fon1

Параметры биполярного транзистора

В радиолюбительской практике часто приходится подбирать транзисторы для их замены на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры транзисторов как по постоянному, так и переменному току. Но не все знают, что они обозначают. Попробуем разобраться с этим.

Биполярные транзисторы

Зная название транзистора уже можно получить нужную информацию о нем.
Транзисторам присваивается обозначение из четырех элементов.
Первый элемент - буква или цифра, указывающий исходный материал из чего сделан транзистор (Г или 1 - германий, К или 2 - кремний, А или 3 - соединения галия.
Второй элемент - буква определяющая подкласс прибора (Т - транзистор, П - полевой).
Третий элемент - цифры, первая обозначает номер классификации у биполярных транзисторов - граничную частоту передачи тока, а у полевых транзисторов - максимальную рабочую частоту. Последующие две цифры обозначают порядковый номер разработки.
Вот расшифровка первой цифры,
транзисторы:
малой мощности
(мощность рассеяния до 0,3 Вт);
1- низкой частоты (до 3 МГц)
2 - средней частоты (от 3 до 30 МГц)
3- высокой частоты (свыше 30 МГц)
средней мощности (мощность рассеяния от 0,3 Вт до 1,5 Вт)
4 - низкой частоты (до 3 МГц)
5 - средней частоты (от 3 до 30 МГц)
6 - высокой частоты (свыше 30 МГц)
большой мощности (мощность рассеяния свыше 1,5 Вт)
7 - низкой частоты (до 3 МГц)
8 - средней частоты (от 3 до 30 МГц)
9 - высокой частоты (свыше 30 МГц).
Четвертый элемент - буква, указывающая разновидность из данной группы приборов.
К примеру ГТ328А - германиевый транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 28, разновидность А.

Обратный коллекторный ток

Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.

obrat tok

Обратный ток коллектора Iкбо - это ток, возникающий в коллекторном переходе включенном в обратном направлении со свободным эмиттером (рис.1).
Индекс кбо обозначает ток между коллектором и базой при не включенном (открытом) эмиттере.

Обратный ток эмиттера Iэбо - это ток при обратном заданном напряжении на переходе эмиттер - база с отключенным коллектором (рис.2).

Рассмотрим подробней обратный ток коллектора Iкбо, т.к. он является главным дестабилизирующим параметром транзистора.
Коллекторный обратный ток очень мал. В маломощных транзисторах при комнатной температуре Iкбо равен всего несколько десятков микроампер, а в кремневых - менее 1мкА. Так почему данные этих незначительных величин приводятся в справочниках параметров транзисторов?
Дело в том, что во время работы любой транзистор греется, а значить при этом будет повышается и температура p-n и n-p переходов между коллектором и базой. А полупроводники не только обогащены примесями с основными носителями зарядов электронами или дырками. В них присутствует еще достаточное количество и нейтральных атомов.
Поэтому при нагреве полупроводников происходит, так называемая, термогенерация - уход в нейтральных атомах полупроводника электронов с орбиты в валентную зону или зону проводимости. Но при этом в валентной зоне образуются и дырки (атомы потерявшие электроны), которые так же, наряду с электронами, будут в зоне проводимости.
Все это приводит к тому, что в цепи коллектор - база проходит диффузионный неуправляемый ток коллекторного p-n перехода в обратном направлении.
tabl obr toka При повышении температуры транзистора обратный ток коллектора быстро растет по экспоненциальному закону. В германиевых (Ge) транзисторах обратный ток удваивается на каждые 10о С , а в транзисторах из кремния (Si) - в 2,5 раза.

Возьмем, например, германиевый ГТ108 и кремниевый КТ3102 маломощные транзисторы и рассчитаем значения возрастания обратного коллекторного тока Iкбо от повышения температуры tоC транзисторов (рис.3), и по этим данным построим график (рис.4).
По ним видно, что при увеличении температуры от 20оC до 70оC обратный ток увеличивается в десятки раз. Поэтому обратный коллекторный ток еще называют тепловым током.
Отсюда можно сделать вывод: кремниевые транзисторы, имея меньшее Iкбо, более температурно стабильнее, чем германиевые.

Но еще большая "проблема" состоит в том, что в различных усилительных схемах часть обратного коллекторного тока проходит через управляющий эмиттерный переход транзистора и это приводит к сильному увеличению прямого коллекторного тока, а значить - к увеличению температуры транзистора.

Низкочастотные параметры транзистора

h - параметры

Для анализа работы транзистора в усилительном режиме используется метод четырехполюсника, который позволяет производить расчет усилителя с помощью только матриц без составления эквивалентной схемы транзистора.
4 pol Существуют три системы параметров транзистора: z, h и y.
Для расчета низкочастотных схем применяются z- и h-параметры, а для высокочастотных - y-параметры.
И хотя система h-параметров характеризует работу транзистора под воздействием только малого сигнала, она получила широкое распространение, благодаря тому, что при измерении этих параметров требуется воспроизвести легко выполнимые действия: холостой ход на входе (I1=0) или короткое замыкание на выходе (U2=0). А связь между h- параметрами c остальными параметрами можно узнать в Википедии .

Но вернемся к четырехполюснику.
На низких частотах при работе с малым сигналом транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, у которого есть входной и выходной контакты, а так же один общий провод с двумя контактами (рис.5). 4 pol1 А к общему проводу транзистор может подключаться по разному. От того, какой из выводов транзистора подключен к этому проводу, различают включение с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).
На клеммы четырехполюсника 1-1 подается переменное входное напряжение U1, которое создает ток I1 а с клемм 2-2 снимаются выходные U2 и I2.

Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему (рис.6).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:
4pol form1 4pol form21

h-параметры представляют собой определенные физические величины и зависят от схемы включения транзистора. Чтобы определить к какой схеме включения относятся параметры используют второй индекс: э,б или к. Например, h11э - входное сопротивление в схеме с ОЭ, а h21б - коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ.

Рассмотрим, для примера, эквивалентную схему транзистора с ОЭ применяя h-параметры (рис.7):
4 pol oe при коротком замыкании выходной сети (U2=0):
h11э=Uбэ/Iб - входное сопротивление транзистора,
h21э=Iк/Iб - коэффициент передачи тока;
при разомкнутом по переменному току входе (I1=0):
h12э=Uбэ/Uкэ - коэффициент обратной связи по напряжению,
h22э=Iк/Uкэ - выходная проводимость.

У современных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.

Для разных схем включения транзистора h-параметры определяются по формулам:

h11э ? h11б/1+h21б;
h12э ? (h11б•h22б/1+h21б) - h12б;
h21э ? -h21б/1+h21б;
h22э ? h22б/1+h21б;

h11б?h11э/(1+h21э);
h12б?h11э•h22э/(1+h21э);
h21б?-h21э/(1+h21э);
h22б?h22э/(1+h21э);

h11к?h11э;
h12к?1;
h21к?-(1+h21э);
h22к?h22э.

Обычно в справочнике в разделе параметров транзистора указываются h-параметры при включении транзистора с ОБ: h11б - входное сопротивление, h12б - коэффициент обратной связи, h22б - выходная полная проводимость; и с ОЭ: h21э - коэффициент передачи тока.
Эти параметры транзистора статические, т.е. они измерены при постоянных параметрах напряжения коллектора Uк и тока коллектора Iк. Если будут изменяться эти значения - будут меняться и h-параметры транзистора. Но можно, благодаря этим приведеным h- параметрам, определить параметры с любым способом включения транзистора и приблизительно узнать, какие будут характеристики транзистора в динамическом режиме.

Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30...60.

Входное сопротивление:
param tr form2.png

Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:
param tr form4.png

В справочниках в параметрах транзисторов так же могут указаны коэффициенты усиления ? и ?.
? - это коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше базового:
?=h21э?Iк/Iб.
? - коэффициент усиления по току в схеме с ОБ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного:
?=h21э?Iк/Iэ.

Коэффициенты ? и ? транзистора связаны между собой соотношением:
?=?/1-?.
При помощи номограммы (рис.8) можно быстро перевести один коэффициент в другой:

param tr tabl1.png

Высокочастотные параметры транзистора

Емкость коллекторного перехода

В справочниках по транзисторам приводится параметр емкости коллекторного перехода Ск - емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер - база и разомкнутой эмиттерной цепи.

Сам по себе транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел "p-n переход", рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.9), где сопротивления rб, rэ и представляют собой дифференциальные сопротивления базового, эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.
gibrid cxema Сопротивление может составлять десятки-сотни Ом, - от долей до десятков Ом, а - от десятков килоОм до нескольких мегОм.
На схеме показаны барьерные емкости эмиттерного перехода Сэ и коллекторного - Ск, которые включены параллельно сопротивлениям и .
Величина емкости Ск может составлять от 2-5 пф до 50-200 пф, а емкость Сэ больше Ск в 5-10 раз.

Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.

В режиме малого переменного сигнала низкой частоты влияние небольших емкостей переходов будет минимальным, т.к. их реактивное сопротивление (Xc=1/2?fC ), будет большИм, и мало влияет на и .
В области верхних частот с ростом частоты сопротивления барьерных емкостей уменьшаются, что приводит к шунтировании сопротивлений переходов.
Хотя емкость Сэ и имеет бOльшую величину чем Ск, ее емкостное сопротивление не на много влияет на сопротивление , т.к. шунтирует малое значение сопротивления (десятки Ом).

По другому происходит с коллекторным сопротивлением .
При увеличении частоты сигнала до десятков килогерц сопротивление коллекторной емкости Ск падает ниже сопротивления коллекторного перехода и шунтирует его. Если на выходе схемы подключить сопротивление нагрузки , то влиянием емкости Ск уже нельзя пренебречь.
Цепочка rэСэ и rкСк будет включена параллельно резистору нагрузки шунтируя его, что приведет в определенный момент к уменьшению усиления транзистора.

Из этого можно сделать вывод: транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала транзистора коэффициент усиления по току с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления транзистора от частоты, хотя и немаловажная.

С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время "пролета" составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению коэффициента усиления по току.

param tr graf.png

Предельная частота fпр коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ - частоты, при которой модуль коэффициента усиления по току h21эо уменьшается в v2 раза (или на 3 дб). (рис.10).
Граничная частота fгр коэффициента усиления по току в схеме с ОЭ - частота, при которой модуль коэффициента усиления h21э=1 и транзистор не работает как усилитель.

Коэффициент шума

Величина коэффициента шума является самым основным параметром транзистора, работающем в предварительном усилителе с малыми входными сигналами.
Коэффициент шума Кш - это отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к мощности тепловых шумов сопротивления источника сигнала на входе:

Кш=(Рш)полн/(Ртеп)г.

Из этого определения следует, что для идеального "нешумящего" транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:

(Рш)полн=(Ртеп)г.

Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора () и температуры окружающей среды (Т?С), а так же от выходного сопротивления источника сигнала () и частоты сигнала.

graf Kh2.png graf Kh.png

Чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1...0,5 мА, Uк=0,5...2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet