151613 (Транзисторы), страница 2

Данное соотношение получено в результате приравнивания напряжения холостого хода (α i_э r_к и β i_б r^*к) в указанных схемах с учетом того, что в режиме холостого хода i_б = i_б.

В эквивалентные схемы транзистора введены емкости коллекторного перехода. Несомненно, в то же время коллекторная емкость

C^*_К = (β + 1) С_К (2.14)

Таким образом, в схеме с ОЭ активное и емкостное сопротивления коллекторной цепи значительно (в β + 1 раз) меньше, чем для транзистора в схеме с ОБ.

Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. Однако расчет не всегда обеспечивает требуемую точность из-за трудности учета контролируемых и неконтролируемых явлений в транзисторе. В свою очередь, при выполнении эксперимента для измерения сопротивлений резисторов необходим доступ к общей точке соединения цепей эмиттера, базы и коллектора практически не в транзисторах. Более удобными для экспериментального определения значений параметров являются эквивалентные схемы, построенные на основе представления транзистора в виде активного четырехполюсника (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4.

Во входную цепь транзистора подается сигнал U₁, что приводит к появлению тока I₁. В выходной цепи (на нагрузке R_н) возникает напряжение U₂ и ток I₂. токи и напряжения считаются переменными. Вместо напряжений можно использовать их приращения U и I. В предположении малости сигналов входные и выходные величины можно связать алгебраическими уравнениями. В зависимости от того, какие из величин стоят по разные стороны знака равенства используют различные обозначения коэффициентов алгебраических выражений.

Наиболее часто используют выражения, у которых коэффициенты получили обозначения h и y. Коэффициенты обычно называют параметрами, а соответствующие эквивалентные схемы – семами в h- и y-параметрах. Выражение для определения h-параметров:

(2.15)

Коэффициенты уравнений (2.16) равны:

. (2.16)

Из этих выражений видно, что

• h₁₁ и h₂₁ – входное сопротивление и коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) при коротком замыкании на выходе транзистора;

• h₁₂ и h₂₂ – параметры, измеряемые при холостом ходе на входе транзистора. h₁₂ характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи транзистора (коэффициент обратной связи по напряжению). h₂₂ –выходная проводимость.

При реализации короткого замыкания на выходе транзистора используют конденсатор, реактивное сопротивление которого на частоте измерения должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки. Для создания режима холостого хода по входу в цепь вводят катушку индуктивности, реактивное сопротивление которой должно быть существенно больше входного сопротивления транзистора.

В связи с тем, что транзистор имеет всего три электрода его подсоединение к входной и выходной цепи четырехполюсника может быть осуществлено только в результате объединения одного из вводов входной и выходной цепи и подсоединения к объединенной цепи одного из трех электродов транзистора. В соответствии с этим общим электродом вводят наименование схемы. Возможно три вида транзисторных схем: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рисунке 2.4 показаны две из них – ОБ и ОЭ. Каждая схема будет отличаться входными и/или выходными электродами, следовательно, будут разниться и значения h-параметров. Например, входное сопротивление транзистора (h₁₁) в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Это следует из очевидного неравенства

. (2.17)

Поэтому в обозначение h-параметров вводят индекс, указывающий по какой схеме проводилось его определение. Обычно используют параметры схем ОБ (индекс Б, например, h_11Б) и ОЭ (h_21Э). Ниже приведены формулы пересчета h–параметров, полученных по схеме ОБ, в параметры ОЭ и ОК.

(2.18)

(2.19)

Между h– параметрами и параметрами транзистора, соответствующими Т–образным эквивалентным схемам, существует определенная зависимость. Для схемы с общей базой эта зависимость выражается соотношениями

(2.20)

Эквивалентная схема транзистора в h_Э-параметрах приведена на рисунке 2.5,а. Так как величина h₁₂ (коэффициент обратной связи по напряжению) у современных транзисторов приближается к нулю, то его обычно не вводят в эквивалентную схему (рисунок 2.5,б).

Рисунок 2.5. Эквивалентные схемы транзистора в h-параметрах для включения с ОЭ

Источник I₁ h_21Э эквивалентной схемы называют зависимым источником тока, так как значение тока этого источника зависит от тока другой ветви – входного тока (в данном случае тока базы). Этот источник характеризует усиление входного тока. Аналогично источник напряженияU₂ h_21Э называют зависимым источником ЭДС. Как было указано выше, он характеризует обратную связь по выходному напряжению.

