Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1_2_3_4_5_6_7_8_9_10_.docx
Скачиваний:
10
Добавлен:
04.09.2019
Размер:
1.61 Mб
Скачать

7. Литература

1.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия. 1977. с. 212-214.

2.Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Мн.:Выш.шк.1987. с.155-158.

Лабораторная работа N6

h− ПАРАМЕТРЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

1.Цель работы

Целью работы является ознакомление с малосигнальными параметрами транзистора в схеме ОБ, определение h параметров по статическим характеристикам, экспериментальное определение h параметров, определение по h параметрам параметров физической Тобразной схемы замещения транзистора, исследование зависимости hпараметров и физических параметров транзистора в схеме ОБ от режима работы.

2.Теоретические сведения

В процессе преобразования и усиления электрических сигналов на электродах транзистора действуют изменяющиеся во времени напряжения и протекают временные токи. В общем случае напряжения и токи содержат постоянные и переменные составляющие. Если величины переменных составляющих значительно меньше постоянных, то рабочие участки нелинейных вольт−амперных характеристик можно с достаточной степенью точности считать линейным. Связь между малыми токами и напряжениями описывается линейными функциями, а нелинейный элемент в режиме малого сигнала при аналитических расчётах заменяется линейным элементом. Дифференциальные или малосигнальные параметры такого элемента не зависят от величины сигнала, а являются функциями постоянных составляющих токов и напряжений, т.е.режима работы.

Рассмотрим подробнее метод линеаризации для малого сигнала на примере такого нелинейного элемента, как полупроводниковый диод. Пусть через диод протекает изменяющиёся ток I , содержащий постоянную составляющую I 0 и переменную i(t), причём i(t) – гармонический сигнал:

I=I 0+i(t)=I 0+imsinωt (1)

В этом случае напряжение на диоде также содержит постоянную и переменную составляющие:

U=U0+U(t) (2)

Связь между током и напряжением для идеализированного диода описывается уравнением:

(3)

На рис.1 привед ена ВАХ диода и временные диаграммы токов и напряжений.

Рис. 1. ВАХ диода

Для определения аналитической зависимости между переменными сигналами i(t), и U(t) разложим функцию (3) в окрестности рабочей точки 0 в ряд Тейлора:

Если приращение (переменная составляющая) i(t), достаточно мало, то слагаемыми со степенью выше первой можно пренебречь:

Учитывая, что U0=U(I 0) , получим:

(4)

Таким образом, для малого сигнала связь между током и напряжением описывается линейным уравнением (4), а коэффициент пропорциональности является дифференциальным параметром диода, зависящим от I0 (режима работы).

Для определения параметра продифференцируем (3):

Уравнение (4) преобразуем к виду

( 5)

Из рисунка 1 видно, что для малых сигналов рабочий участок АВ на ВАХ линеен, диод можно заменить эквивалентным дифференциальным сопротивлением rдиф . Параметр rдиф реального диода определяется по наклону касательной, проведённой через рабочую точку 0 реальной ВАХ. В качестве независимой переменной (входного воздействия) может быть выбрано напряжение, в этом случае нелинейный элемент для малого сигнала рассматривается как линейный двухполюсник с проводимостью (Io)=Io/T.

Транзистор для малого сигнала рассматривается как линейный активный четырёхполюсник. Связь между напряжениями и токами четырёхполюсника может быть представлена в виде одной из шести систем уравнений. Наибольшее распространение получила система h параметров, потому что h параметры наиболее просто измерить экспериментально или определить по ВАХ транзистора, а также потому, что все h параметры имеют физическиё смысл, т.е. отражают реальные физические процессы в транзисторе.

В общем случае напряжения и токи четырёхполюсника содержат постоянные и переменные составляющие:

(6)

В системе hпараметров независимыми переменными являются входной ток и выходное напряжение, а зависимыми – входное напряжение и выходной ток:

(7)

Разложим правые части уравнений (7) в ряд для функции двух переменных по степеням приращения iвх и Uвых и ограничимся двумя слагаемыми ряда ввиду малости приращений.

Учитывая, что и из последней системы получим систему линейных уравнений для переменных составляющих:

(8)

Коэффициенты в системе уравнений (8)называются h параметрами:

(9)

Из уравнений (8) и (9) определим h параметры:

входное сопротивление четырёхполюсника при коротком замыкании для переменной составляющей сигнала на выходе.

–коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока.

коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе для переменного тока.

выходная проводимость четырёхполюсника при холостом ходе на входе для переменного тока.

Эквивалентная схема четырёхполюсника, соответствующая системе h параметров, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема четырёхполюсника в системе h параметров.

Для транзистора в схеме с общей базой входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор, поэтому система (9)имеет вид:

(10)

h параметры системы (10) не зависят от величины переменных токов и напряжений, но являются функциями от постоянных составляющих (режима измерения). Поэтому при указании численного значения h параметра необходимо приводить данные о режиме измерения, например: h11б=10 Ом при Iэ=5мА, Uкб=10В. На рис. 3 приведены графики, поясняющие определение h параметров по статическим входным и выходным характеристикам транзистора в схеме ОБ для режима I э=I э1,Uк=Uк1.

Рис. 3. Определение h параметров по статическим ВАХ транзистора в схеме ОБ

Необходимо иметь на менее двух характеристик каждого семейства. hпараметры рассчитываются на величинам приращении токов и напряжений вблизи рабочей точки I э1, Uкб:

, , ,

Эквивалентная физическая Тобразная схема замещения транзистора в режиме малого сигнала в схеме ОБ приведена на рис. 4. Схема замещения соответствует нормальному активному режиму работы транзистора.

Рис. 4. Физическая Тобразная схема замещения транзистора в схеме ОБ

Тобразная схема получена на основании модели ЭберсаМолла путём перехода к дифференциальным параметрам:

rэ дифференциальное сопротивление прямосмещённого эмиттерного перехода;

rк дифференциальное сопротивление обратносмещённого коллекторного перехода;

αiэ источник тока, учитывающий эффект передачи тока эмиттера в цепь коллектора;

rб= rб1+ rб2 – сопротивление базы, учитывающее объемное сопротивление rб1 области и диффузионное сопротивление rб2 , обусловленное изменением Uэб при изменении напряжения на коллекторе – эффект Эрли.

Установим связь между hпараметрами и физическими параметрами Тобразной схемы замещения. Для этого вначале зададимся током iэ и обеспечим к.з. на выходе: Uкб =0. Тогда для входной цепи:

(11)

(12)

Затем зададимся напряжением Uкб и обеспечим х.х. на входе: iэ=0 (источник тока αiэ при этом отсутствует)

(13)

(14)

Определение физических параметров Тобразной схемы замещения поизменённым (или заданным в справочнике) hпараметрам осуществляется по следующим соотношениям, полученным из формул (11)(14).

(15)

(16)

(17)

(18)

Поскольку rэ определяется как разность почти одинаковых величин, то относительно малые погрешности изменения hпараметров могут привести к большой погрешность определения rэ, вплоть до получения отрицательной величины. Система hпараметров в этом случае оказывается несовместимой. Причинами этому служит сложность измерения очень малой величины h22б и, как правило, завышенная оценка h12б. Кроме того, в справочниках приводятся предельные hпараметры для данного типа транзисторов, что также приводит к несовместимости hпараметров для конкретного экземпляра. Поэтому на практике используют упрощённую методику определения физических параметров Тобразной схемы, дающую достаточно точные результаты: по формулам (15) и (16) определяют α=h12б  и rК=1/h22Б , для заданного режима находят rЭ=Т/Iоэ и на основании (11) определяют . Зависимость параметров транзистора от режима работы приведена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость параметров транзистора от режима работы

Сопротивление эмиттерного перехода rэ обратно пропорционально току эмиттера и практически не зависит от Uкб.

Сопротивление коллекторного перехода rк также обратно пропорционально току эмиттера вследствие увеличения потока носителей через переход. С ростом Uкб сопротивление rк увеличивается пропорционально , но этот рост нейтрализуется увеличением поверхностных токов утечки, а при больших Uкб rК даже уменьшается вследствие ударной ионизации в коллекторном переходе и обратного тока.

Сопротивление базы уменьшается с ростом благодаря росту концентрации подвижных носителей в области базы и незна­чительно увеличивается с ростом UКБ вследствие уменьшения толщины базы.

Влияние режима работы на входное сопротивление объяс­няется соответствующими изменениями rЭ и rБ .

Коэффициент передачи тока эмиттера α=h12б  в облас­ти малых токов с ростом IЭ возрастает вследствие уменьшения доли тока рекомбинации в области перехода.

Уменьшение в области больших токов обусловлен снижением коэффициента инжекции вследствие увеличения проводимости базы.

Коэффициент обратной связи по напряжению слабо зависит от IЭ и уменьшается с ростом UКБ . На статических входных характеристиках поэтому при UКБ>2-3 В семейство входных характеристик практически расположены настолько плотно, что в справочниках приводят два графика: для, и UКБ=5В (иногда 10В).

Из UКБ=0 В менение выходной проводимости объясняется соответствующим изменением rК .

Влияние температуры на параметры транзистора показано на рис. 6

Рис. 6. Зависимость параметров транзистора от температуры

Коэффициент передачи тока эмиттера с увеличением температуры возрастает вследствие увеличения «времени жизни» неосновных носителей в базе и как следствие увеличения коэффициента переноса. Сопротивление эмиттерного перехода возрастает пропорционально температуре через параметр . Изменение объясняется изменением электропроводности, а изменением времени жизни. Рост обычно ограничен комнатными температурами и даль­нейший их спад объясняется ростом утечек и ударной ионизации для и увеличением собственной электропроводности высокоомной базы для .

Наличием диффузионных и барьерных емкостей переходов и конечным временем пролета инжектированных носителей через базу объяс­няется зависимость параметров транзистора от частоты преобразуемых сигналов. Поэтому малосигнальные параметры являются комплексными величинами. Как правило для транзисторов приводятся низкочастотные hпараметры с указанием частоты измерения.

Время пролета носителей для современных дрейфовых транзис­торов составляет порядка единиц наносекунд, поэтому спад коэф­фициента передачи тока заметен на частотах сотни мегагерц. Увеличение выходной проводимости проявляется на частотах десят­кисотни килогерц вследствие шунтирующего действия барьерной ёмкости коллекторного перехода. На высоких частотах сложно обес­печить режим х.х. на входе изза паразитных емкостей. Поэтому часто для расчета высокочастотных схем на транзисторах применяют представление транзистора как линейного четырехполюсника в сис­теме Упараметров. В такой системе за независимые переменные принимают входное и выходное напряжение. У параметры (про­водимости) измеряют в режиме короткого замыкания на входе и выходе.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]