Параметры, схемы включения биполярного транзистора (стр. 1 )

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................................................................................... 4

1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора..................................................................................... 4

3. Постановка задания......................................................................................................................................................... 13

4. Пример выполнения задания......................................................................................................................................... 14

5. Порядок оформления домашнего задания............................................................................................................... 22

6. Контрольные вопросы................................................................................................................................................... 23

Список рекомендуемой литературы............................................................................................................................... 24

Введение

Данные методические материалы разработаны в соответствии с программой курса "Твердотельная электроника" для студентов специальности "Промышленная электроника".

Рассматриваются биполярные транзисторы в режиме малого сигнала: системы физических и h - параметров, аналитические связи между ними; расчет основных параметров транзистора и транзистор­ного усилительного каскада. Составлены практические задания и иллюстрирующие их примеры.

1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора

Транзистор (TRANSfer resISTOR - преобразующий сопротив­ление) - это полупроводниковый прибор, имеющий три и более внеш­них выводов, предназначенный для усиления или генерации электри­ческих сигналов, а также для коммутации электрических цепей.

Транзистор является нелинейным элементом. Работа транзисторов в различных усилителях характеризуется параметрами малого сигна­ла, еще называемыми дифференциальными параметрами. Однако в ре­жиме малого сигнала, когда входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным соответствующим точке покоя напряжением, связь между токами и напряжениями в некоторой области статических вольт-амперных характеристик (вах) можно считать линейной с до­пустимой степенью приближения. В этом режиме транзистор можно представить четырехполюсником (рис. 1) и считать его линейным усилительным элементом независимо от схемы его включения (рис. 2). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в 2 раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений.

Свойства транзистора и их изменение в зависимости от режима его работы (тока коллектора, коллекторного напряжения, частоты сигнала) и температуры окружающей среды оцениваются параметрами. Физические явления в транзисторе и его электрическое состояние, а также изменение его свойств оценивают, определяют и описывают физическими параметрами.

Транзистор включается в электрическую цепь таким образом, чтобы один из его электродов являлся входным, второй - выходным, а третий - общим относительно входа и выхода. В зависимости от способа включения транзистора различают три схемы его включения (рис. 2): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Свойства разных схем включения транзистора описывают характеристическими параметрами, называемыми h – параметрами или системой h-параметров.

Между физическими и h-параметрами существует однозначная функциональная связь, позволяющая переходить от физических параметров к h – параметрам и наоборот.

Рис. 1 - Транзистор как четырёхполюсник

Рис. 2 - Схемы включения транзисторов:

а - с общей базой (ОБ); б - с общим эмиттером (ОЭ); в - с общим коллектором(OK).

Рис. 3 - Кривые типичных зависимостей h - параметров транзистора: а - от тока эмиттера; б - от коллекторного напряжения; в - от температуры окружающей среды.

Рис. 4 - Эквивалентная схема усилительного каскада с h - параметрами

1.1. Физические параметры транзистора

К числу основных физических параметров транзистора, опреде­ляющих его динамические свойства при рассмотрении переменных со­ставлявших токов и напряжений в электрических цепях, относятся следующие:

Коэффициент передачи тока эмиттера /дифференциальный/ для схемы ОБ (рис. 2-а):

; Uk=const

Для биполярных транзисторов α = 0,9÷0,995

2. Коэффициент передачи тока базы (дифференциальный) для схемы с общим эмиттером (рис 2-б)

; Uк=const

3. Сопротивление эмиттерного перехода (дифференциальное)

; Uк=const

Характеризуется нелинейной зависимостью от тока эмиттера и прак­тически не зависит от коллекторного напряжения. При изменении температуры линейно меняется приблизительно на 0,33% / oС.

4. Сопротивление коллекторного перехода (дифференциальное)

; Iэ=const

Изменяется обратно пропорционально току эмиттера, имеет нелиней­ную, с точкой экстремума зависимость от коллекторного напряжения и температуры окружающей среды.

5. Объемное сопротивление базы (или сопротивление базы) rб при увеличении тока эмиттера уменьшается и возрастает при увеличении коллекторного напряжения. Изменение от температуры обусловлено концентрацией примесей в базовой области.

Зависимость этих физических параметров от h- параметров приводится в табл 1.

Таблица 1.

№ n/n	Символ	Параметры четырёхполюсника	Физические параметры
Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
1	2	3	4	5	6
1	h11э	1100 Ом		h11k
2	h12э	2,5х10-4		1-h12k
3	h21э	50		-(1+h21k)
4	h22э	25х10-6 См		h22k
5	h11б		21,6 Ом
6	h12б		2,9х10-4
7	h21б		-0,98
8	h22б		0,49х10-6 См
9	h11к	h11э		1100 Ом
10	h12к	1-h12э
11	h21к	-(1+h21э)		-51
12	h22к	h22э		25х10-6 См
13	α		-h21б		0,98
14	rk				2,04 МОм
15	rэ				10 Ом
16	rб				590 Ом

1.2. Система h-параметров транзистора

Система h-параметров устанавливает связь между напряжениями и токами на входе и выходе транзистора, представленного линейным четырёхполюсником (рис. 1). Электрическое состояние транзистора, как четырёхполюсника в режиме малого сигнала характеризуется величинами: I1, U1 - входными; I2 , U2 - выходными. Если I1 и U2 принять независимыми переменными, то связь между входными и выходными величинами можно представить системой уравнений

U1=f1(I1,U2)

I2=f2(I1,U2) (1)

Если при малых изменениях независимых величин приращения зависи­мых величин разложить в ряд Тейлора и пренебречь членами второго и высших порядков, то из уравнений (1) получим уравнения в част­ных производных:

(2)

В уравнениях (2) заменим приращения амплитудными значениями токов и напряжений и обозначим частные производные характеристическими h - коэффициентами.

(3)

Эти введенные коэффициенты называют системой h – параметров транзистора, и они имеют в режиме малого сигнала физический смысл:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе четырехполюсника.

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

- коэффициент передачи /усиления/ тока при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе четырехполюсника.

Измерение h - параметров, как правило, производится на низ­кой частоте (50 ÷ 100 кГц). В паспортных данных транзисторов обыч­но приводят значения h-параметров, измеренных на частоте 1 кГц для одной из схем включения.

Достоинство системы h - параметров заключается в сравни­тельной простоте их непосредственного измерения испытуемого транзистора, недостаток - зависимость от режима работы транзистора и от окружающей среды (рис. 3). На графиках (рис. 3-а, б) за еди­ницу принято значение каждого характеристического параметра при Iэ = 1 мА и Uk= - 5 В, а на графиках (рис. 3 – в) при темпера­туре Т = 25 оС / Iэ =1 мА, Uk = - 6 В/.

Система h-параметров используется при расчетах низкочас­тотных усилителей, преимущественно первых каскадов, работающих при малых сигналах. В справочной литературе, как правило, полностью все h-параметры не указываются. Недостающие h-параметры могут быть легко измерены по приводимым в справочной литературе схемам измерения.

1.3. Связь физических параметров с системой h-параметров

Между физическими и h-параметрами разных схем включения транзистора существует однозначная связь, определяемая соотноше­ниями, приведенными в табл. 1. В этой таблице в качестве примера даны численные значения характеристических и физических параметров маломощных транзисторов при Iэ = 1,3 мА, а схема включения тран­зистора обозначена индексом в виде букв. Например: h11э - для схе­мы ОЭ; h21б - для схемы ОБ; h22k - для схемы ОК. Математические величины коэффициентов передачи тока (h21б и h21к ) для схем ОБ и ОК отрицательны из-за того, что направления токов в четырехполюснике и в схемах включения транзисторов (рис. 1/) не совпадают. Если необходимо сослаться на какую - либо формулу в таблице, то она нумеруется числом из двух или трех цифр, в котором первая цифра или две цифры - номер строки, последняя - номер столбца.