Транзистор как четырёхполюсник

При анализе электрических цепей в задачах исследования взаимосвязи между переменными токами (напряжениями, мощностями и т.п.) двух каких-то ветвей схемы широко используется теория четырёхполюсников.

Четырёхполюсник – это часть схемы произвольной конфигурации, имеющая две пары зажимов (отсюда и произошло его название), обычно называемые входными и выходными. Примерами четырёхполюсника являются трансформатор, усилитель, потенциометр, линия электропередачи и другие устройства, у которых можно выделить две пары полюсов. В общем случае четырехполюсники можно разделить на активные, в структуру которых входят источники энергии, и пассивные, ветви которых не содержат источников энергии.

Линейный четырёхполюсник полностью характеризуется соотношениями между токами и напряжениями на его входе и выходе. Вид этих соотношений зависит от выбора исходных величин. Мы будем пользоваться так называемыми h-параметрами.

Рис. 5.14.

Схема четырёхполюсника и
полевого транзистора.

Для описания нелинейного четырёхполюсника в приближении малого сигнала можно использовать линейное приближение, но при этом придётся вводить дифференциальные параметры.

Например:

(5.4)

(5.5)

Таким же способом можно описать полевой транзистор. Для h-параметров полевого транзистора и эквивалентной схемы рис. 5.14 получается:

(5.6)

Кстати:

(5.7)

Это коэффициент усиления по току (см. (5.3)).

Рис. 5.15.

Эквивалентная схема полевого транзистора
с эквивалентным генератором тока, описываемого h-параметрами в соответствии с системой уравнений (5.6, 5.7). Минус перед S потому, что при увеличении входного напряжения (например, с –1В до нуля, см. рис 5.10) входной ток I_ЗИ уменьшается до нуля.

Благодаря очень высокому входному сопротивлению полевого транзистора на эквивалентной схеме входная и выходная цепи разделены. Входной ток определяется только входным напряжением, что соответствует уравнению (5.6). Выходной ток делится на две ветви. В первой (ΔI₁) включён генератор тока, равного первому члену (5.7). Минус написан потому, что при увеличении тока затвора, ток стока уменьшается (см. характеристики рис. 5.10).

Ещё раз напомним, что такое описание справедливо лишь в линейном приближении, то есть для малых изменений токов и напряжений. Только тогда h-параметры можно считать постоянными.

Усилители

Усилители – это устройства, предназначенные для усиления сигналов с использованием вентильных элементов (ламп, транзисторов, реле, тиристоров и т.д.).

Усилители бывают разные. Всё определяется задачей, которую он должен выполнять и наличием деталей. Вот некоторые из типов усилителей:

Переменного тока (и / или напряжения).

Постоянного тока (и / или напряжения). Они, кстати, усиливают и переменный.

Узкополосные.

Широкополосные.

Линейные.

Импульсные.

Сверхвысокочастотные (СВЧ).

Усилители мощности.

И так далее…

Усилители могут быть собраны из дискретных деталей или состоять из одной микросхемы, которая содержит в себе от нескольких штук до нескольких сотен деталей.

Усилитель напряжения часто характеризуют коэффициентом усиления, который, вообще говоря, комплексный. Он показывает, как усиливается напряжение на частоте f, и какой сдвиг фаз между входным и выходным сигналами.

(6.1)

Функцию |K(f)| называют амплитудно-частотной или чаще просто частотной характеристикой (ЧХ), а arg K(f) – фазово-частотной или просто фазовой характеристикой. Для учёта нелинейных искажений и определения диапазона линейности усилителя используют зависимость выходного напряжения или же зависимость коэффициента усиления от входного напряжения. Это – амплитудная характеристика.

Ухо человека обладает логарифмической чувствительностью к акустическим волнам. Поэтому иногда коэффициент усиления измеряют в децибелах.

(6.2)

где = W_ВЫХ, W_ВХ – мощности на выходе и на входе.

Например: К = 100 → N = 40дБ.

Если в устройстве используется каскад усилителей, то есть несколько усилителей, включённых друг за другом, и они работают в линейном режиме, то их суммарный коэффициент усиления определяется по формулам: