Физический смысл h параметров транзистора

Физический смысл h параметров транзистора

h11Uвых – эквивалентный генератор напряжения, а

h22Iвх – эквивалентный генератор тока.

Входная цепь строится по 1-му уравнению Кирхгофа, а выходная – по 2-му уравнению.

Рассмотрим пример: эквивалентная электрическая схема транзистора с общим эмиттером. Запишем систему уравнений:

Uбэ=h11эIб+h12эUкэ

Из этой системы получаем параметры:

ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЧАСТОТЫ

Поскольку транзистор имеет два p-n-перехода, то его вольтамперные характеристики, а значит и параметры будут сильно зависеть от температуры. Особенно сильную зависимость испытывает тепловой коллекторный ток Iо в схеме с общей базой и обратный сквозной ток Iкос в схеме с общим эмиттером.

Например, для кремниевых транзисторов обратный ток увеличивается в 2 раза при возрастании температуры на 8 о С. Для германиевых транзисторов обратный ток увеличивается в 2 раза при возрастании температуры на 10оС. Увеличение обратного тока приводит к уменьшению сопротивления закрытого p-n-перехода, а следовательно и вентильных свойств транзистора. Это существенный недостаток транзисторов.

При работе транзисторов широком диапазоне частот важно, чтобы коэффициент усиления по напряжению и коэффициент передачи по току оставались постоянными. На высоких частотах коэффициенты a(jw) и b(jw) являются комплексными величинами и зависят от частоты, т.е. на a(jw) и b(jw) влияют реактивные элементы транзистора – это диффузионная емкость эмиттерного перехода Сэ и барьерная емкость коллекторного перехода Ск. График зависимости a(jw) и b(jw) от частоты имеет следующий вид.

Обозначим как aо –коэффициент передачи по току в области низких и средних частот в схеме с общей базой, а bо – коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером для области низких и средних частот.

a/aо и b/bо – приведенные коэффициенты передачи по току

Из графиков видно, что с ростом частоты коэффициенты a и b начинают уменьшаться. Для определения граничной частоты берут уровень

va — верхняя граничная частота для схемы включения транзистора с общей базой.

vb — верхняя граничнвя частота для схемы включения транзистора с общим эмиттером.

Вместо граничной частоты иногда дают постоянную времени

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером. В коллекторной цепи имеется нагрузка Rк. Выходное напряжение равно напряжению между коллектором и эмиттером Uвых=Uкэ. При этом считаем, что между базой и эмиттером приложено постоянное напряжение, т.е. задан режим работы транзистора на выходе.

Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа для выходной цепи:

Чтобы ее построить, зададим начальные условия. Предположим, что

Предположим теперь, что

Построим теперь эту прямую на выходных характеристиках транзистора. Эта прямая линия есть линия нагрузки.

Режим работы транзистора выбирают на пересечении нагрузочной прямой с вольтамперными характеристиками транзистора. Это режим задания работы транзистора по постоянному току. Точка А на графике – рабочая точка по постоянному току. Зная ее, можно определить ток коллектора Iк и напряжение на выходе Uкэ.

Нарисуем теперь входную характеристику. Зная ток базы Iб2, найдем рабочее напряжение на входе Uбэ.

Угол наклона зависит от величины нагрузочного сопротивления Rк. Это видно из уравнения:

Т.е. напряжение на выходе падает с ростом тока коллектора Iк.

Выходной ток Iк и выходное напряжение Uкэ в нагруженном режиме оказываются в противофазе.

На выходных вольтамперных характеристиках область I – это область отсечки, т.е. транзистор находится в закрытом состоянии. Для нее характерно, что Iк = Iкос»0, а Uкэ»Ек. Для этого режима характерно также, что и эмиттерный, и коллекторный переходы – заперты.

Область II – область активного режима работы транзистора (режимы усиления, преобразования частоты). Характерно то, что эмиттерный переход – открыт, а коллекторный – заперт. В этом режиме Iк и Uкэ больше нуля.

Область III – область насыщения Iк®Ек/Rк – току насыщения, а Uкэ®0. В этой области оба перехода (эмиттерный и коллекторный) – открыты.

Области отсечки и насыщения применяются для построения цифровых и импульсных схем.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (УНИПОЛЯРНЫЕ)

Полевые или униполярные транзисторы имеют носители заряда одного знака – или электроны или дырки – и управляются не входным током, а входным напряжением.

Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: с индуцированным и с встроенным каналом.

Рассмотрим структуру полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Структура n-типа служит каналом, через который осуществляется движение носителей от истока к правой части канала – стоку.

Читайте также:  Второй раздел на флешке

Технологически методом диффузии в пластине с помощью акцепторной примеси образуют области p-типа, которые называются затвором. На границе p-n-областей образуются p-n-переходы. (Аналогия с биполярным транзистором: исток – эмиттер, сток – коллектор, затвор – база.)

Если к этой структуре приложить внешнее напряжение Ес, а напряжение на затворе Uз=0, то во внешней цепи появится ток стока, величина которого определяется концентрацией электронов в канале. Ток также будет зависеть и от размеров канала, т.е. его площади.

Пусть на затвор относительно истока приложен отрицательный потенциал, т.е. p-n-переходы оказываются включенными в обратном направлении. Потенциальный барьер при этом возрастает и p-n-переход становится шире.

Следовательно, площадь канала становится меньше, т.е. его сопротивление возрастает, что приводит к уменьшению выходного тока Iс. Можно подать на затвор такое напряжение, что канал полностью перекроется p-n-переходом, т.е. Iс=0, а данное напряжение на затворе называется напряжением отсечки Uз= Uотсечки.

Входная характеристика Ic=f(Uз) при Uc=const – это стокозатворная характеристика. Характеристика является нелинейной. Iс.нас. – это ток насыщения, он зависит от размеров канала и концентрации носителей.

Выходная характеристика Ic=f(Uс) при Uз=const имеет следующий вид и очень похожа на выходную характеристику биполярного транзистора. Выходной ток Ic почти не зависит от напряжения стока Uc, но сильно зависит от напряжения на затворе Uз.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

К ним относят крутизну стокозатворной характеристки

Сопротивление стока или канала

Статический коэффициент усиления по напряжению

Между этими параметрами существует связь

Для полевого транзистора Rвх=Uз/Iо»100 кОм, т.е. входное сопротивление полевого транзистора на несколько порядков больше, чем у биполярного. Это является существенным преимущесвом полевого транзистора над биполярным.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ОБЩИМ ИСТОКОМ

В этой эквивалентной электрической схеме Сзи – входная емкость, т.е. это как правило барьерная емкость p-n-перехода, т.к. p-n-переход включен в обратном направлении.

SU – эквивалентный генератор тока

Сси – выходная емкость.

Вход и выход связаны между собой емкостью Сзс – проходная емкость. Все эти емкости являются паразитными, т.к. отрицательно влияют на частотный диапазон полевого транзистора и особенно сильно влияет Сзс – проходная емкость.

Различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Поскольку сток и исток являются абсолютно симметричными, то схемы с общим истоком и общим стоком абсолютно идентичны, т.е. являются одной и той же схемой.

Условное обозначение транзистора с управляющим p-n-переходом.

ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

Рассмотрим сначала транзистор с встроенным каналом. Их еще называют МДП или МОП транзисторами. МДП транзистор – это аббревиатура структуры металл – диэлектрик – полупроводник. Т.к. в качестве диэлектрика используется окись кремния, то МОП транзистор – это аббревиатура структуры металл – окись – полупроводник.

Структура такого транзистора выглядит следующим образом. Берут подложку р-типа (или n-типа), изолируют ее от внешней среды окисью кремния (стекло), определяют места диффузии для формирования истока, стока и канала. Затем вытравливают окна в диэлектрике и диффузией в газовой среде в пластину кремния (подложку) вводят донорную примесь, получая тем самым две области n-типа – исток и сток и узкий канал того же типа проводимости.

После диффузии отверстия заполняют металлом и получают электроды истока и стока. На поверхность диэлектрика над каналом напыляют металлическую (обычно алюминиевую) пленку и припаивают вывод – затвор.

Если напряжение на стоке Ес>0, то во внешней цепи будет протекать ток стока Iс>0, величина которого зависит от концентрации носителей и геометрических размеров. Это при условии, что напряжение на затворе Uз=0.

Приложим теперь к затвору напряжение (+ к затвору). Под действием положительного поля затвора неосновные носители заряда подложки (в данном случае электроны) притягиваются этим полем к подложке и расширяют канал. В этом случае увеличивается концентрация носителей в канале и его размеры, т.е. выходной ток стока Ic увеличивается. Чем больше напряжение на затворе Uз, тем больше ток стока Iс.

Пусть теперь напряжение на затворе меньше нуля Uз

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9529 — | 7348 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Читайте также:  Foxconn 915m07c gl 6ls

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

На практике часто пользуются вторичными параметрами транзисторов, характеризующими его как активный линейный четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима (рис.2.1). Вторичные параметры связывают друг с другом входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд малых приращений тока и напряжения. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами.

Линейный четырехполюсник характеризуется двумя уравнениями, взаимно связывающими токи и напряжения на входе и выходе. Можно составить шесть пар таких уравнений, определяющих шесть различных систем параметров. В транзисторной технике наиболее широкое распространение получила система h-параметров.

Эти параметры называются смешанными или гибридными. Такое название они получили, потому что среди них имеются две относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h -параметры приводятся во всех справочниках по биполярным транзисторам. Параметры системы h удобно измерять. Важно отметить, что публикуемые в справочниках параметры являются средними, полученными в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Кроме того, вследствие нелинейности характеристик транзистора при изменении его режима и при больших амплитудах вторичные параметры изменяются.

Система h -параметров позволяет определить входное напряжение U1 и выходной ток I2 по известным входному току I1 и выходному напряжению U2.

Для малосигнальных параметров (для малых приращений токов и напряжений) систему (2.1) можно представить в линейном виде

Параметры h11 и h21, определяются при коротком замыкании для переменного тока на выходе dUвых = 0. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение Uвых =const. Параметры h12 и h22 определяются при разомкнутой для переменного тока входной цепиdIвх =0, т.е. когда во входной цепи имеется только постоянный ток (Iвх= const), создаваемый источником питания. Условия Uвых = соnst и Iвx = const нетрудно осуществить на практике при измерении h -параметров.

Параметры h11 и h12 определяются из первого уравнения системы (2.2).

Полагая dUвых = 0, (Uвых = const), получим

— входное сопротивление транзистора для переменного входного тока (дифференциальное входное сопротивление) при постоянном напряжении на выходе (при отсутствии выходного переменного напряжения).

Полагая dIвх = 0, (Iвх = const) получим

— коэффициент обратной связи по напряжению.

Он показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи. Условие Iвх = const в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока. Следовательно, изменение напряжения на входе dUвх есть результат изменения только выходного напряжения dUвых.

Параметры h21 и h22 определяются из второго уравнения системы (2.2).

Полагая dUвых = 0 (Uвых = const), получим

коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току). Он показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. УсловиеUвых = const, т.е. Rн = 0 задается для того, чтобы изменение выходного тока dIвх зависело от изменения входного тока dIвх. Именно при выполнении такого условия параметр h21 будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток, и по изменению этого тока нельзя уже было бы правильно оценить усиление.

Полагая dIвx = 0 (Iвх = const) , получим

выходная проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора. Ток Iвых должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения Uвых . Если при этом ток Iвх не будет постоянным, то его изменения вызовут изменения тока Iвых и значение h22 будет определено неправильно. Величина h22 измеряется в сименсах (См). Так как проводимость в практических расчетах применяется значительно реже, нежели сопротивление, то часто используют вместо h22 выходное сопротивление

Определить параметры можно не только через приращения токов и напряжений, но и через амплитуды (или действующие значения) переменных токов и напряжений из следующих уравнений:

Напомним, что h-параметры определены для малых амплитуд поэтому использование их для больших амплитуд дает значительные погрешности.

Уравнениям (2.12)-(2.16) соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис.2.2

В ней генератор ЭДС h12Um.вых показывает наличие напряжения связи во входной цепи. Сам генератор надо считать идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Генератор тока h21Im.вх в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а h22 является внутренней проводимостью. Хотя входная и выходная цепи кажутся не связанными друг с другом, на самом деле эквивалентные генераторы учитывают взаимосвязь этих цепей.

Как известно, применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада (см. рис.2.1). В соответствии с этим, транзистор можно представить в виде четырехполюсника с двумя входными и двумя выходными зажимами. В зависимости от того, к какой схеме относятся параметры, дополнительно к цифровым индексам ставятся буквы: э — для схемы ОЭ, б — для схемы ОБ и к — для схемы ОК.

Читайте также:  Бит на английском языке

Транзисторы относятся к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

Рисунок 1

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Рисунок 2

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток Im1 и выходное напряжение Um2 , а зависимыми переменными входное напряжение Um1 и выходной ток Im2 можно составить систему уравнений (1), задействуя h-параметры:

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0, входное сопротивление;

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0, коэффициент передачи тока;

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h11 — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h12 – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h21 — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h22 — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h11Э, h12Э, h21Э, h22Э ; для схемы с общим коллектором — h11К, h12К, h21К, h22К ; для схемы с общей базой это h11б, h12б, h21б, h22б .

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

Рисунок 3

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

С общим коллектором (ОК)

Схему с общим коллектором часто называют “эмиттерным повторителем”. Она имеет высокое входное (порядка >200кОм) и низкое выходное (порядка Posted in Схемотехника, Электротехника

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector