И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Рис. 4.4. Обозначения токов в биполярных транзисторных схемах:

tк — мгновенное значение тока коллектора; IКр — ток коллектора в рабочей точке; IКmax — максимальное значение коллекторного тока; IКд — действующее значение; IКm — амплитудное значение тока; ΔIКр — приращение постоянной, составляющей при наличии переменного сигнала; t1 — время, в течение которого отсутствует переменный сигнал; t2 — на входе действует переменный сигнал

Транзистор может работать как усилитель в трех основных схемах включения (рис. 4.5): схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем обладает свойствами, с точки зрения усиления входного и выходного сопротивлений. Чаще всего используют схему ОЭ.

Рис. 4.5. Схемы включения транзистора:

а — схема с общей базой; б — схема с общим эмиттером; в — схема с общим коллектором

Транзистор является активным (нелинейным) элементом, параметры которого зависят от токов, напряжений (т. е. от рабочей точки и уровня сигнала), температуры и частоты. При работе с малыми сигналами транзистор приближенно можно считать линейным элементом.

Зависимость параметров транзистора от условий работы создает значительные трудности при проектировании и рассмотрении транзисторных схем. Часто возникает необходимость представления транзистора в виде упрощенной эквивалентной схемы (модели). Это трудная задача, так как эквивалентная схема транзистора зависит не только от условий работы, но и от технологии изготовления данного транзистора (материала и размеров).

Существует много приближенных эквивалентных схем, каждая из которых имеет ограниченный диапазон применений. Транзистор можно представить в виде соединения двух диодов: одного — смещенного в проводящем направлении (эмиттер — база), другого — в обратном (коллектор — база). Такие схемы называются физическими эквивалентными схемами или физическими моделями транзистора, так как они дают наглядное представление о физическом смысле отдельных элементов схемы. Эквивалентные схемы этого типа зависят также от схемы включения транзистора. Они различны для схем ОБ, ОЭ, ОК.

Во многих случаях неудобно пользоваться физической эквивалентной схемой, поскольку она излишне сложна и содержит составляющие элементы, которые не всегда можно определить либо найти в справочнике для определенных условий работы транзистора. В этом случае часто пользуются представлением транзистора в виде «черного ящика» с двумя входными и двумя выходными зажимами (рис. 4.6), совершенно не вникая во внутреннюю структуру этого «ящика» и интересуясь лишь параметрами «ящика» в целом со стороны входных и выходных зажимов. Такой «черный ящик» называется активным четырехполюсником.

Рис. 4.6. Представление транзистора в виде четырехполюсника

При использовании эквивалентной схемы в виде четырехполюсника обычно транзистор рассматривается как линейный элемент. В принципе это допущение справедливо только при работе с малыми сигналами. Отсюда параметры транзистора называются малосигнальными. Транзистор как четырехполюсник можно описать с помощью только четырех параметров, значение которых зависит от рабочей точки и частоты. В общем значения этих параметров можно найти в справочниках либо измерить более простым способом, чем в случае измерения сопротивлений, входящих в состав физической модели транзистора.

Существует несколько типов четырехполюсников, отличающихся рассмотрением при различных условиях на входе и выходе, а именно в режимах короткого замыкания или холостого хода и принятии различных независимых переменных. Наибольшее практическое применение нашли четырехполюсники типа h и четырехполюсники типа у.

Это четырехполюсник, параметры которого определяются при условиях короткого замыкания на входе и холостого хода на выходе.

Эти условия наиболее приближенны к реальным условиям работы транзистора в наиболее часто встречаемых схемах с биполярными транзисторами. Ведь биполярный транзистор в типовой схеме имеет относительно малое входное сопротивление и относительно большое выходное.

Основные зависимости четырехполюсника типа h можно получить путем замены его равноценной схемой замещения. В общем случае эквивалентная схема может иметь вид, изображенный на рис. 4.7, а; это схема с двумя источниками напряжения, причем очевидно, что e2 определяющее выходное напряжение, зависит от u1. Затем можно выполнить преобразования, вводя вместо источника напряжение е2 источник тока i'2 (рис. 4.7, б). При коротком замыкании выходной цепи (u2 = 0) будет протекать ток, линейно зависящий (линейный четырехполюсник!) от тока i1; если обозначим коэффициент пропорциональности через h21, то получим i'2 = h21i1. При размыкании входной цепи (i1 = 0) имеем во входной цепи напряжение e1, линейно зависящее от напряжения u2. Обозначая коэффициент пропорциональности через h12, получаем к1 = h12u2. После введения дополнительных обозначений получим окончательную эквивалентную схему, представленную на рис. 4.7, в. На основании этого можем записать два уравнения четырехполюсника:

u1 = h11i1 + h12u2;

i2 = h21i1 + h22u2

в которых в качестве независимых переменных действуют входной ток i1 и выходное напряжение u2, т. е. смешанные, гибридные параметры или сокращенно h-параметры. Параметры четырехполюсника типа h достаточно легко определяются простыми методами измерений.

Выбор переменных i1 и u2 в качестве независимых переменных можно обосновать на примере усилителя рис. 4.3, а. Ток i1 соответствует току базы, и он действительно является независимой переменной, управляющей диодом эмиттер — база в проводящем направлении. Напряжение u1 = uб является зависимой переменной в основном от tб. Ток i2 (= iк) является регулируемым током, т. е. зависимым. Другой независимой переменной может быть только u2 (= uк); диод коллектор — база, смещенный в обратном направлении, должен управляться напряжением.

Рис. 4.7. Эквивалентная схема транзистора четырехполюсника:

а — с двумя источниками напряжения; б — с источником напряжения во входной цепи и источником тока в выходной цепи; в — с h-параметрами

Как уже пояснялось выше, параметры типа h определяются для режима короткого замыкания (к. з.) на входе либо холостого хода (х. х.) на выходе. Смысл этих параметров и функций:

— входное сопротивление при к.з. на выходе,

т. е. входное сопротивление, измеренное при к.з. на выходе (u2 = 0); h11 отражает входное сопротивление и выражается в омах. Значение h11 для низкочастотного транзистора может составить, например, 5 кОм.

— коэффициент обратной связи по напряжению при х.х.,

т. е. коэффициент, измеренный при х. х. на входе (i1 = 0); h12 выражается безразмерным числом. Значение h12 для низкочастотного транзистора в схеме ОЭ может составлять, к примеру, 2·10-4.

 — коэффициент передачи тока при к.з., измеряемый при к. з. на выходе (u2 = 0); h21 представляется безразмерным числом. Значение h21 для низкочастотного транзистора в схеме ОЭ может составлять, например, 300.

 — входная проводимость при х.х., измеренная при х. х. на входе (i1 = 0); h22 имеет размерность проводимости и выражается в сименсах. Значение h22 для транзистора в схеме ОЭ может составлять, например, 30 Cм.