Как определить h параметры по характеристикам транзистора

Как определить h параметры по характеристикам транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.

Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника

Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:

i ₁ – переменная составляющая тока базы;

u ₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

i ₂ – переменная составляющая тока коллектора;

u ₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u ₂ =0) :

Режим работы при i ₁ =0 называют холостым ходом на входе.

Источник

Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 28446 ; Нарушение авторских прав

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h_11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э и выходную проводимость h_22Э.

Входное сопротивление (формула 8) при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определим по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ΔU_БЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ΔI_Б (рисунок 5).

Рисунок 5 – приращение тока базы и напряжения база-эмиттер

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора (формула 9) при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определим по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_21Э зададим приращение тока базы ΔI_Б и определим соответствующее приращение тока коллектора ΔI_К (рисунок 6).

Рисунок 6 – приращение тока коллектора и тока базы

Выходную проводимость (формула 10) в режиме холостого хода на входе транзистора (I_Б = const) определим также как и параметр h_21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_22Э зададим приращение напряжения коллектор-эмиттер ΔU_КЭ и определим соответствующее приращение тока коллектора ΔI_К (рисунок 7). Условию I_Б = const будут отвечать точки, лежащие на выходной характеристике, проходящей через рабочую точку транзистора. Поскольку выходные характеристики линейны в широком диапазоне напряжений, то приращение ΔU_КЭ может быть достаточно большим, при этом его симметричность относительно рабочей точки не имеет значения.

Рисунок 7 – приращение тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер

Источник

Методика графического определения H–параметров транзистора

Российский государственный социальный университет

Кафедра информационной безопасности и программной инженерии

УЧЕБНОЕ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению лабораторной работы

по учебной дисциплине

Тема:

Исследование биполярного транзистора

Краткие теоретические сведения

Принцип работы, характеристики и

Параметры транзистора

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей зарядов в базу, а коллектор – экстракцию (сбор) носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (рис.1.1). Так, если коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности. Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с (ОБ) общей базой (рис.1.2).

Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов–дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи I_к.

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы I_б и коллектора I_к:

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

Отсюда ток базы равен:

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (рис. 1.3).

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость U_вх =¦₁(I_вх)|_{Uвых =const} – называют входной статической вольт–амперной характеристикой (ВАХ), а зависимость I_вых=¦₂(U_вых) |_{Iвх =const} выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

Для транзистора включенного по схеме с ОБ это будут соответственно зависимости:

Характеристики обычно снимаются при нескольких различных постоянных значениях I_э и U_кб. При этом получаются семейства статических входных и выходных характеристик, которые представлены на рис.1.4 а, б.

Входной характеристикой для схемы с ОБ является зависимость напряжения U_эб от входного тока I_э при фиксированном U_кб (рис.1.4а). Эта характеристика подобна обычной характеристике полупроводникового диода смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения U_кб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, из-за чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево.

Выходная характеристика для схемы с ОБ (рис.1.4б) выражает зависимость тока коллектора I_к =f₂(U_кб) при заданных входных токах I_э. Как видно из рис.1.4б при U_кб=0 ток коллектора I_к ¹ 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n-переход в область коллектора. Ток коллектора I_к (ток неосновных носителей) исчезает (обращается в ноль) только при некотором напряжение обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом состоянии, достигающий десятков и даже сотен кОм.

Для снятия статических характеристик транзистора с ОБ используется измерительная схема (рис.1.5). Эмиттер питается от регулируемого источника тока Iэ (отрицательной полярности), а на коллектор напряжение подается от регулируемого источника напряжения U_к, причем напряжение должно регулироваться в диапазоне от –1В до +10В, т.к. падающая часть выходной характеристики (режим насыщения транзистора), заходит в область отрицательных коллекторных напряжений (рис.1.4б).

При анализе работы транзистора и расчетах усилительных схем используется система параметров малого сигнала. Наиболее употребительна система h–параметров, связывающая малые приращения (дифференциалы) напряжения на входе транзистора dU₁ и выходного тока dI₂c малым приращением входного тока dI₁ и выходного напряжения dU₂ транзистора: dU₁=h₁₁dI₁ + h₁₂dU₂,

Указанные h-параметры, входящие коэффициентами, в уравнения (6) имеют следующий физический смысл:

дифференциальное входное сопротивление транзистора (индекс Б означает, что h–параметр определен в схеме включения транзистора с ОБ). При токе эмиттера порядка 1мА входное дифференциальное сопротивление h_11б по порядку величины составляет десятки Ом:

коэффициент обратной связи по напряжению, имеет величину порядка 10 — 5 и, в большинстве случаев, при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают:

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис.1.6).

