Как рассчитать h параметры транзистора по графику

Как рассчитать h параметры транзистора по графику

14.2. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Для расчета малосигнального режима в электронной цепи, в котором рассматриваются только переменные составляющие токов и напряжений, используются схемы замещения транзистора. В области низких и средних частот описание транзистора системой гибридных уравнений приводит к резистивной схеме рис. 14.4, а . Распространена также одногенераторная схема (рис. 14.4, б ). Параметры первой схемы непосредственно выражаются через H -параметры транзистора.

Определим связи между параметрами одногенераторной схемы и гибридными параметрами, рассматривая режим короткого замыкания на выходе () в схеме рис. 14.4, б . Входное напряжение складывается из суммы падений напряжения на R б и параллельно включенных R э и R к . Сумма токов, протекающих в параллельных ветвях, равна ( b + 1)İ₁, и поэтому . Так как при коротком замыкании на выходе из системы H -уравнений следует , то параметры обеих схем связаны соотношением, приведенным в табл. 14.1. Выходной ток İ₂ в рассматриваемом режиме определяется разностью . Отсюда следует, что . Поэтому выходной ток при коротком замыкании на выходе ( ) равен или . Отсюда имеем соотношение для H 21 (см. табл. 14.1). Две другие связи определим из рассмотрения режима холостого хода на входе. В этом случае при İ₁ = 0 ток управляемого источника в схеме на рис. 14,4, б отсутствует, и она содержит только пассивные элементы. При питании цепи со стороны выходных зажимов ток İ₂ протекает через элементы R к и R э . Поэтому значение выходного тока равно , а на входе имеем напряжение, определяемое падением на R э : . Сопоставление полученных связей с H -уравнениями в режиме холостого хода на входе: , &#151 дает возможность определить выражения для H 12 и H 22 , приведенные в Табл. 14.1.

H -параметры

Параметры одногенераторной схемы

В общем случае При H 12 = 0

H 21 = b – (1 + b )
H 22 =

R э = H 12 / H 22

R к = (1 – H 12 )/ H 22

Параметры биполярного транзистора.

В радиолюбительской практике часто приходится подбирать биполярные транзисторы для их замены по параметрам на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры биполярных транзисторов как по постоянному ( I₋ ), так и переменному ( I_~ ) току. Но не все знают, что эти параметры обозначают. Попробуем разобраться с этим.

Биполярные транзисторы

Зная название биполярного транзистора уже можно получить нужную информацию о нем.
Транзисторам присваивается обозначение из четырех элементов.
Первый элемент — буква или цифра, указывающий исходный материал из чего сделан транзистор:
Г или 1 — германий,
К или 2 — кремний,
А или 3 — соединения галия.
Второй элемент — буква определяющая подкласс прибора ( Т — транзистор, П — полевой).
Третий элемент — цифры, первая обозначает номер классификации у биполярных транзисторов — граничную частоту передачи тока, а у полевых — максимальную рабочую частоту. Последующие две цифры обозначают порядковый номер разработки.
Вот расшифровка первой цифры,
транзисторы:
малой мощности (мощность рассеяния до 0,3 Вт);
1 — НЧ (до 3 МГц)
2 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
3 — ВЧ (свыше 30 МГц)
средней мощности (мощность рассеяния от 0,3 Вт до 1,5 Вт)
4 — НЧ (до 3 МГц)
5 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
6 — ВЧ (свыше 30 МГц)
большой мощности (мощность рассеяния свыше 1,5 Вт)
7 — НЧ (до 3 МГц)
8 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
9 — ВЧ (свыше 30 МГц).
Четвертый элемент — буква, указывающая разновидность из данной группы приборов.
К примеру ГТ328А — германиевый биполярный транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 28, разновидность А.

Обратный коллекторный ток

Параметры биполярного транзистора по I₋ характеризуют его токи при включении перехода в обратном направлении.

Обратный ток коллектора Iкбо — это ток, возникающий в коллекторном переходе включенном в обратном направлении со свободным эмиттером ( рис.1 ).
Индекс кбо обозначает ток между коллектором и базой при не включенном (открытом) эмиттере.

Обратный ток эмиттера Iэбо — это ток при обратном заданном напряжении на переходе эмиттер — база с отключенным коллектором ( рис.2 ).

Рассмотрим подробней Iкбо , т.к. он является главным дестабилизирующим параметром биполярного транзистора.
Iкбо очень мал. В маломощных биполярных транзисторах при комнатной температуре Iкбо равен всего несколько десятков микроампер, а в кремневых — менее 1мкА. Так почему данные этих незначительных величин приводятся в справочниках?
Дело в том, что во время работы любой биполярный транзистор греется, а значить при этом будет повышается и температура p-n и n-p переходов между коллектором и базой. А полупроводники не только обогащены примесями с основными носителями зарядов электронами или дырками. В них присутствует еще достаточное количество и нейтральных атомов.
Поэтому при нагреве полупроводников происходит, так называемая, термогенерация — уход в нейтральных атомах полупроводника электронов с орбиты в валентную зону или зону проводимости. Но при этом в валентной зоне образуются и дырки (атомы потерявшие электроны), которые так же, наряду с электронами, будут в зоне проводимости.
Все это приводит к тому, что в цепи коллектор — база проходит диффузионный неуправляемый ток коллекторного p-n перехода в обратном направлении.
При повышении температуры транзистора Iкбо быстро растет по экспоненциальному закону. В биполярных германиевых (Ge) транзисторах Iкбо удваивается на каждые 10º С , а из кремния (Si) — в 2,5 раза.

Возьмем, например, маломощные биполярные транзисторы: германиевый ГТ108 и кремниевый КТ3102 и рассчитаем значения возрастания Iкбо от повышения температуры tºC транзисторов ( рис.3 ), и по этим данным построим график ( рис.4) .
По ним видно, что при увеличении температуры от 20ºC до 70ºC обратный ток увеличивается в десятки раз. Поэтому Iкбо еще называют тепловым током.
Отсюда можно сделать вывод: биполярные кремниевые транзисторы, имея меньшее Iкбо , более температурно стабильнее, чем германиевые.

Но еще большая «проблема» состоит в том, что в различных усилительных схемах часть обратного коллекторного тока проходит через управляющий эмиттерный переход транзистора и это приводит к сильному увеличению прямого коллекторного тока, а значить — к увеличению температуры транзистора.

Низкочастотные параметры биполярного транзистора

h — параметры

Для анализа работы биполярного транзистора в усилительном режиме используется метод четырехполюсника, который позволяет производить расчет усилителя с помощью только матриц без составления эквивалентной схемы транзистора.
Существуют три системы параметров биполярного транзистора: z, h и y .
Для расчета низкочастотных схем применяются z — параметры и h — параметры, а для высокочастотных — y — параметры.
И хотя система h — параметров характеризует работу биполярного транзистора под воздействием только малого сигнала, она получила широкое распространение, благодаря тому, что при измерении этих параметров требуется воспроизвести легко выполнимые действия: холостой ход на входе ( I1=0 ) или короткое замыкание на выходе ( U2=0 ). А связь между h- параметрами c остальными параметрами можно узнать в Википедии .

Но вернемся к четырехполюснику.
На низких частотах при работе с малым сигналом биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, у которого есть входной и выходной контакты, а так же один общий провод с двумя контактами ( рис.5 ). А к общему проводу биполярный транзистор может подключаться по разному. От того, какой из выводов биполярного транзистора подключен к этому проводу, различают включение с общей базой ( ОБ ), общим эмиттером ( ОЭ ) и общим коллектором ( ОК ).
На клеммы четырехполюсника 1-1 подается переменное входное напряжение U1 , которое создает ток I1 , а с клемм 2-2 снимаются выходные U2 и I2 .

Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике биполярного транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h — параметрами выглядят так:

h — параметры представляют собой определенные физические величины и зависят от схемы включения биполярного транзистора. Чтобы определить к какой схеме включения относятся параметры используют второй индекс: э,б или к . Например, h11э — входное сопротивление в схеме с ОЭ , а h21б — коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ .

Рассмотрим, для примера, эквивалентную схему биполярного транзистора с ОЭ применяя h-параметры ( рис.7 ):
при коротком замыкании выходной сети (U2=0) :
h11э=Uбэ/Iб — входное сопротивление транзистора,
h21э=Iк/Iб — коэффициент передачи тока;
при разомкнутом по I_~ входе (I1=0) :
h12э=Uбэ/Uкэ — коэффициент обратной связи по напряжению,
h22э=Iк/Uкэ — выходная проводимость.

У современных биполярных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.

Для разных схем включения биполярного транзистора h — параметры определяются по формулам:

h11э ≈ h11б/1+h21б;
h12э ≈ (h11б•h22б/1+h21б) — h12б;
h21э ≈ -h21б/1+h21б;
h22э ≈ h22б/1+h21б;

h11б≈h11э/(1+h21э);
h12б≈h11э•h22э/(1+h21э);
h21б≈-h21э/(1+h21э);
h22б≈h22э/(1+h21э);

h11к≈h11э;
h12к≈1;
h21к≈-(1+h21э);
h22к≈h22э.

Обычно в справочнике в разделе параметров биполярного транзистора указываются h — параметры при его включении с ОБ: h11б — входное сопротивление, h12б — коэффициент обратной связи, h22б — выходная полная проводимость; и с ОЭ: h21э — коэффициент передачи тока.
Эти параметры статические, т.е. они измерены при постоянных параметрах напряжения коллектора Uк и тока коллектора Iк. Если будут изменяться эти значения — будут меняться и h — параметры транзистора. Но можно, благодаря этим приведеным h — параметрам, определить параметры с любым способом включения биполярного транзистора и приблизительно узнать, какие будут характеристики в динамическом режиме.

Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный биполярный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30. 60.

Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:

В справочниках так же могут указаны коэффициенты усиления α и β .
β — это токовый коэффициент усиления в схеме с ОЭ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше базового:
β=h21э≈Iк/Iб .
α — токовый коэффициент усиления в схеме с ОБ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного:
α=h21э≈Iк/Iэ .

Коэффициенты α и β биполярного транзистора связаны между собой соотношением:
β=α/1-α.
При помощи номограммы ( рис.8 ) можно быстро перевести один коэффициент в другой:

Высокочастотные параметры биполярного транзистора

Емкость коллекторного перехода

В справочниках приводится параметр емкости коллекторного перехода Ск — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи.

Сам по себе биполярный транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел «p-n переход», рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.

Рассмотрим эквивалентную схему биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером ( рис.9 ), где сопротивления rб, rэ и rк представляют собой дифференциальные сопротивления базового, эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.
Сопротивление rб может составлять десятки-сотни Ом, rэ — от долей до десятков Ом, а rк — от десятков килоОм до нескольких мегОм.
На схеме показаны барьерные емкости эмиттерного перехода Сэ и коллекторного — Ск , которые включены параллельно сопротивлениям rэ и rк .
Величина емкости Ск может составлять от 2-5 пф до 50-200 пф, а емкость Сэ больше Ск в 5-10 раз.

Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в биполярном транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.

В режиме малого переменного сигнала низкой частоты влияние небольших емкостей переходов будет минимальным, т.к. их реактивное сопротивление ( Xc=1/2πfC ), будет большИм, и мало влияет на rэ и rк .
В области верхних частот с ростом частоты сопротивления барьерных емкостей уменьшаются, что приводит к шунтировании сопротивлений переходов.
Хотя емкость Сэ и имеет бOльшую величину чем Ск , ее емкостное сопротивление не на много влияет на сопротивление rэ , т.к. шунтирует малое значение сопротивления (десятки Ом).

По другому происходит с коллекторным сопротивлением rк .
При увеличении частоты сигнала до десятков килогерц сопротивление коллекторной емкости Ск падает ниже сопротивления коллекторного перехода rк и шунтирует его. Если на выходе схемы подключить сопротивление нагрузки Rн , то влиянием емкости Ск уже нельзя пренебречь.
Цепочка rэСэ и rкСк будет включена параллельно резистору нагрузки Rн шунтируя его, что приведет в определенный момент к уменьшению усиления транзистора.

Из этого можно сделать вывод: биполярные транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры биполярного транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала на биполярном транзисторе токовый коэффициент усиления с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления от частоты, хотя и немаловажная.

С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства биполярного транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время «пролета» составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению токового коэффициента усиления.

Предельная частота fпр коэффициента передачи в схеме с ОЭ — частоты, при которой модуль токового коэффициента усиления h21эо уменьшается в √2 раза (или на 3 дб). ( рис.10 ).
Граничная частота fгр токового коэффициента усиления в схеме с ОЭ — частота, при которой модуль коэффициента усиления h21э=1 и транзистор не работает как усилитель.

Коэффициент шума

Величина коэффициента шума является самым основным параметром биполярного транзистора, работающем в предварительном усилителе с малыми входными сигналами.
Коэффициент шума Кш — это отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к мощности тепловых шумов сопротивления источника сигнала на входе:

Из этого определения следует, что для идеального «нешумящего» биполярного транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:

Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима биполярного транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( ТºС ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.

Чтобы получить как можно меньший уровень шумов в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1. 0,5 мА, Uк=0,5. 2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.

Расчет параметров биполярного транзистора

В соответствии с действующей рабочей программой по дисцип­лине «Промышленная электроника» студенты специальности ЭПП должны выполнить 4 самостоятельных расчетно-графические работы под контролем преподавателя. В настоящих методических ука­заниях изложены материалы по первой работе «Расчет параметров биполярного транзистора.

В основных положениях указаний изложен минимальный объем информации, позволяющий студенту выполнить предлагаемое зада­ние. Предполагается, что студент в процессе подготовки к непосредственному расчету должен изучить в полном объеме необходимый материал по рекомендуемым ниже учебникам и пособиям. При этом следует обратить внимание на физические явления, лежащие в основе работы транзистора, разобраться во взаимосвязи между его электрическими параметрами , хорошо представлять порядок величин параметров.

При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные контрольные вопросы помогут студенту не только определить степень его готовности к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.

Кроме формулировки задания, методические указания содержат справочные сведения по транзисторам, которыми студент обязан пользоваться.

Оформление выполненного задания в тетради должно быть аккуратным, с полной записью его условия. Графики выполняются с помощью графических принадлежностей.

Рекомендуются следующие учебники и пособия:

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.-М.:Высшая школа, 1982 /стр. 42-64/.
2. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988 /стр. 20-28/.
3. Основы промышленной электроники. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова.-М.: Высшая школа, 1986 /стр. 28-34/.

1. Основные положения

1.1. Биполярный транзистор и схемы его включения Биполярный транзистор представляет собой кристалл проводника, состоящий из трех слоев с различной проводимостью, как условно показано на Рис.1. Каждый из слоев снабжён электродами, необходимыми для подключения к внешней цепи, которые называются эмиттер, база и коллектор. Возможны два типа транзисторов и в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних эмиттерном и коллекторном слоях, и в среднем-базовом слое. Как видно из Рис.1., в биполярном транзисторе два перехода, которые называются эмиттерным и коллекторным. Рис.1 Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется типом основного носителя эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа – электроны. В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые в своем дрейфе от эмиттера к коллектору прохо­дят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заря­да нейтрализуется основными зарядами материала базового слоя. Биполярные транзисторы изготовлены так, что концентрация основ­ных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя, поэтому в базовом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей, поступающая из эмиттера, а 90-99 % рабочих носителей заряда доходят до коллектора. Для обеспечения описанного выше процесса дрейфа рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжение от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора типа приведена на Рис.2. Рис.2 Чтобы поток рабочих носителей заряда (электронов) из эмиттерного слоя поступал в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан «минус», а к базовому -«плюс». С увеличением напряжения эмиттер — база увеличивается поток носителей заряда, а поэтому и ток эмиттера. Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источника внешней цепи. Это обуславливает протекание тока базы, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли потока рабочих носителей заряда, которая нейтрализуется в базовом слое. Малая величина тока базы определяет функцию базового элект­рода как управляющего. Действительно, эффективное управление транзистором может быть только такое, которое потребляет малый уровень мощности. Для достижения коллектора электронами эмиттера вошедшими в базовый слой, необходимо, чтобы источник ЭДС, включенный между коллекторным и базовым электродами, обеспечивал подачу на коллектор положительного потенциала относительно базы. Это иллюстрируется на Рис.2. На Рис.2 представлено включение транзистора по схеме с общей базой. Наряду с такой схемой, на Рис.3. представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешних цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схемы) и выходная (правые части). Наименование схемы Рис.3 включения транзистора определяется электродом, который явля­ется общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе происходит управление работой транзистора, и в эту цепь включается источник входного сигнала. Нагрузка включается в выходную цепь. Входные и выходные токи в представленных схемах включения транзистора, а также напряжения между электродами транзистора, определяемые источниками ЭДС, различны и приведены в таблице 1. Таблица 1 Токи и напряжения во входной и выходной цепях схем включения транзистора

Схема включения	Входной ток	Входное напряжение	Выходной ток	Выходное напряжение
ОБ	IЭ	UЭБ	IК	UКБ
ОЭ	IБ	UБЭ	IК	UКЭ
ОК	IБ	UБК	IЭ	UЭК

Полярность напряжений источников ЭДС, показанная на Рис.3. соответствует транзистору типа . При использовании транзистора типа в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников должны быть изменены. 1.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме ОЭ Сведения о конкретном типе транзистора, необходимые для правильного выбора режима его работы, обычно приводятся в виде характеристик и систем параметров. Транзистор, описывается, в первую очередь, семейством вход­ных и выходных характеристик. Входными называется семейство вольтамперных характеристик входной цепи схемы включения тран­зистора, построенных для ряда фиксированных значений напряже­ния выходной цепи. Выходными называется семейство вольтамперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из таблицы 1 каждой схеме включения транзистора соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому и вход­ные и выходные характеристики транзистора будут определяться схемой его включения. Ниже будут рассматриваться характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Эта схема включения нашла наибольшее распространение. Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа представлены на рис.4 и 5*. Входная характеристика — это семейство вольтамперных характеристик I_Б (U_БЭ), построенных при постоянных значениях напряжения U_КЭ. Обычно, как видно из рис.4, приводятся две характеристики: одна для U_КЭ=0 , а другая для значения напряжения U_КЭ ,соответ­ствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольтамперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U_КЭ практически не отличаются друг от друга. Выходная статистическая характеристика транзистора, как показано на Рис.5 – это семейство вольтамперных характеристик I_К(U_КЭ), построенных для ряда значений тока I_Б. На выходной характеристике обычно строится рабочая область, т.е. область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора. Границы этой области представленной на Рис.5. связаны с тремя факторами: __________­­__ */ Для транзисторов типа напряжения U_БЭ и U_КЭ— отрицательной полярности. Рис.4 Рис.5 — максимальным значением напряжения U_КЭмах , превышение которого приводит к электрическому пробою в коллекторном переходе транзистора; — максимальным значением коллекторного тока I_Кмах , превышение которого может приводить к перегреву эмиттерного перехода; — максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, превышение которого приводит к перегреву этого перехода, Р_Кмах. На выходной характеристике, Рис.5., последнему фактору соответствует гипербола (1) Как видно из Рис.4 и 5, транзистор представляет собой нелинейный элемент, поскольку его входные и выходные вольтамперные характеристики нелинейные, а следовательно, величины входного и выходного сопротивлений зависят от соответствующих токов и напряжений. Однако на входных и выходных характеристиках транзистора можно выделить участки, где зависимости близки к линейным. В частности , линейными можно считать зависимости в рабочей области Рис.5 , если исключить малые значения напряжения коллектор – эмиттер. Область малых значений U_КЭ , где происходит резкое увеличение тока, не используются при работе транзистора в линейном режиме усилителей и генераторов. Известно из ТОЭ, что на участках, где вольтамперные характеристики нелинейных элементов могут быть аппроксимированные отрезками прямых, эти элементы могут рассматриваться как линейные. Поэтому транзистор в рабочей области часто заменяется эквивалентным четырехполюсником, характеризующимся определенными значениями h параметров, которые являются коэффициентами в соотношениях, связывающих не величины токов и напряжений, а величины их приращений, т.е ∆I_Б, ∆I_K, ∆U_БЭ, ∆U_КЭ. (2) Из первого соотношения системы (2) при ∆U_КЭ=0 (или U_КЭ=const) следует (3) Из этого же соотношения при ∆I_Б=0 (или I_Б =const) следует (4) Аналогичным образом второе соотношение системы (2) позволяет записать: (5) (6) Физический смысл h –параметров согласно соотношениям (3) – (6) следующий: h₁₁ – входное сопротивление транзистора, при постоянном значении напряжения U_КЭ ; h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению; h₂₁ – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U_КЭ и часто обозначаемый через β; h₂₂— выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы. 1.3. Определение h параметров транзистора Расчет значений h параметров производится для электрического режима транзистора, соответствующего рабочей точке (точке покоя) на его статических характеристиках. При работе в линейном режиме эта точка обычно располагается в центре ра­бочей области. Поэтому расчету значений h — параметров должно предшествовать определение рабочей области на выходной характеристике и выбор электрических параметров (I_БП , I_КП , U_БЭП , U_КЭП ), соответствующих рабочей точке. Значения h— параметров определяются с помощью построений на выходной или входной статической характеристике и с использованием соотношений (3) – (6). При этом обозначения параметров транзистора, входящих в соответствующее соотношение, показывают, какую именно характеристику следует использовать для определения конкретного h— параметра. Величины приращений электрических параметров транзистора в соотношениях (3) – (6) вычисляется как разность между двумя крайними значениями соответствующих параметров. Величина же параметра в рабочей точке должна располагаться в центре интервала между крайними значениями. Расчет величины параметра h₁₁ проводится по соотношению (3), где приращения значений тока базы и напряжения база-эмиттер определяются как разность соответствующих координат двух точек (крайних) на зависимости I_Б(U_БЭ) входной характеристи­ки, показанной на Рис.6. Напряжение U_КЭ , для которого приводятся построения, должно совпадать с рабочей точкой транзистора. Рис.6 Построения для расчета величины параметра h₂₂ с помощью соотношения (6) проводится аналогичным образом (см .Рис. 7) на выходной характеристике. Вольтамперная характеристика, на кото­рой выполняются построения, должна соответствовать току базы рабочей точки. Рис.7 Расчет величины параметра h₂₁ (или β) проводится в два этапа. Сначала по выходным характеристикам строится зависимость I_К (I_Б) для значения напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точ­ке. Фиксированные значения I_К этой зависимости, как видно из построения на Рис.8, определяются ординатами точек пересечения вертикальной прямой, проведенной через точку U_КЭП, с вольтамперными характеристиками для фиксированных значений I_Б. Затем по построенной кривой зависимости I_К (I_Б) (см. Рис.9) определяются приращения токов коллектора и базы для подстановки в соотношение (4). Величина параметра h₁₂ близка к нулю. Об этом свидетельствует тот факт, что в рабочем интервале значений напряжения U_КЭ вольтамперных характеристики I_Б(U_БЭ) транзисторов практически не отличаются друг от друга. Обычно величина параметра h₁₂ не определяется. 1.4. Схема замещения транзистора и определении значений ее параметров Рассмотренные выше h -параметры транзистора вводятся, в известной степени, формально. Поэтому для расчетов электрических схем на транзисторах предпочтительнее использовать схему Рис.8 Рис.9 замещения полупроводникового прибора. Под схемой замещения пони­мают электрическую схему, составленную из линейных элементов (сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжений), по своим свойствам отличающихся от реального объекта (в данном случае — транзистора). В соответствии с Рис.3 схему замещения транзистора целесооб­разно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема приведена на Рис.10. Очевидно, схема замещения справедлива для тех участков статических характеристик транзистора, где вольтамперные характеристики можно считать линейными, т.е. для тех участков, для которых выше определялись значения h –параметров. В связи с этим на Рис.10 токи и напряжения, обозначенные прописными буквами, являются малыми величинами (по сравнению со значениями параметров в рабочей точке) и соответствуют приращениям токов и напряжений, которые использовались при расчете h –параметров. Рис.10 Схема замещения Рис.10 справедлива для области низких час­тот к включает в себя три активных сопротивления, величины которых можно определить как отношение приращений напряжений в цепях транзистора к соответствующим им приращениям токов: дифференциальное сопротивление эмиттерного p—n перехода, численные значения которого обычно лежат в пределах от единиц до десятков Ом; объёмное сопротивление базы, величина которого в зависимости от типа транзистора составляет 100 — 400 Ом: дифференциальное сопротивление коллекторного p—n перехода, величина которого при включении транзистора по схеме ОЭ составляет несколько кОм и выше. Кроме того, схема замещения включает генератор тока в цепи коллектора, указывающий на то, что транзистор является активным элементом. Значение тока этого генератора пропорционально значению тока базы (βiб). С целью учета частотных свойств транзистора в схеме замещения обычно предусматривается емкость коллекторного p—n перехода, шунтирующая источник тока. В связи с тем, что при низких частотах влияние этой емкости незначительно, определение величины этого параметра ниже не предусматривается. Поэтому на схеме Рис.10 присоединение емкости коллекторного перехода обозначено пунктиром. Как видно из Рис.10 в схему замещения транзистора входят четыре элемента. Величину электрических параметров этих элементов можно связать с величинами четырех h –параметров. Для этого можно использовать законы Кирхгофа, рассмотрев схему замещения транзистора при тех же условиях, при которых были получены соотношения (3) – (6), т.е. при или . При условии , т.е при коротком замыкании выходных клейм схемы 10 выходной ток, по существу, определяется только величиной тока источника, поскольку сопротивление весьма велико, а , т.е. (7) Так как i_k и i_б эквивалентны приращениям соотвествующих токов и (8) Таким образом, параметры h₂₁ и β эквивалентны, о чем отмечалось выше. С учетом эквивалентности параметров и второй закон Кирхгофа, записанный для входного контура схемы Рис.10, дает (9) Поскольку токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой первым законом Кирхгофа , (10) а также в соответствии с соотношением (7) (11) После замены и эквивалентными им приращениями параметров соотношение (11) представляется в виде (12) Откуда (13) Условие I_Б=const эквивалентно режиму, при котором I_Б=0 . Для этого режима второй закон Кирхгофа для выходной цепи позволяет записать соотношение (14) С учетом того, что r_К(Э)>>r_Э , а величины и эквивалентны величинам приращений параметров и , из соотношения (14) следует (15) Второй закон Кирхгофа для входной цепи схемы Рис.10 в режиме с I_Б=const позволяет записать (16) Откуда вследствие соотношения (14) и эквивалентности и соответственно и получается (17) Из соотношений (8), (13), (15), (17) нетрудно получить выражения для определения параметров схемы замещения транзистора через его h—параметры (18) (19) (20) (21)

Как рассчитать h параметры транзистора по графику

Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная проводимость — 10 — 4 -10 -5

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ (см. рис.1.6).

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U бэ от входного тока I б , U бэ = ¦ 1 (I б ) при заданном напряжении U кэ . Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.6 б). При U кэ =0 тепловой ток I к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость U бэ = ¦ 1 (I б ) соответствует ВАХ эмиттерного р- n –перехода , включенного в прямом направлении . При U кэ > 0 в цепи коллектора появляется ток-I к0 , направленный навстречу току I б . Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I б = I к0 , приложив соответствующее напряжение U бэ . Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I к = ¦ 2 (U кэ ) при заданном токе I б ( рис.1.6в). Если U бэ =0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора I к0 = — I б ) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При U кэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжение U бэ и U кэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.

На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы I б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U бэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е к . Напряжение коллектора U кэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока I к служит миллиамперметр РА2.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R к связь между коллекторным током I к и напряжением на коллекторе U к выражается уравнением нагрузочной характеристики:

I к =(Е к — U к )/R к

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат Е к / R к и Е к соответственно.

Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I б .

1.2. Методика графического определения H–параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I бА , U кэА ), в которой требуется найти параметры.

Параметры h 11э и h 12э находят по входной характеристики U бэ = ¦ 1 (I б )| Uкэ=const .

Определим h 11э для заданной рабочей точки А (I бА , U кэА ). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А 1 и А 2 (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними D U бэ и D I б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h 11э =( D U бэ / D I б )| Uкэ=const .

Приращения D U бэ и D I б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h 12э = D U бэ / D U кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных D U кэ > 0 практически сливается в одну (рис.1.8.).

Параметры h 22э и h 21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I к = ¦ 1 (U кэ ) (рис.1.9).

Параметр h 21э = ( D I к / D I б ) | Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (I бА , U кэА ). Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А 1 и А 2 вблизи рабочей точки А при постоянном U кэ =U кэ0 . Приращение тока базы D I б следует брать, как D I б =I б2 – I б1 , где I б2 и I б1 определены как токи базы в точках А 2 и А 1 . Этому приращению D I б соответствует приращение коллекторного тока D I к = I к2 – I к1 , где I к2 и I к1 .определены в точках точках А 2 и А 1 . Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h 21э = ( D I к / D I б ) )| Uкэ=const .

Параметр h 22э =( D I к / D U кэ ) ½ Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точке А (I бА , U кэА ), при постоянном токе базы I б . Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А * 1 и А * 2 . Для этих точек определяют D U * кэ | Iб = IбА =U к2 – U к1 – приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока D I * к = I * к2 – I * к1 . При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I б =I бА .

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I бА .

2. Задания на теоретические расчеты

2.1. Ознакомиться со схемами включения биполярного транзистора, с методикой исследования и снятия статических вольт-амперных характеристик с ОБ и ОЭ; с методикой графического определения h–параметров транзистора.

2.2. Рассчитать по формуле (15) и построить нагрузочную характеристику I к = ¦ 3 (U кэ ) биполярного транзистора для следующих исходных данных R к =1кОм, 3кОм; Е к =10B ;

3. Задания на экспериментальное исследование и порядок их выполнения

Задание 1. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольметра) .

1.1. Снять входную ВАХ – I э =F(U эб )| Uкб=const . Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U эб . Данные занести в табл.1.

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I э , I б ) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I к =F(U кб )| Iэ=const . Данные занести в табл.2.

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 2. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольметра).

2.1. Снять входную ВАХ –I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.2). Данные занести в таблицу аналогичную табл.1. Измерения проводить при Iб=0; 0.01; 0.05; 0.1мА, при Uкэ=0 и +15В.

По результатам измерений построить графики.

2.2 Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кэ )| Iб=const . Данные занести в таблицу аналогичную табл.2.

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 3. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа).

3.1. Снять входную ВАХ – I э =F(U эб )| Uкб=const I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.

3.2. Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кб )| Iэ=const . Собрать схему (рис.3.4).

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 4. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с Оэ (с помощью осциллографа) .

4.1. Снять входную ВАХ – I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.5). Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

4.2. Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кэ )| Iб=const . Собрать схему 3.6. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 5 Исследование частотных характеристик передаточных параметров транзистора a ( j w ), b ( j w )

5.1. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a ( w )= I m к /I m э | Iэо=const , .

Рис.3.7.
5.1.1. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора включенного по схеме с ОБ на высокой с помощью амперметров приведена на рис.3.7. Все амперметры поставить в режим измерения переменного тока (режим АС)

Для измерения зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a ( w )= I m к /I m э | I эо= const , составить соответствующую таблицу и по ней нарисовать график зависимости a ( w ). Определить f a — граничную частоту транзистора включенного по схеме с ОБ.

5.1.2. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОБ, на высокой с помощью измерителя диаграмм Боде, приведена на рис.3.8. Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение АЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить α 0 и f α . Результаты измерений записать в отчет.

5.2. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ j a ( w ) =( j Im к — j Im э ) . Измеритель Боде поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний.

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Измерить запаздывание по фазе на частоте f a .

5.3. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ b ( w )=I m к /I m б | I эо= const , .с помощью измерителя диаграмм Бодэ.

Собрать схему (рис.3.9). Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране изображение АЧХ, удобное для снятия показаний.

5.4. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ j b ( w ) a ( w )=I к m /I э m | I эо= const , . Схема измерения приведена на рис.3.9. Измеритель поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить β 0 и f β . Результаты измерений записать в отчет.

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Определить запаздывание по фазе на частоте f b . На рис.3.10 приведены АЧХ и ФЧХ .

Задание 6. Исследовать зависимости усилительных и частотных свойств транзистора включенного по схеме с ОБ от тока эмиттера — a = F ( I эо ) , f a = F ( I эо ) .

Собрать схему (рис.3.11). Добиться удобного изображения АЧХ. Величину a и f a = измерять с помощью измерителя АЧХ. Величину a можно измерить с помощью вольтметра.

Результаты измерений занести в табл. 3.

Похожие публикации:
1. Vdd на схеме что это
2. В чем измеряется мощность излучения тела
3. Предположите как могли образоваться природные магниты
4. Провод заземления в люстре куда подключать