Схема замещения транзистора для режима большого сигнала (ОБ). Область применимости

Схема замещения БТ для режима большого сигнала применима для расчета режима по постоянному току. При расчете режимов транзисторных каскадов на постоянном токе, когда требуется выбирать положение рабочей точки, характеризующей токи транзистора и падения напряжения на нем (режим большого сигнала), используют эквивалентные схемы транзистора для постоянного тока (рисунок 15).

Рисунок 15 – Упрощенная эквивалентная схема p-n-p транзистора, включенного по схеме с общей базой

Схема с общей базой

Рисунок 5 – Схемы включения БТ с ОБ: а) p-n-p, б) n-p-n

Напряжения на электродах для схемы с ОБ на p-n-p транзисторе: на эмиттерном электроде +0,7 (кремний) или +0,35 (германий) на базе нулевое напряжение (если база заземлена), на коллекторном электроде -10В. Соотношение напряжений на электродах остается постоянным в независимости от типа транзистора и его включения. Меняется только полярность напряжения. При этом следует помнить, что эмиттерный переход должен быть открыт, а коллекторный закрыт.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рис. 6). При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ р-n-перехода. С рос­том обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0, для р-n-р-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области происходит смещение характеристики вверх; I_Э растет при вы­бранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ. Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ.

Связь небольших приращений тока ∆ I_Э и напряжения ∆ U_ЭБ при U_КБ = const в любой точке характеристики учитывается дифференциальным параметром, называемым входным со­противлением:

Цифры в индексе означают, что оба приращения относятся к вход­ной цепи, а буква указывает на схему включения с ОБ. Влияние из­менения U_КБ на I_Э учитывается дифференциальным параметром – коэффициентом обратной передачи:

Названия дифференциальных параметров взяты из теории четы­рехполюсников.

Рисунок 6 – Семейство входных и выходных ВАХ схемы с ОБ

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рис. 6,б).

Выходная характеристика р-n-р-транзистора при I_Э = 0 и обрат­ном напряжении (U_КБ <0) подобна обратной ветви р-n-перехода (ди­ода). При этом I_К = I_КБО, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор-база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине. Чем боль­ше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требу­ется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 6,б. где U_КБ < 0 (об­ратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой I_К = α I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра Iэ. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока можно считать постоянным, не зависящим от значения U_КБ. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте | U_КБ | приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Наклон выходных характеристик, вызванный эффектом Эрли, учитывается дифференциальным параметрам – выходной проводимостью

Связь приращений коллекторного ∆ I_К и эмиттерного ∆ I_Э токов характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера h_21Б, который обычно мало отличается от интегрального коэффициента α:

Схема с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером (ОЭ) источники напряжения база-эмиттер Uбэ и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ включены относительно общей точки, с которой соединен эмиттер. Схемы включения с ОЭ представлены на рисунке 7 для транзистора n-p-n (а) и для транзистора p-n-p -типов (б). Полярности обоих источников и величины напряжений Uбэ и Uкэ должны обеспечивать нормальный активный режим.

Рисунок 7 - Схемы включения с общим эмиттером биполярных транзисторов: а – типа n-p-n; б – типа p-n-p

Входными величинами являются ток базы Iб и напряжение между базой и эмиттером Uбэ, выходными – ток коллектора Iк и напряжение Uкэ. Для отпирания эмиттерного перехода напряжение база-эмиттер должно быть прямым: для n-p-n -транзистора – положительным, для p-n-p -транзистора– отрицательным.

Для обратного смещения коллекторного перехода напряжение коллектор-эмиттер должно иметь такую же полярность, как и напряжение база-эмиттер, к тому же величина Uкэ должна быть не меньше Uбэ. Одинаковая полярность напряжений Uбэ и Uкэ – это достоинство схемы с ОЭ, позволяющее использовать для питания схемы один источник, в отличие от схемы с ОБ, в которой требуются два разнополярных напряжения Uэб и Uкб.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости I_Б=f(U_БЭ), причем параметром является на­пряжение U_КЭ (рис. 8,а). Для р-n-р-транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода так как U_ЭБ = – U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэто­му входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Рисунок 8 – Семейство входных и выходных ВАХ БТ в схеме с ОЭ

Вторая характеристика на рис. 8,а относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ долж­но быть в р-n-р-транзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжение U_ЭБ. В этом случае U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ – U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения I_Б = (1 – α )I_Э – I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически от­сутствует (I_Э = 0) и ток I_Б = – I_{КБО ,} т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = – U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 – α )I_Э. Когда (1 – α )I_Э = I_КБО. Ток I_Б = 0.

При дальнейшем росте U_БЭ (1 – α )I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост | U_КЭ | означает рост | U_КБ | и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики вниз).

Как и в схеме с ОБ, для входных характеристик используются дифференциальные параметры: входное сопротивление

коэффициент обратной передачи

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рис. 8,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях | U_КЭ |, превышающих | U_БЭ |. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать | U_БЭ | следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений (точки В, В′, В").

Если параметр I_Б = 0 («обрыв» базы), то в соответствии с I_К = I_КЭО = (β + 1)I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = – I_КБО. Выходная ха­рактеристика с параметром I_Б = – I_КБО может быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Связи приращений величин в семействе выходных характери­стик представляются дифференциальными параметрами:

выходной проводимостью

дифференциальным коэффициентом передачи тока базы

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э ≈ β h_22Б). Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора ∆ I_К, т.е. увеличение выходной проводимо­сти h_22Э (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

 

Схема с общим коллектором

Рисунок 9 – Схема включения БТ с общим коллектором

Для схемы включения транзистора с ОК обычно справочные данные, в том числе по ВАХ, не приводятся. Входными переменными являются базовый ток i _Б и напряжение u _БК, выходные – ток эмиттера и напряжение эмиттер - коллектор. Входные ВАХ по форме мало отличаются от входных ВАХ схемы ОЭ, но диапазон изменения входного напряжения здесь практически такой же, как диапазон изменения выходного напряжения (см.рис.3.8,а, где пунктиром показана входная ВАХ транзистора с ОЭ). Поскольку выходное напряжение здесь отличается от выходного напряжения транзистора ОЭ на относительно малую величину u _БЭ, то и выходные ВАХ мало отличаются от ВАХ транзистора ОЭ, лишь для того же входного тока выходной ток несколько выше, поскольку i _Э = i _К + i _Б и i _Б << i _К (см.рис.3.8,б).

Рисунок 9 - Семейство входных и выходных ВАХ БТ в схеме с ОК

Коэффициент передачи тока в этой схеме включения транзистора равен

Выходное напряжение чуть меньше выходного, так как . Поэтому схемы с использованием транзистора с ОК называют повторителями напряжения или эмиттерными повторителями, поскольку нагрузка обычно подключаются к эмиттеру. Для анализа схем с ОК достаточно иметь ВАХ или параметры транзисторов с ОБ или ОЭ.

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом, происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала.

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Рисунок 10 – Схемы включения БТ с ОБ (а), с ОЭ (б), с ОК (в)