Исследование частотных зависимостей малосигнальных

(дифференциальных)Y-параметров транзисторов

Цель работы: изучение методики измерения комплексных малосигнальных Y-параметров биполярного транзистора. Тип транзистора выбирается из числа имеющихся в библиотеке системы МС-7 моделей транзисторов согласно табл. 01.

При малой амплитуде сигнала транзистор можно рассматривать как линейный четырехполюсник, который описывается следующими уравнениями:

I₁ = Y₁₁U₁ + Y₁₂U₂,

I₂ = Y₂₁U₁ + Y₂₂U₂.

Здесь U₁, U₂ – комплексные амплитуды приращений напряжений на входе и выходе четырехполюсника; I₁, I₂ – комплексные амплитуды приращений токов, втекающих в четырехполюсник; Y₁₁, Y₁₂, Y₂₁, Y₂₂ – комплексные малосигнальные Y-параметры. Отсюда следуют выражения для Y-параметров, которые и определяют методику их измерения:

Y₁₁ = I₁/U₁ при U₂ = 0,

Y₂₁ = I₂/U₁ при U₂ = 0,

Y₁₂ = I₁/U₂ при U₁ = 0,

Y₂₂ = I₂/U₂ при U₁ = 0.

Таким образом, для измерения параметров Y₁₁ и Y₂₁ необходимо создать режим короткого замыкания по переменному току (сигнальный режим короткого замыкания на выходе транзистора), и аналогичный для измерения параметров Y₁₂ и Y₂₂ – по входу. Для того чтобы при этом обеспечить рабочий режим транзистора по постоянному току, короткое замыкание создаётся только для сигнала. При этом используются блокировочные конденсаторы большой ёмкости, включённые между соответствующим электродом транзистора и землёй (общим проводом). Питающие постоянные напряжения подаются через дроссели – катушки индуктивности, имеющие большое индуктивное сопротивление на частоте сигнала и сопротивление равное нулю для постоянного тока. Измерение параметров Y₁₁ и Y₂₁ биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (ОЭ), проводится с помощью схемы, изображённой на рис. 01. Два источника напряжения V1 и V2 обеспечивают заданный режим по постоянному току, источник синусоидального напряжения Signal создаёт входной сигнал, конденсатор C1 является разделительным, а конденсатор C2 – блокировочным. Учтите, что при использовании транзистора с проводимостью n-p-n-типа на коллектор должно подаваться положительное напряжение (как показано, например, на рис.0.1), а при использовании транзистора с проводимостью p-n-p-типа – отрицательное. Для измерения параметров Y₁₂ и Y₂₂используется схема, показанная на рис.0.1.2. Измерение Y-параметров в интервале частот производится в режиме анализа по переменному току (Analysis>AC). При этом в окне задания параметров необходимо указать режим моделирования Operating Point(Расчёт в рабочей точке).Значения Y-параметров указываются в строке Y Expressionв виде отношения токов и напряжений соответствующих электродов транзистора. Например, входная проводимость Y₁₁ транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, определяется как отношение комплексной амплитуды тока базы к комплексной амплитуде напряжения база-эмиттер. В программе MicroCap это выражение записывается в следующем виде: IB(VT1)/VBE (VT1). Аналогично параметр Y₂₁ (крутизна транзистора) определяется из выражения: IC(VT1)/VBE (VT1). Поскольку Y-параметры являются комплексными величинами, то их изменение в интервале частот характеризуется графиками зависимости от частоты их вещественной и мнимой частей, т.е. активной и реактивной составляющих проводимости, а также комплексной крутизны. Однако в работе исследуется зависимость обобщенной характеристики этих параметров в виде корня квадратного из суммы квадратов модулей вещественной и мнимой частей, другими словами модуль частотной характеристики входной проводимости и крутизны транзистора в окрестности исходной (рабочей) точки.

Рис. 0.1.1

Часто используется также зависимость от частоты абсолютной величины (модуля) Y-параметра. В системе Micro-Cap для модуля, действительной и мнимой частей комплексных величин используются следующие обозначения: Mag(z) – модуль z. При построении графиков можно просто указать: Re(z) – действительная часть z; Im(z) – мнимая часть z Таким образом, для построения графика зависимости модуля крутизны транзистора от частоты в графе Y Expressionследует указать:

MAG (IC(VT1)/VBE(VT1)) .

Наглядное представление даёт его годограф – геометрическое место точек комплексной плоскости, соответствующих значениям Y-параметра на различных частотах. Для построения годографа по горизонтальной оси графика следует отложить значение вещественной части Y-параметра, а вертикальной оси – мнимой части. Например, для построения годографа крутизны транзистора (параметра Y₂₁) в графе X Expressionследует указать

Re (IC(VT1)/VBE(VT1)),

а в графеY Expression :

Im IС(VT1)/VBE(VT1)).

Поскольку мнимые части входной и выходной проводимостей транзистора, включённого по схеме с ОЭ, положительны, то реактивные составляющие этих проводимостей имеют емкостной характер. Значения этих эквивалентных ёмкостей определяются формулами

и зависят от частоты сигнала. Для расчёта частотной зависимости входной эквивалентной ёмкости C₁₁ транзистора, включённого по схеме с ОЭ, в графе Y Expressionследует указать:

Im(IB(VT1)/VBE(VT1))/(2*pi*F),

а для расчёта частотной зависимости выходной эквивалентной ёмкости C₂₂– записать: Im(IC(VT1)/VCE(VT1))/(2*pi*F).

В схеме рис.0.1.2 для измерения параметров Y₁₂ и Y₂₂ режим короткого замыкания производится на входных зажимах схемы с помощью конденсатора С₁ емкостью 50 мкФ, а возбуждение со стороны выходных зажимов- между коллектором и общим проводом. Источником входного сигнала является генератор переменного тока подключаемый к коллектору транзистора через конденсатор достаточно большой емкости С₂ равной 100 мкФ. Диапазон частот, при котором исследуются дифференциальные параметры транзистора, выберите равным: 10-кГц-100 МГц. Этот диапазон приемлем для всех типов транзисторов табл.01.

В соответствии с вариантом задания для каждой бригады проведите исследование малосигнальных дифференциальных параметров биполярного транзистора, тип которого указан в таблице 01.Напряжение смещения и стационарное напряжение коллектор-эмиттер принимаются равными: U₁₀=0,65 В, U₂₀=10 В. Исследование дифференциальных параметров проводится с помощью опытов короткого замыкания на входе и выходе схемы, приведенной на рис. 0.1.1 и 0.1.2. Эти схемы по своей структуре очень похожи на схемы с опытами короткого замыкания в лабораторных работах №1-4, в которых емкости для короткого замыкания составляли величину 50 мкФ.

Рис. 0.1.2

Таблица 01

№ бригады	Тип транзистора
	2N2219
	2N914
	2N718
	2N835
	2N218
	2N2218
	2N2102
	2N2219
	2N5550
	2N161

Содержание отчета

В отчет должны входить записи составляющих комплексных Y-параметров исследуемого биполярного транзистора в стационарной точке включенного по схеме с общим эмиттером, с выделением низкочастотных g₁₁, S₀, r_Б, g₂₂ и высокочастотных τ , С_КБ^/ параметров. Необходимо также привести графики зависимости от частоты модулей входной проводимости Y₁₁ и комплексной крутизны Y_21. Используя график модуля комплексной крутизны транзистора, укажите способ определения постоянной входной цепи биполярного транзистора и частотно независимой составляющей комплексной крутизны транзистора в рабочей точке.

Лабораторная работа №02