1.7. Транзистор как линейный четырехполюсник

Токи и напряжения в транзисторе связаны нелинейными зависимостями. Поэтому в общем случае транзистор следует рассматривать как нелинейный четырехполюсник (рис. 12). Однако при произвольных постоянных токах и напряжениях на электродах транзистора и воздействии малого сигнала, статические характеристики транзистора могут быть линеаризованы в области рабочей точки.

Рис. 12

Например, линеаризация входной характеристики в области рабочей точки B (рис. 13) эквивалентна замене экспоненциальной зависимости линией касательной в точке B. При этом нелинейные зависимости заменяются линейными, а транзистор характеризуется как линейный четырехполюсник.

Линеаризация характеристик допустима лишь при малых сигналах U₁, т.к. при больших сигналах ошибка становится недопустимо большой. Поэтому параметры, характеризующие линеаризованный транзистор называют малосигнальными параметрами, а также дифференциальными параметрами, т.к. линеаризация выполняется касательными.

Рис. 13

Представление транзистора в виде эквивалентного линейного четырехполюсника широко используется в радиотехнических расчетах. При этом связь между изменениями токов ,и напряженийи, в общем случае комплексными, описывается с помощью одной из трех систем параметров –Z, Y или H.

Причем, в зависимости от схемы включения транзистора, каждая система параметров определяется для схем ОБ, ОЭ, ОК отдельно.

Наибольшее применение получила система h-параметров это смешанная система: , где

- входное сопротивление при КЗ по переменной составляющей на выходе;

- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе;

- дифференциальный коэффициент передачи тока при КЗ по переменной составляющей на выходе;

- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе по переменной составляющей.

Систему h-параметров широко используют в области низких частот, когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов.

Значения h-параметров легко определяются по входным и выходным характеристикам транзистора. Для этого определяют рабочую точку на характеристиках и выполняют их линеаризацию вблизи рабочей точки. Воздействия токов и напряжений малого сигнала ,,, моделируют (имитируют) небольшими отклонениями положения рабочей точки.

Например,

, .

Отметим, что параметр совпадает с β, асовпадает с α.

Параметры транзисторов в разных схемах включения однозначно связаны между собой. Всегда можно перейти от одной системы параметров к другой системе.

1.8. Эквивалентные схемы транзистора в линейном режиме

Представление транзисторов в форме активного линейного четырехполюсника часто используют для расчета электронных схем. При этом транзистор заменяют эквивалентной электрической схемой, составленной из линейных элементов – R, C, L, генераторов тока и напряжения, которая по своим свойствам, при заданном малом сигнале и в заданной рабочей точке, мало отличается от транзистора.

Различают формальные и физические эквивалентные схемы.

Формальные эквивалентные схемы строят на основе описания транзистора заданной системой параметров.

Физические эквивалентные схемы составляют с учетом физических процессов протекающих в транзисторе, элементы этих схем выражают конкретные параметры транзистора.

Эквивалентная схема транзистора включенного по схеме с ОБ представлена на рис. 14. На рис. 15 представлена эквивалентная схема транзистора включенного по схеме с ОЭ.

Рис. 14

Эмиттерный и коллекторный переходы представлены дифференциальным сопротивлениями r_Э и r_к.

Эффект передачи эмиттерного тока в цепь коллектора показан эквивалентным генератором тока αJ_Э.

Обратная связь по напряжению вследствие модуляции толщины базы отображена включением в цепь базы сопротивления .-объемное сопротивление базы.- диффузионное сопротивление базы обусловленное влияниемU_кб на U_Э в результате модуляции толщины базы.

, для j ≈ 1, α ≈ δ и .

Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОЭ.

Рис. 15

Эффект усиления тока в схеме учитывается генератором тока βJ_б. Из выражения следует, что в схеме с ОЭ усиление по току значительно больше единице. Для α = 0,99 β = 100.

Коллекторный ток в схеме ОЭ определяется выражением , где- это обратный ток протекающий через коллекторный переход при разомкнутой базе (J_б = 0) и называется сквозным током коллектора (обратный ток эмиттерного перехода).

Сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ .

Емкость коллекторного перехода .

Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов можно оценить по выражениям:

; ,

где r_б - сопротивление тела базы.

Оба перехода обладают барьерной и диффузионной емкостью.

С_бэ - шунтирована малым сопротивлением r_Э.

С_дэ значительно превосходит С_бэ, но ее учитывают в расчетах зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от частоты.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (активный режим), то его С_дк меньше С_дэ. Поэтому учитывают обычно С_бк. В справочниках обычно дается значение емкости коллекторного перехода С_кп измеренная между коллектором и базой при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторном переходе.