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы b:

Параметр b связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

По порядку величина b лежит в интервале значений b=10¸200.

Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора

и выходная дифференциальная проводимость

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ (см. рис.1.6).

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =¦₁(I_б) при заданном напряженииU_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.6 б). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимостьU_бэ =¦₁(I_б) соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода, включенного в прямом направлении. ПриU_кэ>0 в цепи коллектора появляется ток-I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б=I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы I_б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U_бэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е_к. Напряжение коллектора U_кэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока I_к служит миллиамперметр РА2.

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат Е_к/ R_к и Е_к соответственно.

Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I_б.

Методика графического определения H–параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =¦₁(I_б)|_Uкэ=const.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними DU_бэ и DI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

Приращения DU_бэ и DI_б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h_12э = DU_бэ /DU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных DU_кэ>0 практически сливается в одну (рис.1.8.).

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=¦₁ (U_кэ) (рис.1.9).

2. Цели и учебные вопросы лабораторной работы:

Цели лабораторной работы:

· ознакомление с характеристиками биполярного транзистора,

· с методиками их определения для различных схем включения,

· получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.

Источник

h-параметры биполярного транзистора и особенности включений

Транзисторы относятся к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток I_m1 и выходное напряжение U_m2 , а зависимыми переменными входное напряжение U_m1 и выходной ток I_m2 можно составить систему уравнений (1), задействуя h-параметры:

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0, входное сопротивление;

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0, коэффициент передачи тока;

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h₁₁ — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h₁₂ – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h₂₁ — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h₂₂ — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h_11Э, h_12Э, h_21Э, h_22Э ; для схемы с общим коллектором — h_11К, h_12К, h_21К, h_22К ; для схемы с общей базой это h_11б, h_12б, h_21б, h_22б .

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

Источник

ОПРЕДЕЛЕНИЕ h- ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

На практике часто пользуются вторичными параметрами транзисторов, характеризующими его как активный линейный четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима (рис.2.1). Вторичные параметры связывают друг с другом входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд малых приращений тока и напряжения. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами.

Линейный четырехполюсник характеризуется двумя уравнениями, взаимно связывающими токи и напряжения на входе и выходе. Можно составить шесть пар таких уравнений, определяющих шесть различных систем параметров. В транзисторной технике наиболее широкое распространение получила система h-параметров.

Для малосигнальных параметров (для малых приращений токов и напряжений) систему (2.1) можно представить в линейном виде

Параметры h11 и h12 определяются из первого уравнения системы (2.2).

Полагая dUвых = 0, (Uвых = const), получим

— входное сопротивление транзистора для переменного входного тока (дифференциальное входное сопротивление) при постоянном напряжении на выходе (при отсутствии выходного переменного напряжения).

Полагая dIвх = 0, (Iвх = const) получим

— коэффициент обратной связи по напряжению.

Он показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи. Условие Iвх = const в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока. Следовательно, изменение напряжения на входе dUвх есть результат изменения только выходного напряжения dUвых.

Параметры h21 и h22 определяются из второго уравнения системы (2.2).

Полагая dUвых = 0 (Uвых = const), получим

коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току). Он показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. УсловиеUвых = const, т.е. Rн = 0 задается для того, чтобы изменение выходного тока dIвх зависело от изменения входного тока dIвх. Именно при выполнении такого условия параметр h21 будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток, и по изменению этого тока нельзя уже было бы правильно оценить усиление.

Определить параметры можно не только через приращения токов и напряжений, но и через амплитуды (или действующие значения) переменных токов и напряжений из следующих уравнений:

Напомним, что h-параметры определены для малых амплитуд поэтому использование их для больших амплитуд дает значительные погрешности.

Уравнениям (2.12)-(2.16) соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис.2.2

В ней генератор ЭДС h12Um.вых показывает наличие напряжения связи во входной цепи. Сам генератор надо считать идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Генератор тока h21Im.вх в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а h22 является внутренней проводимостью. Хотя входная и выходная цепи кажутся не связанными друг с другом, на самом деле эквивалентные генераторы учитывают взаимосвязь этих цепей.

Источник