3.6. Характеристики и параметры биполярных транзисторов

3.6. Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Статические характеристики транзисторов. Статические ха-рактеристики транзистора снимаются при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Зависимости между токами и напряжениями выражаются с помощью двух семейств характеристик: семейством входных и семейством выходных характеристик.

Для каждой из рассмотренных выше схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. В справочниках приводятся семейства характеристик для наиболее распространенных схем - с общим эмиттером и с общей базой, поэтому здесь будут рассмотрены эти характеристики.

Рассмотрим характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Схема лабораторной установки для снятия характеристик транзисторов приведена на рис. 3.14.

Семейство входных характеристик. Входные характеристики снимаются при постоянных выходных напряжениях (wK=const). Так как общий характер этих зависимостей определяется свойствами р-п-перехода, входные характеристики транзистора по внешнему виду похожи на прямые ветви вольт-амперных характеристик полупроводникового диода.

Первая характеристика (рис. 3.15, а) снимается при нулевом напряжении на коллекторе, т.е. когда коллектор и эмиттер замкнуты накоротко с помощью потенциометра При этом переходы база-эмиттер и база-коллектор соединяются параллельно и к обоим переходам приложено прямое напряжение щэ = ?б(рис. 3.15, б). Ток базы представляет собой сумму прямых токов эмиттерного и коллекторного переходов. Он получается небольшим, так как прямое напряжение эмиттерного перехода небольшое, составляет лишь десятки или сотни милливольт.

При подаче напряжения на коллектор транзистора (с помощью 0отенциометра R3) характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается. Дальнейшее увеличение напряжения источника коллекторной цепи мало влияет на ток базы (характеристика при напряжении wK =10 В). Поэтому обычно в справочниках приводят лишь одну входную характеристику для рекомендуемого значения напряжения на коллекторе. В некоторых случаях приводится и характеристика при нулевом значении напряжения на коллекторе ик = 0.

 

Семейство выходных характеристик - это зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе, снятые при различных постоянных значениях тока базы (рис. 3.16).

 

Рис. 3.16. Семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

s

Выходные характеристики показывают, что при увеличении напряжения на коллекторе ток коллектора резко возрастает только для небольших значений этого напряжения в начальном участке, а прц дальнейшем увеличении икз ток коллектора слабо зависит от него. Это объясняется тем, что ток коллектора определяется током эмиттера, который, в свою очередь, зависит от напряжения, приложенного между эмиттером и базой транзистора. При ц = О через транзистор протекает неуправляемый обратный ток коллектора і0к.

Входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведены на рис. 3.17. Входные характеристики аналогичны характеристике для прямого тока полупроводникового диода. Они мало зависят от напряжения, приложенного между коллектором и базой транзистора, поэтому в справочниках обычно приводится только одна характеристика для рекомендуемого значения напряжения ик.б.

Выходные характеристики транзистора, включенного с ОБ, отличаются от аналогичных характеристик транзистора, работающего по схеме с ОЭ, тем, что при нулевом напряжении между коллектором и базой (мк_б = 0) ток коллектора такой же, как и при исследуемом значении этого напряжения (рис. 3.17, б). У многих транзисторов выходные характеристики имеют вид прямых линий, т. е. ток коллектора практически не зависит от напряжения «к_б.

Динамические характеристики транзистора. При расчете транзисторных каскадов усиления, кроме статических характеристик транзистора, находят применение и динамические характеристики. Динамиче-

ния, где транзистор включен с общим эмиттером, сопротивление нагрузки для постоянного тока определяется сопротивлением резистора RK, включенного в цепь коллектора. Динамическую характеристику часто называют нагрузочной прямой, так как она представляет собой прямую линию. Нагрузочную прямую строят на семействе выходных статических характеристик транзистора. При построении нагрузочной прямой для постоянного тока пользуются уравнением Ек=1/Ю + =ию + /к *RH так как сопротивление нагрузки и транзистор по постоянному току соединены последовательно, сумма напряжений ?/ю и численно равна напряжению источника питания Ек(см. рис. 3.11). Это уравнение называется уравнением нагрузочной прямой. Из этого уравнения можно найти максимальные значение тока коллектора и напряжения на коллекторе транзистора для двух предельных случаев: первый - транзистор закрыт и ток коллектора равен нулю; второй - для предположения, что транзистор полностью открыт и падение напряжения на нем равно нулю (идеальный транзистор). Тогда для первого случая Ек=ию + O-R^U^ т.е. напряжение на коллекторе транзистора равно напряжению источника питания. Значение Ек соответствует точке пересечения нагрузочной прямой с горизонтальной осью (С4э). Точка пересечения нагрузочной прямой с вер-

эти две точки прямая является нагрузочной прямой постоянного тока (рис. 3.18).

 

Рис. 3.18. Семейство выходных характеристик и нагрузочная прямая для постоянного тока

Принцип построения выходной динамической характеристики (нагрузочной прямой переменного тока) будет рассмотрен после изучения режимов работы транзистора.

Параметры транзисторов. Параметры транзисторов характеризуют их свойства, которые позволяют сравнить их качество, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных электронных схемах. Различают две группы параметров: собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзисторов независимо от схем его включения, вторичные параметры определяются схемой включения транзистора.

К первичным параметрам относятся: коэффициент передачи по току а; сопротивление эмиттера гэ, представляющее собой сумму сопротивлений эмиттерного перехода и эмиттерной области; сопротивление коллектора гк, которое является суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области; сопротивление базы гб, определяемое поперечным сопротивлением области базы переменному току.

Группа или система вторичных параметров определяет свойства транзистора, когда он рассматривается как четырехполюсник, имеющий два входных и два выходных зажима. Вторичные параметры справедливы только для малых амплитуд усиливаемых сигналов, поэтому их часто называют малосигнальными параметрами. Вторичные параметры можно определить как через приращения токов и напряжений, так и через амплитуды (при малых амплитудах) переменных составляющих токов и напряжений.

Существует несколько систем вторичных параметров четырехполюсников - это Y-, Z- и Я-параметры, В настоящее время во всех справочниках приводятся Я-параметры, которые считаются основными, поэтому ограничимся рассмотрением только Я-параметров. Эти параметры называют еще гибридными или смешанными параметрами, так как коэффициенты имеют различные размерности. Обозначаются эти параметры буквой Я или h.

Связь /7-параметров с токами и напряжениями в транзисторе можно представить следующими уравнениями:

~ через приращения:

Awj = йц-Д'і + /?і2'А«2; (3.1) Дъ = Ал-Дг'і + h2yAu2; (3.2) - через амплитуды переменных составляющих:

Ц,,!=Мті+йІ2ІУт2; (3.3)

/m2 = /bl/ml +/Ь2^т2. (3.4)

Из приведенных систем уравнений следует, что параметр hu соответствует входному сопротивлению четырехполюсника при усло-ВйИ постоянства выходного напряжения, т. е. когда амплитуда выходного напряжения Uni2 = 0, hn соответствует коэффициенту обратной связи по напряжению, h2 - коэффициенту передачи (усиления) по току, h22 ~ выходной проводимости при соответствующих начальных условиях.

Рассмотрим методику определения /z-параметров через приращения токов и напряжений. Входное сопротивление:

Ап = Au/Ai при и2 = const

Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора переменному току при коротком замыкании на выходе. Коэффициент обратной связи по напряжению:

hxl - AuIAu2 при і] = const.

Коэффициент обратной связи показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.

Коэффициент предачи по току:

h2 = Ai2 IAi при и2 = const.

Этот коэффициент показывает усиление переменного тока транзистором при коротком замыкании нагрузки. Выходная проводимость транзистора:

/?22 =Д*2 /Д"2, При І] = COnst.

Она представляет внутреннюю проводимость между выходными зажимами транзистора для переменного тока. Величина h22 измеряется в сименсах (См). Выходное сопротивление транзистора определяется как величина обратная проводимости:

Явы ~ 1//Ь2-

Значения А-параметров зависят от типа схемы включения транзистора. Поэтому, 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.

В качестве примера рассмотрим /?-параметры для схемы ОЭ. В этом случае і{ = /б, ь =/к, it = іь = нк->- Тогда //-параметры определяются следующим образом:

входное сопротивление

hu3 = Диб_э/Д/б при ык.э = const

и имеет значение от сотен Ом до единиц килоом; коэффициент обратной связи

п[2э = Ащ.э/ Аик.э при ц = const

и находится в пределах 10°-10"4; коэффициент передачи по току

^2!э = Р = Аік/Аі6 при ик.э = const

и составляет десятки - сотни; выходная проводимость

^22э =    / А"к.э при /б = const и составляет десятые и сотые доли миллисименса, а выходное сопротивление 1/ /*22э> получается от единиц до десятков килоом.

На практике /7-параметры определяют по входным и выходным характеристикам транзистора для заданной точки. По входным характеристикам находят параметр hx 1Э (для определения параметра hn3 необходимо иметь не менее двух входных характеристик, снятых при разных ик, а в справочниках приводится только одна, по которой нельзя определить этот параметр), а по выходным - параметры Н2э и /*22э> В качестве примера найдем /г-параметры транзистора для схемы ОЭ, входные и выходные характеристики которого приведены на рис. 3.19,

 

а) 6)

 

Рис. 3.19. Входная (а) и выходные (6) характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером

На входной характеристике для заданной точки О можно определить входное сопротивление (обычно «заданная» точка соответствует рабочей точке транзистора). Так как входная характеристика построена для одного значения напряжения на коллекторе, условие постоянства коллекторного напряжения выполняется. Шаг приращения выбирается с точки зрения удобства и обеспечения минимальной погрешности расчета. Методика определения величин приращения тока и напряжения очевидна из рис. 3.19, а: приращение тока базы Д/б - к - *'б2> а приращение напряжения базы Дмбэ = w6, - и62. Тогда входное сопротивление найдем как:

hu3 = Аи6з/Аі6 = 90 мВ/40 мкА = 2250 Ом.

Из выходных характеристик находим коэффициент передачи по току при постоянном напряжении wK= 6 В:

й21э = АУДг'б = (г'к2 - ї'кіУОбі - кг) = = (8,1мА - 3,9 мА) /( 80 мкА - 40 мкА) = 105.

Отношение приращений Дік и Дик между точками О и 3 при постоянном токе базы позволяет определить выходную проводимость транзистора:

h223 = Д/А./Дмк= 0,4-10-3/4,7 = 8,5-10"5 См, что соответствует выходному сопротивлению:

1/8,5-КГ5* 11764 Ом«12кОм.

При расчетах резонансных схем и схем усилителей высоких частот часто пользуются ^-параметрами. Эти параметры называют также параметрами проводимости. Токи и напряжения транзистора с помощью ^-параметров связаны следующими уравнениями:

Ані =УіУт + ylUm2 Ап2 = УіУт + УцУтІ.

Достоинством ^-параметров является их сходство с параметрами электронных ламп. Недостаток этих параметров заключается в трудности обеспечения режимов измерения токов с помощью электронных приборов с конечным значением внутреннего сопротивления.