Транзисторы (стр. 2 из 6)
Широкое распространение получили так называемые Т–образные эквивалентные схемы и схемы на основе представления транзистора в виде активного четырехполюсника.
Достаточно простой Т-образной схемой является так называемая схема в физических параметрах. При ее построении исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы и тонкий слой базы, обладают некоторыми определенными сопротивлениями, равными соответственно rЭ, rКи rБ. Поэтому простейшей эквивалентной схемой транзистора должна служить цепь, составленная из сопротивлений rЭ, rКи rБ, соединенных между собой, как показано на рисунке 2.3,а.
Рисунок 2.2. Эквивалентные Т–образные схемы транзистора:
А – без дополнительного генератора тока; б – для схемы с общей базой; в - схемы с общим эмиттером; г – для схемы с общим коллектором
У современных транзисторов в активном режиме работы величина rЭсоставляет обычно единицы - десятки Ом, rБ – сотни Ом, а rК – сотни тысяч Ом. При замене транзистора в схеме рисунка 2.2 ток в эмиттерной цепи будет существенно больше тока с цепи коллектора. Это не соответствует реальным токам электродов транзистора. Следовательно, такая схема не может быть эквивалентной. В действительности, как известно, через сопротивление нагрузки транзистора проходит ток IК≈ αIЭ. Для получения реальных токов в выходную цепь параллельно сопротивлению rквводят источник тока, значения которого определяются током в цепи входного электрода. Так называемый зависимый источник (генератор) тока. Поэтому необходимо изменить распределение тока между ветвями эквивалентной схемы. Это можно сделать, подключив в эквивалентной схеме дополнительный генератор, вырабатывающий ток αIЭ (рисунок 2.3,б). Прохождение в выходной цепи тока этого источника соответствует реальным условиям работы транзисторных схем. Наибольшее распространение получили эквивалентные схемы, у которых общим электродом для входной и выходной цепей является база (ОБ, рисунок 2.3,б) или эмиттер (ОЭ, рисунок 2.3,в). Чтобы обе эквивалентные схемы были равноценны, необходимо чтобы:
r*К= rК/ (β + 1). (2.13)
Данное соотношение получено в результате приравнивания напряжения холостого хода (α iэrк и β iбr*к) в указанных схемах с учетом того, что в режиме холостого хода iб = iб.
В эквивалентные схемы транзистора введены емкости коллекторного перехода. Несомненно, в то же время коллекторная емкость
C*К = (β + 1) СК(2.14)
Таким образом, в схеме с ОЭ активное и емкостное сопротивления коллекторной цепи значительно (в β + 1 раз) меньше, чем для транзистора в схеме с ОБ.
Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. Однако расчет не всегда обеспечивает требуемую точность из-за трудности учета контролируемых и неконтролируемых явлений в транзисторе. В свою очередь, при выполнении эксперимента для измерения сопротивлений резисторов необходим доступ к общей точке соединения цепей эмиттера, базы и коллектора практически не в транзисторах. Более удобными для экспериментального определения значений параметров являются эквивалентные схемы, построенные на основе представления транзистора в виде активного четырехполюсника (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4.
Во входную цепь транзистора подается сигнал U1, что приводит к появлению тока I1. В выходной цепи (на нагрузке Rн) возникает напряжение U2 и ток I2. токи и напряжения считаются переменными. Вместо напряжений можно использовать их приращения DU и DI. В предположении малости сигналов входные и выходные величины можно связать алгебраическими уравнениями. В зависимости от того, какие из величин стоят по разные стороны знака равенства используют различные обозначения коэффициентов алгебраических выражений.
Наиболее часто используют выражения, у которых коэффициенты получили обозначения h и y. Коэффициенты обычно называют параметрами, а соответствующие эквивалентные схемы – семами в h- и y-параметрах. Выражение для определения h-параметров:
(2.15)Коэффициенты уравнений (2.16) равны:
. (2.16)Из этих выражений видно, что
- h11 и h21 – входное сопротивление и коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) при коротком замыкании на выходе транзистора;
- h12 и h22 – параметры, измеряемые при холостом ходе на входе транзистора.h12 характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи транзистора (коэффициент обратной связи по напряжению). h22 –выходная проводимость.
При реализации короткого замыкания на выходе транзистора используют конденсатор, реактивное сопротивление которого на частоте измерения должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки. Для создания режима холостого хода по входу в цепь вводят катушку индуктивности, реактивное сопротивление которой должно быть существенно больше входного сопротивления транзистора.
В связи с тем, что транзистор имеет всего три электрода его подсоединение к входной и выходной цепи четырехполюсника может быть осуществлено только в результате объединения одного из вводов входной и выходной цепи и подсоединения к объединенной цепи одного из трех электродов транзистора. В соответствии с этим общим электродом вводят наименование схемы. Возможно три вида транзисторных схем: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рисунке 2.4 показаны две из них – ОБ и ОЭ. Каждая схема будет отличаться входными и/или выходными электродами, следовательно, будут разниться и значения h-параметров. Например, входное сопротивление транзистора (h11) в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Это следует из очевидного неравенства
. (2.17)Поэтому в обозначение h-параметров вводят индекс, указывающий по какой схеме проводилось его определение. Обычно используют параметры схем ОБ (индекс Б, например, h11Б) и ОЭ (h21Э). Ниже приведены формулы пересчета h–параметров, полученных по схеме ОБ, в параметры ОЭ и ОК.
(2.18) 
(2.19)Между h– параметрами и параметрами транзистора, соответствующими Т–образным эквивалентным схемам, существует определенная зависимость. Для схемы с общей базой эта зависимость выражается соотношениями
(2.20)Эквивалентная схема транзистора в hЭ-параметрах приведена на рисунке 2.5,а. Так как величина h12(коэффициент обратной связи по напряжению) у современных транзисторов приближается к нулю, то его обычно не вводят в эквивалентную схему (рисунок 2.5,б).
Рисунок 2.5. Эквивалентные схемы транзистора в h-параметрах для включения с ОЭ
ИсточникI1h21Э эквивалентной схемы называют зависимым источником тока, так как значение тока этого источника зависит от тока другой ветви – входного тока (в данном случае тока базы). Этот источник характеризует усиление входного тока. Аналогично источник напряженияU2h21Э называют зависимым источником ЭДС. Как было указано выше, он характеризует обратную связь по выходному напряжению.
Для иных схем включения поменяются расположение электродов и индексы при h-параметрах. Также возможна иная индексация напряжений и токов. Например, для указанной схемы включения можно внести следующие изменения в индексацию:
Напоминаем, что вместо токов(I) и напряжений(U) в выражении (2.17) можно использовать их приращения (DIиDU). Это позволяет определить значения коэффициентов по входным и выходным характеристикам транзистора (рисунок 2.6).
Рисунок 2.6. Определение hБ–параметров транзистора по входным (а) и выходным (б) характеристикам транзистора.
Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах обычно используется для анализа высокочастотных схем. В этом случае независимыми переменными являются напряжения U1 и U2, а зависимыми – токи I1 и I2. Тогда систему уравнений, характеризующих работу транзистора как четырехполюсника, можно представить в общем виде: