Динамическая выходная характеристика транзистора. Работа транзистора в ключевом режиме. h-параметры транзисторов

.Динамические характеристики

Из всех существующих видов динамических характеристик для практических расчётов используют только четыре из них, а именно:

1. Выходные динамические характеристики;

2. Входные динамические характеристики;

3. Сквозные динамические характеристики;

4. Проходные динамические характеристики.

Выходные динамические характеристики представляют собой зависимость выходного тока УЭ от напряжения между его выходными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи. Например, для биполярных транзисторов, включённых по схеме с общим эмиттером, выходной динамической характеристикой является зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы, т.е.

IK = f (UКЭ) при iБ = Const.

Выходные динамические характеристики являются наиболее употребительными и применяются при анализе и расчёте каскадов предварительного усиления для определения точки покоя на семействе выходных статических характеристик УЭ по следующим известным данным: напряжению питания выходной цепи Е, сопротивлению нагрузки выходной цепи постоянному току R=и напряжению (или току) смещения управляющего электрода. Эта характеристика представляет собой прямую линию. Для её построения используется выражение:

UВЫХ. = Е – IВЫХ.× R = ………………. (4.1)

При UВЫХ. = 0 IВЫХ. = Е / R =.

При IВЫХ. = 0 UВЫХ. = Е.

Полученные значения UВЫХ. и IВЫХ. откладываются на осях семейства выходных статических характеристик и соединяются прямой линией. Прямая, проведенная через обе отмеченные точки, и является выходной динамической характеристикой, которую часто называют нагрузочной прямой постоянного тока. Точка пересечения этой прямой со статической выходной характеристикой для применённого в каскаде напряжения (для лампы) или тока (для транзистора) смещения характеризует режим работы УЭ при отсутствии сигнала на входе и называется точкой покоя. Координаты этой точки определяют ток покоя I0 и напряжения покояU0 между выходными электродами усилительного элемента, связанные уравнением:

U0 = E – I0×R =……………………. (4.2)

При увеличении R =нагрузочная прямая постоянного тока идёт положе, а при уменьшении R = -круче.

Выходную динамическую характеристику переменного тока, также представляющую собой прямую линию, используют при расчёте каскадов мощного усиления для графического определения отдаваемых каскадом мощности, тока и напряжения сигнала, потребляемой мощности от источника питания и коэффициента гармоник каскада.

Эту характеристику называют нагрузочной прямой переменного тока. Так как в момент прохождения сигнала через нуль рабочая точка УЭ находится в точке покоя, нагрузочная линия переменного тока пересекается с нагрузочной линией постоянного тока в точке покоя.

Для построения нагрузочной прямой переменного тока отмечают на горизонтальной оси семейства статических выходных характеристик УЭ точку U0 + I0·R~, где R~ – сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току (току сигнала). Проведенная через эту точку и точку покоя прямая и будет являться нагрузочной прямой переменного тока.

В зависимости от схемы каскада сопротивление выходной цепи УЭ переменному току Z может быть меньше, равно или больше сопротивления этой цепи постоянному току R =.

Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.

h-параметры

Связь между входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) напряжениями и токами четырехполюсника (рис. 6) выражается системой двух уравнений. Выбрав два из входящих в эту систему параметров за независимые переменные, находят два других.

Рис. 6. К определению параметров транзистора как четырехполюсника

Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока ΔI1, и выходного напряжения ΔU2, а приращения входного напряжения ΔU1 и выходного тока ΔI2 выражают через так называемые h-параметры транзистора:

ΔU1 = h11ΔI1 + hl2ΔU2, (4.18)

ΔI2 = h21ΔI1 + h22ΔU2. (4.19)

Параметры, входящие в уравнения (4.18), (4.19), определяют:

h11 = ΔU1 / ΔI1 — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (ΔU2 = 0); h21 = ΔI2 / ΔI1 — коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении (ΔU2 = 0); h12 = ΔU1 / ΔU2 — коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (ΔI1 = 0); h22 = ΔI2 / ΔU2 — выходную проводимость транзистора при неизменном входном токе (ΔI1 = 0).

Конкретные значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, т.е. от того, какие токи и напряжения являются входными и выходными. В справочниках обычно приводят h-параметры, измеренные в схеме ОБ для средней полосы частот при типовых значениях постоянных составляющих тока и напряжения.

Установим связь h-параметров транзистора с их физическими параметрами в схеме ОБ.

Рис. 7. Схема замещения транзистора в физических параметрах,
включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

С этой целью воспользуемся схемой рис. 7, а. Примем в ней напряжение εuкб = 0, переменные составляющие заменим приращениями: uэб = ΔU1, iэ = ΔI1, uнб = ΔU2, iк = ΔI2, а ток iб выразим через входной ток: iб = (1 – α)ΔI1.

Для входной цепи транзистора (см. рис. 4.10, а) при ΔU2 = 0 имеем

ΔU1 = ΔI1[rэ + (1 – α)rб], откуда h11 = rэ + (1 – α)rб. (4.20)

Для того же режима (ΔU2 = 0) ток выходной цепи

ΔI2 = α ΔI1 h21 = α. (4.21)

В отсутствие приращений входного тока (ΔI1= 0) ток в выходной цепи

ΔI2 = ΔU2(rк(б) + rб) ≈ ΔU2 / rk(б) или h22 = 1 / rк(б). (4.22)

Для этого же режима напряжения на входе и выходе соответственно равны

ΔU1 = ΔI2rб, ΔU2 ≈ ΔI2rк(б), откуда h12 ≈ rб / rк(б). (4.23)

Полученные соотношения для h-параметров используем для выражения физических параметров транзистора через его h-параметры:

rэ = h11 – (1 – h21)h12 / h22, rб = h12 / h22, rк(б) = 1 / h22, α = h21 (4.24)

7.Работа униполярного транзистора с p–n переходом.

Полевой транзистор с р-п-переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-п-переходом — зто устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-п- переходом состоят из полупроводниковых материалов n- и р-типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-п-переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-п-переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложка может быть из материала п- или р-типа. р-п-переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания. Форма р-п-перехода играет важную роль. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки. Когда канал сделан из материала п-типа в подложке из материала р-типа образуется полевой транзистор с каналом п-типа. Когда канал сделан из материала р-типа в подложке из материала п-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с р-п-переходом имеет три вывода. Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Работа полевых транзисторов с р-п-переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников (Еси)подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Ези) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал. На рисунке

показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом п-типа.

Источник тока (Еси) подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале п-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора (1с). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения (Еси).

Напряжение затвор-исток (Ези) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного р-п-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-п-перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение (Еси) складывается с напряжением (Ези), создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Размером обедненного слоя управляет напряжение (Ези). При увеличении (Ези) толщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Езиможно использовать для управления током стока (1с), который протекает через канал. Увеличение (Ези) уменьшает 1с.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока (1с). В полевом транзисторе с р-п- переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-п- переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения 1С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-ис- ток (ЕЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Еси) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-п-переходом. При увеличении (Еси), увеличивается также 1с. При некотором значении Еси величина 1с перестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении (Еси). Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением (Еси) увеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения 1с. Однако рост тока 1с ограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения шири- ны канала. Когда это имеет место, говорят, что 1с достиг насыщения. Значение (Еси), при котором 1с достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Ен). Величина Ен обычно указывается производителем при значении (Ези), равном нулю. При (Еди), равном нулю, величина (Ен) близка к (ЕЗИотс). Когда (Ен) равно (Еди), ток стока является насыщенным.

Полевые транзисторы с р-каналом и с n-каналом имеют одинаковые характеристики. Основное различие между ними — в направлении тока стока (1с) через канал. В полевом транзисторе с р-каналом полярность напряжений смещения (Еди, Еси) противоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом п-типа.

Схематические обозначения для полевых транзисторов с р-каналом и с n-каналом показаны на рисунке.

Полярности напряжений смещения для полевого транзистора с n-каналом показаны на рисунке[

а для транзистора с р-каналом — на рисунке