Усилительные свойства транзисторов

Токи транзистора в схеме включения с ОЭ (см. рис.8), работающего в активном режиме, связаны уравнением

.

Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффициентом передачи тока

,

откуда ток базы

где I_K0 = 0,1…10 мкА у кремниевых и I_K0 = 10…100 мкА у германиевых транзисторов

Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напряжению, так и по току.

Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сиг­нале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. На рис.9 представлены семейства входных (а) и вы­­ходных (б) статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ. Они могут быть получены в результате эксперимента или расчёта.

Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками. В качестве примера на рис.7, в приведена управляющая характеристика по току транзистора (коэффициент передачи тока) при напряжении , т. е.

.

Входные и выходные характеристики транзистора обычно приводятся в справочниках (каталогах) транзисторов, которые широко используют для анализа работы транзисторов и для расчета схем при больших сигналах.

Биполярный транзистор в различных схемах подключения можно представить как четырехполюсник и, соответственно, рассчитать его параметры для любой схемы. Для транзистора характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ (рис.10).

Рис.10. Представление транзистора как четырёхполюсника.

I₁, U₁ - ток и напряжение на входе транзистора; I₂, U₂ - ток и напряжение на выходе транзистора.

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие - за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений. На практике используются три основных зависимости между входными и выходными величинами, которые отражены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимости между входными и выходными величинами четырехполюсника

В соответствии с этими зависимостями можно получить три системы параметров транзистора: система Z - параметров, система Y - параметров и система H - параметров.

Система z-параметров.Если в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника взять токи I₁ и I₂, а напряжения U₁ и U₂ определять как функции этих токов, то связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂;

U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂.

Коэффициенты z_ik в этих уравнениях определяются следующим образом:

z₁₁ = U₁/I₁ при I₂ = 0 и Z₂₂ = U₂/I₂ при I₁ = 0

z₁₁, z₂₂ - входное и выходное сопротивления;

Z₁₂ = U₁/I₂ при I₁ = 0 и Z₂₁ = U₂/U₁ при I₂ = 0

z₁₁, z₂₂ - сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I₁ = 0) и выходе (I₂ = 0).

Система y-параметров.Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U₁ и U₂, а токи I₁ и I₂ будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂;

I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂.

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

y₁₁ = I₁/U₁ при U₂ = 0 и y₂₂ = I₂/U₂ при U₁ = 0

y₁₁, y₂₂ - входная и выходная проводимости;

y₁₂ = I₁/U₂ при U₁ = 0 и y₂₁ = I₂/U₁ при U₂ = 0

y₁₂, y₂₁ - проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U₁ = 0) и выходе (U₂ = 0) (Параметры транзистора как четырехполюсника).

Система h-параметров.Наиболее часто используется система h-параметров, которая представляет собой комбинированную систему из двух предыдущих.

В режиме усиления малых сигналов транзистор в схеме с ОЭ часто представляют в виде линейного четырехполюсника, входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

;

где ( ) - входное динамическое сопротивление транзистора (h_11Э = 100…1000 Ом); ( ) - безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, значение которого лежит в пределах 0,002…0,0002 (при расчётах им часто пренебрегают, т. е. полагают рав­ным нулю); ( ) - коэффициент передачи (усиления) тока при постоянном напряжении на коллекторе; его также обозначают или ;

( ) - выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы (h_22Э = См).

Параметры схемы замещения транзистора с ОЭ в h-форме определяют по его входным и выходным характеристикам (см. рис.7).

Для определения входных сопротивлений транзистора необходимо воспользоваться эквивалентными схемами, которые должны отражать реальные свойства замещаемых транзисторов. Широкое распространение получили так называемые Т-образные эквивалентные схемы (рис. 11).

При построении эквивалентной схемы транзистора исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы, так же как и тонкий слой базы, обладают некоторыми определенными сопротивлениями, равными соответственно r_э, r_к и r_б. Поэтому простейшей эквивалентной схемой транзистора служит цепь, составленная из сопротивлений r_э, r_к и r_б, соединенных между собой, как показано на рис. 11,а.

Рис.11. Эквивалентные Т-образные схемы транзистора: а - без дополнительного генератора; б - для схемы с общей базой; в - для схемы с общим эмиттером; г - для схемы с общим коллектором.

Переходная характеристика.Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.

Основные типы транзисторов.Все современные транзисторы можно классифицировать по мощ­ности на транзисторы малой, средней и большой мощности и по частоте – на транзисторы низкой, средней, высокой и сверхвысо­кой частоты (табл. 2).

Обозначение транзисторов состоит из четырех элементов. Первый элемент, как у диодов, буква или цифра, обозначающая полупровод­никовый материал; второй элемент – буква (для транзисторов – Т); третий элемент – число, указывающее назначение или электрические свойства прибора (табл. 2). Четвертый элемент – буква, указывающая разновидность типа из данной группы транзисторов. Например, ГТ310А – германиевый маломощный высокочастотный транзистор.

Таблица 2.