Параметры биполярного транзистора: Страница не найдена — DataSheet

Параметры биполярного транзистора — Студопедия

Поделись  

Все описанное выше касалось работы транзистора при постоянных напряжениях и токах его электродов. При работе транзисторов  в уси­лительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.

На практике наибольшее применение получили малосигнальные h-параметры (читается: аш-параметры). Их называют также гибридны­ми, или смешанными, из-за того, что одни из них имеют размерность проводимости, другие — сопротивления, а третьи — вообще без­размерные.

Всего h-параметров четыре: h21 (аш-один-один), h22 (аш-один-два), h31 (аш-два-один) и h32 (аш-два-два) и определяются они следующими выражениями:

при Uвх = const

Запись const является сокращением слова constanta, то есть посто­янная величина. В данном случае это означает, что при определении параметра h21 приращения входного напряжения и входного тока выбираются при неизменном (постоянном) значении выходного напряжения Uвых.

Параметр h21 характеризует входное сопротивление биполярного транзистора и измеряется в омах. Более кратко выражение для определения параметра h21 записывают в виде:

при Uвых = const

Параметры h22, h31 и h32 определяются следующими выражениями:

_ — коэффициент обратной связи по на-

Iвх = const пряжению, безразмерная величина;

— коэффициент прямой передачи по

Uвых = const току, безразмерная величина;

— выходная проводимость, измеряется

Iвх = const в сименсах (См).

Знак означает небольшое изменение напряжения U или тока I относительно их значений в статическом режиме.

Все h-параметры можно определить по статическим характеристи­кам. При этом параметры h21 и h22 определяются по входным, a h31

и h32 — по выходным характеристикам. Необходимо только иметь в виду, что значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора. Для указания схемы включения к цифровым индексам h-параметров до­бавляется буквенный индекс: б — если транзистор включен по схеме ОБ, или э — если транзистор включен по схеме ОЭ. Кроме того, приращения входных и выходных токов и напряжений нужно заменить приращениями напряжений и токов соответствующих электродов транзистора с учетом конкретной схемы включения (рис. 9).

Значения h-параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от

а б Рис. 9. Токи и напряжения транзистора в схемах с ОЭ (а) и ОБ (б)

 

 

напряжений и токов его электродов. Режим работы транзистора опре-

Рис. 10. Определение статических h-параметров транзистора по его стати­ческим характеристикам деляется на характеристиках положением рабочей точки, которую будем обозначать в дальнейшем буквой А. Если указано положение рабочей точки А на семействе статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 10, а), параметры h21э_э и h22э определяются следующим образом:

Параметры h31э и h32э определяются в рабочей точке А по выходным характеристикам (рис. 10, б) в соответствии с формулами:

Аналогично рассчитываются h-параметры для схемы ОБ.

При расчете параметров h22 и h31 надо токи и напряжения подстав­лять в формулы в основных единицах измерения.

Параметр h31б называют коэффициентом передачи тока в схеме ОБ, a h31э — коэффициентом передачи тока в схе­ме ОЭ. В отличие от статических коэффициентов передачи h31Б и h31Е, рассчитываемых как отношение выходного тока к входному в схемах ОБ и ОЭ, параметры h31б и h31э определяются как отношения изменений вы­ходных токов к вызвавшим их изменениям входных токов. Иными сло­вами, параметры h31б и h31э характеризуют усилительные свойства тран­зистора по току для переменных сигналов.



h-параметры и особенности включений биполярного транзистора

Транзисторы относятся  к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

Рисунок 1

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Рисунок 2

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток I_m1  и выходное напряжение U_m2 , а зависимыми переменными входное напряжение U_m1 и выходной ток I_m2  можно составить систему уравнений (1), задействуя  h-параметры:

_где:

                                h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0, входное сопротивление;

                            h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0, коэффициент обратной связи по напряжению;

                            h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0, коэффициент передачи тока;

                            h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h₁₁ — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h₁₂ – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h₂₁ — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h₂₂ — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h_11Э, h_12Э,h_21Э,h_22Э ; для схемы с общим коллектором — h_11К, h_12К,h_21К,h_22К  ; для схемы с общей базой это h_11б, h_12б,h_21б,h_22б .

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

Рисунок 3

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

С общим коллектором (ОК)

Схему с общим коллектором часто называют “эмиттерным повторителем”. Она имеет высокое входное (порядка >200кОм) и низкое выходное (порядка <10кОм) сопротивления. Эта схема не даёт усиления по напряжению. Схему с общим коллектором используют во входных каскадах усилителей для согласования двух каскадов усилителя, из которых предыдущий имеет высокое выходное, а последующий, обычно выходной каскад, — малое входное сопротивление.  Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Выходное напряжение на выходе схемы с ОК (рисунок 3, общий коллектор), практически повторяет напряжение на базе транзистора, с учётом величины незначительного падения напряжения на переходе эмиттер-база, отсюда и название “эмиттерный повторитель”. Благодаря высокому усилению по току, схему с ОК применяют также и для управления токами различных устройств, например соленоидов.

С общей базой (ОБ)

Схема с ОБ имеет малое входное (порядка <100 Ом) и большое выходное (порядка до 1 Мом) сопротивления. В связи с большой разницей входного и выходного сопротивлений последовательное соединений целесообразно только при трансформаторной связи между каскадами., Усиление по току отсутствует, а усиление по мощности несколько ниже чем в схеме с ОЭ. Выходное напряжение по фазе повторяет входной сигнал. Преимуществом схемы является большая линейность характеристик и большая предельная частота усиления. Поэтому схему с ОБ наиболее часто применяют для усиления высоких частот особенно в антенных усилителях, где её параметры очень хорошо согласуются при работе с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 ом.

Следует отметить, что для биполярных транзисторов характерны следующие режимы работы:

— нормальный активный режим;

— инверсный активный режим;

— режим насыщения;

— режим отсечки;

— барьерный режим.

Но, это уже отдельная и весьма ёмкая тема.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

На рис. 6-1 показана эквивалентная схема для транзистора с биполярным переходом npn.

Рисунок 6-1: Схема биполярного транзистора.

Модель транзистора pnp аналогична транзистору npn во всех отношениях, с той разницей, что полярность задействованных токов и напряжений обратная. Следующие уравнения используются для расчета отношений между токами и напряжениями в цепи.

Существуют также две емкости, для которых используется та же формула, что и для емкости перехода модели диода. В приведенных ниже именах параметров замените x на C для емкости база-коллектор и E для емкости база-эмиттер.

Параметры модели перечислены в таблице ниже.

Таблица 6-1: Параметры модели биполярного транзистора

Параметр	По умолчанию	Описание
БФ	100	Идеальный коэффициент усиления по прямому току
руб.	1	Идеальный коэффициент усиления обратного тока
CJC	0 Ф/м2	Емкость истощения при нулевом смещении база-коллектор
CJE	0 Ф/м2	Емкость истощения при нулевом смещении база-эмиттер
FC	0,5	Ток пробоя
ИКФ	Инф (А/м2)	Уголок для прямого сильноточного спада
IKR	Инф (А/м2)	Уголок для обратного сильноточного спада
IS	1е-15 А/м2	Ток насыщения
МСК	0 А/м2	Ток насыщения утечки база-коллектор
ИСЭ	0 А/м2	Ток насыщения утечки база-эмиттер
MJC	1/3	Классовый коэффициент база-коллектор
MJE	1/3	Градационный коэффициент база-эмиттер
NC	2	Фактор идеальности базы-коллектора
NE	1,4	Коэффициент идеальности база-эмиттер
НФ	1	Коэффициент идеальности вперед
рупий	1	Фактор обратной идеальности
РБ	0 Ом·м2	Базовое сопротивление
РБМ	0 Ом·м2	Минимальное базовое сопротивление
RC	0 Ом·м2	Сопротивление коллектора
RE	0 Ом·м2	Сопротивление эмиттера
ТНОМ	298,15 К	Температура устройства
ВАФ	Инф (В)	Вперед Раннее напряжение
ВАР	Инф (В)	Обратное раннее напряжение
VJC	0,71 В	База-коллектор со встроенным потенциалом
VJE	0,71 В	Встроенный потенциал база-эмиттер

Параметры и ограничения биполярных транзисторов

Все модели биполярных транзисторов и транзисторов Дарлингтона основаны на модифицированной SPICE модели Гуммеля-Пуна. Типичная модель для одного транзистора показана следующим образом:

*Zetex FMMT493A SPICE Model v1.0 Last Revised 30/3/06 * .MODEL FMMT493A NPN IS =6E-14 NF =0,99 BF =1100 IKF=1,1 +NK =0,7 VAF=270 ISE=0,3E-14 NE =1,26 NR =0,98 BR =70 IKR=0,5 +VAR=27 ISC=1,2e-13 NC =1,2 RB =0,2 RE =0,08 RC =0,08 RCO=8 +GAMMA=5E-9 CJC=15,9E-12 MJC=0,4 VJC=0,51 CJE=108E-12 +MJE=0,35 VJE=0,7 TF =0,8E-9 TR =55e-9 XTB=1,4 QUASIMOD=1 *

В биполярной модели:

