Вольт-амперные статические характеристики и параметры транзисторов

 

Транзистор имеет 3 электрода, один из которых общий и для входной цепи, и для выходной. Поэтому транзистор удобно рассматривать в виде четырехполюсника (рис.8), который характеризуют входными (U₁;I₁) и выходными (U₂;I₂) напряжениями и токами. Связь между этими четырьмя величинами I₁,U₁,I₂,U₂ в общем виде можно записать некоторой функциональной зависимостью:

 

.

 

Для характеристики четырехполюсника обычно две из этих величин берут как независимые переменные, а две другие рассматриваются как функция этих величин. Для транзистора наиболее удобно выбрать I₁, U₂ за независимые переменные. Тогда уравнения четырехполюсника для транзистора примут вид:

Рис.8. Транзистор как четырехполюсник

 

. (17)

Эти зависимости нелинейны, что усложняет анализ работы транзисторных схем. Чаще всего расчеты проводят графическим методом, когда связь между токами и напряжениями (вольт-амперные характеристики) задаются в виде графиков. Однако в общем виде эти зависимости изображаются более или менее сложными поверхностями и пользоваться ими также неудобно. Поэтому на практике пользуются так называемыми статическими характеристиками, представляющими собой зависимости тока от напряжения одного электрода, когда напряжения или токи на других электродах поддерживаются постоянными.

Семейства статических характеристик транзистора запишутся в виде:

при - входные статические характеристики,

при - характеристики обратной передачи по напряжению,

при - характеристики прямой передачи по току,

при - статические выходные характеристики.

Из (17) легко установить физический смысл так называемых смешанных H- параметров:

 

,

 

- входное сопротивление транзистора для переменной составляющей тока при коротко замкнутой выходной цепи;

 

,

 

- коэффициент обратной передачи по напряжению при разомкнутой входной цепи по переменному току;

,

 

- коэффициент передачи переменного тока при коротком замыкании выходной цепи;

 

,

 

- выходная проводимость при разомкнутой входной цепи по переменному току.

Рис.9. К определению H- параметров в схеме с ОЭ из статических характеристик

 

Из рис. 9 видно:

,

,

,

.

Аналогично можно определить H – параметры и для схемы с общей базой. Точность определения H - параметров графическим способом невысока.

В разных схемах включения вольт-амперные характеристики имеют разный ход, а параметры – разные значения. Однако физические процессы в транзисторе не зависят от схем включения. Поэтому между параметрами, определенными для транзистора в разных схемах включения, должна существовать связь. Приближенные формулы расчета H - параметров для схемы с ОЭ через H - параметры схем с ОБ и ОК и наоборот приведены в [1].

Для расчета электронных транзисторных схем достаточно знать параметры в одной из схем включения из справочной литературы.

Выбор рабочей точки и рассмотрение формы проходящего сигнала удобнее производить графическим путем с помощью нагрузочной прямой, построенной на семействах статических характеристик.

 

2.9. Динамический режим транзистора. Выбор и задание рабочей точки

Динамический режим транзистора – это режим, при котором выходной ток изменяется вследствие одновременного изменения входного тока и выходного напряжения. Ток, для схемы с ОЭ I_к =f (I_Б,U_кэ). Динамический режим возникает в транзисторе, если в коллекторную цепь его включить сопротивление нагрузки R_к (например, как на рис.10).

Рис.10. Включение транзистора в динамическом режиме.

При изменении входного тока меняется ток коллектора, и, следовательно, меняется и напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ, так как

(18)

Если увеличивается ток I_к, то уменьшается U_кэ. В свою очередь изменение U_кэ приводит к изменению I_к. Прямая линия, описываемая уравнением (18), называется нагрузочной прямой или линией нагрузки. Линию нагрузки строят на семействе выходных характеристик. Построение ее производится по двум точкам: А(Е_к,0) и В(0,Е_к/R_к) и показано на рис.11. Наклон нагрузочной прямой АВ зависит от сопротивления нагрузки R_к. Для переменной составляющей коллекторного тока полное сопротивление нагрузки обычно не совпадает с сопротивлением, поставленным в цепь коллектора R_к. Входная цепь следующего каскада имеет сопротивление R_н, которое обычно разделительной емкостью отделено от R_н по постоянной составляющей (рис.7). Но по переменной составляющей оно шунтирует R_к. Отсюда следует, что нагрузочная прямая по переменной составляющей будет менее наклонена к оси абсцисс (прямой ЕД). Она проходит через начальную (рабочую) точку 0 и удовлетворяет уравнению:

(19)

 

Нагрузочная прямая ЕД по переменному току, часто называется выходной характеристикой. Начальному режиму транзистора соответствует начальное положение рабочей точки «0», которая определяется значениями I_ок, I_об, U_окэ. Она выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока в зависимости от уровня входного сигнала, назначения данного каскада, заданного коэффициента нелинейных искажений, температурного режима и т.п. Рабочая точка выбирается в области, ограниченной на рис. 11 заштрихованными областями. Положение ее на нагрузочной прямой обычно выбирают так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были наименьшими.

Коэффициент усиления К_U по напряжению, амплитуду входного сигнала, входное сопротивление транзистора по переменному току можно определить графически, пользуясь динамическими выходной и входной характеристиками (рис.11). Входная динамическая характеристика лежит внутри узкого пучка входных статических характеристик и практически совпадает с ними.

 

Д

 

Рис.11. К расчету графическим методом прохождения сигнала через транзистор