4.4 Низкочастотные дифференциальные параметры транзистора четырехполюсника

Если глубоко вникнуть в природу электронных процессов в полупроводниковых структурах, то оказывается, что комплексный характер Y-, Z, H-параметров транзисторов обусловлен наличием определенных фазовых искажений, вносимых в сигнал при прохождении через прибор. Такие искажения вызываются различными причинами: конечной скоростью протекания физических процессов в полупроводниках, наличием зарядовых и диффузионных емкостей, паразитными связями, обусловленными конструкцией кристалла и корпуса полупроводникового прибора, и т.п.

Очевидно, что влияние всех этих факторов при снижении частоты переменного сигнала будет убывать, а комплексные параметры будут стремиться к некоторым действительным значениям. Таким образом, все дифференциальные параметры на низких частотах можно считать действительными и соответствующие эквивалентные схемы транзисторов-четырехполюсников будут состоять из элементов с действительными параметрами. Следует понимать, что понятие "низкая частота" — это достаточно относительный термин, абсолютное значение которого зависит в первую очередь от конкретного типа применяемого транзистора и схемы его включения.

Общепринятым является обозначение действительных дифференциальных параметров малыми буквами и т.п². В документации на конкретные приборы наряду с указанием тех или иных действительных параметров также приводятся режимы их измерения (рабочая точка по постоянному току, частота и амплитуда переменной составляющей входного сигнала, схема включения). Для указания схемы включения транзистора, которой соответствуют параметры, в дополнение к цифровому индексу добавляется соответствующая буква:

• "э" или "е" для схемы с ОЭ ( );

• "б" или "b" для схемы с ОБ ( );

• "к" или "с" для схемы с ОК ( );

Например, системе h-параметров транзистора-четырехполюсника действительный коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи, соответствующий включению биполярного транзистора по схеме с ОБ.

4.5. Виды эквивалентных схем, методы построения эквивалентных схем с действительными параметрами составляющих элементов

Как следует из сказанного выше, все малосигнальные (дифференциальные) параметры транзисторов так или иначе зависят от частоты переменного сигнала. Причем с ростом этой частоты все более значительными становятся их мнимые (реактивные) составляющие (для разных параметров эти зависимости различны). Чтобы отразить на эквивалентных схемах с элементами, описываемыми только действительными величинами, влияние этих факторов, туда вводятся дополнительные элементы с чисто реактивными проводимостями (обычно это емкости). При таком подходе эквивалентная схема хотя и перестает быть полным аналогом линейного проходного четырехполюсника с комплексными параметрами, но продолжает относительно точно отражать происходящие в нем процессы до достаточно высокого диапазона частот. Все это становится возможным только благодаря тем особым свойствам, которые присущи именно транзисторным усилительным каскадам, рассматриваемым в качестве линейных проходных четырехполюсников (пример описанной методики преобразования обобщенной эквивалентной схемы для случая Т-образной схемы с источником тока дан на рис. 4.10).

Рис.4.10. Т- образная эквивалентная схема транзистора четырехполюсника в системе Z-параметров с действительными параметрами элементов, построенная на основе обобщенной эквивалентной схемы с рис. 4.8

На самом деле, перейдя от рассмотрения обобщенных эквивалентных схем транзисторов-четырехполюсников с комплексными параметрами составляющих их элементов к схемам с действительными параметрами и дополнительными элементами, учитывающими некоторые физические процессы в транзисторах, мы фактически начали использовать новую систему малосигнальных параметров и эквивалентных схем — физические параметры и физические эквивалентные схемы.

Физические эквивалентные схемы составляют на основании физических соображений для определенных типов конструкций транзисторов, для определенного частотного диапазона, ориентируясь на определенную схему включения. Каждый вывод физической эквивалентной схемы соответствует электроду транзистора. При построении этих схем обычно выделяют мысленно некоторые части в транзисторе и рассматривают отдельно процессы в этих частях. За основу построения, как правило, берут формальную эквивалентную схему идеализированного транзистора, называемого одномерной теоретической моделью.

Для нахождения физических эквивалентных схем транзисторов также могут использоваться и приведенные выше методы доработки обобщенных эквивалентных схем транзисторов-четырехполюсников. Получаемые таким образом эквивалентные схемы, с одной стороны, содержат в себе элементы, отражающие работу транзисторного каскада как линейного проходного четырехполюсника, а с другой стороны, учитывают некоторые физические процессы, происходящие в транзисторе при работе. Их принято называть гибридными схемами замещения (гибридными эквивалентными схемами).

Выше (рис. 4.9) была представлена обобщенная П- образная эквивалентная схема с источником тока. Очевидно, что на низких частотах все элементы этой схемы действительны и имеют размерности проводимостей. При повышении частоты эти проводимости приобретают реактивные составляющие. При этом эквивалентная схема, например, для биполярного транзистора во включении с ОЭ может быть представлена в виде, показанном на рис. 4.11.

Рис.4.11. П-образная эквивалентная схема биполярного транзистора при включении с ОЭ в системе Y- параметров

Физический смысл элементов эквивалентной схемы на рис. 4. 1 1 следующий:

— активная составляющая дифференциальной проводимости эмиттерного перехода биполярного транзистора в схеме с ОЭ, может быть найдена через низкочастотные y-параметры транзистора по формуле:

для схемы с ОЭ активная составляющая дифференциальной проводимости коллекторного перехода обычно гораздо меньше ;

— активная составляющая дифференциальной проводимости коллекторного перехода биполярного транзистора в схеме с ОЭ, равна:

— активная составляющая дифференциальной проводимости участка коллектор — эмиттер биполярного транзистора в схеме с ОЭ, находится по формуле:

— емкость эмиттерного перехода биполярного транзистора в схеме с ОЭ, отражающая реактивную составляющую его полной дифференциальной проводимости (для биполярного транзистора в схеме с ОЭ емкость в основном обусловлена диффузионной емкостью открытого эмиттерного перехода транзистора), на практике для нахождения емкости С_6э можно пользоваться следующим приближением:

где ( — предельная частота проводимости прямой передачи транзистора, на которой

— емкость коллекторного перехода биполярного транзистора в схеме с ОЭ, отражающая реактивную составляющую его полной дифференциальной проводимости (эта емкость обусловлена в основном барьерной емкостью коллекторного перехода транзистора):

где — измеренная емкость коллекторного перехода (берется из документации на конкретный транзистор);

— емкость участка коллектор—эмиттер биполярного транзистора в схеме с ОЭ, отражающая реактивную составляющую полной дифференциальной проводимости для расчета можно пользоваться следующей приближенной формулой:

, где —распределенное сопротивление базы транзистора (иногда присутствует в стандартной документируемой информации);

Y—коэффициент (в общем случае комплексный), равный: поскольку на низких частотах определенной полосе частот можно считать: где — крутизна характеристики передачи транзистора.

Данная модель позволяет более или менее точно описывать поведение биполярных и полевых транзисторов на частотах . Иногда элементы приведенной на рис. 4.11 эквивалентной схемы обозначают большими буквами с цифровыми индексами: