физический смысл h12 параметра
Физический смысл h12 параметра
При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.
Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника
Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
i 1 – переменная составляющая тока базы;
u 1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i 2 – переменная составляющая тока коллектора;
u 2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u 2 =0) :
Режим работы при i 1 =0 называют холостым ходом на входе.
h-параметры биполярного транзистора и особенности включений
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.
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.
Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток Im1 и выходное напряжение Um2 , а зависимыми переменными входное напряжение Um1 и выходной ток Im2 можно составить систему уравнений (1), задействуя h-параметры:
h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0, входное сопротивление;
h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0, коэффициент передачи тока;
h22 = Im2/Um2, при Im1 = 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 h11Э, h12Э, h21Э, h22Э ; для схемы с общим коллектором — h11К, h12К, h21К, h22К ; для схемы с общей базой это h11б, h12б, h21б, h22б .
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.
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..
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
Обратный коллекторный ток
Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.
Низкочастотные параметры транзистора
Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:
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:
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.
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.
Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:
Высокочастотные параметры транзистора
Емкость коллекторного перехода
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.
Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.
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.
Коэффициент шума
Из этого определения следует, что для идеального «нешумящего» транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:
Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( Т?С ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.
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.
h-параметр транзистора: что это такое, формула, описание
При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 1.81). В четырехполюснике условно изображен транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.
Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого-четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
i1 — переменная составляющая тока базы; u1— переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i2 — переменная составляющая тока коллектора; u2— переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры. При этом 
т. е. u1=h11·i1+h12·u2i1=h21·i1+h22·u2
Как легко заметить, коэффициент h11 представляет собой входное сопротивление транзистора для переменного сигнала.
Аналогично h12=u1/u2|i1= 0h12 — коэффициент обратной связи по напряжению. Режим работы при i1 = 0 называют холостым ходом на входе. Далее h21=i2/i1|u2= 0h21 — коэффициент передачи тока.
Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначают буквой «э», а схеме с общей базой — буквой «б».
Можно показать, что h11э≈ rб+ (1 +β) · rэh12э≈ rэ/ (2 · r′к)h21≈βh22≈ 1/r′к
Для создания математической модели транзистора полный набор h-параметров часто не требуется.
4.1.4. H-параметры транзистора
Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.
В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i1) и выходное напряжение (u2), а зависимыми являются: входное напряжение (u1) и выходной ток (i2). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:
Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:
Тогда физический смысл h-параметров определяется как:
входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.
H-параметры измеряются в различных единицах: h11 измеряется в омах, h22 – в сименсах, h21 и h12 – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h12u2 учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u2, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h21i1 учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.
Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h—параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.
Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов