Динамічний режим роботи транзистора

Динамічний режим - це режим роботи транзистора, при якому у вихідне коло ввімкнено опір навантаження (активний чи комплексний). На мал. 4 подана схема ввімкнення транзистора із ЗЕ. Так як в коло колектора ввімкнено резистор навантаження , то напруга на виході транзистора буде менше ЕРС джерела живлення і є функцією струму колектора.

Струм колектора в свою чергу визначається не тільки струмом бази, як слідує із рівняння (7), але й залежить також від ніпруги :

Тобто, струм колектора при наявності навантаження є одночасно функцією струму та напруги . Рівняння (8), разом із рівнянням (7), викорис­товуються для побудови динамічної характеристики транзистора, яка будується слідуючим чином. Спочатку задаються струми бази та із рівняння (7) визначають відповідні їм значення струму колектора. Потім на сім’ї статичних вихідних ВАХ відкладають величини , які визначаються з (8) при отриманих значеннях струму колектора. З відрізків, що рівні значенням , встановлюють перпендикуляри до перетину із від­повідними статичними ВАХ. Отримані точки переткну лежать на динамічній ВАХ транзистора, яка є нелінійною завдяки нелінійності статичної ВАХ. На практиці динамічну ВАХ уявляють у вигляді прямої, що будується на сім’ї статичних вихідних ВАХ транзистора у відповідності із рівнянням (8) при =0 (точка Q) і (точка в ), як подано на мал. 4.в . Відрізок АДПСВ наз. навантажувальною прямою або лінією навантаження. Положення точки Р на лінії навантаження (точка спокою) залежить від вихідної напруги бази , яку наз. напругою зміщення.

Із побудови можна бачити, що при появі на вході транзистора змін­ної напруги , змінюється струм бази в межах відрізка СД динаміч­ної вхідної ВАХ. Цьому відповідає зміна колекторного струму та напруги в межах відрізка СД лінії навантаження. В результаті відбувається підсилення вхідного сигналу як за струмом, так і за напругою.

В динамічному режимі транзистор може працювати в одній з чотирьох областей, що залежать від полярності напруг на емітерному і колекторному p-n-переходах. В області відсічки (U_e<0 U_k<0) у вхідне коло транзистора надходить сигнал, що забезпечує повне запирання приладу. Опір транзистора великий і у вихідному колі тече струм, який є зворотнім і струмом емітерного та колекторного p-n-переходів. Межі області відсічки і відповідає точка А на лінії навантаження. При цьому практично вся напруга джерела живлення прикладена між колектором та емітером транзистора, а потенціал бази додатній по відношенню до емітера і колектора.

В області насичення (U_e>0 U_k>0) у вхідне коло транзистора і надходить сигнал, що забезпечує повне відкриття приладу. Опір транзистора незначний і вихідний струм визначається величиною опору навантаження та зовнішньою наругою. Межі області насичення відповідає точ­ка В на лінії навантаження.

Активна область (U_e>0 U_k<0) є суміжною по відношенню до області відсічки та насичення. В цій області транзистор працює як лі­нійний підсилювач вхідного сигналу.

Четверта область, що називається інверсноактивною або просто інверсною, характеризується прямим ввімкненням колекторного p-n-переходу і зворотнім емітерного (U_e<0 U_k>0).

Транзистор є нелінійним елементом, так як його характеристики визначаються нелінійними залежностями між струмами та напругами. Однак, якщо вхідний сигнал за амплітудою менше у порівнянні із постійною напругою, що відповідає точці спокою, то у деякій області і статичних ВАХ зв'язок між струмами та напругами можна вважати лінійним із досяжним для практичного використання ступенем наближення. В цьому режимі, що отримав назву режиму малого сигналу, транзистор можна уявити у вигляді чотириполюсника, основні властивості якого відповідають загальній теорії електричних кіл.При цьому транзистор вважається лінійним підсилювальним елементом.

Зв'язок між вхідними (U₁,I₁) та вихідними (U₂,I₂) змінними чотириполюсника можна описати шістьма системами рівнянь першого порядку. Найбільш широко використовується система рівнянь, у якій незалежними величинами є вхідний струм I₁ і вихідна напруга U₂:

U₁=f₁(I₁,U₂); I₂ =f₂(I₁,U₂) (1)

Якщо при малих змінах незалежних величин прирости залежних величин розкласти у ряд Тейлора та знехтувати членами другого та вищих порядків, то рівняння (1) можна подати у слідуючому вигляді:

(2)

При заміні приростів амплітудними значеннями струмів та напруг і введенні нових позначень для частинних похідних система рівнянь (2) набуває вигляду:

U₁=h₁₁I₁+ h₁₂U₂ (3)

I₂=h₂₁I₁+ h₂₂U₂

Характеристичні коефіцієнти h при незалежних змінних в системі рівнянь (3) мають відповідний фізичний зміст:

- вхідний опір в режимі малого сигналу при короткому замиканні на виході чотириполюсника;

- коефіцієнт зворотнього зв'язку за напругою в режимі малого сигналу при холостому ході на вході чотириполюсника;

- коефіцієнт передачі струму в режимі малого сигналу при корот­кому замиканні на виході чотириполюсника;

- вихідна провідність в режимі малого сигналу при холостому ході на вході чотириполюсника.

