Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Параметри і еквівалентні схеми біполярних транзисторів

Параметри транзисторів є величинами, що характеризують їх властивості. За допомогою параметрів можна порівнювати якість транзисторів, вирішувати задачі, пов'язані із застосуванням транзисторів у різноманітних схемах, і розраховувати ці схеми.

Для транзисторів запропоновано декілька різних систем параметрів і еквівалентних схем, кожна з яких має свої переваги і недоліки.

Всі параметри можна розділити на власні (або первинні) і вторинні. Власні параметри характеризують властивості самого транзистора незалежно від схеми його ввімкнення, а вторинні параметри для різних схем ввімкнення різні.

В якості власних параметрів, крім знайомого нам коефіцієнта підсилення за струмом, приймають деякі опори відповідно до еквівалентної схеми транзистора для змінного струму (рис.5.9). Ця схема, яку називають Т -подібною, відображає електричну структуру транзистора і враховує його підсилювальні властивості. Як в цій, так і в інших еквівалентних схемах потрібно мати на увазі, що на вхід під’єднується джерело коливань, що підсилюються, яке створює вхідні напруги з амплітудою U_ml, а на вихід ввімкнене навантаження R_Н. Тут і надалі для змінних струмів і напруг будуть, як правило, вказані їх амплітуди. У багатьох випадках вони можуть бути замінені діючими, а іноді і миттєвими значеннями.

Основними первинними параметрами є опори r_е, r_к і r_б,тобто опориемітера, колектораі бази для змінного струму. Опір r_е є сумою опорів емітерного переходу і емітерної області. Подібно цьому r_к є сумою опорів колекторного переходу і колекторної області. Останній є дуже малий в порівнянні з опором переходу, тому ним можна нехтувати. А опір r_б є поперечний опір бази.

Еквівалентна схема, яка розглядається нагадує схему на рис.4.4, однак відрізняється від неї. Схема на рис.4.4 непридатна для змінних струмів передусім тому, що в ній дані опори r_е ₀, r_к ₀ і r_e _o для постійного струму, а опору r_е _, r_к і r_б внаслідок нелінійних властивостей транзистора мають інші значення. Крім того, ця схема не відображає підсилювальних властивостей транзистора. Якщо до входу схеми під’єднати джерело коливань, то на виході змінний струм буде не підсиленим, а зменшеним за рахунок втрат в опорах r_е ₀ і r_к ₀.

У схемі ж на рис.5.9.а) підсилення змінної напруги на виході отримуємо від деякого еквівалентного генератора, ввімкненого в коло колектора; ЕРС цього генератора пропорційна струму емітера I_е.

Еквівалентний генератор треба вважати ідеальним, а роль його внутрішнього опору виконує опір r_к. Як відомо, ЕРС будь-якого генератора дорівнює добутку його струму короткого замикання на внутрішній опір. У цьому випадку струм короткого замикання рівний α І_e, оскільки α= I_mк / I_mе при R_н = 0, тобто при короткому замиканні на виході. Таким чином, ЕРС генератора рівна .

Замість генератора ЕРС можна ввести в схему генератор струму. Тоді виходить що найчастіше застосовується еквівалентна схема (рис.5.9.б). У ній генератор струму створює струм, рівний i I_mе Значення первинних параметрів приблизно наступні. Опір r_е складає десятки ом, r_б - сотні ом, а r_к - сотні кілоом і навіть одиниці мегаом. Звичайно до трьох опорів як четвертий власний параметр додають ще α. Розглянута еквівалентна схема транзистора придатна тільки для низьких частот. На високих частотах необхідно враховувати ще ємність емітерного і колекторного переходів, що призводить до ускладнення схеми. У даному параграфі будуть розглянуті тільки низькочастотні еквівалентні схеми і параметри.

Еквівалентна схема з генератором струму для транзистора, ввімкненого в схемі з СЕ, показана на рис.5.10. У ній генератор дає струм βІ_б, а опір колекторного переходу в порівнянні з попередньою схемою значно поменшав і рівний r_к (1- α) або, приблизно,
r_к / β, якщо врахувати, що β = α / (1- α). Зменшення опору колекторного переходу в схемі з СЕ пояснюється тим, що в цій схемі деяка частина напруги U_к-е прикладена до емітерного переходу і підсилює в ньому інжекцію. Внаслідок цього значна кількість інжектовоних носіїв досягає колекторного переходу і його опір знижується. Перехід від еквівалентної схеми з СБ до схеми з СЕ можна показати таким чином. Напруга, що створюється будь-яким генератором, рівна різниці між ЕРС і падінням напруги на внутрішньому опорі. Для схеми по рис.5.9, а це буде

U_m = αI_mеr_к - I_ткr_к (5.1)

Замінимо тут I_mе на суму I_тк + I_тб. Тоді отримаємо

U_m = α (I_тк + I_тб) r_к - I_тк r_к =

= α I_тк r_к + α I_тб r_к - I_тк r_к =

= α I_тб r_к - (I_тк r_к - α I_тк r_к) = α I_тб r_к - I_тк r_к (1 - α).

