Y-параметры транзисторов.
Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства. С помощью
параметров можно оценивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением
транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы.
Для транзисторов предложено несколько различных систем параметров, у каждой свои досто-
инства и недостатки.
Все параметры делятся на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные характе-
ризуют свойства самого транзистора, независимо от схемы его включения, а вторичные пара-
метры для различных схем включения различны.Основные первичные параметры: коэффици-
ент усиления по току α, сопротивления rб, rэ, rк.
Y-параметры относятся ко вторичным параметрам. Они имеют смысл проводимостей. Для
низких частот они являются чисто активными и поэтому их иногда обозначают буквой g с со-
Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рассматривается как
четырёхполюсник (2 входа и 2 выхода). Вторичные параметры связывают входные и выход-
ные переменные токи и напряжения и справедливы только для малых амплитуд. Поэтому их
ещё называют низкочастотными малосигнальными параметрами.
Входная проводимость: y11 = ΔI1 / ΔU1, U2 = Const. Проводимость обратной связи: y12 = ΔI1 /
Параметр y12 показывает, какое изменение тока I1 получается за счёт обратной связи при из-
менении выходного напряжения U2 на 1В. Проводимость управления (крутизна): y21 = ΔI2 /
Величина y21 характеризует управляющее действие входного напряжения U1 на выходной ток
I2 и показывает изменение I2 при изменении U1 на 1В. Выходная проводимость:
y22 = ΔI2 / ΔU2, U1 = Const. В систему y-параметров иногда добавляют ещё статический коэф-
фициент усиления по напряжению
μ = — ΔU2 / ΔU1 при I2= Const. При этом μ = y21 / y22.
Достоинство y-параметров — их сходство с параметрами электронных ламп. Недостаток –
очень трудно измерять y12 и y22, т. к. надо обеспечить режим КЗ для переменного тока на вхо-
де, а измеряющий микроамперметр имеет сопротивление, сравнимое с входным сопротивле-
нием самого транзистора. Поэтому гораздо чаще используют смешанные (или гибридные) h
параметры, которые удобно измерять и которые приводят во всех справочниках.
Температурные и частотные свойства
Температурное свойство транзисторов
Частотное свойство транзисторов
Фототранзисторы
1) Температурное свойство транзисторов.Диапазон рабочих температур транзистора
определяется температурными свойствами p-n перехода. При его нагревании от комнатной
температуры (25 єC) до 65 єC сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода умень-
шается на 15 – 20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора Iкбо. Он
увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10єC. Всё это влияет на характеристики
транзистораи положение рабочей точки (смотрите Рис. 88).
Ток коллектора увеличивается, а напряжение Uкэ уменьшается, что равносильно открыванию
транзистора. Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температур-
2) Частотное свойство транзисторов.Диапазон рабочих частот транзистора определя-
ется двумя факторами:
Наличие барьерных ёмкостей на p-n переходах. Коллекторная ёмкость влияет значительно
сильнее, так как она подключается параллельно большому сопротивлению (смотрите Рис.
Возникновение разности фаз между токами эмиттерами и коллектора. Ток коллектора от-
стаёт от тока эмиттера на время, требуемое для преодоления базы носителями заряда.
С увеличением частоты коэффициент усиления по току уменьшается. Поэтому для оценки ча-
стотных свойств транзистора применяется один из основных параметров — параметр гранич-
ной частоты fгр. Граничной частотой называется такая частота, на которой коэффициент уси-
ления уменьшается в √2 раз. Коэффициент усиления через граничную частоту можно опреде-
лить по формуле
βo – коэффициент усиления на постоянном токе
f – частота, на которой определяется коэффициент усиления β.
3) Фототранзисторы.Фототранзистором называется фотогальванический приёмник све-
тового излучения, фоточувствительный элемент которого представляет собой структуру тран-
зистора, обеспечивающую внутреннее усиление (смотрите Рис. 93).
При освещении базы в ней происходит фотогенерация носителей зарядов. Неосновные носи-
тели заряда уходят в коллектор через закрытый коллекторный переход, а основные скаплива-
ются в базе, повышая тем самым отпирающее действие эмиттерного перехода. Ток эмиттера, а
следовательно, ток коллектора возрастает. Значит, управление коллекторным током фототран-
зистора осуществляется током базы транзистора.
2.2 Комплексные y-параметры полевого транзистора
Основным (базовым) включением полевого транзистора полагается включение с общим истоком, когда этот электрод усилительного элемента является общим для входной и выходной цепи-рис2.2.
На рис.2.2 изображены: СЗИ, СЗС,СИС—межэлектродные ёмкости транзистора,S0,gi– дифференциальные крутизна и внутренняя частотно-независимая проводимость его выходной цепи. ПараметрыS0иgiиногда обозначают также какg21 иg22соответственно. Приведенная схема транзистора справедлива до частот не превышающих 400МГц. На более высоких частотах следует учитывать индуктивности выводов транзистора и усложнять его эквивалентную схему. Представим схему изображенную рис. 2.2 в виде цепи с комплекснымиY-параметрами, которая приведена на рис.2.1. Связь между токами и напряжениями на входе и выходе такой цепи записывается в виде:
(2.8)
Из записи выражения (2.8) следует, что для определения комплексных Y-параметров схемы рис.2.2 необходимо провести опыты короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе. При опытеКЗна выходе в схеме рис.2.2.получим:
.
В рабочем диапазоне частот для полевых транзисторов обычно выполняется неравенство |jωCЗС|
При включении транзистора с общим затвором его эквивалентная схема выглядит так, как изображено на рис.2.3.Для этой схемы можем записать:
Системы параметров Z,Y,H.
Транзистор в активном режиме работы описывается различными системами дифференциальных параметров, которые рассматриваются как линейные, а сам транзистор является в этом случае линейным четырехполюсником ( 4.8.).
Комплексные амплитуды тока и напряжения во входной цепи четырехполюсника обозначают 
и 
. Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряжение обозначают 
и 
.
Рис.4.8. Представление транзистора как линейного четырехполюсника
Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается различными системами параметров, в частности наиболее часто используются три системы : Z-;Y-; и H- параметры.
В системе Z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов 
;
Схема замещения БТ для системы Z- параметров приведена на рис.4.9.
В этом случае сами параметры можно записать как:
– входное сопротивление транзистора;(4.6)
– сопротивление обратной связи транзистора;(4.7)
– сопротивление прямой передачи БТ;(4.8)
– выходное сопротивление.(2.24)
Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения
В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений 
, (4.9)
Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров
Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока 
отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор 
– влияние входного напряжения на выходной ток.
В этом случае можно определить параметры, как :
– входная проводимость;(4.10)
– проводимость обратной передачи;(4.11)
– проводимость прямой передачи;(4.12)
– выходная проводимость. (4.13)
Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.
Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.
Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.
Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.
; (4.14)
. (4.15)
Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.
Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,
– входное сопротивление;(4.16)
– коэффициент обратной связи по напряжению;(4.17)
– коэффициент передачи по току; (4.18)
– выходная проводимость.(4.19)
Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.
Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.
В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.
Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров 
и 
в заданной рабочей точке А ( 
, 
, 
) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:
, (4.20)
. (4.21)
Параметры 
и 
определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h21Э и дифференциального параметра h21э. В окрестности точки А’ ( 
, , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:
, (4.22)
. (4.23)
Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.
Физические Т-образные эквивалентные схемы замещения БТ часто используются для анализа малосигнальных транзисторных усилителей.
Для включения БТ с ОБ и ОЭ эквивалентные схемы представлены на рис. 4.12. и рис. 4.13. соответственно.
Рис. 4.12. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОБ
Параметры эквивалентных схем маломощных БТ обычно принимают следующие типовые значения: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода 
– единицы – десятки ом; объемное сопротивление базы 
– сотни ом – единицы килоом; выходное сопротивление в схеме с ОБ 
– сотни килоом – единицы мегаом; выходное сопротивление в схеме с ОЭ 
– десятки – сотни
Рис.4.13. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОЭ
Значения параметров могут быть найдены с использованием известных h-параметров.
с ОБ: 
, 
, 
, 
; (4.24)
с ОЭ: 
, 
, 
, 
. (4.25)
Коэффициенты обратной связи по напряжению h12э для обеих схем включения БТ имеют очень малую величину, поэтому при определении h- параметров точность вычисления некоторых параметров с использованием статических ВАХ оказывается низкой. В связи с этим при расчете параметров эквивалентной схемы целесообразно использовать выражение для легко определяемого сопротивления эмиттерного перехода
(4.26)
где 
– тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; 
– ток эмиттера БТ в рабочей точке. Связанное с ним объемное сопротивление базы БТ также целесообразно рассчитать согласно выражению
. (4.27)
Температурные свойства биполярного транзисторамогут быть рассмотрены из следующих соображений:
1) имеется зависимость тока неосновных носителей Iкбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 о С у германиевых транзисторов и на каждые 7 о С у кремниевых;
2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения DUбэ / DТ » — 2,5 мВ/ о С);
3) коэффициент передачи тока базы b (h21) с повышением температуры увеличивается.
Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток Iкбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.
Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ. Можно определить, что при изменении температуры, например, с 20 о С до 70 о С у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока Iкбо в 1)-20 раз раз, то есть ток Iкбо ( от начального значения 5-30 мка) равен увеличится до величины 100-300 мКА, что незначительно увеличит ток коллектора, среднее значение которого 10-50 мА.
В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как начальный ток коллектора Iкэо будет в (b+1) раз больше тока Iкбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при изменении температуры на те же +50 о С произойдет увеличение тока неосновных носителей Iкэо до 10-20 мА, а коллекторный ток при этом изменится не менее чем в два раза, что значительно повлияет на режим транзистора и на его основные характеристики.
В общем случае влияние температуры на БТ проявляется также в смещении входных характеристик при изменении температуры, что приводит к смещению рабочей точки на характеристиках БТ и появлению искажений в усиливаемом сигнале.
Частотные свойства биполярного транзистора можно оценить, исходя прежде всего из двух основных причин:
1) влияние диффзионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек-
2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.
Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:
предельная частота транзистора fпр — это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера a уменьшается в Ö2 раз по сравнению с «a», измеренном на частоте 1000Гц;
граничная частота транзистора fгр — это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0,1fгр ’ бСк — постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r ’ б — распределенное омическое сопротивление базовой области; Ск — емкость коллекторного перехода.
Максимально допустимые параметры БТ. Для обеспечения надежной работы аппаратуры режимы работы транзисторов должны выбираться таким образом, чтобы ток и напряжение не выходили за пределы области допустимых режимов, которая определяется следующими параметрами: максимально допустимый постоянный ток коллектора 
; максимально допустимое постоянное обратное напряжение коллектор–эмиттер 
; максимально допустимое постоянное обратное напряжение эмиттер–база 
; максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора 
. Обычно в справочнике приводятся значения этих параметров для температуры корпуса 
, при которой обеспечивается максимальная мощность рассеивания. При увеличении температуры выше рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле
, (4.29)
где 
– температура перехода; 
– температура корпуса; 
– тепловое сопротивление переход–корпус.
Классификация и система обозначений биполярных транзисторов. По мощности, рассеиваемой коллектором, транзисторы бывают: малой мощности 
; средней мощности 
; большой мощности 
.
По частотному диапазону в зависимости от граничной или максимальной рабочей частоты транзисторы делятся на низкочастотные 
; средней частоты 
; высокочастотные 
; сверхвысокочастотные 
.
Для маркировки биполярных транзисторов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.
Первый элемент – буква русского алфавита или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия. Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – биполярный, П – полевой. Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и рассеиваемую мощность транзистора (табл. 4.1). Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент – буква русского алфавита, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.
Примеры обозначения транзисторов: КТ315А – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 15, группа А; КТ806Б – кремниевый БТ, большой мощности, средней частоты, номер разработки 06, группа Б; ГТ108А – германиевый БТ, малой мощности, низкой частоты, номер разработки 08, группа А; КТ3126Б – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 126, группа Б.