Система рівнянь (3) носить назву системи h - параметрів. Іно­ді в літературі її називається гібридною системою, так як незалежними величинами є струм і напруга. Перевага системи h - параметрів - порівняна простота безпосереднього виміру характеристичних коефіцієнт h. Звичайно, вимірюють h-параметри транзистора, ввімкненого за схемою 3Б, яка має мінімальний вхідний і максимальний вихідний опір у порівнянні із схемами ЗЕ та ЗК. Тому для створення режимів короткого замикання на виході та холостого ходу на вході за змінним струмом в схемі ЗБ необхідно під’єднати конденсатор на виході і дросель на вході транзистора, які мають порівняно невеликі значення ємності та індуктивності відповідно. В паспортних даних транзисторів подаються значення h-параметрів, що виміряні на частоті 1 кГц.

Система h-параметрів широко використовується при розрахунках транзисторних пристроїв. Однак вона має недолік – суттєва залежність характеристичних параметрів від режиму роботи транзистора і температурою навколишнього середовища.

h-параметри біполярних транзисторів

Для розрахунку та аналізу пристроїв с БТ використовують так звані h-параметри транзистора, ввімкненого за схемою із ЗЕ.

Електричний стан транзистора, ввімкненого за схемою із ЗЕ, характеризується чотирма величинами: I_б, U_бе, I_к і U_ке. Дві з них можна вважати незалежними, а дві інші можуть бути виражені через них. Із практичних міркувань в якості незалежних зручно обирати величини I_б та U_ке. Тоді U_бе=F₁(I_б, U_ке) та I_к= F₂ (I_б, U_ке).

В підсилювальних пристроях вхідними сигналами є прирости вхідних напруг та струмів. В межах лінійної частини характеристик для приростів Δ U_бе та Δ I_к справедливо

(1)

або

де (і=1, 2; к=1, 2) відповідні частинні похідні, які можуть бути знайдені за допомогою вхідної та вихідної характеристик транзистора (мал.) ввімкненого за схемою із загальним емітером:

при

при

при

при

Параметр h_11е має розмірність опору, він являє собою вхідний опір БТ. Параметр h_12е- безрозмірний коефіцієнт внутрішнього зворотного зв’язку за напругою. Його значення лежать в межах 0,002÷0,0002. як показує аналіз пристроїв на транзисторах, в більшості практичних розрахунків, їм нехтують, тобто покладають рівним нулю. Параметр h_{2 е} - безрозмірний коефіцієнт передачі струму, що характеризує підсилювальні (за струмом) властивості транзистора при сталій напрузі на колекторі. Параметр h_22е має розмірність провідності і характеризує вихідну провідність транзистора при сталому струмі бази.

h-параметри транзистора дозволяють достатньо просто створити схему його заміщення, в якій присутні тільки резистори та кероване джерело струму ( мал. 6). Прирости напруг та струмів в схемі на мал. 6, зв’язані системою рівнянь (1).

Характеристики транзисторів, як і напівпровідникових діодів, сильно залежать від температури. Із збільшенням температури різко зростає початковий колекторний струм I_к0 внаслідок значного збільшення кількості неосновних носіїв заряду в колекторі і в базі. В той же час трохи збільшується і коефіцієнт h_21e внаслідок збільшення рухливості носіїв заряду. h -параметри транзистора, особливо коефіцієнта передачі струму, h_21e залежить від частоти змінної напруги, при якій відбувається вимірювання приростів струмів та напруг I_б,I_k , I_бе, I_ke так як на високих частотах приходиться враховувати кінцевий час, за який носії (в транзисторі n-p-n типу електрони) проходять відстань від емітера до колектора транзистора.

Частоту, на якій коефіцієнт передачі струму, зменшується до одиниці, називають граничною частотою коефіцієнта передачі струму f_гр. На практиці часто використовують частоту f₀, на якій параметр h_21e зменшується в .

Система h - параметрів отримала найбільш широке розповсюдження. Вона зручна, оскільки потребує відтворення холостого хода на вході I=0(I_б) та короткого замикання на виході U₂=0 ( U_k ) , що легко здійснюється при вимірюваннях.

Вимірювання h - параметрів може відбуватися в трьох схемах ввімкнення транзисторів ( ЗБ, ЗЕ, ЗК)

Зв’язок між h - параметрами в трьох схемах ввімкнення визначається слідуючими формулами:

; ;

; ;

; ;

;

Для найбільш часто використованих параметрів (коефіцієнт підсилення за струмом в схемах із ЗБ, ЗЕ) прийняті особливі позначення:

,

Залежність між та визначається слідуючим виразом:

Оскільки мало сигнальні параметри вимірюються на низькій частоті (в основному 270 та 1000 Гц), то всі h - параметри є дійсними величинами.