Транзисторы (стр. 3 из 6)
(2.21)Как и в случае уравнений с h–параметрами вместо приращений токов и напряжений можно использовать сами токи и напряжения (в комплексном виде), считая их незначительными по величине. у-коэффициенты системы уравнений (2.21) определяются аналогично способам определения h–параметрам (при коротком замыкании четырехполюсника по входу и выходу или по входным и выходным характеристикам при условиях U1 = 0 или U2 = 0). Коэффициенты (у-параметры) имеют следующий смысл:
· у11 – величина обратная входному сопротивлению, т. е. входная проводимость при коротком замыкании по выходу;
· у21 – проводимость прямой передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие входного напряжения на выходной ток при коротком замыкании по выходу;
· у12 – проводимость обратной передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие выходного напряжения на входной ток при коротком замыкании по выходу;
· у22 – выходная проводимость при коротком замыкании по выходу;
Следует напомнить, что при измерениях условия короткого замыкания должны реализовываться по переменному току.
Эквивалентная схема, соответствующая системе уравнений (2.21) показана на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7. Эквивалентная схема транзистора в у-параметрах
3. Статические характеристики транзистора
Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе.
Для схемы с общим эмиттером статической входной характеристикой является график зависимости тока базы IБ от напряжения при постоянном значении напряжении коллектора:
Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы:
Типичные входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером показаны на рисунке 2.8. Она имеет вид обычной характеристике прямого тока р–пперехода, на которую оказывает влияние напряжение на коллекторе. Из рисунка 2.8,а видно, что с ростом напряжения Uкэ ток Iбуменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении Uкэ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, переход расширяется, захватывая часть базы и, соответственно, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в ней ( в соответствии с (2.5) ток рекомбинации является частью тока базы).
Рисунок 2.8. Статические характеристики транзистора для схемы ОЭ: а – входные; б – выходные
Выходные характеристики (рисунок2.8,б) имеют начальный участок быстрого роста, нелинейную зону, переходящую в область насыщения.
4. Температурные и частотные свойства транзистора
Диапазон рабочих температур транзисторов, определяемый свойствами р–n переходов, такой же, как и у полупроводниковых диодов. Особенно сильно на работу транзисторов влияет нагрев и менее существенно – охлаждение (до минус 60°С). Исследования показывают, что при нагреве от 20 до 600 С параметры плоскостных транзисторов изменяются следующим образом: rК падает примерно вдвое, rБ– на 15–20 %, а rЭ возрастает на 15–20 %.
Особенно существенное влияние на работу транзистора при нагреве оказывает обратный ток коллекторного перехода, IКБО. Для практических расчетов можно принять, что при повышении температуры на каждые 10°С ток IКБО возрастает примерно вдвое.
Нестабильность режима работы транзистора, обусловленная током IКБО, очень существенна, так как обратный ток коллектора в значительной степени влияет на токи эмиттера и коллектора, а, следовательно, на усилительные свойства транзистора.
Наиболее часто для работы при повышенных температурах применяются кремниевые транзисторы. Предельная рабочая температура у этих приборов составляет 125 ... 150°С в то время как для германиевых транзисторов – около 600С.
На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости эмиттерного и коллекторного р–n переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и возрастает их шунтирующее действие. Как указывалось при составлении Т–образной эквивалентной схемы транзистора наиболее вредное влияние на работу транзистора оказывает емкость коллекторного перехода Ск, так как она стоит параллельно сопротивлению rк, величина которого значительна. Поэтому нарушение распределения токов в выходных цепях, которое характерно для низких частот, начинает сказываться при более низких значениях частоты сигнала: ток зависимого источника bIб вместо того чтобы поступать в нагрузку начинает замыкаться через емкость Ск.
Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе. Хотя время пролета носителей через базу незначительное, порядка долей микросекунды, но на частотах порядка единиц – десятков мегагерц становится заметным сдвиг фаз между переменными составляющими токов Iэ и Iк. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами рисунка 2.9 при различных частотах сигнала.
Рисунок 2.9. Векторные диаграммы токов транзистора на разных частотах
С изменением частоты будет изменяться также величина фазового сдвига выходного тока транзистора по отношению к входному. Выражение (2.4) должно соблюдаться и при векторной форме представления токов. Поэтому при сдвиге по фазе между токами эмиттера и коллектора ток базы увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента β(см. выражение (2.9)) с ростом частоты сигнала.
Необходимо отметить, что с увеличением частоты коэффициент b уменьшается значительно сильнее, чем α. Коэффициент α снижается лишь вследствие влияния емкости Ск, а на величину βвлияет, кроме этого, еще и сдвиг фаз между Iэ и Iк. Следовательно, схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема с общим эмиттером.
Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы:
(2.22)где fα и fb– частоты, на которых коэффициенты усиления по току b или α уменьшается до 0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах(b0 или α0).
Оценивая частотные свойства транзистора, следует учитывать также, что диффузия – процесс хаотический. Носители зарядов, инжектированные эмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигают коллекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения тока коллектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводит к искажению усиливаемого сигнала. Следует подчеркнуть вполне очевидную вещь, что чем тоньше база, тем в меньшей степени искажается сигнал на выходе и допускается работа транзистора на более высоких частотах. Поэтому, чем более высокочастотный транзистор, тем тоньше у него должна быть база.
Классификация биполярных транзисторов. Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.
По мощности они подразделяются на маломощные (Рвых£ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт< Рвых£ 1,5 Вт) и мощные (Рвых > 1,5 Вт); по частотным свойствам – на низкочастотные (fα£ 0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< fα£ 3 МГц), высокой частоты (3 МГц < fα£ 30 МГц) и сверхвысокой частоты (fα > 30 МГц).,
5. Эксплуатационные параметры транзистора
Транзистор, как и любой другой электронный прибор, характеризуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значения которых указывают на возможности практического применения того или иного транзистора.
К числу таких параметров относятся:
Максимально допустимая мощность Pkmax, рассеиваемая коллектором.
В общем случае мощность, рассеиваемая транзистором, складывается мощностей, рассеиваемых каждым р–n переходом:
Р = Рк + Рэ = Iк Uкб + Iэ Uэб.
Обычно в усилительном режиме
При недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода может привести к резкому увеличению тока Iк. Это в свою очередь приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой на коллекторе, и к еще большему нагреву коллекторного перехода. Процесс приобретает лавинообразный характер, и транзистор необратимо выходит из строя. Следует учитывать также, что при повышении температуры окружающей среды предельно допустимая мощность уменьшается. Поэтому необходимо тщательно следить за режимом работы транзисторов, исключая внешний нагрев прибора, особенно работающего при повышенных мощностях.