Физический смысл h22 параметра
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.
Home  Радиотехника Биполярные транзисторы |
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого.
Такое управление возможно, потому, что носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.
Основанием биполярного транзистора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в нее вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n-p-n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя — полупроводником с дырочной проводимостью и транзистор типа p-n-p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя — полупроводником с электронной проводимостью. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую — так, чтобы соответствующий электронно-дырочный переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, соответствующий электронно-дырочный переход — эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором, а соответствующий электронно-дырочный переход — коллекторным.
В зависимости от полярности эти напряжений каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзистора: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный-заперт. Если же эмиттерный переход смещен в обратном направлении а коллекторный — в прямом, то транзистор работает в обращенное (инверсном) включении.
В основном транзистор используют в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p-n-p подают отрицательное напряжение относительна эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.
Классификация биполярных транзисторов
Параметры постоянного тока биполярных транзисторов
Рис. 2. Схемы измерения: а — обратного тока коллектора; б — обратного тока эмиттера; в — обратного тока коллектор — эмиттер.
Параметры постоянного тока характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами перехода. Обратный ток коллектора IКБО — ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор — база и разомкнутом выводе эмиттера (рис. 2,а).
Обратные токи коллектора и эмиттера биполярного транзистора зависят от температуры переходов:
Рис. 3. Схема четырехполюсник эквивалентного транзистору.
Малосигнальные параметры характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала, т. е. сигнала, возрастание амплитуды которого в 1,5 раза приводит к незначительному изменению параметра (обычно не более чем на 10 %). При воздействии малого сигнала транзистор рассматривают как линейный активный несимметричный четырехполюсник (рис. 3), у которого один из зажимов всегда является общим для входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к общему зажиму, различают включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Варианты схем включения транзистора приведены на рис. 4.
В соответствии с теорией четырехполюсников входные и выходные напряжения и токи (U1 I1 и U2, I2) однозначно связаны между собой системой уравнений, содержащей четыре параметра четырехполюсника.
Рис. 4. Схемы включения биполярного транзистора.
Система h-параметров получила широкое распространение, так как при измерении этих параметров требуется воспроизведение холостого хода на входе (I1=0) или короткого замыкания на выходе (U2= 0), что легко выполнять. В этой системе параметров уравнения четырехполюсника записываются в виде
Все h-параметры имеют определенный физический смысл: h11=U1/I1 — входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе (U2=0); h12=U1/U2 — коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе (I1=0); h21=I2/I1 — коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе (U2=0); h22=I2/U2 — выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе (I1=0).
Обычно h-параметры измеряют при включениях транзисторов ОБ или ОЭ. Связь между h-параметрами для разных схем включения определяется формулами
Система y-параметров используется преимущественно на высоких частотах. По способу определения y-параметры являются параметрами короткого замыкания по переменному току на входе или выходе, что вытекает из уравнений I1=y11U1+y12U2; I2=y21U1+y22U2
Все y-параметры имеют определенный физический смысл: y11=I1/U1 — входная проводимость при короткозамкнутом выходе (U2 = 0); y12=I1/U2 — обратная взаимная проводимость при короткозамкнутом входе (U1 = 0); y21=I2/U1 — прямая взаимная проводимость (крутизна) при короткозамкнутом выходе; y22=I2/U2 — выходная проводимость при короткозамкнутом входе.
Связь между h и y-параметрами выражается формулами:
Обычно в справочниках приводятся h-параметры при включении транзистора с ОБ. По этим параметрам можно определить y-параметры при включении с ОЭ:
Если вместо h21б в справочнике приведено h21э, то следует воспользоваться формулой h21б=h21э/(1+h21э).
Малосигнальные параметры транзисторов зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h21э прямо пропорционален, a h11б — обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.
Высокочастотные параметры биполярных транзисторов
Высокочастотные параметры характеризуют транзисторы на высоких частотах. Граничная частота по определенному параметру — это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером fгр — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице.
Предельная частота по определенному параметру — частота, при которой этот параметр уменьшается на определенную величину (обычно 3 дБ) по сравнению с первоначальным (низкочастотным). Предельная частота передачи тока при включении с ОБ fh21б — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне прямой передачи fy21э — частота, при которой модуль крутизны прямой передачи в схеме с ОЭ уменьшается на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте. Максимальная частота генерации fmax — наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в схеме автогенератора.
Емкость коллекторного перехода Ск — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи. Емкость Ск в первом приближении является функцией напряжения на коллекторе U`кэ:
где, Ск.справ — емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного Uкэ. Сопротивление базы rб, — сопротивление между выводами базы и переходом база — эмиттер. На достаточно высокой частоте rб=|h11э|.
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте τк произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода (τк=rбСк). Эта величина используется при расчетах y-параметров на высоких частотах. В справочных данных приводятся Ск, rб, измеренные при определенном режиме.
Высокочастотные параметры транзистора связаны между собой определенными зависимостями, например:
где fmax — максимальная частота генерации, МГц; fгр — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц; τк — постоянная времени, fh21б — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОБ, МГц; fy21э — предельная частота по крутизне прямой передачи, МГц, fh21э — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц.
Активные составляющие входной и выходной проводимостей транзистора на высокой частоте f 2 s/rб’)/h21эh11б(1+γ 2 s); (IV.1)
входную и выходную емкости — по формулам
крутизну прямой передачи — по формуле
модуль обратной взаимной проводимости — по формуле
Рис. 6. Выходные характеристики биполярных транзисторов а — с ОБ; б — с ОЭ.
Выходные характеристики устанавливают зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора). Отличительной особенностью выходных характеристик транзистора (рис. 6), включенного по схеме с общей базой, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения UКБ. При напряжении UКБ выше определенного значения происходит пробой коллекторного перехода. Ток коллектора транзистора, включенного по схеме с ОЭ, в основном зависит от напряжения на коллекторе. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем напряжении на коллекторе, чем при включении транзистора по схеме с общей базой. Только при закрытом транзисторе (UЭБ= 0) напряжение пробоя приближается к напряжению пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой. При повышении температуры переходов выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока коллекторного перехода.
Статические вольт-амперные характеристики транзисторов на постоянном токе строят по точкам или получают с помощью специальных характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева транзисторов. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов биполярных транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. Максимально допустимые импульсные параметры приводятся для заданной скважности и длительности импульсов. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — база UКБmax максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — эмиттер UКЭmax, максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер — база UЭБmax, максимально допустимый постоянный ток коллектора IКmax, максимально допустимый постоянный ток эмиттера IЭmax, максимально допустимый постоянный ток базы IБmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора PКmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность транзистора Pmax.
4.1.4. H-параметры транзистора
Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.
В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i1) и выходное напряжение (u2), а зависимыми являются: входное напряжение (u1) и выходной ток (i2). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:
Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:
Тогда физический смысл h-параметров определяется как:
входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.
H-параметры измеряются в различных единицах: h11 измеряется в омах, h22 – в сименсах, h21 и h12 – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h12u2 учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u2, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h21i1 учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.
Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h—параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.
Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов
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.
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.