Схемы включения биполярных транзисторов

В теории цепей различные устройства принято представлять в виде некоторых четырёхполюсников с одним общим выводом или электродом.

 

 

Несмотря на то, что биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный прибор, он может быть представлен как черырёхполюсник.

 

 

 

 

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи транзистора, различают три схемы включения:

- с общим эмиттером (ОЭ);

- с общей базой (ОБ);

- с общим коллектором (ОК).

Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземлённым», хотя заземление может иметь другой смысл.

Принцип усиления электрических сигналов во всех этих схемах одинаков, но свойства схем различны.

Рассмотрим некоторые количественные показатели работы транзистора как усилителя для различных схем включения.

При любой схеме включения транзисторного усилительного каскада основными показателями являются:

 

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Входное сопротивление

Схема с ОЭ

;

;

.

 

Т – образная эквивалентная схема с ОЭ

 

. (сотни Ом)

KIэ >> 1; KUэ >> 1; KPэ >> 1;

Поскольку R_н >> R_{вх э},

то

 

 

Схема с ОБ

;

;

.

 

 

 

Т – образная эквивалентная схема с ОБ

 

;

;

.

Поскольку r_Э и r_Б – малы, – от единиц до десятков Ом

KIб < 1; KUб >> 1; KPб >> 1;

R_н >> R_{вх Б}, то

 

Схема с ОК

;

;

.

 

 

Т – образная эквивалентная схема с ОК

 

;

;

– десятки тысяч Ом

 

KIк >> 1; KUк < 1; KPк >> 1;

 

 

Ориентировочные значения основных показателей схем включения.

 

Тип схемы	Значения коэфф. усиления	(Ом)
ОЭ	10-100		до 10000	до сотен
ОБ	≈1	до 1000	до 1000	от единиц до десятков
ОК	10-100	≈1	до 100	десятки тысяч

 

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) биполярных транзисторов (статические характеристики).

Схемы для снятия ВАХ.

ВАХ транзисторов устанавливают связь между токами в электродах и напряжениями, приложенными к электродам. При любой схеме включения в транзисторе всегда связаны между собой четыре величины.

Зависимость между этими величинами определяется из двух семейств статических характеристик:

Входных: при ;

Выходных: при .

В зависимости от схемы включения транзистора значения будут различными. Поэтому и внешний вид характеристик будет различным.

В справочниках по транзисторам, как правило, приводятся типовые семейства характеристик, представляющие собой усредненные характеристики большого числа однотипных транзисторов для схем включения с ОБ и с ОЭ.

Для схем ОБ характеристики определяются зависимостями:

Входные: при ;

Выходные: при .

ВАХ в схеме с ОБ могут быть сняты по следующей схеме:

 

Схема для снятия статических ВАХ

транзистора n-p-n типа в схеме с ОБ.

Изменяя положение регуляторов резисторов R_Э и R_К снимают показания вольтметров V1, V2 и амперметров А1, А2. По полученным показаниям строятся входные и выходные ВАХ.

Входные ВАХ

в схеме с ОБ

Выходные ВАХ

в схеме с ОБ

Входная характеристика при U_КБ=0 точно соответствует ВАХ диода, включенного в прямом направлении. Увеличение U_КБ смещает ВАХ влево, ближе к оси токов, что связано с модуляцией толщины базы (уменьшение толщины и снижение поперечного сопротивления базы) и увеличением I_Э при неизменном U_ЭБ. При U_КБ равном нескольким вольтам ВАХ практически сливаются, что объясняется уменьшением влияния U_КБ на эмиттерный переход. Довольно часто для схем с ОБ приводят только одну ВАХ при U_КБ=const.

Выходная характеристика при (обрыв цепи эмиттера) соответствует (обратный неуправляемый ток коллектора, который практически не зависит от U_КБ), что соответствует ВАХ диода, включенного в обратном (запорном) направлении. При увеличении I_Э, ток I_К тоже растёт, т.к. I_К=αI_Э и слабо зависит от U_КБ. Небольшая зависимость I_К от U_КБ связана с эффектом Эрли, т.к. уменьшается толщина базы и повышается α за счет снижения рекомбинации в более тонкой базе (повышается коэффициент переноса ).

При I_Э≠0 ток I_К также не равен нулю даже при U_КБ=0, что обусловлено экстракцией электронов в коллектор из базы за счёт ускоряющего поля потенциального барьера коллекторного перехода и падения напряжения на продольном сопротивлении базы от базового тока.

При изменении полярности U_КБ (U_КБ>0) ток I_К быстро уменьшается до нуля и даже может изменить направление, т.к. переход база-коллектор оказывается включенным в прямом направлении.

Для схемы с ОЭ характеристики определяются зависимостями:

Входные: при ;

Выходные: при .

ВАХ в схеме с ОЭ могут быть сняты по следующей схеме:

 

 

Схема для снятия статических ВАХ

транзистора n-p-n типа в схеме с ОЭ.

 

Изменяя положение регуляторов R_Э и R_К снимают показания вольтметров V1, V2 и амперметров А1, А2. По полученным показаниям строятся входные и выходные ВАХ.

Входные ВАХ Выходные ВАХ

в схеме с ОЭ в схеме с ОЭ

 

Входная характеристика при U_КЭ=0 представляет собой ВАХ прямого тока p-n перехода (эмиттерного перехода).

Увеличение U_КЭ смещает ВАХ правее и ниже, что связано с уменьшением эффективной толщины базы за счёт её модуляции и снижением рекомбинации. Это уменьшает величину базового тока при одном и том же напряжении U_БЭ. Уменьшение I_Б происходит ещё и за счёт перераспределения I_Э в коллекторную цепь.

При наличии напряжения U_КЭ и его изменении, ветви входной ВАХ располагаются плотно друг к другу, поэтому можно ограничиться только одной входной ВАХ, снятой при одном фиксированном напряжении U_КЭ, например, равном 5В.

При малых значениях U_БЭ, например при U_БЭ=0, ток базы может быть отрицательным, например I_Б= -I_К0.

Выходные характеристики имеют как правило, значительно больший наклон, чем в схеме с ОБ, что объясняется более существенным уменьшением толщины базы при повышении U_КЭ, а так же усилением эффекта лавинного размножения носителей в коллекторном переходе.

При I_Б=0, т.е. при разрыве цепи базы, в коллекторной цепи протекает начальный сквозной ток коллектора , который в β раз больше I_К0 ( ), что существенно увеличивает мощность рассеивания на коллекторе и может привести к выходу транзистора из строя. Поэтому подача напряжения на коллектор транзистора с оборванной базой – недопустима.