晶体管的低频参数和等效电路

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晶体管和电子管一样,可以用各种参数来表征它的性能,也可以利用等效电路进行各种计算。在了解晶体管的性能、选用晶体管和进行线路分析和设计时,需要了解和掌握这些参数和等效电路。但是,由于晶体管的工作比较复杂,它的参数和等效电路不像电子管的那祥简单。大家知道,电子管在低频交流小信号(就是交流信号比起直流工作点很小的情况)的作用下,可以用一个等效发电机(定电压的或者是定电流的)和一个电阻的等效电路代替,这时电子管只有开路电压放大系数μ和屏极内阻rp或者互导gm等几个简单的参数。晶体管即使在低频交流小信号的作用下,也要用含有一两个等效发电机和几个等效电阻的等效电路来代替;而且由于推导等效电路时的出发点不同,可能有各种形式上互不相同等效电路和参数。下边我们仅就其主要的加以讨论。

1.晶体管的低频器件参数和自然等效电路

从晶体管本身的物理作用原理出发引出的晶体管参数和等效电路,叫做晶体管的器件参数和自然等效电路,或叫晶体管的基本参数和模拟等效电路。晶体管在低频下运用时,相应地称为低频器件参数和低频自然等效电路。

大家知道,晶体管在工作时,发射极e和基极b之间加正向偏压,对电流来说是通流方向。发射结电压变化时,通过发射结的电流变化很大。因此发射结可用一个低的正向电阻r\(_{e}\)来表示,如图1所示,re叫做发射极电阻。

图1
图1 🔍原图 (549×256)

集电极c和基极b之间是加反向偏压。集电结电压的变化,对通过集电结的电流影响极小。因此这个作用可以用一个很大的反向电阻r\(_{c}\)表示,叫做集电极电阻。另一方面,从发射极注入基极区的载流子,绝大部分都通过基极扩散到达集电结,并受到集电结电场的帮助越过结而到达集电极。这部分电流就是aie,这里a是大家所熟悉的短路电流放大系数,而i\(_{e}\)为发射极电流。这电流只受发射结电压的影响,与集电结电压无关。因此可以把集电结看成是由集电极电阻rc和一个定流发电机ai\(_{e}\)并联组成的,如图1所示。有aie的存在,才有晶体管的正向放大作用。

晶体管除有这种正向放大作用之外,还有反向的反馈作用。当集电结电压变化时,基极区宽度也跟着变化,于是发射极电流就会受到影响而发生变化,这各反馈作用可以用在发射结的位置上并接一个定流发电机g\(_{ec}\)来表示,如图1所示。这里υc代表集电结上的电压,它和u\(_{c}\)相差很少。

上述的各种物理作用是晶体管内部固有的作用。除此以外,由于晶体管各电极都是由半导体作成的,那就很自然的会呈现一定的欧姆电阻,等于分别串接在各电极上。但因为发射极的欧姆电阻很小,可以忽略;集电极的欧姆电阻甚小于r\(_{c}\),也可以忽略,所以一般只将基极的电阻rb画在电路内(见图1)。

把上述各个参数按照它们的物理作用画成如图1所示的等效电路,就是晶体管的T形自然等效电路,其中的r\(_{e}\)、rc、r\(_{b}\)、gec和a等参数就是低频器件参数。

2.晶体管的低频线路参数和等效电路

上述的晶体管低频器件参数和自然等交电路物理意义很明确。但是这种参数数量较多,等效电路比较复杂,而且这些参数又很难直接测量出来,所以对晶体管的使用和线路设计不方便。事实上,对晶体管使用者和线路设计者来说,只要用简明的参数和等效电路来表征晶体管的性能和它对外部所起的作用就行了,不需要完全地把晶体管内部的物理作用表征出来。所以在分析和设计晶体管线路时,常把晶体管看成一个“四端网络”来分析。四端网络就是具有四个引出端的电路,其中两个是输入端,两个是输出端,方框中可能包括各种屯路元件,如图2所示。输入端的交变电压为u\(_{1}\),交变电流为i1;输出端的交变电压为u\(_{2}\),交变电流为i2。我们研究这些电压和电流的变化情况,就可以了解方框内电路的各种特性,并作出它的等效电路。在分析时,可以把上述四个变数中的任意两个作为自变数,另外两个作为应变数。由于选用的自变数不同,所得到的等效电路和参数也不同。一般常用的是:(1)以i\(_{1}\)、i2为自变数;(2)以u\(_{1}\)、u2为自变数;(3)以i\(_{1}\)、u2为自变数。现在分别就这三种情况加以讨论。在讨论时,我们假定晶体管是运用在小信号低频情况下,可以把它看成是线性元件。这样,它的特性就可以用几个恒定的参数来表示,并且这些参数都和频率无关。

图2
图2 🔍原图 (487×183)

(1)电阻参数及T形等效电路

现在如果我们选i\(_{1}\)和i2为自变数,则u\(_{1}\)和u2为应变数,于是可得

u\(_{1}\)=r11i\(_{1}\)+r12i\(_{2}\) (1)

u\(_{2}\)=r21i\(_{1}\)+r22i\(_{2}\) (2)

式中r\(_{11}\)、r12、r\(_{21}\)、r22为常数,它们的意义如下所述。

如果i\(_{2}\)=0,也就是四端网络的输出端开路(对交流而言,以后同此),不流通信号电流,则由(1)式知:

r\(_{11}\)=u1i\(_{1}\)|i2=0 (3)

也就是r\(_{11}\)为在输出端开路时的输入电阻。

同样由(2)式知

r\(_{21}\)=u2i\(_{1}\)|i2=0 (4)

r\(_{21}\)称为输出端开路时的正向转移电阻,它表示输出端开路时由于输入电流而在输出端产生的输出电压,也就是表示电路的放大作用。

如果令输入端开路,i\(_{1}\)=0,由(1)和(2)式知

r\(_{12}\)=u1i\(_{2}\)|i1=0 (5)

r\(_{22}\)=u2i\(_{2}\)|i2=0 (6)

r\(_{12}\)称为输入端开路时的反向转移电阻,或反馈电阻,它表示输出端电流对输入端电压的反馈作用,r22是输入端开路时的输出电阻。

再把(1)、(2)两式少许变化一下可得

u\(_{1}\)=(r11-r\(_{12}\))i1+r\(_{12}\)(i1+i\(_{2}\)) (7)

u\(_{2}\)=(r21-r\(_{12}\))i1+(r\(_{22}\)-r12)i\(_{2}\)+r12(i\(_{1}\)+i2)。 (8)

从这两式可以很简单地画出图3(a)所示的T形等效电路。因为u\(_{1}\)等于(r11-r\(_{12}\))和r12上的电压降,u\(_{2}\)等于(r22-r\(_{12}\))和r12上的电压降加上(r\(_{21}\)-r12)这样一个定压发电机的电压。

图3
图3 🔍原图 (1169×256)

这样就得到了晶体管的T形线路等效电路。这个电路中的参数r\(_{11}\)、r21、r\(_{12}\)和r22,根据式(3)、(4)、(5)、(6)的定义,是可以在晶体管外电路中测量出来的。例如,根据式(3),将输出端开路,在输入端加一个信号电压u\(_{1}\),测量u1和i\(_{1}\),就得到r11=\(\frac{u}{_{1}}\)i1。知道了这几个参数,就可以根据图3a的等效电路来计算晶体管电路了。这就像知道了电子管的参数μ和r\(_{p}\)时,就可以根据电子管等效电路对电路进行计算一样。

应当指出,晶体管有三种连接电路,即共基极电路,共发射极电路和共集电极电路。很明显,如果连接电路不同时,r\(_{11}\),r12,r\(_{21}\)和r22的数据也就不同了。

现在我们以共基极连结电路为例来进一步讨论。这时输入端为发射极,输出端为集电极,于是,u\(_{1}\)=ue,i\(_{1}\)=ie,u\(_{2}\)=uc,i\(_{2}\)=lc。图3(a)中的各元件的名称和代表符号一般取为

r\(_{11}\)-r12=R\(_{e}\),称为发射极电阻,

r\(_{12}\)=Rb,称为基极电阻,

r\(_{22}\)-r12=R\(_{c}\),称为集电极电阻,

r\(_{21}\)-r12=R\(_{m}\),称为互阻,或转移电阻。

这就得到图3(b)所示的共基极连结的低频T等效电路。此图中的发电机是定压发电机,也可以用图3(c)中电流为a′i\(_{e}\)的定流发电机来代替。图3(c)中的a′数值是这样决定的。当(b)和(c)图中的1、2两点间都是开路时,1和2两点间电压应当相等,于是Rmi\(_{e}\)=Rca′i\(_{e}\),因此

a′=R\(_{m}\)/Rc。(9)

a′为等效电路中的发电机的电流放大系数。

比较图1和图3(c)可知,T形自然等效电路和T形线路等效电路非常相似。不同的是图1中多了一个发电机g\(_{ec}\)Vc。因此,这两个电路中相对应的参数,r\(_{e}\)和Re,r\(_{b}\)和Rb,r\(_{c}\)和Rc,a和a′,都是不相等的。但是,这两个电路表示的是同一个晶体管,它们对外电路的作用是一样的,也就是总地来说,它们两个是等效的。因此,我们可以说,将图1自然等效电路的参数r\(_{e}\)、rb、r\(_{c}\)和a稍加修正,变成Re、R\(_{b}\)、Rc和a,就可以把g\(_{ec}\)υc的反馈作用考虑进去,于是就成了图3(c)的线路等效电路了。计算证明:

R\(_{b}\)≈rb+\(\frac{1re}{2(1+a)}\)re,

R\(_{e}\)=\(\frac{1}{2}\)re

R\(_{c}\)≈rc a′≈a。

由此可见,去掉定流发电机g\(_{ec}\)υc时,对集电结参数r\(_{c}\)和a几乎没有什么影响,re约减小一半,只有R\(_{b}\)和rb相差较大,最大可达十倍以上。

