4. Анализ эквивалентных схем биполярного транзистора.

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

                                                             ά Іэ

                              r эо                        r ко

                                                               r Бо

                                           E 1                          E 2

Рис. 6-1. Эквивалентная Т-образная  схема  транзистора в схеме с ОБ.

В качестве собственных параметров помимо знакомого нам коэффициента усиления по току  принимают некоторые сопротивления в соответствии с эквивалентной схемой транзистора для переменного тока (рис. 6-1). Эта схема, называемая Т-образной, отображает электрическую структуру транзистора и учиты­вает его усилительные свойства. Как в этой, так и в других эквивалентных схемах следует подразумевать, что на вход включается источник усиливаемых колебаний, создающий входное напряжение с амплитудой , а на выход - нагрузка RH. Здесь и в дальнейшем для переменных токов и напряжений будут, как правило, указаны их амплитуды. Во многих случаях они могут быть заме­нены действующими, а иногда и мгновенными значениями.

Основными первичными параметрами являются сопротивления , и , г. е. сопротивления эмиттера, коллектора и базы для переменного тока. Со­противление , представляет собой сопротивление эмиттерного перехода, к кото­рому добавляется сопротивление эмиттерной области. Подобно этому  явля­ется суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области, но последнее очень мало по сравнению с сопротивлением перехода. А сопротивление  есть поперечное сопротивление базы.

В схеме на рис. 6-1,а усиленное переменное напряжение на выходе получается от некоторого эквивалентного генератора, включенного в цепь кол­лектора; ЭДС этого генератора пропорциональна  току эмиттера .

Эквивалентный генератор надо считать идеальным, а роль его внутреннего сопротивления выполняет сопротивление . Как известно. ЭДС любого генератора равна произведению его тока короткого замыкания на внутреннее сопротивление. В данном случае ток короткого замыкания равен , так как  при , т. е. при коротком замыкании на выходе. Таким образом, ЭДС генератора равна .

Вместо генератора ЭДС можно ввести в схему генератор тока. Тогда получается наиболее часто применяемая эквивалентная схема (рис. 6-1, б). В ней генератор тока создает ток, равный . Значения первичных параметров примерно следующие. Сопротивление , составляет десятки Ом,  — сотни Ом, а — сотни килоОм и даже единицы мегаОм. Обычно к трем сопротивлениям в качестве четвертого собственного параметра добавляют еще . Рассмотренная эквивалентная схема транзистора пригодна только для низких частот. На высоких частотах необходимо учитывать еще емкости эмиттерного и коллекторного переходов,   что   приводит   к   усложнению   схемы.

                                                                                   βIБ

                                  r Бо                    r ко

                                                              r эо

                                           E 1                       E 2

Рис.   6-2.  Эквивалентная   Т-образная   схема   транзистора, включенного по  схеме ОЭ

Эквивалентная схема с генератором тока для транзистора, включенного по схеме ОЭ. показана на рис. 6-2. В ней генератор дает ток , а со­противление коллекторного перехода по сравнению с предыдущей схемой зна­чительно уменьшилось и равно  или, приближенно если учесть. что  и . Уменьшение сопротивления коллекторного перехода в схеме ОЭ объясняется тем, что в этой схеме некоторая часть напряжения  приложена к эмиттерному переходу и усиливает в нем инжекцию. Вслед­ствие этого значительное число инжектированных носителей приходит к коллек­торному, переходу и его сопротивление снижается.

Переход от эквивалентной схемы ОБ к схеме ОЭ можно показать сле­дующим образом. Напряжение, создаваемое любым генератором, равно разности между ЭДС и падением напряжения на внутреннем сопротивлении. Для схемы по рис. 6-1, а это будет

Заменим здесь  на сумму . Тогда получим

В этом выражении первое слагаемое  представляет собой ЭДС, а вто­рое слагаемое есть падение напряжения от тока  на сопротивлении , которое является сопротивлением коллекторного перехода. А ток ко­роткого замыкания, создаваемый эквивалентным генератором тока, равен от­ношению ЭДС к внутреннему сопротивлению, т. е.

Рассмотренные Т-образные эквивалентные схемы являются приближенными, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор соединены друг с другом внутри транзистора не в одной точке. Но тем не менее использование этих схем для решения теоретических и практических задач не дает значительных погрешностей.

5. Н – параметры биполярного транзистора.

В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) пара­метры, обозначаемые буквой h или H. Название «смешанные» дано потому, что среди них имеются две относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Параметры системы h удобно измерять. Это весьма важно, так как публи­куемые  в  справочниках  параметры  являются  средними,  полученными  в  результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Два из h-параметров определяются при коротком замыкании для переменного тока на выходе, т. е. при отсутствии нагрузки в выходной цепи. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение (U2=const) от ис­точника Е2. Остальные два параметра определяются при разомкнутой для переменного тока входной цепи, т. е. когда во входной цепи имеется только постоянный ток (I1=const), создаваемый источником питания. Условия U2=const и  I1=const нетрудно   осуществить   на   практике   при   измерении   h-параметров.

                            I1                                                              I2

                  U1                                                                                  U2

                                                         Рис. 7-1.

Схема транзистора, представленного в виде активного четырёхполюсника.

В систему h-параметров входят следующие величины.

Входное сопротивление

                             при    U2=const                    (7.1)

представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

При таком условии изменение входного тока  является результатом изменения только входного напряжения . А если бы на выходе было пе­ременное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление получалось бы различным в зависимости от переменного напряжения на выходе, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления нагрузки RH. Но параметр  должен характеризовать сам транзистор (независимо от RH), и поэтому он определяется при u2 = const, т. е. при RH = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению

                     при                             (7.2)

показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Условие  в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока, т. е. эта цепь разомкнута для переменного тока, и, следо­вательно, изменение напряжения на входе , есть результат изменения только выходного напряжения .

Как уже указывалось, в транзисторе всегда есть внутренняя обратная связь за счет того, что электроды транзистора имеют электрическое соединение между собой, и за счет сопротивления базы. Эта обратная связь существует на любой низкой частоте, даже при  f=0, т. е. на постоянном токе.

Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока)

                               при   U2 = const                       (7.3)

показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

Условие U2 = const, т. е. RH = 0, и здесь задается для того, чтобы изменение выходного тока  зависело только от изменения входного тока . Именно при выполнении такого условия параметр  будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток и по изменению этого тока уже нельзя было бы правильно оценить усиление.

   Выходная проводимость

                                 при                  (7.4)

представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между вы­ходными зажимами транзистора.

Ток  должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения и2. Если при этом ток , не будет постоянным, то его изме­нения вызовут изменения тока  и значение h22 будет определено неправильно.

Величина h22 измеряется в сименсах (S). Так как проводимость в практи­ческих расчетах применяется значительно реже, нежели сопротивление, то в даль­нейшем мы часто будем пользоваться вместо h22 выходным сопротивлением , выраженным в Омах или килоОмах.

6.  Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

На низких частотах сопротивление емкости  очень большое,  также очень велико (обычно ) и можно считать, что весь ток  идет в нагрузочный резистор, т. е. . Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через  соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются , , , выходное напряжение и выходная мощность.

Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопро­тивление емкости стремится к нулю, т. е.  создает короткое замыкание для генератора и весь его ток  пойдет через , а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.

Емкость эмиттерного перехода Сэ также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода  и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение получается одного порядка с .

Сущность влияния емкости Сэ состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивлениe . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьша­ется эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то со­противление  стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость Сэ становится нецелесооб­разной. Поэтому влияние емкости Сэ в большинстве случаев можно не рассматривать. Итак, вследствие влияния емкости Ск на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления  и .

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном, а также инерционностью процессов накоп­ления и рассасывания заряда в базе. Носители, например дырки в транзи­сторе типа p-n-p. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу  в обычных транзисторах 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не­ большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и  эмиттера. За  счет сдвига  на высоких  частотах  возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току .

                     Рис. 8-2                                                    Рис. 8-3.

Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов  и  при повышении частоты.

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как  составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах  имеет свое наибольшее значение . При более высокой частоте, например 1 МГц, запазды­вание тока  на время  относительно тока  вызывает заметный фазовый сдвиг  между этими токами. Теперь ток базы  равен не алгебраической, а геометрической разности токов  и  и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток  еще не уменьшился за счет влияния емкости Ск, то коэффициент  все же станет заметно меньше  На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток  еще больше увеличится, а коэффициент  уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент  уменьшается зна­чительно сильнее, нежели . Коэффициент  cнижается от влияния емкости Ск а на значение  влияет еще и фазовый сдвиг между  и  за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по срав­нению со схемой  ОБ  обладает значительно  худшими  частотными  свойствами.

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений  и  на 30%  по сравнению с их значениями  и  на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых  и , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно  и . Поскольку  уменьшается гораздо сильнее, нежели , то   значительно ниже . Можно считать, что

На рис.(8-3) изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов  и  с повышением частоты, отло­женной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по верти­кальной оси отложены не сами  и , а относительные величины  и . Помимо предельных частот усиления  и  транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации , при которой коэффициент усиления по мощности  снижается до 1. Очевидно, что при , когда , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если , то генерации колебаний уже не будет.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6