Система h-параметров биполярных транзисторов

 

Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h -параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины.

h -параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U₁=U_БЭ, входным током I₁=I_Б, выходным напряжением U₂ = U_КЭ и выходным током I₂=I_К могут быть выражены системой двух уравнений:

 

ΔU₁=h₁₁ΔI₁+h₁₂ΔU₂,

ΔI₂=h₂₁ΔI₁+h₂₂ΔU₂,

где:

h_11Э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора;

h_12Э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току);

h_21Э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора;

h_22Э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе.

 

h_11Э= Δ U_БЭ/ Δ I_Б при U_КЭ =const; h_12Э= Δ U_БЭ/ Δ U_КЭ при I_Б =const;

h_21Э= Δ I_К/ Δ I_Б при U_КЭ =const; h_22Э= Δ I_К/ Δ U_КЭ при I_Б =const.

 

Индекс «Э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h -параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора: параметры h₁₁ и h₁₂ – по входным (рис. 4.3.1, а, б), параметры h₂₁ и h₂₂ – по выходным (рис. 4.3.1 в, г).

 

 

а) б)

 

 

в) г)

 

Рисунок 4.3.1. Определение h-параметров биполярного транзистора

по семействам входных и выходных характеристик.

 

 

Схемы включения биполярных транзисторов.

Как отмечалось выше, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник; из трех его электродов один – входной, другой – выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода, и в зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис.4.4.1, а, б и в, соответственно).

На всех схемах кроме источников питания Е_Э, Е_Б и Е_К присутствует источник сигнала ~U_BX (источник переменного тока), включенный последовательно с источником Е_Э или Е_Б, причем Е_К>>Е_Э или Е_Б, а амплитуда ~U_BX<Е_Б или Е_Э. Рассмотрим работу каждой из схем в качестве усилителя сигнала ~U_BX.

 

 

Рисунок 4.4.1. Схемы включения транзистора: а) с общей базой, б) с общим эмиттером, в) с общим коллектором.

Схема с общей базой

В схеме рис. 4.4.1, а к эмиттеру транзистора относительно общей базы приложены напряжения ~U_BX и Е_Э. При положительном полупериоде ~U_BX напряжение U_ЭБ=Е_Э– U_BX, т. е. напряжение U_ЭБ уменьшается. Это вызовет уменьшение I_Э, а следовательно, и I_К, что приведет к уменьшению падения напряжения на R_H, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) увеличится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~U_BX выходное напряжение будет уменьшаться. Таким образом, в схеме ОБ входной и выходной сигналы синфазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 0).

Входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. С учетом соотношения I_Э=I_К+I_Б можно сказать, что I_ВХ>I_ВЫХ (с учетом малого значения I_Б можно считать I_ВХ≈I_ВЫХ). Таким образом, в схеме ОБ усиления тока не происходит.

При малых напряжениях во входной цепи возникают токи значительной величины. Это возможно, если входное сопротивление схемы ОБ низкое.

Выходной ток, практически равный входному, протекает через большое сопротивление нагрузки R_H, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОБ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОБ.

 

Схема с общим эмиттером.

 

В схеме рис. 4.4.1, б к базе транзистора относительно общего эмиттера приложены напряжения ~U_BX и Е_Б. При положительном полупериоде ~U_BX напряжение U_БЭ=Е_Б+U_BX, т. е. напряжение U_БЭ увеличивается. Это вызовет увеличение I_Б, а следовательно, I_Э и I_К, что приведет к увеличению падения напряжения на R_H, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) уменьшится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~U_BX выходное напряжение будет увеличиваться. Таким образом, в схеме ОЭ входной и выходной сигналы парафазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 180^О).

Входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Так как I_Б<<I_К, можно сказать, что I_ВХ<<I_ВЫХ. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиления тока.

При малых напряжениях во входной цепи токи также малы. Это говорит о том, что входное сопротивление схемы ОЭ значительно выше, чем у схемы ОБ.

Выходной ток протекает через большое сопротивление нагрузки R_H, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОЭ (при этом оно ниже, чем у схемы ОБ).

Одновременное усиление напряжения и тока обеспечивает максимальный коэффициент усиления мощности по сравнению с другими схемами. Поскольку величины входного и выходного сопротивлений имеют приемлемые для большинства случаев значения, схема ОЭ получила наибольшее распространение при построении различных радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах.

 

Схема с общим коллектором.

 

В схеме рис. 4.4.1, в следует рассматривать взаимное действие Е_Б, Е_К и ~U_BX на переход база-эмиттер. При положительном полупериоде ~U_BX напряжение U_БЭ=Е_Б+U_BX, т. е. напряжение U_БЭ увеличивается. Это вызовет увеличение I_Б, а следовательно, I_Э и I_К, что приведет к увеличению падения напряжения на R_H, при этом выходное напряжение (теперь это напряжение на эмиттере) также увеличится. Это напряжение, появившееся под действием входного сигнала, приложено к переходу база-эмиттер в полярности, противоположной напряжению ~U_BX, поэтому оно будет вызывать уменьшение I_Б и выходного напряжения. В результате такого взаимодействия входного и выходного сигналов входное сопротивление схемы ОК получается очень высоким, а выходное напряжение почти равно входному (реально незначительно меньше). Выходное сопротивление в схеме ОК получается очень низким. Перечислим основные свойства последней схемы.

В схеме ОК входной и выходной сигналы синфазны.

В схеме ОК усиления напряжения не происходит.

В схеме ОК происходит значительное усиление тока.

Входное сопротивление схемы ОК очень высокое.

Выходное сопротивление схемы ОК очень низкое.

Схема ОК носит второе название «эмиттерный повторитель» и используется, как правило, для согласования источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением и нагрузки с низким сопротивлением.

Отметим в заключение, что не любая схема обеспечивает усиление мощности сигнала.

 

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какие полупроводниковые приборы называют биполярными транзисторами?

2. Как связаны постоянные токи в цепях транзистора?

3. Какие возможны схемы включения транзистора?

4. Как связаны переменные составляющие токов и напряжений в схеме включения транзистора с общей базой?

5. Какими статическими характеристиками принято определять свойства транзисторов?

6. Какими характеристическими параметрами связаны токи и напряжения на выходе транзистора?

7. Как измеряют h-параметры на низких частотах?

8. В каком направлении смещен переход база-эмиттер?

9. В каком направлении смещен переход база-колектор?

10. Как соотносятся толщина базы транзистора и длина пробега основных носителей заряда в эмиттере?

11. Когда транзистор теряет усилительные свойства?

12. Приведите схемы обозначения транзистора p-n-p и n-p-n структуры?

13. Назовите три схемы включения транзистора. Каковы их особенности?

14. Для чего нужны входные и выходные характеристики транзистора?