Для иных схем включения поменяются расположение электродов и индексы при h-параметрах. Также возможна иная индексация напряжений и токов. Например, для указанной схемы включения можно внести следующие изменения в индексацию:

Напоминаем, что вместо токов(I) и напряжений(U) в выражении (2.17) можно использовать их приращения (I и U). Это позволяет определить значения коэффициентов по входным и выходным характеристикам транзистора (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Определение h_Б–параметров транзистора по входным (а) и выходным (б) характеристикам транзистора.

Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах обычно используется для анализа высокочастотных схем. В этом случае независимыми переменными являются напряжения U₁ и U₂, а зависимыми – токи I₁ и I₂. Тогда систему уравнений, характеризующих работу транзистора как четырехполюсника, можно представить в общем виде:

(2.21)

Как и в случае уравнений с h–параметрами вместо приращений токов и напряжений можно использовать сами токи и напряжения (в комплексном виде), считая их незначительными по величине. у-коэффициенты системы уравнений (2.21) определяются аналогично способам определения h–параметрам (при коротком замыкании четырехполюсника по входу и выходу или по входным и выходным характеристикам при условиях U₁ = 0 или U₂ = 0). Коэффициенты (у-параметры) имеют следующий смысл:

• у₁₁ – величина обратная входному сопротивлению, т. е. входная проводимость при коротком замыкании по выходу;

• у₂₁ – проводимость прямой передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие входного напряжения на выходной ток при коротком замыкании по выходу;

• у₁₂ – проводимость обратной передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие выходного напряжения на входной ток при коротком замыкании по выходу;

• у₂₂ – выходная проводимость при коротком замыкании по выходу;

Следует напомнить, что при измерениях условия короткого замыкания должны реализовываться по переменному току.

Эквивалентная схема, соответствующая системе уравнений (2.21) показана на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7. Эквивалентная схема транзистора в у-параметрах

3. Статические характеристики транзистора

Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе.

Для схемы с общим эмиттером статической входной характеристикой является график зависимости тока базы I_Б от напряжения при постоянном значении напряжении коллектора:

Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы:

Типичные входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером показаны на рисунке 2.8. Она имеет вид обычной характеристике прямого тока р–п перехода, на которую оказывает влияние напряжение на коллекторе. Из рисунка 2.8,а видно, что с ростом напряжения U_кэ ток I_б уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении U_кэ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, переход расширяется, захватывая часть базы и, соответственно, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в ней ( в соответствии с (2.5) ток рекомбинации является частью тока базы).

Рисунок 2.8. Статические характеристики транзистора для схемы ОЭ: а – входные; б – выходные

Выходные характеристики (рисунок2.8,б) имеют начальный участок быстрого роста, нелинейную зону, переходящую в область насыщения.

4. Температурные и частотные свойства транзистора

Диапазон рабочих температур транзисторов, определяемый свойствами р–n переходов, такой же, как и у полупроводниковых диодов. Особенно сильно на работу транзисторов влияет нагрев и менее существенно – охлаждение (до минус 60°С). Исследования показывают, что при нагреве от 20 до 60⁰ С параметры плоскостных транзисторов изменяются следующим образом: r_К падает примерно вдвое, r_Б– на 15–20 %, а r_Э возрастает на 15–20 %.

Особенно существенное влияние на работу транзистора при нагреве оказывает обратный ток коллекторного перехода, I_КБО. Для практических расчетов можно принять, что при повышении температуры на каждые 10°С ток I_КБО возрастает примерно вдвое.

Нестабильность режима работы транзистора, обусловленная током I_КБО, очень существенна, так как обратный ток коллектора в значительной степени влияет на токи эмиттера и коллектора, а, следовательно, на усилительные свойства транзистора.

Наиболее часто для работы при повышенных температурах применяются кремниевые транзисторы. Предельная рабочая температура у этих приборов составляет 125 ... 150°С в то время как для германиевых транзисторов – около 60⁰С.

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости эмиттерного и коллекторного р–n переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и возрастает их шунтирующее действие. Как указывалось при составлении Т–образной эквивалентной схемы транзистора наиболее вредное влияние на работу транзистора оказывает емкость коллекторного перехода С_к, так как она стоит параллельно сопротивлению r_к, величина которого значительна. Поэтому нарушение распределения токов в выходных цепях, которое характерно для низких частот, начинает сказываться при более низких значениях частоты сигнала: ток зависимого источника I_б вместо того чтобы поступать в нагрузку начинает замыкаться через емкость С_к.

Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе. Хотя время пролета носителей через базу незначительное, порядка долей микросекунды, но на частотах порядка единиц – десятков мегагерц становится заметным сдвиг фаз между переменными составляющими токов I_э и I_к. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами рисунка 2.9 при различных частотах сигнала.