H параметры транзистора для схемы включения

H параметры транзистора для схемы включения

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

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) — коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

Источник

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

Зная название транзистора уже можно получить нужную информацию о нем.
Транзисторам присваивается обозначение из четырех элементов.
Первый элемент — буква или цифра, указывающий исходный материал из чего сделан транзистор ( Г или 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — соединения галия.
Второй элемент — буква определяющая подкласс прибора ( Т — транзистор, П — полевой).
Третий элемент — цифры, первая обозначает номер классификации у биполярных транзисторов — граничную частоту передачи тока, а у полевых транзисторов — максимальную рабочую частоту. Последующие две цифры обозначают порядковый номер разработки.
Вот расшифровка первой цифры,
транзисторы:
малой мощности (мощность рассеяния до 0,3 Вт);
1 — низкой частоты (до 3 МГц)
2 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
3 — высокой частоты (свыше 30 МГц)
средней мощности (мощность рассеяния от 0,3 Вт до 1,5 Вт)
4 — низкой частоты (до 3 МГц)
5 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
6 — высокой частоты (свыше 30 МГц)
большой мощности (мощность рассеяния свыше 1,5 Вт)
7 — низкой частоты (до 3 МГц)
8 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
9 — высокой частоты (свыше 30 МГц).
Четвертый элемент — буква, указывающая разновидность из данной группы приборов.
К примеру ГТ328А — германиевый транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 28, разновидность А.

Обратный коллекторный ток

Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.

Обратный ток коллектора Iкбо — это ток, возникающий в коллекторном переходе включенном в обратном направлении со свободным эмиттером ( рис.1 ).
Индекс кбо обозначает ток между коллектором и базой при не включенном (открытом) эмиттере.

Обратный ток эмиттера Iэбо — это ток при обратном заданном напряжении на переходе эмиттер — база с отключенным коллектором ( рис.2 ).

Рассмотрим подробней обратный ток коллектора Iкбо , т.к. он является главным дестабилизирующим параметром транзистора.
Коллекторный обратный ток очень мал. В маломощных транзисторах при комнатной температуре Iкбо равен всего несколько десятков микроампер, а в кремневых — менее 1мкА. Так почему данные этих незначительных величин приводятся в справочниках параметров транзисторов?
Дело в том, что во время работы любой транзистор греется, а значить при этом будет повышается и температура p-n и n-p переходов между коллектором и базой. А полупроводники не только обогащены примесями с основными носителями зарядов электронами или дырками. В них присутствует еще достаточное количество и нейтральных атомов.
Поэтому при нагреве полупроводников происходит, так называемая, термогенерация — уход в нейтральных атомах полупроводника электронов с орбиты в валентную зону или зону проводимости. Но при этом в валентной зоне образуются и дырки (атомы потерявшие электроны), которые так же, наряду с электронами, будут в зоне проводимости.
Все это приводит к тому, что в цепи коллектор — база проходит диффузионный неуправляемый ток коллекторного p-n перехода в обратном направлении.
При повышении температуры транзистора обратный ток коллектора быстро растет по экспоненциальному закону. В германиевых (Ge) транзисторах обратный ток удваивается на каждые 10 о С , а в транзисторах из кремния (Si) — в 2,5 раза.

Возьмем, например, германиевый ГТ108 и кремниевый КТ3102 маломощные транзисторы и рассчитаем значения возрастания обратного коллекторного тока Iкбо от повышения температуры t о C транзисторов ( рис.3 ), и по этим данным построим график ( рис.4) .
По ним видно, что при увеличении температуры от 20 о C до 70 о C обратный ток увеличивается в десятки раз. Поэтому обратный коллекторный ток еще называют тепловым током.
Отсюда можно сделать вывод: кремниевые транзисторы, имея меньшее Iкбо , более температурно стабильнее, чем германиевые.

Но еще большая «проблема» состоит в том, что в различных усилительных схемах часть обратного коллекторного тока проходит через управляющий эмиттерный переход транзистора и это приводит к сильному увеличению прямого коллекторного тока, а значить — к увеличению температуры транзистора.

Низкочастотные параметры транзистора

h — параметры

Для анализа работы транзистора в усилительном режиме используется метод четырехполюсника, который позволяет производить расчет усилителя с помощью только матриц без составления эквивалентной схемы транзистора.
Существуют три системы параметров транзистора: z, h и y .
Для расчета низкочастотных схем применяются z- и h-параметры, а для высокочастотных — y-параметры.
И хотя система h-параметров характеризует работу транзистора под воздействием только малого сигнала, она получила широкое распространение, благодаря тому, что при измерении этих параметров требуется воспроизвести легко выполнимые действия: холостой ход на входе ( I1=0 ) или короткое замыкание на выходе ( U2=0 ). А связь между h- параметрами c остальными параметрами можно узнать в Википедии .

