4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

71

ченных p–n переходов (рис. 3.10,б). Это соответствует режиму насыщения транзистора. Положительное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, создает в коллекторной цепи прямой ток, который по направлению противоположен обычному току коллектора ( Iкпр = −Iк). Поэтому ток базы представляет

собой сумму Iб = Iэ −Iк = Iэ + Iкпр.

При увеличении напряжения Uкэ

коллекторный переход включается в обратном направлении, и транзистор переходит в активный режим работы. В цепи базы протекает ток Iб = Iб рек −Iкбо = (1−h21б)Iэ −Iкбо .

При Uбэ= 0 ток Iэ= 0, и в цепи базы протекает ток Iб = −Iкбо. Увеличение Uбэ приводит к росту рекомбинации носителей в базе, и при некотором напряжении Uбэ ток базы становится равным нулю Iб = 0, а характеристика смещается

в сторону оси напряжений.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представлены на рис. 3.11 и выражают зависимость Iк = f (Uкэ) при Iб = const.

В схемах с ОЭ и ОК управляющим является входной ток – ток базы Iб ,

поэтому в этих схемах удобнее пользоваться коэффициентом передачи тока ба-

зы h21э.

Установим связь между током базы и током коллектора исходя из условий Iэ = Iб + Iк и Iк = h21бIэ + Iкбо. Тогда

Iк = h21б(Iб + Iк) + Iкбо ,

вляющая тока коллектора, зависящая от входного тока;

Iкэо = (1+ h21э)Iкбо – неуправляемая составляющая тока коллектора.

Параметр h21э называют статическим коэффициентом передачи тока базы, величина которого составля-

ет десятки – сотни раз.

При токе базы, равном нулю, в коллекторной цепи протекает обратный ток, величина которого равна Iкэо, и выходная характеристика представляет

собой характеристику обратно-смещенного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

При наличии входного тока базы и небольшого напряжения Uкэ < Uбэ ,

коллекторный переход открыт и транзистор работает в режиме насыщения, ток коллектора резко возрастает, что соответствует крутому восходящему участку выходных характеристик.

Если Uкэ > Uбэ транзистор из режима насыщения переходит в актив-

ный режим. Рост коллекторного тока замедляется, характеристика идет более полого. Небольшой рост Iк на пологом участке обусловлен:

1. Уменьшением ширины базы и тока базы Iб (уменьшается рекомбинация носителей в базе) при увеличении Uкэ. А для поддержания постоянного значения тока базы необходимо увеличивать Uбэ, что приводит к росту токов

эмиттера и коллектора.

2. Увеличением напряжения на коллекторном переходе, что приводит к росту ударной ионизации в коллекторном переходе, и возрастанию тока коллектора. При больших значениях Uкэ возможен электрический пробой p–n пе-

рехода.

Характеристики прямой передачи представлены на рис. 3.12 и выра-

жают зависимость Iк = f (Iб) при Uкб = const и описываются зависимостью

Iк = h21эIб + (β+1)Iкбо.

Отклонение их от прямой линии определяется нелинейностью изменения коэффициента передачи тока базы h21б от режима работы транзистора. При на-

73

пряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики прямой передачи сдвинуты по оси ординат на величину Iкэо. Эти характеристики можно постро-

ить из семейства выходных характеристик.

Характеристики обратной связи представлены на рис. 3.13 и выражают зависимость Uэб = f (Uкэ) при Iб = const.

При небольших напряжениях Uкэ характеристики имеют восходящий

участок, соответствующий режиму насыщения транзистора. Пологий участок характеристик обратной связи соответствует активному режиму работы транзистора. Эти характеристики получаются простым графическим перестроением семейства входных характеристик.

3.6. Малосигнальные параметры

Дифференциальные параметры транзистора

При работе транзистора в устройствах радиоэлектронной аппаратуры на его электроды, кроме постоянного напряжения питания, подаются изменяющиеся во времени напряжения, во входной и выходной цепях протекают переменные токи. Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений на электродах активного элемента, называют дифференциальными параметрами. Поэтому транзистор в активном режиме работы описывается дифференциальными параметрами, которые часто называют малосигнальными. Малыми сигналами считают такие сигналы, увеличение амплитуды которых в два раза не приводит к изменению исследуемого параметра, характеристику можно считать линейной, а сам транзистор – линейным четырехполюсником (рис. 3.14). При этом два внешних вывода четырехполюсника считают входными, соответствующие им комплексные амплитуды тока и напряжения обозначают &I1 и U&1.

Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряже-

74

ние обозначают &I2 и U& 2 . За положительное принимают направление токов,

втекающих в четырехполюсник.

Сопоставляя рис. 3.14,а,б,в можно установить связь напряжений и токов четырехполюсников с напряжениями и токами транзистора для любой схемы включения. Например, для схемы с ОБ: U&1 = −U& эб ; &I1 = −&Iэ ; U& 2 = U& кб; &I2 = &Iк .

Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается с помощью шести систем уравнений, а практическое применение имеют три системы параметров.

Система Z–параметров.

В системе Z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника являются функциями токов

где Z&11 = U&1 &I =0 – входное сопротивление транзистора;

&I1 2

Z&12 = U&1 &I =0 – сопротивление обратной передачи транзистора;

&I2 1

75

Величина параметров транзистора зависит от схемы его включения, поэтому в рассматриваемых системах в обозначении параметра имеются индексы б, э, к, указывающие на схему включения.

Для измерения Z–параметров необходимо осуществить режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Для получения режима холостого хода в цепь включают сопротивление, значительно большее, чем соответствующее сопротивление входа или выхода четырехполюсника. На практике удобнее использовать низковольтные источники питания транзисторов, а напряжение на электроды подавать через индуктивности.

Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. Поэтому определить экспериментально Z– параметры транзистора трудно.

На рис. 3.15 представлена схема замещения транзистора с использованием Z–параметров, полученная на основании уравнения (3.15). Генератор напряжения Z&11&I2

отражает обратную связь в транзисторе, а генератор Z&21&I1 –

влияние входного тока на выходное напряжение.

Система Y–параметров

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника являются функциями напряжений

76

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора. Режим короткого замыкания обеспечивается шунтированием цепи сопротивлением, значительно меньшим внутреннего сопротивления соответствующей цепи. Такое шунтирование обеспечивается емкостью.

Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.

Однако система Y–параметров используется для описания высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто.

На рис. 3.16 представлена схема замещения транзистора с использованием Y–параметров, которая получена на основе уравнения (3.16). Генератор тока Y&12U& 2 отражает наличие

обратной связи в транзисторе, а генератор Y&21U& 1 – влияние

входного напряжения на выходной ток.

Система H–параметров

В качестве независимых переменных в системе H–параметров приняты

Физический смысл H–параметров следующий:

H&11 = U&1 U& =0 – входное сопротивление в режиме короткого замыкания

&I1 2

для переменной составляющей тока по выходу;

холостого хода во входной цепи;

77

H& 21 = &I2 U& =0 – коэффициент передачи (усиления) тока в режиме корот-

&I1 2

кого замыкания по выходу;

входной цепи.

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практиче-

ских схемах.

Для реализации режима холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе достаточно включить большую индуктивность на входе транзистора и большую емкость на выходе, не изменяя при этом выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис. 3.17.

Определение H–параметров по статическим характеристикам

На низких частотах реактивные элементы транзистора практически не оказывают влияния на его работу, поэтому все параметры становятся вещественными величинами: Z–параметры переходят в r–параметры, Y–параметры в y–параметры и H– в h–параметры.

Приближенные значения h–параметров определяют графоаналитическим способом по входным и выходным статическим характеристикам. При определении h–параметров необходимо не менее двух характеристик каждого семейства. Параметры рассчитываются вблизи рабочей точки транзистора по линейным (конечным) приращениям токов и напряжений.

В результате таких замен уравнения в системе h–параметров имеют вид

∆U1 = h11∆I1 + h12∆U2 ; ∆I2 = h21∆I1 + h22∆U2 .

Параметры h11 и h12 определяются по входным характеристикам

(рис. 3.18). Для этого на семействе входных характеристик (например, для схемы с ОЭ) в рабочей точке А строят треугольник, отложив прямые, параллельные осям абсцисс и ординат, до пересечения со второй характеристикой.

Из полученного характеристического треугольника АВС находим все величины необходимые для определения h11э и h12э

по выходным характеристикам (рис. 3.19). Проведя через точку А' вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой получаем точку B'. Затем выбираем в окрестности точки A' точку C', лежащую на той же характеристике так, чтобы в пределах отрезка A'C' характеристика была линейна. Тогда

Аналогично определяются h–параметры для схемы с ОБ.

3.7. Малосигнальная модель транзистора

Представление транзистора в виде активного четырехполюсника для расчета схем имеет ряд недостатков:

–параметры четырехполюсника задаются визвестной степени формально;

–каждый из параметров может отражать влияние сразу нескольких физических процессов.

79

Поэтому схемы замещения транзистора (рис. 3.14 – 3.17) в системах Z–, Y–, H– параметров называют формальными схемами замещения. Они неполностью отражают все физические процессы, происходящие в транзисторе.

На практике используются физические эквивалентные схемы замещения транзистора, учитывающие схему включения и частотный диапазон его работы. Каждый вывод физической схемы соответствует электроду транзистора, а в формальных эквивалентных схемах различают только входные и выходные зажимы, независимо от того, какими электродами транзистора они являются.

При работе в активном режиме и небольших изменениях напряжения на эмиттерном переходе транзистор можно представить с помощью линейной эквивалентной схемы, которую называют малосигнальной моделью транзистора.

Малосигнальными такие схемы называют потому, что значения напряжений и токов переменного сигнала обычно значительно меньше, чем значения постоянных токов и напряжений.

Широкое распространение получила T–образная малосигнальная модель транзистора (рис. 3.20), элементы которой достаточно полно отражают свойства реального транзистора на низких частотах.

Параметры эквивалентной схемы rэ, rб, rк отображают реальные сопротивления транзистора и определяются как отношения приращений напряжений в цепях транзистора к вызвавшим их приращениям токов (на низких частотах такие приращения играют роль переменных сигналов).

Согласно эквивалентной схемы (рис. 3.20) получаем:

и составляет единицы–десятки Ом,

rк dUкб Iэ=const и составляет сотни кОм. dIк

Сопротивление базы rб имеет две составляющие: распределенное сопротивление базы r'б, диффузионное сопротивление r''б. Распределенное сопротивление базы r'б представляет собой область базы, через которую происходит пе-

80

ренос носителей. С уменьшением толщины базы r'б возрастает. Диффузионное сопротивление базы r''б учитывает эффект Эрли, заключающийся во влиянии коллекторного напряжения на ширину базы за счет изменения ширины коллекторного перехода. Генератор тока в цепи коллектора отражает усилительные свойства транзистора. При этом значение тока генератора пропорционально току эмиттера, а с ростом частоты изменяются как амплитуда, так и фаза тока. Если для оценки усилительных свойств транзистора используется генератор напряжения (рис. 3.20,б), то сопротивление генератора rг = h21бrк.

Эмиттерный и коллекторный переходы обладают емкостными свойствами, поэтому в эквивалентных схемах необходимо учитывать Cдиф и Cбар. Так

как эмиттерный переход в активном режиме смещен в прямом направлении rэ шунтируется Cэ диф . Учитывая, что rэ очень мало, то влияние Cэ диф незначи-

тельно и на низких частотах им можно пренебречь. Обратно смещенный коллекторный переход обладает большим сопротивлением Rк, поэтому влияние

Cк = Cбар может сказываться и на низких частотах.

3.8. Моделирование транзистора

При анализе работы транзистора в режиме большого сигнала, когда сильно проявляются нелинейные свойства, применяют эквивалентную схему, предложенную Эберсом и Моллом в 1954 году. Задача моделирования состоит в определении связи между статическими характеристиками и физическими параметрами транзистора.

Простейший вариант модели Эберса–Молла для n–p–n транзистора показан на рис. 3.21 и основан на интерпретации работы транзистора, как прибора, имеющего два взаимодействующих p–n перехода.

Диод VD1 моделирует

свойства эмиттерного перехода, а диод VD2 – коллекторного.

Источники тока αnI1 и αiI2 характеризуют соответственно передачу тока

эмиттерного перехода в коллектор при нормальном включении и тока коллекторного перехода в эмиттер при инверсном включении транзистора.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора связаны с внутренними токами соотношениями