У цьому виразі перший доданок є ЕРС, а другий доданок є спад напруги від струму I_тк на опорі r_к (1 - α), який є опором колекторного переходу. А струм короткого замикання, що створюється еквівалентним генератором струму, рівний відношенню ЕРС до внутрішнього опору

(5.2)

Розглянуті Т -подібні еквівалентні схеми є наближеними, оскільки насправді емітер, база і колектор сполучені один з одним всередині транзистора не в одній точці. Але проте використання цих схем для рішення теоретичних і практичних задач не дає значних похибок.

Всі системи вторинних параметрів основані на тому, що транзистор розглядається як чотириполюсник, тобто пристрій, що має два вхідних і два вихідних затискачі. Вторинні параметри зв'язують вхідні і вихідні змінні струми і напруги і справедливі тільки для даного режиму транзистора і для малих амплітуд. Тому їх називають низькочастотними малосигнальними параметрами. Внаслідок нелінійності транзистора вторинні параметри змінюються в залежності від його режиму і в залежності від значення амплітуд величин.

У цей час основними вважаються змішані(або гібридні) параметри, які позначаються літерою h або H. Назва «змішані» дана тому, що серед них є два коефіцієнти, один опір і одна провідність. Саме h -параметри приводяться у всіх довідниках. Параметри системи h зручно вимірювати. Це дуже важливо, оскільки в довідниках містяться усереднені параметри, отримані внаслідок вимірювань параметрів декількох транзисторів даного типу. Два з h-параметрів визначаються при короткому замиканні для змінного струму на виході, тобто при відсутності навантаження у вихідному колі. У цьому випадку на вихід транзистора подається тільки постійна напруга (U ₂= const) від джерела Е 2. Інші два параметри визначаються при розімкненому для змінного струму вхідному колі, тобто коли у вхідному колі є тільки постійний струм (I ₁ = c onst),який створюється джерелом живлення. Умови
U ₂ = const і I ₁ = const неважко здійснити на практиці при вимірюванні h -параметрів.

У систему h -параметрів входять наступні величини:

1. Вхідний опір

h ₁₁ = U ₁/ I ₁ при U ₂ = const (5.3)

є опором транзистора для змінного вхідного струму (між вхідними затискачами) при короткому замиканні на виході, тобто при відсутності вихідної змінної напруги.

При такій умові зміна вхідного струму I ₁ є результатом зміни тільки вхідної напруги U₁. А якби на виході була змінна напруги, то вона за рахунок зворотного зв'язку, існуючого в транзисторі, впливала б на вхідний струм. У результаті вхідний опір виходив би різним в залежності від змінної напруги на виході, яка, в свою чергу, залежить від опору навантаження R_H. Але параметр h ₁₁ повинен характеризувати сам транзистор (незалежно від R_H), і тому він визначається при U ₂ = const, тобто при R_H = 0.

2. Коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою

h ₁₂ = U ₁/ U ₂ при I ₁ = const (5.4)

показує, яка частина вихідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому.

Умова I ₁ = c onst в цьому випадку підкреслює, що у вхідному колі немає змінного струму, тобто це коло розімкнене для змінного струму, і, отже, зміна напруги на вході U ₁ є результат зміни тільки вихідної напруги U ₂.

Як вже вказувалося, в транзисторі завжди є зворотний зв'язок за рахунок того, що електроди транзистора електрично сполучені між собою, а також за рахунок опору бази. Цей зворотний зв'язок існує на будь-якій низькій частоті, навіть при f = 0, тобто на постійному струмі.

3. Коефіцієнт підсилення за струмом (коефіцієнт передачі струму)

h ₂₁ = I ₂/ I ₁при U ₂ = const, (5.5)

який показує підсилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.

Умова U ₂ = c onst, тобто R_н = 0, і тут задається для того, щоб вихідний струм I ₂ залежав тільки від вхідного струму I ₁. Саме при виконанні такої умови параметр h ₂₁ буде дійсно характеризувати підсилення струму самим транзистором. Якби вихідна напруга змінювалася то вона впливала б на вихідний струм і за зміною цього струму вже не можна було б правильно оцінити підсилення.

