Биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой. Статистические характеристики, параметры

Биполярный транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n перехода и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Соответственно, в состав транзистора входят три последовательно расположенных слоя полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы. Наиболее широко распространен первый тип в связи с возможностью работы в более высокочастотной области, так как в них основную роль играют электронные токи. В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей транзисторов, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» – «два»). Выводы (металлические электроды) от слоев транзистора обозначаются начальными буквами названий соответствующих слоев (К, Б, Э). Напряжение на выводах, взятые по отношению к потенциалу земли, обозначаются буквенными индексами соответствующего слоя: UК, UБ и UЭ − напряжения на коллекторе, базе и эмиттере.

Для схемы ОБ входным током является ток базы i_Б , входным напряжением – напряжение u_ЭБ , выходным током – ток коллектора i_К , а выходное напряжение u_КБ .Поскольку напряжение u_ЭБ отрицательно, то для удобства построения графиков ВАХ его заменяют положительным напряжением u_БЭ . На рис. 3.5 показан примерный вид входных ВАХ транзистора с ОБ.

Рис. 3.5

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u_КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения u_КБколлекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u_БЭ при неизменном входном токе.

Модуляция толщины базы проявляется в большей степени при малых выходных напряжениях, и меньше при больших Иногда это явление уже заканчивается при u_КБ > 2 В, и входные ВАХ при больших напряжениях сливаются в один график.

Так же, как у диода, входные ВАХ при заданных постоянных напряжениях позволяют определить статические и дифференциальные (динамические) сопротивления :

,

.

Выходными ВАХ для схемы с ОБ являются зависимости выходного коллекторного тока от напряжения коллектор-база при постоянных токах эмиттера . На рис. 3.6 показаны примерные графики выходных ВАХ.

Рис. 3.6

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при u_КБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области u_КБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при u_КБ < -0,75 В. При u_КБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора I_К0, то есть график ВАХ, соответствующий i_Э = 0, практически сливается с осью напряжений.

При увеличении эмиттерного тока и положительных выходных напряжениях транзистор переходит в активный режим работы.

Ток коллектора связан с током эмиттера соотношением

,

где - статический коэффициент передачи тока эмиттера; он равен отношению тока коллектора к току эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы; I_К0 – обратный ток коллектора.

Отношение малых приращений этих же токов определяет дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

.

Наклон выходных характеристик численно определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода, включенного в обратном направлении. Он протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Учитывая малость величины обратного тока по сравнению с коллекторным током в активном режиме, можно считать, что ток коллектора в активном режиме прямо пропорционален току эмиттера:

.

При значительных эмитерных токах и напряжениях на коллекторном переходе линии ВАХ начинают изгибаться вверх из-за намечающегося пробоя коллекторного перехода.

Так как обратный ток коллектора возрастает при увеличении температуры , то и графики выходных ВАХ при увеличении температуры смещаются вверх.

В активном режиме выходное напряжение u_КБ и мощность , выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть большими. Чтобы транзистор не перегрелся, необходимо выполнение неравенства

,

где P_{K, max} - максимально допустимая мощность для данного типа транзистора.

Чтобы правильно выбрать параметры схемы, где будет работать транзистор, на выходных ВАХ строят так называемую линию допустимой мощности, определяемую заданной максимально допустимой мощностью. Уравнение этой линии

.

На рис. 3.6 эта линия показана пунктиром. Мгновенные значения выходных тока и напряжения не должны выходить за пределы линии максимально допустимой мощности. Область допустимой работы ограничивается также значениями максимально допустимых выходного тока и выходного напряжения I_{К, max} и U_{KБ, max} .

Транзистор, включенный по схеме с общей базой, используется в усилителях напряжения и мощности, так как несмотря на то, что выходной ток почти равен входному, выходное напряжение значительно больше входного. Из-за достаточно большого выходного сопротивления транзистор с ОБ используют в источниках стабильного тока.

20. Динамический режим транзистора, включенного по схеме с общим базой. Выбор и задание рабочей точки.

Также как в усилительных схемах на электронных лампах, при работе транзистора в динамическом режиме в его входной цепи - источник преобразуемого напряжения, а в выходной – нагрузка.

Мы рассмотрим две схемы усилителя на транзисторе. Одна из них называется схемой с общей базой, другая схемой с общим эмиттером.По этой схеме, благодаря переменному напряжению в цепи меняется эмиттерный ток, что приводит к изменению тока базы и тока коллектора. Изменения эмиттерного тока порождают изменения сопротивления коллекторного перехода с очень большой амплитудой. Когда коллекторный ток увеличивается, запирающий слой коллекторного перехода обогащается основными носителями (в p-n-p-транзисторе – дырками), и его сопротивление уменьшается. Когда коллекторный ток уменьшается, запирающий слой обедняется основными носителями, его сопротивление увеличивается. Например, изменение эмиттерного тока от 0,5 мА до 2,5 мА приводит к изменению коллекторного сопротивления от 20 кОм до 0,8 кОм. Принимая во внимание, что коллекторный переход подключён к источнику тока с большой ЭДС, можно сделать вывод, что напряжение на нагрузке, а, следовательно, и выходное напряжение будет меняться с большей амплитудой.

Здесь r_к – переменное сопротивление коллекторного перехода, R_к – сопритвление коллекторной цепи, примерно равное сопротивлению коллекторного перехода в статическом режиме постоянного тока.

U_k= E₂ – U_R (24)

Пусть во входной цепи напряжение меняется по гармоническому закону

u = U_0вх sin ωt,

причём выполняется условие

В противном случае эмиттерный переход периодически будет закрываться, и сигнал на входе получится искажённым.

На рисунке 58а изображена осциллограмма входного сигнала, на рисунке 58б – напряжение на эмиттерном переходе, на рисунке 58в – эмиттерного или коллекторного тока (примем во внимание, что коллекторный ток базы очень мал по сравнению с ними), на рисунке 58г – осциллограмма сопротивления коллекторного перехода, на рисунке 58д – напряжение на транзисторе, на рисунке 58е – выходного напряжения.

При этом амплитуда выходного напряжения может быть в зависимости от параметров транзистора и соотношения между Е₂ и Е₁ значительно больше, чем амплитуда входного напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме от 50 до 150.

Коэффициент усиления по току в этой схеме примерно равен 1, точнее немного меньше ( от 0,95 до 0,998).

Поэтому коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по напряжению.

Конденсатор в схеме служит для ликвидации на выходе постоянной составляющей усиленного сигнала.

Основной недостаток усилителей по схеме с общей базой в их малой мощности. Кроме того, на этой схеме нельзя строить многокаскадные усилители, так как из-за малого сопротивления входной цепи (а сопротивлении эмиттерного перехода) входная цепь следующего каскада приводит к короткому замыканию предыдущего.

В таком усилителе входной сигнал управляется током сетки, и поэтому коэффициент усиления по току здесь весьма значителен. Обозначим коэффициент усиления по току для усилителя по схеме с общим эмиттером β

но Δi_с = Δi_э - Δi_к Разделим числитель и знаменатель на Δi_к

Пусть α = 0,99, тогда β = 99

Так как коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов по току и по напряжению, коэффициент усиления по мощности усилителя по схеме с общим эмиттером составляет десятки тысяч.

Поскольку во входной цепи такого усилителя проходит ток базы, то сопротивление её равно сопротивлению базы, которое составляет сотни Ом.

Следовательно, эта схема может быть использована в качестве каскада многокаскадного усилителя.

В этой схеме R₂ >> R₁. Если R₁ – несколько кОм, то R₂ – может достигать 1 МОм.

Резистор R₂ подсоединён последовательно с эмиттерным переходом к источнику тока с ЭДС, равной около10 В. Тогда напряжение, поданное на транзистор от источник а тока распределяется между R₂ и эмиттеным переходом пропорционально их сопротивлениям, то есть на долю эмитерного перехода приходится его ничтожная часть, порядка 0,1 В; этим обеспечивает прямое напряжение на эмиттерном переходе.

На рисунке 62 изображена схема с общим эмиттером, в эмиттерной цепи которой подключена R-C- цепочка, выполняющая роль стабилизатора теплового режима транзистора.

Если при работе усилителя по каким-либо причинам эмиттерный и коллекторный токи возрастают до значений больших допустимого, то вследствие увеличения выделяющегося тепла в транзисторе температура е6го возрастает.

А так как полупроводники по своим проводящим свойствам обладают высокой чувствительностью к изменению температуры, то увеличение температуры приводит к дальнейшему увеличению тока, транзистор нагревается и быстро выходит из строя.

Чтобы воспрепятствовать этому последовательно с эмиттером подключают резистор, сопротивление которого того же порядка, что и сопротивление эмиттерного перехода.

Когда эмиттерный ток увеличивается сверх меры, сопротивление эмиттерного перехода уменьшается, и увеличивается падение напряжения на сопротивлении R₃. И, следовательно, уменьшается напряжение на эмиттеном переходе, а, следовательно, и эмиттерный ток до такой величины, при котором температурный режим работы транзистора сохраняется стабильным.

Конденсатор С₂ служит для того, чтобы при работе усилителя напряжение на R₃ сохранялось постоянным, примерно равным Ε₁.

С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ.

В практических схемах транзисторных усилителей в выходную цепь транзистора наряду с источником питания включают сопро­тивление нагрузки, а во входную — источник усиливаемого сиг­нала.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динами­ческим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзи­стора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Рас­смотрим работу транзистора, включенного по наиболее распро­страненной схеме с общим эмиттером, в динамическом режиме (рис. а). В этой схеме напряжение источника питания Е_п распределяется между участком коллектор — эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлением R_н так, что напряжение

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора I_К. Это приводит к изме­нению напряжения на R_н, в результате чего изменяется и напря­жение U_КЭ.

Обратим внимание на то, что питание транзистора в рассматри­ваемой схеме (как и в любой другой схеме с общим эмиттером) производится от одного источника Е_п. Напряжение на эмиттерный переход подается через резистор R_Б в цепи базы. Величина сопро­тивления этого резистора определяет исходную величину постоян­ного тока базы транзистора при отсутствии входного сигнала.

Характеристики транзистора, находящегося в динамическом режиме, отличаются от характеристик статического режима, так как они определяются не только свойствами самого транзистора, но и свойствами элементов схемы.

Наиболее часто используются выходные и входные динамиче­ские характеристики.

На рис. б изображены выходные статические характеристи­ки транзистора и приведена динамическая характеристика (нагру­зочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки R_н. Положение нагрузочной прямой на статических характеристи­ках однозначно определяется напряжением источника питания Е_К и сопротивлением резистора R_н. Точка В пересечения нагру­зочной прямой с осью напряжений совпадает с точкой, в которой напряжение на коллекторе равно Е_К. Действительно, эта точка со­ответствует случаю, когда ток коллектора равен нулю. При этом ток в нагрузочном сопротивлении отсутствует и падение напряже­ния на сопротивлении нагрузки равно нулю. Следовательно, все напряжение источника питания Е_К оказывается приложенным к участку коллектор—эмиттер транзистора.

Точка А пересечения нагрузочной прямой с осью токов совпа­дает с точкой, для которой удовлетворяется условие ,

так как ток коллектора в случае, если бы транзистор можно было открыть полностью (или закоротить), ограничивался бы только величиной сопротивления R_н.

Все промежуточные положения точек на линии нагрузки ха­рактеризуют возможные напряжения и токи в соответствующих цепях транзистора при подаче сигнала с учетом сопротивления нагрузки. Любому току базы соответствуют вполне определенные значения тока коллектора и коллекторного напряжения. Входная динамическая характеристика представляет собой за­висимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме (рис. в):

Чтобы построить входную динамическую характеристику, нуж­но для каждого напряжения на коллекторе (для которого имеется статическая входная характеристика) определить по выходной ди­намической характеристике соответствующий ток базы. Затем на входных статических характеристиках следует отметить точки, которые соответствуют найденным значениям токов базы.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое на­пряжение, а на коллекторный — обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора. Вследствие того, что на­пряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напря­жения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Практи­чески транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напря­жением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практи­чески не регулируется током входной цепи. В этом режиме транзи­стор полностью открыт.

21.Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система z-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I₁ и I₂, а напряжения U₁ и U₂ будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

Коэффициенты z_ik в этих уравнениях определяются следующим образом:

- определяются как входное и выходное сопротивления.

- сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I₁ = 0) и выходе (I₂ = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I₁ = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I₁ = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I₂ = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).

Система y-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U₁ и U₂, а токи I₁ и I₂ будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

- входная и выходная проводимости.

- проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U₁ = 0) и выходе (U₂ = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U₁ = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U₂ = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U₂ = 0) и режим холостого хода на входе (I₁ = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U₁, при этом система, описывающая связь входных I₁, U₂ и выходных I₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника:
а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

Таблица 2. Связи между h параметрами

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h_21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) - коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.

Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх

Поиск по сайту: