Системы параметров Z,Y,H.

Транзистор в активном режиме работы описывается различными системами дифференциальных параметров, которые рассматриваются как линейные, а сам транзистор является в этом случае линейным четырехполюсником ( 4.8.).

Комплексные амплитуды тока и напряжения во входной цепи четырехполюсника обозначают и . Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряжение обозначают и .

Рис.4.8. Представление транзистора как линейного четырехполюсника

Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается различными системами параметров, в частности наиболее часто используются три системы : Z-;Y-; и H- параметры.

В системе Z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;

Схема замещения БТ для системы Z- параметров приведена на рис.4.9.

Рис.4.9.

В этом случае сами параметры можно записать как:

– входное сопротивление транзистора;(4.6)

– сопротивление обратной связи транзистора;(4.7)

– сопротивление прямой передачи БТ;(4.8)

– выходное сопротивление.(2.24)

Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений , (4.9)

Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров

Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.

В этом случае можно определить параметры, как :

– входная проводимость;(4.10)

– проводимость обратной передачи;(4.11)

– проводимость прямой передачи;(4.12)

– выходная проводимость. (4.13)

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.

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.

Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.

Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.

; (4.14)

. (4.15)

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.

Рис.4.11.

Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,

– входное сопротивление;(4.16)

– коэффициент обратной связи по напряжению;(4.17)

– коэффициент передачи по току; (4.18)

– выходная проводимость.(4.19)

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.

Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.

В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.

Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров и в заданной рабочей точке А ( , , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.20)

. (4.21)

Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h_21Э и дифференциального параметра h_21э. В окрестности точки А' ( , , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.22)

. (4.23)

Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.

Физические Т-образные эквивалентные схемы замещения БТ часто используются для анализа малосигнальных транзисторных усилителей.

Для включения БТ с ОБ и ОЭ эквивалентные схемы представлены на рис. 4.12. и рис. 4.13. соответственно.

Рис. 4.12. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОБ

Параметры эквивалентных схем маломощных БТ обычно принимают следующие типовые значения: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода – единицы – десятки ом; объемное сопротивление базы – сотни ом – единицы килоом; выходное сопротивление в схеме с ОБ – сотни килоом – единицы мегаом; выходное сопротивление в схеме с ОЭ – десятки – сотни

Рис.4.13. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОЭ

Значения параметров могут быть найдены с использованием известных h-параметров.

с ОБ: , , , ; (4.24)

с ОЭ: , , , . (4.25)

Коэффициенты обратной связи по напряжению h_12э для обеих схем включения БТ имеют очень малую величину, поэтому при определении h- параметров точность вычисления некоторых параметров с использованием статических ВАХ оказывается низкой. В связи с этим при расчете параметров эквивалентной схемы целесообразно использовать выражение для легко определяемого сопротивления эмиттерного перехода

(4.26)

где – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – ток эмиттера БТ в рабочей точке. Связанное с ним объемное сопротивление базы БТ также целесообразно рассчитать согласно выражению

. (4.27)

Температурные свойства биполярного транзисторамогут быть рассмотрены из следующих соображений:

1) имеется зависимость тока неосновных носителей I_кбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 ^оС у германиевых транзисторов и на каждые 7 ^оС у кремниевых;

2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения DU_бэ / DТ » - 2,5 мВ/^оС);

3) коэффициент передачи тока базы b (h₂₁) с повышением температуры увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток I_кбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ. Можно определить, что при изменении температуры, например, с 20 ^оС до 70 ^оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока I_кбо в 1)-20 раз раз, то есть ток I_кбо ( от начального значения 5-30 мка) равен увеличится до величины 100-300 мКА, что незначительно увеличит ток коллектора, среднее значение которого 10-50 мА.

В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как начальный ток коллектора I_кэо будет в (b+1) раз больше тока I_кбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при изменении температуры на те же +50 ^оС произойдет увеличение тока неосновных носителей I_кэо до 10-20 мА, а коллекторный ток при этом изменится не менее чем в два раза, что значительно повлияет на режим транзистора и на его основные характеристики.

В общем случае влияние температуры на БТ проявляется также в смещении входных характеристик при изменении температуры, что приводит к смещению рабочей точки на характеристиках БТ и появлению искажений в усиливаемом сигнале.

Частотные свойства биполярного транзистора можно оценить, исходя прежде всего из двух основных причин:

1) влияние диффзионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек-

торного переходов;

2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.

Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:

предельная частота транзистора f_пр - это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера a уменьшается в Ö2 раз по сравнению с «a», измеренном на частоте 1000Гц;

граничная частота транзистора f_гр - это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0,1f_гр < f < f_гр модуль коэффициента передачи тока базы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза;

максимальная частота генерации - наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению

(4.28)

где f_гр - граничная частота в МГц; t_к = r^’_бС_к - постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r^’_б - распределенное омическое сопротивление базовой области; С_к - емкость коллекторного перехода.

Максимально допустимые параметры БТ. Для обеспечения надежной работы аппаратуры режимы работы транзисторов должны выбираться таким образом, чтобы ток и напряжение не выходили за пределы области допустимых режимов, которая определяется следующими параметрами: максимально допустимый постоянный ток коллектора ; максимально допустимое постоянное обратное напряжение коллектор–эмиттер ; максимально допустимое постоянное обратное напряжение эмиттер–база ; максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора . Обычно в справочнике приводятся значения этих параметров для температуры корпуса , при которой обеспечивается максимальная мощность рассеивания. При увеличении температуры выше рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле

, (4.29)

где – температура перехода; – температура корпуса; – тепловое сопротивление переход–корпус.

Классификация и система обозначений биполярных транзисторов. По мощности, рассеиваемой коллектором, транзисторы бывают: малой мощности ; средней мощности ; большой мощности .

По частотному диапазону в зависимости от граничной или максимальной рабочей частоты транзисторы делятся на низкочастотные ; средней частоты ; высокочастотные ; сверхвысокочастотные .

Для маркировки биполярных транзисторов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент – буква русского алфавита или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия. Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – биполярный, П – полевой. Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и рассеиваемую мощность транзистора (табл. 4.1). Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент – буква русского алфавита, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначения транзисторов: КТ315А – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 15, группа А; КТ806Б – кремниевый БТ, большой мощности, средней частоты, номер разработки 06, группа Б; ГТ108А – германиевый БТ, малой мощности, низкой частоты, номер разработки 08, группа А; КТ3126Б – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 126, группа Б.