(2)电导参数及П形等效电路

如果我们选u\(_{1}\)和u2为自变数,则i\(_{1}\)和i2为应变数,于是可得

i\(_{1}\)=g11u\(_{1}\)+g12u\(_{2}\) (10)

i\(_{2}\)=g21u\(_{1}\)+g22u\(_{2}\)。 (11)

式中:g\(_{11}\)=i1u\(_{1}\)|u2=0为输出端短路时的输入电导,(12)

g\(_{12}\)=i1u\(_{2}\)|u1=0为输入端短路时的反馈电导,(13)

g\(_{21}\)=i2u\(_{1}\)|u2=0为输出端短路时的正向转移电导,(14)

g\(_{22}\)=i2u\(_{2}\)|u1=0为输入端短路时的输出电导。(15)

由(10)、(11)两式可得到:

i\(_{1}\)=(g11+g\(_{12}\))u1+(-g\(_{12}\))(u1-u\(_{2}\)),(16)

i\(_{2}\)=(g21-g\(_{12}\))u1+(g\(_{22}\)+g12)u\(_{2}\)+(-g12)(-u\(_{1}\)+u2)。(17)

由此二式可以画出图4所示的П形等效电路。

图4
图4 🔍原图 (521×228)

(3)杂系参数及其等效电路

如果我们取i\(_{1}\)和u2为自变数,i\(_{2}\)和u1即为应变数,于是可得

u\(_{1}\)=h11i\(_{1}\)+h12u\(_{2}\),(18)

i\(_{2}\)=h21i\(_{1}\)+h22u\(_{2}\)。(19)

和前述相似,分别使输入端开路和输出端短路,可得h\(_{11}\),h12,h\(_{21}\),和h22各参数的意义如下:

h\(_{11}\)=u1i\(_{1}\)|u2=0为输出端短路时的输入电阻,(20)

h\(_{12}\)=u1u\(_{2}\)|i1=0为输入端开路时的电压反馈系数,(21)

h\(_{21}\)=i2i\(_{1}\)|u2=0为输出端短路时的电流放大系数,(22)

h\(_{22}\)=i2u\(_{2}\)|i1=0为输入端开路时的输出电导。(23)

由这四个参数的意义可知,h\(_{11}\)为电阻,h22为电导,h\(_{12}\)和h21只是一个系数。它们不像电阻参数或电导参数那样全是电阻或电导,所以h\(_{11}\),h12,h\(_{21}\)和h22的参数叫做杂系参数,也有叫h参数的。

由(16)和(17)式可直接得到图5所示的等效电路。

图5
图5 🔍原图 (537×278)

3.各种线路参数的转换和优缺点

上述的各种线路参数和等效电路都是从同一个四端网路引出来的。只是因为采用的自变数不同,所以导出的参数和等效电路形式上也有区别。但是,不论用那种等效电路来进行晶体管电路的计算,所得到的最终结果都是一样的。不仅如此,由于这些不同等效电路和参数都是代表同一个电路,所以它们之间自然就有一定的关系,可以互相转换。现在以从电阻参数转换成h参数为例来介绍转换的方法。从(18)、(19)式可得

u\(_{1}\)=h11h\(_{22}\)-h12h\(_{21}\)h22i\(_{1}\)+h12;h\(_{22}\)i2,(24)

u\(_{2}\)=h21h\(_{22}\)i1+1;h\(_{22}\)i2。(25)

使(1)、(2)、(24)、(25)各式相应的各项相等即得

图6
图6 🔍原图 (587×187)

用同样方法可得到其他参数之间的转换,结果如表1所示。

图7
图7 🔍原图 (616×954)

此外,各种等效电路都有共基极,共发射极和共集电极三种连结方法,因此各种参数也有相应的三种,它们之间也有一定的转换关系,这里不一一列举了。

上述的各种参数和等效电路各有优缺点。电阻等效电路和T形自然等效电路很相似,但是它和电子管的等效电路有很大差别,不便于线路分析。由于测量各r参数时,输入端输出端需要开路,而晶体管的输出电阻很大,在输出端很难造成对交流开路的条件,故不便于测量。电导等效电路和电子管的高频等效电路相似,可以和电子管线路同样地分析,但是在测量y参数时输入端输出端需要短路,而晶体管的输入电阻很小,在输入端很难造成对交流短路的条件,故也不便于测量。h参数等效电路有很多优点。首先,晶体管是电流控制的元件,因此以输入电流i\(_{1}\)作自变数是合适的,而在输出端是以电压u2为自变数。其次,在h参数中,h\(_{21}\)直接表示晶体管的基本参数之一的短路电流放大系数。最后比较重要的是,晶体管共基极和共发射极连结时的输入端为低阻抗,输出端为高阻抗,而h参数是要求输入端开路,输出端短路,因此容易满足要求,便于测量。由于这些原因,近年来h参数和等效电路用得越来越普遍,晶体管规格表上几乎都是列出h参数来表徵晶体管的性能。(于闻)