• Управление IS и NF Icbo и значение Ic при средних уровнях смещения.
• ISE и NE контролируют падение hFE, которое происходит при низком Ic.
• BF регулирует пиковый прямой hFE, а XTB регулирует его изменение в зависимости от температуры.
• BR управляет пиковым обратным hFE, т. е. коллектор и эмиттер перевернуты.
• IKF и NK контролируют ток и скорость падения hFE при больших токах коллектора.
• IKR контролирует, где обратный hFE падает при больших токах эмиттера.
• ISC и NC контролируют падение обратного hFE при малых токах.
• RC, RB и RE добавляют последовательное сопротивление этим клеммам устройства.
• VAF управляет изменением тока коллектора в зависимости от напряжения, когда транзистор работает в своей линейной области.
• VAR является обратной версией VAF.
• CJC, VJC и MJC контролируют Ccb и как они зависят от Vcb.
• CJE, VJE и MJE контролируют Cbe Ccb и как они зависят от Veb.
• TF управляет Ft и переключением скоростей.
• TR контролирует время хранения переключений.
• RCO, GAMMA, QUASIMOD контролируют область квазинасыщения.

Некоторые стандартные модели биполярных транзисторов SPICE могут не включать параметр, позволяющий изменять BF, параметр hFE, в зависимости от температуры. Если XTB отсутствует, по умолчанию он равен нулю, т.е. нет зависимости от температуры. Если интерес представляют температурные эффекты hFE, а XTB не моделируется, то для получения оценки или отправной точки для дальнейшего исследования можно использовать следующие значения:

Полярность	ХТБ
НПН	1,6
ПНП	1,9

Рекомендуется изучить соответствующий профиль hFE из таблицы технических данных и создать тестовую схему SPICE, которая имитирует рассматриваемое устройство и генерирует набор кривых hFE. Двух или трех таких итераций обычно достаточно для определения значения XTB в каждом случае.

Пожалуйста, помните, что эти примечания являются лишь приблизительным описанием влияния параметров модели. Кроме того, многие параметры взаимозависимы, поэтому изменение одного параметра может повлиять на многие характеристики устройства.

В Diodes мы постарались, чтобы модели работали как можно ближе к реальным образцам, но приходится идти на некоторые компромиссы, которые при некоторых обстоятельствах могут привести к ошибкам моделирования. Основные области ошибок, наблюдаемые до сих пор, были следующими: И БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ЗАЯВЛЕНИЙ ИЛИ ГАРАНТИЙ, ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ, ВКЛЮЧАЯ ЛЮБЫЕ ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ПРИГОДНОСТИ ИЛИ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ, ЛЮБЫЕ ГАРАНТИИ, ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ ХОДА СДЕЛКИ ИЛИ ХОДА ВЫПОЛНЕНИЯ, ИЛИ ЛЮБЫЕ ГАРАНТИИ, ЧТО ДОСТУП К ДАННЫМ SM ИЛИ ИХ ОПЕРАЦИЯ НЕПРЕРЫВНО, ИЛИ ЧТО ДАННЫЕ SM ИЛИ ЛЮБОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ДАННЫЕ SM, БУДЕТ БЕЗ ОШИБОК. В МАКСИМАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ, РАЗРЕШЕННОЙ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВОМ, DIODES НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ЛЮБОЙ КОСВЕННЫЙ, ОСОБЫЙ, СЛУЧАЙНЫЙ, ШТРАФНЫЙ ИЛИ КОСВЕННЫЙ УЩЕРБ, ВОЗНИКШИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИЛИ В СВЯЗИ С ПРОИЗВОДСТВОМ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ СМ, КАКИМ ОБРАЗОМ ВЫЗВАН И ПО КАКОЙ ПРИЧИНЕ ИЛИ ТЕОРИЯ ПРИВЕДЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ (ВКЛЮЧАЯ, ПОМИМО ПРОЧЕГО, ТЕОРИЯ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ПО ЛЮБОМУ КОНТРАКТУ, НЕБРЕЖНОСТИ ИЛИ ДРУГИМ ПРАВОВЫМ ПРАВАМ), ДАЖЕ ЕСЛИ DIODES БЫЛА УВЕДОМЛЕНА О ВОЗМОЖНОСТИ ТАКОГО УЩЕРБА, И ОБЩАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ DIODES (БУДЬ ПО ДОГОВОРУ, ДЕЛИКТУ ИЛИ ИНЫМ ОБРАЗОМ) ) В ОТНОШЕНИИ ДАННЫХ SM В СОВОКУПНОМ НЕ БУДЕТ ПРЕВЫШАТЬ СУММ, УПЛАЧЕННЫХ ВАМИ DIODES ЗА ДАННЫЕ SM.