3.8. Разновидности эквивалентных схем

Т-образные эквивалентные схемы, которые мы рассмотрели, и которыми будем пользоваться в дальнейшем, не являются единственно возможными. В литературе можно встретить ряд других схем, из которых чаще всего встречается П-образная эквивалентная схема. Кроме того, нередко (особенно в справочной литературе) транзистор рассматривается как бесструктурный четырехполюсник с той или иной системой параметров.

П-образные эквивалентные схемы. Основная П-образная схема для включения ОЭ показана на рис. 3-21,а, а ее вариант, в котором выделено сопротивление базы, — на рис. 3-21,б. Как видим, в обеих схемах используются проводимости — комплексные или активные , а в качестве усилительного параметра используется крутизна . Остановимся подробнее на «гибридной» П-образной схеме (рис. 3-21,б) как более распространенной и более специфичной для транзисторов.

Установим связь между параметрами П - и Т-образной схем (Рис. 3-21,б и 3-18). Для этого сначала рассмотрим область низких частот, пренебрегая емкостями и частотной зависимостью параметров. Кроме того, исключим из рассмотрения сопротивление , одинаковое для обеих схем. Тогда в каждой схеме останется по четыре параметра: и . Чтобы выразить одни параметры через другие, необходимы четыре уравнения. Такие уравнения получаются, если, например, приравнять входные (базовые) и выходные (коллекторные) токи в обеих схемах при заданном входном напряжении (между точками Б' и Э) и коротком замыкании на выходе, а затем приравнять выходные (коллекторные) токи и входные (базовые) напряжения при заданном выходном напряжении и холостом ходе на входе. Точные решения несколько громоздки, поэтому имеет смысл принять некоторые несущественные ограничения, а именно: , . Тогда с учетом соотношения связь между параметрами оказывается весьма простой:

; (3-37,а)

; (3-37,б)

; (3-37,в)

. (3-37,г)

Подобно тому, как внутренние параметры Т-образной схемы связаны соотношением , параметры П-образной схемы, в чем легко убедиться, связаны соотношением .

Теперь рассмотрим область высших частот, т. е. учтем на рис. 3-18 емкости и , а на рис. 3-21,б — емкости и ; кроме того, коэффициент и крутизну будем считать комплексными величинами. Тогда методика, аналогичная предыдущей, приводит к следующим результатам:

; (3-38,а)

; (3-38,б)

; (3-38,в)

. (3-38,г)

Структура проводимости соответствует параллельному соединению низкочастотного сопротивления и емкости . Следовательно, . Структура проводимости соответствует параллельному соединению низкочастотного сопротивления и эквивалентной емкости:

Таким образом, в П-образной схеме в отличие от Т-образной частотная зависимость «сосредоточена» во входной цепи , а параметр выходной цепи — крутизна S — зависит от частоты сравнительно слабо . Параметры основной П-образной схемы (рис. 3-21,а) в принципе нетрудно получить с помощью формул (3-38), учтя наличие сопротивления на входе. Однако параметры этой схемы оказываются частотно-зависимыми, что в общем случае весьма неудобно. Поэтому собственно П-образная схема используется лишь при анализе избирательных схем с практически постоянной рабочей частотой.

Параметры транзистора как четырехполюсника. Поскольку в Т- и П-образных схемах внутренняя базовая точка Б' недоступна для подключения измерительных приборов, в справочной литературе обычно приводят параметры транзисторов, измеренные со стороны внешних зажимов. При этом транзистор рассматривается как «черный ящик», т. е. четырехполюсник с произвольной внутренней структурой. Четырехполюсник может характеризоваться различными системами параметров в зависимости от того, какие величины (из двух токов и двух напряжений) принимаются за аргументы, а какие — за функции.

Как известно, все системы параметров четырехполюсника в принципе равноценны, но по ряду причин большим распространением в транзисторной технике пользуется так называемая смешанная Н-система, в которой на входе осуществляется режим холостого хода (задается режимный ток), а на выходе — режим короткого замыкания (задается режимное напряжение).

h-параметры транзисторов. При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 3.22), на входе которого действует напряжение и протекает ток , а на выходе - напряжение и ток . Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; - коэффициент обратной связи по напряжению; - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе; - выходная проводимость при холостом ходе на входе.

По эквивалентной схеме транзистора для переменного тока можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Для схем с ОБ и с ОЭ, например, если и и генератор напряжения не учитывать, то

(3.39)

В выражениях (3.39) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов порядка сотен Ом. Значения сопротивления находятся в пределах долей-десятков МОм, .

Значения коэффициентов h можно определить также с помощью эквивалентной схемы для постоянного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только и :

;

они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

Для транзисторов в соответствии с ГОСТ 20003-74 задают не коэффициенты , , а равные им в первом приближении параметры и .

О с н о в н ы е п а р а м е т р ы б и п о л я р н ы х т р а н з и с т о р о в:

коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи)

; ;

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

;

обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении

объемное, сопротивление базы биполярного транзистора ;

коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ;

выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

максимально допустимый ток коллектора ;

наибольшая мощность рассеяния коллектором ;

емкость коллекторного перехода ;

тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом , где - перепад температур между коллекторным переходом и корпусом,

предельная частота усиления или , на которой коэффициент передачи тока уменьшается до 0,7 своего статического значения:

часто вместо предельной задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ , когда ;

максимальная частота генерации - это наибольшая частота, при которой транзистор может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.

Сравнительная оценка. Из четырех рассмотренных эквивалентных схем (см. рис. 4-24, 4-25 и 4-27) имеет смысл сравнить только две: Т-образную (рис. 4-24) и гибридную П-образную (рис. 4-25, б). Остальные две неспецифичны для транзисторов и пригодны для любого активного четырехполюсника.

В литературе долгое время велись дискуссии по поводу относительных преимуществ Т- и П-образных схем. Сторонники П-образных схем (или как говорят, системы - параметров) делали попытки приписать Т-образной схеме принципиально большую погрешность в области высоких частот. Последнее, разумеется, неверно, так как любые эквивалентные схемы с одинаковым числом степеней свободы (т. е. независимых параметров) равноценны, так же как четырехполюсники, описываемые разными системами параметров. Поэтому использование той или иной корректной схемы есть вопрос удобства или других привходящих обстоятельств, но не принципа.

Использование П-образных схем обычно мотивировалось желанием сблизить методы расчета транзисторных и ламповых схем. При этом имели в виду, что основной параметр лампы — крутизна — имеет размерность проводимости, и поэтому стремились принять такую эквивалентную схему для транзистора, которая тоже состояла бы из проводимостей, а активные (усилительные) свойства которой характеризовались бы крутизной. Однако, помимо того, что лампы уже давно утратили свое былое значение в качестве универсальных элементов электронных схем, следует вспомнить, что анодная цепь лампы характеризуется не проводимостью, а внутренним сопротивлением; Кроме того, в ламповой технике, как известно, имеют широкое распространение понятия входного и выходного сопротивлений каскада, сопротивления нагрузки и др. Таким образом, говоря о «ламповой системе параметров», по существу имеют в виду только крутизну, а этого, конечно, недостаточно, чтобы специально приспосабливать параметры транзистора к ламповым.

Транзистор, будучи прибором, качественно отличным от лампы, требует соответственно и особых количественных характеристик. К ним как раз и относятся Т-образные эквивалентные схемы, построенные на основе физических процессов в приборе, а не по какой-либо аналогии, которая по тем или иным причинам считается желательной, но может привести (и действительно приводила) к формальным результатам.