Рис. 7-1.
Схема транзистора, представленного в виде активного четырёхполюсника.
В систему h-параметров входят следующие величины.
Входное сопротивление
при U2=const (7.1)
представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.
При таком условии изменение входного тока является результатом изменения только входного напряжения . А если бы на выходе было переменное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление получалось бы различным в зависимости от переменного напряжения на выходе, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления нагрузки RH. Но параметр должен характеризовать сам транзистор (независимо от RH), и поэтому он определяется при u2 = const, т. е. при RH = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению
при (7.2)
показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.
Условие в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока, т. е. эта цепь разомкнута для переменного тока, и, следовательно, изменение напряжения на входе , есть результат изменения только выходного напряжения .
Как уже указывалось, в транзисторе всегда есть внутренняя обратная связь за счет того, что электроды транзистора имеют электрическое соединение между собой, и за счет сопротивления базы. Эта обратная связь существует на любой низкой частоте, даже при f=0, т. е. на постоянном токе.
Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока)
при U2 = const (7.3)
показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.
Условие U2 = const, т. е. RH = 0, и здесь задается для того, чтобы изменение выходного тока зависело только от изменения входного тока . Именно при выполнении такого условия параметр будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток и по изменению этого тока уже нельзя было бы правильно оценить усиление.
Выходная проводимость
при (7.4)
представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.
Ток должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения и2. Если при этом ток , не будет постоянным, то его изменения вызовут изменения тока и значение h22 будет определено неправильно.
Величина h22 измеряется в сименсах (S). Так как проводимость в практических расчетах применяется значительно реже, нежели сопротивление, то в дальнейшем мы часто будем пользоваться вместо h22 выходным сопротивлением , выраженным в Омах или килоОмах.
6. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.
Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов
На низких частотах сопротивление емкости очень большое, также очень велико (обычно ) и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор, т. е. . Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются , , , выходное напряжение и выходная мощность.
Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопротивление емкости стремится к нулю, т. е. создает короткое замыкание для генератора и весь его ток пойдет через , а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.
Емкость эмиттерного перехода Сэ также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение получается одного порядка с .
Сущность влияния емкости Сэ состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивлениe . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьшается эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то сопротивление стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость Сэ становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости Сэ в большинстве случаев можно не рассматривать. Итак, вследствие влияния емкости Ск на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления и .
Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например дырки в транзисторе типа p-n-p. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току .
Рис. 8-2 Рис. 8-3.
Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов и при повышении частоты.
Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах имеет свое наибольшее значение . При более высокой частоте, например 1 МГц, запаздывание тока на время относительно тока вызывает заметный фазовый сдвиг между этими токами. Теперь ток базы равен не алгебраической, а геометрической разности токов и и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток еще не уменьшился за счет влияния емкости Ск, то коэффициент все же станет заметно меньше На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток еще больше увеличится, а коэффициент уменьшится.
Таким образом, при повышении частоты коэффициент уменьшается значительно сильнее, нежели . Коэффициент cнижается от влияния емкости Ск а на значение влияет еще и фазовый сдвиг между и за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.
Принято считать предельным допустимым уменьшение значений и на 30% по сравнению с их значениями и на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых и , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Поскольку уменьшается гораздо сильнее, нежели , то значительно ниже . Можно считать, что
На рис.(8-3) изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов и с повышением частоты, отложенной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по вертикальной оси отложены не сами и , а относительные величины и . Помимо предельных частот усиления и транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации , при которой коэффициент усиления по мощности снижается до 1. Очевидно, что при , когда , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если , то генерации колебаний уже не будет.
Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиления тока . которая соответствует , т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.
Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изменение значений и , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.
Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода Ск и времени пробега носителей через базу . К сожалению, снижение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности. Некоторое снижение емкости Ск достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что равноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость уменьшается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напряжение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