4. Вихідна провідність

h ₂₂ = I ₂/ U ₂ при I ₁ = const (5.6)

є внутрішньою провідністю для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.

Струм I ₂ повинен змінюватися тільки під впливом вихідної напруги U ₂. Якщо при цьому струм i ₁ не буде сталим, то його зміни викличуть зміни струму I ₂ і значення H ₂₂ буде визначено неправильно.

Величина h ₂₂ задається в сіменсах (См). Оскільки провідність в практичних розрахунках застосовується значно рідше, ніж опір, то надалі ми часто будемо користуватися замість h ₂₂ вихідним опором R_виx = 1/ h ₂₂, вираженим в омах або кілоомах.

Визначити параметри можна не тільки через прирости струмів і напруг, але і через амплітуди змінних складових струмів і напруг:

h ₁₁ = U_m ₁/ I_m ₁ при U_m ₂ = 0; (5.7)

h ₁₂ = U_m1/U_m2 при I_m ₁ = 0; (5.8)

h ₂₁ = I_m ₂/ I_m ₂ при U_m ₂ = 0; (5.9)

h ₂₂ = I_m ₂/ U_m ₂ при I_m ₁ = 0. (5.10)

Нагадаємо, що h -параметри визначені для малих амплітуд, тому використання їх для великих амплітуд дає значні похибки.

При вимірюванні параметрів на змінному струмі замість амплітуд можуть бути взяті діючі значення, які показуються вимірювальними приладами.

Залежність між змінними струмами і напруженнями в транзисторі при використанні
h -параметрів можна виразити наступними рівняннями:

U_m ₁= h ₁₁ I_m ₁+ h ₁₂ U_m ₂; (5.11)

I_m ₂ = h ₂₁ I_m ₁ + h ₂₂ U_m ₂. (5.12)

Дійсно, напруга у вхідному колі U_m ₁ складається з спаду напруги від вхідного струму I_m1 на вхідному опорі h ₁₁ і напруги, переданої з виходу на вхід за рахунок зворотного зв'язку, яка складає частину вихідної напруги U_m ₂. Цю частину характеризує параметр h ₁₂. А вихідний струм I_m ₂ є сумою підсиленого струму, рівного h ₂₁ I_m ₁, і струму в елементі h ₂₂ схеми, що створюється вихідною напругою U_m ₂.

Рівнянням (5.11)і (5.12) відповідає еквівалентна схема, зображена на рис.5.9. У ній генератор ЕРС = h ₁₂ U_m ₂ показує наявність напруги зворотного зв'язку у вхідному колі. Сам генератор треба вважати ідеальним, тобто що не має внутрішнього опору. Генератор струму h ₂₁ I_m ₁ у вихідному колі враховує ефект підсилення струму, а h ₂₂ є внутрішньою провідністю цього генератора. Хоч і вхідне і вихідне кола виглядають не пов'язаними одне з одним, насправді еквівалентні генератори враховують взаємозв'язок цих кіл.

У залежності від того, до якої схеми відносяться параметри, додатково до цифрових індексів ставляться букви: «е» для схеми з спільним емітером СЕ, «б» для схеми з спільною базою СБ і «к» для схеми з спільним колектором СК.

Розглянемо h -параметри для схем СЕ і СБ і наведемо їх вирази для транзисторів малої потужності.

Для схеми СЕ I ₁ = I_б, I ₂ = I_к, U ₁ = = U_б-е, U ₂ = U_к-е, і тому h- параметри визначаються за наступними виразами

h _11е = U_б-е / I_б при U_к-е = const (5·13)

вхідний опір і виходить від сотень ом до одиниць кілоом;

коефіцієнт зворотного зв'язку

h _12е ⁼ U_б-е / U_к-е при I_б = const (5.14) і звичайно складає l0^-3-10^-4, тобто напруги, що передається з виходу на вхід за рахунок зворотного зв'язку, складає тисячні або десятитисячні частки вихідної напруги;

коефіцієнт підсилення струму є відомий нам параметр

h _2lе= β = I _к/ I_б при U_к-е = const (5.15)

і складає десятки сотні; вихідна провідність

h _22е= I_к / U_к-е при r_б = c onst (5.16)

і рівна десятим або сотим долям мілісіменса, а вихідний опір 1/ h _22е виходить від одиниць до десятків кілоом.

Для схеми СБ I ₁ = I_е, I ₂ = I_к, U ₁ = = U_е-б, U ₂ = U_к-б і формули для h -параметрів записуються наступним чином:

Вхідний опір

h _11б= U_е-б / I_е при U_к-б = const (5.17)

і складає одиниці або десятки ом;

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