Дифференциальные параметры транзистора

При работе транзистора в устройствах радиоэлектронной аппаратуры на его электроды, кроме постоянного напряжения питания, подаются изменяющиеся во времени напряжения, во входной и выходной цепях протекают переменные токи. Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений на электродах активного элемента, называют дифференциальными параметрами. Поэтому транзистор в активном режиме работы описывается дифференциальными параметрами, которые часто называют малосигнальными. Малыми сигналами считают такие сигналы, увеличение амплитуды которых в два раза не приводит к изменению исследуемого параметра, характеристику можно считать линейной, а сам транзистор – линейным четырехполюсником (рис. 3.14). При этом два внешних вывода четырехполюсника считают входными, соответствующие им комплексные амплитуды тока и напряжения обозначают и . Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряжение обозначают и . За положительное принимают направление токов, втекающих в четырехполюсник.

Сопоставляя рис. 3.14,а,б,в можно установить связь напряжений и токов четырехполюсников с напряжениями и токами транзистора для любой схемы включения. Например, для схемы с ОБ: ; ; ; .

Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается с помощью шести систем уравнений, а практическое применение имеют три системы параметров.

Система Z–параметров.

В системе Z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника являются функциями токов

(3.15)

где – входное сопротивление транзистора;

– сопротивление обратной передачи транзистора;

– сопротивление прямой передачи транзистора;

– выходное сопротивление.

Величина параметров транзистора зависит от схемы его включения, поэтому в рассматриваемых системах в обозначении параметра имеются индексы б, э, к, указывающие на схему включения.

Для измерения Z–параметров необходимо осуществить режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Для получения режима холостого хода в цепь включают сопротивление, значительно большее, чем соответствующее сопротивление входа или выхода четырехполюсника. На практике удобнее использовать низковольтные источники питания транзисторов, а напряжение на электроды подавать через индуктивности.

Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. Поэтому определить экспериментально Z–параметры транзистора трудно.

На рис. 3.15 представлена схема замещения транзистора с использованием Z–параметров, полученная на основании уравнения (3.15). Генератор напряжения отражает обратную связь в транзисторе, а генератор –влияние входного тока на выходное напряжение.

Система Y–параметров

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника являются функциями напряжений

, (3.16)

где – входная проводимость;

– проводимость обратной передачи;

– проводимость прямой передачи;

– выходная проводимость.

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора. Режим короткого замыкания обеспечивается шунтированием цепи сопротивлением, значительно меньшим внутреннего сопротивления соответствующей цепи. Такое шунтирование обеспечивается емкостью.

Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.

Однако система Y–параметров используется для описания высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто.

На рис. 3.16 представлена схема замещения транзистора с использованием Y–параметров, которая получена на основе уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.

Система H–параметров

В качестве независимых переменных в системе H–параметров приняты входной ток и выходное напряжение

(3.17)

Физический смысл H–параметров следующий:

– входное сопротивление в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока по выходу;

– коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода во входной цепи;

– коэффициент передачи (усиления) тока в режиме короткого замыкания по выходу;

– выходная проводимость в режиме холостого хода во входной цепи.

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах.

Для реализации режима холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе достаточно включить большую индуктивность на входе транзистора и большую емкость на выходе, не изменяя при этом выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис. 3.17.

Определение H–параметров по статическим характеристикам

На низких частотах реактивные элементы транзистора практически не оказывают влияния на его работу, поэтому все параметры становятся вещественными величинами: Z–параметры переходят в r–параметры, Y–параметры в y–параметры и H– в h–параметры.

Приближенные значения h–параметров определяют графоаналитическим способом по входным и выходным статическим характеристикам. При определении h–параметров необходимо не менее двух характеристик каждого семейства. Параметры рассчитываются вблизи рабочей точки транзистора по линейным (конечным) приращениям токов и напряжений.

В результате таких замен уравнения в системе h–параметров имеют вид

;

.

Параметры и определяются по входным характеристикам (рис. 3.18). Для этого на семействе входных характеристик (например, для схемы с ОЭ) в рабочей точке А строят треугольник, отложив прямые, параллельные осям абсцисс и ординат, до пересечения со второй характеристикой.

Из полученного характеристического треугольника АВС находим все величины необходимые для определения h_11э и h_12э

,

.

Параметры и определяются по выходным характеристикам (рис. 3.19). Проведя через точку А' вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой получаем точку B'. Затем выбираем в окрестности точки A' точку C', лежащую на той же характеристике так, чтобы в пределах отрезка A'C' характеристика была линейна. Тогда

;

.

Аналогично определяются h–параметры для схемы с ОБ.