Статические параметры транзисторов

 

Статические параметры транзисторов можно разделить на параметры малых сигналов и физические (собственные). Четырехполюсник, в качестве которого можно рассматривать и транзистор (рис. 6.3), как правило, описывается системой уравнений. Наиболее употребительными для транзисторов являются следующие

 

U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2; I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 2.

(6.3)

 

Коэффициенты h ₁₁, h ₁₂, h ₂₁, h ₂₂ отражают свойства транзистора и являются его параметрами, получившими название h -параметров. Параметр с индексом 11 (читается «один–один») представляет собой входной параметр, т.е. определяет связь между током и напряжением; параметр с индексом 22 – выходной параметр, и также определяет связь между током и напряжением. h -параметр с индексом 21 определяет функцию прямой передачи, т.е. влияние входа на выход, а с индексом 12 – функцию обратной передачи, т.е. влияние выхода на вход.

Физический смысл h -параметров может быть определен по правилам электротехники для четырехполюсника при проведении по переменному току опытов холостого хода (I ₂ = 0), обратного холостого хода (I ₁ = 0), короткого замыкания на выходе (U ₂ = 0) и короткого замыкания на входе (U ₁ = 0).

Из уравнений (6.3) можно определить значения h -параметров, т.е. их физический смысл:

1) Параметр h ₁₁ = U ₁ / I ₁ при U ₂ = 0. Это входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе. Короткое замыкание по переменному току получают шунтированием выхода транзистора большой емкостью.

2) Параметр h ₁₂ = U ₁ / U ₂ при I ₁ = 0. Это коэффициент обратной связи, показывающий, какая часть напряжения передается с выхода транзистора на его вход при разомкнутой входной цепи, т.е. в режиме обратного холостого хода, который реализуется по переменному току включением большой индуктивности во входную цепь транзистора.

3) Параметр h ₂₁ = I ₂ / I ₁ при U ₂ = 0. Это коэффициент передачи (усиления) транзистора по току в прямом направлении (от входа к выходу) при коротком замыкании на выходе. Для транзистора в схеме с ОБ этот параметр численно равен коэффициенту a, а для транзистора в схеме с ОЭ – коэффициенту b.

4) Параметр h ₂₂ = I ₂ / U ₂ при I ₁ = 0. Это выходная проводимость транзистора при обратном холостом ходе, т.е. при разомкнутой входной цепи.

Система уравнений с h -параметрами для различных схем включения транзисторов будет выглядеть следующим образом:

 

для схемы с ОБ ;                                                                                     ; для схемы с ОЭ ; .

(6.4)

 

h -параметры можно определить по статическим характеристикам транзистора. Из системы уравнений (6.4), например для схемы транзистора с ОБ, получим

 при D U_кб = 0.

Приращения D U_эб и D I_э определим как катеты треугольника авс (рис. 6.4, а), построенного на входной характеристике при U_кб = const.

 при D U_кб = 0.

Приращения D I_к и D I_э можно определить по рис. 6.4, б, где D I_к = I_к” – I_к’; D I_э = I_э” – I_э’.

К физическим параметрам транзистора относятся:

r_э – динамическое сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, с учетом объемного сопротивления эмиттерной области (от единиц до десятков Ом);

r_б – объемное сопротивление базы для переменного тока, приблизительно равное сопротивлению базы для постоянного тока r ’ _б (сотни омов);

r_к – динамическое сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении (сотни килоомов).

Например, динамическое сопротивление коллекторного перехода равно r_к = dU_к / dI_к» D U_к / D I_к при I_э = const, т.е. оно определяется приращением тока коллектора, вызванным приращением коллекторного напряжения при постоянном токе эмиттера. Физически это приращение объясняется изменением ширины базы.

Необходимо отметить, что преимущество физических параметров состоит в том, что они не зависят от способа включения транзистора в схему; а недостаток заключается в том, что не все физические параметры возможно непосредственно измерить.

Между физическими и h -параметрами существует определенная связь, которая позволяет по значениям h -параметров найти значения физических параметров.

 

; ;

.

 

Для обеспечения надежной работы транзистора в технических условиях на них могут быть указаны следующие предельно допустимые значения электрических режимов и условий эксплуатации (на примере транзисторов КТ817):

постоянное напряжение коллектор–эмиттер при R_бэ = ¥ в диапазоне температур;

постоянное напряжение коллектор–эмиттер при R_бэ £ R, указываемого в технических условиях, в диапазоне температур;

постоянное напряжение эмиттер–база в диапазоне температур;

постоянный ток коллектора;

постоянный ток эмиттера;

постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом и без него в диапазоне температур;

температура перехода;

диапазон температуры окружающей среды и др. параметры.

 

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзисторы могут работать в трех режимах: активном, отсечки и насыщения. Соответственно анализ статических выходных характеристик позволяет выделить три области характерных состояний транзистора: активная область, область отсечки и область насыщения. На рис. 6.5, б показаны приближенно границы всех областей работы транзистора в схеме с общим эмиттером (1 – активная область; 2 – область отсечки; 3 – область насыщения), и все рассуждения ниже будут относиться к транзистору p-n-p в схеме с общим эмиттером.

Активная область – область, в которой транзистор обеспечивает линейное усиление по мощности. И все ранее описанное в данной главе относится к работе транзистора в активной области.

Область отсечки – область, в которой оба перехода закрыты, т.е. оба перехода включены в обратном направлении. Например, для схемы с ОЭ (рис. 6.2) основным признаком работы в этой области является дополнительное условие I_б £ 0, при этом возможны два следующих случая.

1. Холостой ход в цепи базы, т.е. ток базы I_б = 0 или

R_б = ¥. При этом сквозной ток I_кэо = I_кбо / (1 – a).

2. Эмиттерный переход заперт, и ток I_б < 0, тогда I_к» I_кбо.

Токи I_кэо и I_кбо можно считать параметрами режима отсечки. Напряжение на коллекторе в этом режиме почти равно E_к (напряжение на коллекторной батарее), а напряжение на нагрузке близко к нулю.

Область насыщения – область, в которой оба перехода включены в прямом направлении, при этом начинается встречная инжекция носителей обоих знаков через оба перехода и база сильно насыщается неосновными для нее носителями (отсюда происходит название области). В этом режиме в коллекторной цепи протекает ток насыщения I_{к нас}, который определяется из выражения I_{к нас}» E_к / r_к. В режиме насыщения почти все напряжение батареи E_к приложено к нагрузке, а остаточное напряжение на коллекторе мало (0,1 – 1 В).

Кроме перечисленных выше трех основных областей (соответственно трех режимов работы), иногда рассматривается еще область умножения (рис. 6.5, б, область 4) и инверсный режим работы. В области умножения используется режим лавинного умножения неосновных носителей в коллекторном переходе. Соответствующим выбором напряжения питания E_к транзистора и величины сопротивления нагрузки R_н в его выходной цепи можно получить режим переключения при переходе из области отсечки в область умножения и обратно.

В инверсном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, т.е. транзистор включен «наоборот»: коллектор работает в роли эмиттера и наоборот. Из-за особенностей конструкции реальных транзисторов усилительные свойства в инверсном режиме, как правило, неудовлетворительные.