Но вернемся к четырехполюснику.
На низких частотах при работе с малым сигналом транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, у которого есть входной и выходной контакты, а так же один общий провод с двумя контактами ( рис.5 ). А к общему проводу транзистор может подключаться по разному. От того, какой из выводов транзистора подключен к этому проводу, различают включение с общей базой ( ОБ ), общим эмиттером ( ОЭ ) и общим коллектором ( ОК ).
На клеммы четырехполюсника 1-1 подается переменное входное напряжение U1 , которое создает ток I1 а с клемм 2-2 снимаются выходные U2 и I2 .

Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:

h-параметры представляют собой определенные физические величины и зависят от схемы включения транзистора. Чтобы определить к какой схеме включения относятся параметры используют второй индекс: э,б или к . Например, h11э — входное сопротивление в схеме с ОЭ , а h21б — коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ .

Рассмотрим, для примера, эквивалентную схему транзистора с ОЭ применяя h-параметры ( рис.7 ):
при коротком замыкании выходной сети (U2=0) :
h11э=Uбэ/Iб — входное сопротивление транзистора,
h21э=Iк/Iб — коэффициент передачи тока;
при разомкнутом по переменному току входе (I1=0) :
h12э=Uбэ/Uкэ — коэффициент обратной связи по напряжению,
h22э=Iк/Uкэ — выходная проводимость.

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:

h11э ? h11б/1+h21б;
h12э ? (h11б•h22б/1+h21б) — h12б;
h21э ? -h21б/1+h21б;
h22э ? h22б/1+h21б;

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.

Обычно в справочнике в разделе параметров транзистора указываются h-параметры при включении транзистора с ОБ: h11б — входное сопротивление, h12б — коэффициент обратной связи, h22б — выходная полная проводимость; и с ОЭ: h21э — коэффициент передачи тока.
Эти параметры транзистора статические, т.е. они измерены при постоянных параметрах напряжения коллектора Uк и тока коллектора Iк. Если будут изменяться эти значения — будут меняться и h-параметры транзистора. Но можно, благодаря этим приведеным h- параметрам, определить параметры с любым способом включения транзистора и приблизительно узнать, какие будут характеристики транзистора в динамическом режиме.

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:

В справочниках в параметрах транзисторов так же могут указаны коэффициенты усиления ? и ? .
? — это коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше базового:
?=h21э?Iк/Iб .
? — коэффициент усиления по току в схеме с ОБ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного:
?=h21э?Iк/Iэ .

Коэффициенты ? и ? транзистора связаны между собой соотношением:
?=?/1-?.
При помощи номограммы ( рис.8 ) можно быстро перевести один коэффициент в другой:

Высокочастотные параметры транзистора

Емкость коллекторного перехода

В справочниках по транзисторам приводится параметр емкости коллекторного перехода Ск — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи.

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.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером ( рис.9 ), где сопротивления rб, rэ и rк представляют собой дифференциальные сопротивления базового, эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.
Сопротивление rб может составлять десятки-сотни Ом, rэ — от долей до десятков Ом, а rк — от десятков килоОм до нескольких мегОм.
На схеме показаны барьерные емкости эмиттерного перехода Сэ и коллекторного — Ск , которые включены параллельно сопротивлениям rэ и rк .
Величина емкости Ск может составлять от 2-5 пф до 50-200 пф, а емкость Сэ больше Ск в 5-10 раз.

Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.

В режиме малого переменного сигнала низкой частоты влияние небольших емкостей переходов будет минимальным, т.к. их реактивное сопротивление ( Xc=1/2?fC ), будет большИм, и мало влияет на rэ и rк .
В области верхних частот с ростом частоты сопротивления барьерных емкостей уменьшаются, что приводит к шунтировании сопротивлений переходов.
Хотя емкость Сэ и имеет бOльшую величину чем Ск , ее емкостное сопротивление не на много влияет на сопротивление rэ , т.к. шунтирует малое значение сопротивления (десятки Ом).

По другому происходит с коллекторным сопротивлением rк .
При увеличении частоты сигнала до десятков килогерц сопротивление коллекторной емкости Ск падает ниже сопротивления коллекторного перехода rк и шунтирует его. Если на выходе схемы подключить сопротивление нагрузки Rн , то влиянием емкости Ск уже нельзя пренебречь.
Цепочка rэСэ и rкСк будет включена параллельно резистору нагрузки Rн шунтируя его, что приведет в определенный момент к уменьшению усиления транзистора.

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.

Предельная частота fпр коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ — частоты, при которой модуль коэффициента усиления по току h21эо уменьшается в v2 раза (или на 3 дб). ( рис.10 ).
Граничная частота fгр коэффициента усиления по току в схеме с ОЭ — частота, при которой модуль коэффициента усиления h21э=1 и транзистор не работает как усилитель.

Коэффициент шума

Величина коэффициента шума является самым основным параметром транзистора, работающем в предварительном усилителе с малыми входными сигналами.
Коэффициент шума Кш — это отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к мощности тепловых шумов сопротивления источника сигнала на входе:

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.

Источник

Оцените статью
REMNABOR
Adblock
detector