рис.2) и определяются параметры элементов этой схемы.

Полученная таким образом схема дополняется включенным соответствующим образом объемным сопротивлением базы

и емкостями С_Э.Д и С_К, учитывающими соответственно эффект накопления и рассасывания носителей заряда в базе и шунтирование коллекторного перехода барьерной емкостью (рис.5). Диффузионная емкость коллекторного перехода обычно не учитывается. Параметры элементов схемы могут быть определены через известные физические параметры транзистора.