Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ (рис. 1).

                          Рис. 1. Схема четырехполюсника

    В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника.           Это системы

• z-параметров,
• y-параметров
• h-параметров.

  Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система z-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I₁ и I₂, а напряжения U₁ и U₂ будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

Коэффициенты z_ik в этих уравнениях определяются следующим образом:

 - определяются как входное и выходное сопротивления.

 - сопротивления обратной и прямой передач.

    Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I₁ = 0) и выходе (I₂ = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I₁ = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I₁ = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I₂ = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).

Система y-параметров

     Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U₁ и U₂, а токи I₁ и I₂ будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

    Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

 - входная и выходная проводимости.

 - проводимости обратной и прямой передач.

    Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U₁ = 0) и выходе (U₂ = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U₁ = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U₂ = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).

Система h-параметров

     Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U₂ = 0) и режим холостого хода на входе (I₁ = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U₁, при этом система, описывающая связь входных I₁, U₂ и выходных I₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

     Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

 - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

 - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

 - коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

     Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 2а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 2 - Эквивалентная схема четырехполюсника:
а) биполярный транзистор в схеме с общей базой;

б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

    Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 2а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

    Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:

      Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

Таблица 2. Связи между h параметрами

     Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h_21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) - коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

      Рис. 3 - Зависимость коэффициента h_21э для различных транзисторов марки КТ215Д от эмиттерного тока I_э 

КАКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ НУЖНО ЗНАТЬ

[РадиолюбительTV 43]

 Основные режимы работы биполярного транзистора 

• Режим отсечки;
• Активный режим;
• Режим насыщения.

  Кроме этих режимов существует ещё инверсный режим, который используется очень редко.

Режим отсечки

  Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V - 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

  В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

 Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен». Все эти режимы можно разъяснить с помощью выходных характеристик транзистора.

   Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 4). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется пропорционально току базы:

Iк = β I_б .                                                                           (1)

Рис. 4 - Схема усилительного каскада 

    Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 5). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Е_К - напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

I_{к макс} = E_к/R_к                                                                                (2)

   Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

I_к = (E_к - U_кэ)/R_к                                                                                  (3)

  Где U_КЭ - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора;

         R_К - сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Рис. 5 - Режимы работы биполярного транзистора 

Из (3) следует, что

R_к = Eк/I_{к макс} = tanα                                                                      (4)

     И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением R_К.

   Из рис. 5 следует, что в зависимости от тока базы Iб, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение U_КЭ, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при I_б=0), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

    Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей I_б=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора - эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода - I_К0, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания E_К падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

U_кэ ≈ E_к.

     А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

U_Rк = I_к0R_к                                                                              (5)

   Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

    Если теперь увеличивать базовый ток I_б, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения I_б нас. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока I_К. Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

I_{k max} ≈ I_{к нас}                                                                         (6)

    а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.

     Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.