Модель транзистора в системе h параметров
Модель транзистора в системе h параметров
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.
Параметры биполярного транзистора
В радиолюбительской практике часто приходится подбирать транзисторы для их замены на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры транзисторов как по постоянному, так и переменному току. Но не все знают, что они обозначают. Попробуем разобраться с этим.
Биполярные транзисторы
Обратный коллекторный ток
Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.
Низкочастотные параметры транзистора
Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:
У современных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.
Для разных схем включения транзистора h-параметры определяются по формулам:
h11б?h11э/(1+h21э);
h12б?h11э•h22э/(1+h21э);
h21б?-h21э/(1+h21э);
h22б?h22э/(1+h21э);
h11к?h11э;
h12к?1;
h21к?-(1+h21э);
h22к?h22э.
Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30. 60.
Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:
Высокочастотные параметры транзистора
Емкость коллекторного перехода
Сам по себе транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел “p-n переход”, рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.
Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.
Из этого можно сделать вывод: транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.
Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.
Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала транзистора коэффициент усиления по току с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления транзистора от частоты, хотя и немаловажная.
С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время “пролета” составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению коэффициента усиления по току.
Коэффициент шума
Из этого определения следует, что для идеального “нешумящего” транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:
Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( Т?С ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.
Чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1. 0,5 мА, Uк=0,5. 2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.
Модель транзистора в системе h параметров
Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема четырехполюсника
В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.
Система z-параметров
Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I1 и I2, а напряжения U1 и U2 будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:
Коэффициенты zik в этих уравнениях определяются следующим образом:
– определяются как входное и выходное сопротивления.
– сопротивления обратной и прямой передач.
Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I1 = 0) и выходе (I2 = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I1 = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I1 = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I2 = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).
Система y-параметров
Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U1 и U2, а токи I1 и I2 будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:
Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:
– входная и выходная проводимости.
– проводимости обратной и прямой передач.
Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U1 = 0) и выходе (U2 = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U1 = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U2 = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).
Система h-параметров
Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:
Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:
– входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;
– выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;
– коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;
– коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.
Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.
Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника:
а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:
Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:
Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.
Таблица 2. Связи между h параметрами
Параметры, схемы включения биполярного транзистора (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 |
1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора. 4
3. Постановка задания. 13
4. Пример выполнения задания. 14
5. Порядок оформления домашнего задания. 22
6. Контрольные вопросы. 23
Список рекомендуемой литературы. 24
Введение
Данные методические материалы разработаны в соответствии с программой курса “Твердотельная электроника” для студентов специальности “Промышленная электроника”.
1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора
Транзистор является нелинейным элементом. Работа транзисторов в различных усилителях характеризуется параметрами малого сигнала, еще называемыми дифференциальными параметрами. Однако в режиме малого сигнала, когда входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным соответствующим точке покоя напряжением, связь между токами и напряжениями в некоторой области статических вольт-амперных характеристик (вах) можно считать линейной с допустимой степенью приближения. В этом режиме транзистор можно представить четырехполюсником (рис. 1) и считать его линейным усилительным элементом независимо от схемы его включения (рис. 2). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в 2 раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений.
Свойства транзистора и их изменение в зависимости от режима его работы (тока коллектора, коллекторного напряжения, частоты сигнала) и температуры окружающей среды оцениваются параметрами. Физические явления в транзисторе и его электрическое состояние, а также изменение его свойств оценивают, определяют и описывают физическими параметрами.
Свойства разных схем включения транзистора описывают характеристическими параметрами, называемыми h – параметрами или системой h-параметров.
Между физическими и h-параметрами существует однозначная функциональная связь, позволяющая переходить от физических параметров к h – параметрам и наоборот.
1.1. Физические параметры транзистора
К числу основных физических параметров транзистора, определяющих его динамические свойства при рассмотрении переменных составлявших токов и напряжений в электрических цепях, относятся следующие:
Коэффициент передачи тока эмиттера /дифференциальный/ для схемы ОБ (рис. 2-а):
; Uk=const
Для биполярных транзисторов α = 0,9÷0,995
2. Коэффициент передачи тока базы (дифференциальный) для схемы с общим эмиттером (рис 2-б)
; Uк=const
3. Сопротивление эмиттерного перехода (дифференциальное)
; Uк=const
Характеризуется нелинейной зависимостью от тока эмиттера и практически не зависит от коллекторного напряжения. При изменении температуры линейно меняется приблизительно на 0,33% / oС.
4. Сопротивление коллекторного перехода (дифференциальное)
; Iэ=const
Изменяется обратно пропорционально току эмиттера, имеет нелинейную, с точкой экстремума зависимость от коллекторного напряжения и температуры окружающей среды.
5. Объемное сопротивление базы (или сопротивление базы) rб при увеличении тока эмиттера уменьшается и возрастает при увеличении коллекторного напряжения. Изменение от температуры обусловлено концентрацией примесей в базовой области.
Зависимость этих физических параметров от h– параметров приводится в табл 1.
4.3. Система h-параметров биполярных транзисторов
Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины.
h11Э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора;
h12Э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току);
h21Э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора;
h22Э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе.
Индекс «Э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h-параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора: параметры h11 и h12 – по входным (рис. 4.3.1, а, б), параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 4.3.1 в, г).
Рисунок 4.3.1. Определение h-параметров биполярного транзистора
по семействам входных и выходных характеристик.
4.4. Схемы включения биполярных транзисторов.
Как отмечалось выше, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник; из трех его электродов один – входной, другой – выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода, и в зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис.4.4.1, а, б и в, соответственно).
На всех схемах кроме источников питания ЕЭ, ЕБ и ЕК присутствует источник сигнала
При малых напряжениях во входной цепи возникают токи значительной величины. Это возможно, если входное сопротивление схемы ОБ низкое.
Выходной ток, практически равный входному, протекает через большое сопротивление нагрузки RH, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОБ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОБ.