Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

На схеме включения рис. 14 эмиттер (Э) –общий электрод для входной и выходной цепей, база (Б) – входной электрод, коллектор (К) – выходной электрод, U_БЭ – входное напряжение, U_КЭ – выходное напряжение.

Напряжение на коллекторном переходе: U_КБ = U_КЭ – U_БЭ.

Рис. 14. Схема включения транзистора с ОЭ

Входные характеристики транзистора:.

 

 

Рис. 15. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

 

Рис. 16. Начальная Рис. 17. Зависимость токов в транзисторе

область входной ха- от входного напряжения U_БЭ в схеме с ОЭ

рактеристики тран-

зистора в схеме с ОЭ

Сначала рассмотрим входную характеристику, снятую при U_КЭ'' (среднюю), попутно рассматривая зависимости I_Э и I_К от U_БЭ.

Рис. 18. Схема включения транзистора с ОЭ в режиме отсечки

Если U_БЭ подать такой полярности, чтобы ЭП включался в обратном направлении, то транзистор находится в режиме отсечки, т.к. U_КБ = U_КЭ + U_БЭ (обе ЭДС включены согласно) и включает КП в обратном направлении. Основные носители заряда (1 и 2 на ЭП, 5 и 6 на КП) не могут преодолеть высокие потенциальные барьеры и поэтому в создании токов не участвуют. Через обратносмещенные ЭП и КП дрейфуют только неосновные носители заряда, создавая через ЭП неуправляемый тепловой ток I_Э0 (потоки 3 и 4), а через КП – неуправляемый тепловой ток I_К0 (потоки 7 и 8). Замыкаясь через вывод базы, эти токи создают втекающий ток базы, равный по величине I_Э0 + I_К0. Так как токи I_Э0 и I_К0 от U_БЭ не зависят, то и I_Б в режиме отсечки не изменяется при изменении U_БЭ.

Таким образом, в режиме отсечки I_Э = – I_Э0, I_К = I_К0, I_Б = – I_К0 – I_Э0.

Для симметричного транзистора (Э и К одинаково легированы примесями) |I_К0| = |I_Э0|, а |I_Б| = 2|I_К0| = 2|I_Э0|. Все токи очень малы и неуправляемы – транзистор заперт.

В активном режиме ЭП транзистора включен в прямом направлении (I_Э>0), а т.к. |U_КЭ| > |U_БЭ|, U_КБ = U_КЭ – U_БЭ, то КП включается в обратном направлении. Все токи в этом режиме изменяются при изменении U_БЭ.

Ток коллектора I_К = I_К0 + I_Кр. 7,8 [1]

 

[1] – зависит от U_БЭ и I_Э .

Ток базы I_Б = –I_К0 – I_Э0 + I_r + I_Эn.

Составляющие –I_К0 – I_Э0 были в режиме отсечки, в активном режиме к ним добавились I_r + I_Эn, которые зависят от U_БЭ и I_Э.

При каком-то U_БЭ0 | I_К0 + I_Э0 | = | I_r + I_Эn |, I_Б =0, I_К = I_Э = I_К0Э > I_К0.

U_БЭ0 – напряжение запирания I_Б, напряжение переворота фазы I_Б (I_Б в этой точке изменяет свое направление).

I_К0Э – сквозной коллекторный ток. При разрыве цепи базы (I_Б =0) ток I_К0 через обратносмещенный КП не может замкнуться через вывод базы, поэтому электроны потока 7, вошедшие в базу, за счет градиента концентрации проходят тонкую базу и частично заполняют обедненную электронами область базы ЭП, что равносильно подсмещению ЭП в прямом направлении, через уменьшенный по высоте барьер ЭП дырки потока 1 начинают впрыскиваться в базу, диффундировать через нее и экстрагироваться в коллектор, поэтому I_К0Э > I_К0. Ток I_К0Э создается носителями заряда, идущими сквозь весь транзистор, не ответвляясь в цепь базы, отсюда и его название.

При дальнейшем увеличении |U_БЭ| положительные составляющие I_Б и управляемая часть I_К становятся больше неуправляемых I_К0 и I_Э0 и делают «погоду», т.е. в активном режиме I_К @ I_Кp, а I_Б @ I_r.

В активном режиме I_Э экспоненциально зависит от напряжения U_БЭ на прямосмещенном ЭП, отсюда сильная зависимость I_К и I_Б от этого напряжения: I_К = aI_Э + I_К0, I_Б = (1 – a)I_Э – I_К0 .

При увеличении |U_БЭ| резко возрастают токи I_К и I_Б, т. к. резко (по exp. закону) возрастает ток эмиттера I_Э.

Итак, рассмотрели среднюю входную характеристику, снятую при U_КЭ''=Const.

При увеличении |U_КЭ| входная характеристика расположена очень близко к рассмотренной, но ниже ее, т.е. I_Б уменьшается незначительно при переходе из точки 2 в точку 1 (при U_БЭ'=Const).

При |U_БЭ|=Const увеличение |U_КЭ| приводит к увеличению |U_КБ|, т.к.

U_КБ = U_КЭ – U_БЭ, толщина коллекторного перехода D_КП возрастает, толщина базы W_Б уменьшается, вследствие эффекта Эрли уменьшается вероятность рекомбинации впрыснутых дырок в базе (количество впрыснутых дырок постоянно, т.к. |U_БЭ|=Const), т.е. ток базы I_Б уменьшается.

Чтобы при увеличении |U_КЭ| I_Б =Const (точки 2 и 4), необходимо увеличить |U_БЭ|, т. е. ток эмиттера I_Э возрастёт.

Таким образом, U_БЭ'' > U_БЭ', p₂ > p₁. Площадь треугольника под прямой 4 должна равняться площади треугольника под прямой 2 (условие постоянства I_Б).

Входные характеристики при U_КЭ'' и U_КЭ''' соответствуют активному режиму, т.к. |U_КЭ''| и |U_КЭ'''| больше |U_БЭ|.

Если же |U_КЭ| < |U_БЭ|, то КП включен в прямом направлении, транзистор находится в режиме насыщения.

При U_КЭ' = 0 коллекторный переход включен в прямом направлении

(+ от U_БЭ приложен к коллектору относительно базы), причем |U_КБ| = |U_БЭ|, что соответствует точке 3 (I_Б''') на верхней входной характеристике рис. 15.

В режиме насыщения I_Б = I_r + I_Эn + I_r'+ I_Кn (I_r + I_Эn за счет ЭП, I_r'+ I_Кn за счет КП).

Отрицательными составляющими I_Б (I_К0, I_Э0) пренебрегаем вследствие их малости по сравнению с положительными составляющими.

 

 

Рис. 20. Составляющие тока базы

в режиме насыщения

В точке 3 для симметричного транзистора I_Б» в 2 раза больше, чем в точке 2 (дырки впрыскиваются в базу и из эмиттера и из коллектора; и те и другие частично рекомбинируют в базе с электронами). Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 «особняком» стоит по отношению к входным характеристикам, соответствующим активному режиму, которые так близко находятся друг от друга, что практически сливаются. Поэтому в справочниках приводится одна входная характеристика в активном режиме и одна при U_КЭ= 0.

Выходные характеристики:.

 

Рис. 21. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ при U_БЭ=Const

28)Основные показатели биполярного транзистора для различных схем его включения

Схемы включения биполярного транзистора

В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей ба зой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 3.3 показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода (см. рис. 3.3). В схеме с общей базой (см. рис. 3.3,а)

входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение u_ЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение u_КБ - к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (u_ЭБ <0; u_КБ >0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.
В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение u_БЭ >0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение u_КЭ распределяется между обоими переходами:
u_КЭ = u_КБ + u_БЭ. Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо u_КБ = u_КЭ – u_БЭ > 0, что обеспечивается при u_КЭ > u_БЭ > 0.
В схеме с общим коллектором (см. рис.3.3,в) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.

29)Эквивалентная схема для режима большого сигнала (Эберса-Мола)

Модель Эберса-Молла дополнена сопротивлениями базы и тела коллектора, а также барьерными и диффузионными емкостями. Скорректированы ВАХ диодов.

Функции I ₁(V_be), I ₂(V_bc) могут учитывать реальные ВАХ переходов;

r_B и r'_C — сопротивления базы и тела коллектора;

C_E (V_be), C_C (V_bc), C_S (V_sc) — барьерные емкости переходов;

C_Ed (I ₁), C_Cd (I ₂) — диффузионные емкости эмиттера и коллектора.

Диффузионные емкости приближенно учитывают зависимости. Поэтому в эквивалентной схеме — действительные числа, не зависящие от частоты.

Модель не учитывает:

1) Зависимости α _N, α _I от токов I ₁, I ₂.

2) Эффект Эрли.

3) Распределенный характер r_B, r'_C.

Значительно более мощная модель — Гуммеля-Пуна.

.Малосигнальные (линейные) эквивалентные схемы

Малосигнальные эквивалентные схемы используются для транзистора, работающего в нормальном режиме (V_bc < -3ϕ _Т) в заданной рабочей точке (заданы постоянные составляющие тока I_E и напряжения V_bc). При этом емкости — константы. Учитываются только переменные составляющие токов и непряжений (помечены точкой).

Эквивалентная схема может быть получена путем линеаризации элементов эквивалентной схемы для большого сигнала. Дополнительные элементы учитывают более тонкие эффекты.

Эквивалентная схема Джиаколетто:

Особенности схемы:

1). (V_bc < - 3ϕ _Т, I ₂<= - I_S).

2). Сопротивление r_C и генератор э.д.с. учитывают эффект Эрли.

3)(для заданного режима работы).

4). Управляемый генератор тока содержит ток, а не, т.к. коллектор собирает электроны, а не ток смещения.

5), и. Поэтому Ток управляемого генератора можно представить в виде

,

где —крутизна ВАХ (при большом токе может быть очень высокой).

Диффузионная емкость С_Ed учитывает зависимость в виде

.Точность модели можно повысить, если исключить С_Ed и вместо действительных чисел использовать комплексные функции

или.

Для аналитических расчетов удобно использовать специальную эквивалентную схему для включения ОЭ (обратная связь не учииывается):

Особенности схемы:

1). Диффузионной емкости эмиттера нет. Вместо нее

. (а)

2). Управляемый генератор тока содержит ток, а не, т.к. часть тока базы, которая ответвляется в емкость, не быть усилена.

3). Согласно (а) сопротивление и емкость — комплексные функции частоты. Импеданс этой емкости уменьшился враз, как и сопротивление (проявление эффекта Миллера).

Формализованные линейные эквивалентные схемы

Для биполярного транзистора удобно применять систему h -параметров:

, где

— входной импеданс (КЗ-выходе);

— комплексный коэффициент передачи тока (КЗ-выходе);

— выходной адмиттанс (ХХ на входе);

— обратный коэф. передачи напряжения (ХХ на входе).

БТ имеет низкий входной импеданс и высокий — выходной.

Поэтому при измерениях h -параметров удобно осуществлять режим КЗ на выходе и ХХ — на входе.

Для идеального транзистора (,,,):

 

30)Малосигнальная эквивалентная схема транзистора с ОБ.

Малосигнальные физические эквивалентные схемы биполярного транзистора

Как и схемы замещения, малосигнальные физические (моделирующие) эквивалентные схемы предназначены для расчета малых переменных составляющих токов и напряжений, но элементы этих схем соответствуют структуре и физическим процессам реального транзистора. Параметры элементов физических эквивалентных схем вычисляются с помощью соотношений, вытекающих из теории транзисторов. Наиболее распространенные физические эквивалентные схемы получают путем линеаризации уравнений моделей Эберса - Молла, При этом уравнения предварительно упрощают, записывая для активного режима (малосигнальные физические эквивалентные схемы предназначены для анализа усилительных каскадов, в которых используется активный режим работы транзистора). В данном подразделе будут рассмотрены низкочастотные варианты эквивалентных схем, не учитывающие инерционность физических процессов в транзисторе.

Схема для включения транзистора ОБ

Т-образная малосигнальная эквивалентная схема приведена на рис. 3.37. Она включает:

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

сопротивление тела базы;

дифференциальное выходное сопротивление транзистора;

дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме с общей базой.

Схема получена путем линеаризации классической модели Эберса-Молла для активного режима. Для данного режима генератор токаa_I i₂ в схеме на рис. 3.37 отсутствует и i_Э = i₁. При линеаризации вместо эмиттерного перехода с нелинейной характеристикой появляется его дифференциальное сопротивление r_Э. Сопротивление r_К, учитывающее эффект Эрли определяется по выходным характеристикам транзистора в схеме с ОБ (см. определение параметра h ₂₂) величина r _к составляет десятки - сотни килоом и часто не учитывается.h_21Б » a - параметр, аналогичный статическому коэффициенту передачи тока a, но для малых приращений. В практически

31)Малосигнальная эквивалентная схема транзистора с ОЭ и ее отличие от схемы с ОБ

Схемы для включения транзистора с ОЭ

Схема на рис. 3.37 может быть использована и при включении транзистора с ОЭ. Для этого ток эмиттера I_Эm надо выразить через ток базы I_Бm. В соответствии со схемой на рис. 3.37 для тока коллектора справедливо , (3.55)

кроме того: I_Эm=I_Бm+I_Кm, тогда

или

(3.56)

где - дифференциальный коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ; (соотношение аналогичное ).

Так как , то

(3.57)

Дифференциальный коэффициент передачи тока h_21Э может отличаться от статического b на десятки процентов, но технологический разброс еще больше и в последнее время между ними часто не делают различия, считая h_21Э» b.

- выходное сопротивление транзистора в схеме ОЭ (в десятки раз меньше, чем r_К в схеме с ОБ.

С учетом выражения (3.56) Т-образная, малосигнальная эквивалентная схема для включения с ОЭ приобретает вид (рис. 3.38). Для схемы с общем эмиттером часто используют и П-образную эквивалентную схему (рис 3.39), получаемую линеаризацией передаточной модели Эберса - Молла.

- статическая крутизна транзистора; остальные элементы соответствуют введенным ранее для Т-образных схем. Резистор, показанный пунктиром, учитывает влияние модуляции ширины базы на дополнительный ток коллекторного перехода. Он имеет порядок r_К и в практических расчетах не учитывается. П-образная схема удобна для расчетов методом узловых потенциалов и используется, например, в компьютерных программах.

 

Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения

Для сравнения усилительных каскадов воспользуемся малосигнальными физическими эквивалентными схемами при различных схемах включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК). При анализе будем полагать, что во всех схемах обеспечивается одинаковый режим по постоянному току. Схема ОЭ. Принципиальная схема усилительного каскада и соответствующая ей малосигнальная эквивалентная схема приведены на рис. 3.30 и 3.40 соответственно. Малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада (схема для переменных составляющих) получена следующим образом:

1. Транзистор заменен его малосигнальной эквивалентной физической схемой (в данном случае Т-образной).
2. Источники постоянного напряжения замкнуты накоротко (их сопротивление переменному току близко к нулю). Как и ранее, сопротивление разделительных конденсаторов считается малым, а резисторов R_Б и R_К - большим.

Из схемы следует, что коэффициент усиления по току равен

,

выходное напряжение определяется как .

По закону Кирхгофа для входной цепи имеем .

Учтем, что ,

тогда ;

. (3.58)

Входное напряжение равно

. (3.59)

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен , (3.60)

знак “ - ” показывает, что выходное напряжение противофазно входному.

Выходное сопротивление (без вывода):

.

Для повышения стабильности работы усилительного каскада в эмиттерную цепь часто включают резистор R _э>>r _э,

тогда и . (3.61)

32)Что такое Н-параметры транзистора.Значения Н-параметров для схем с ОБ и ОЭ

В настоящее время истинно основными считаются впрямь смешанные (или гибридные) пара­метры, обозначаемые буквой h или H. Название «смешанные» дано потому, что среди них имеются две несказанно относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Параметры системы h удобно измерять. Это весьма важно, так как публи­куемые в справочниках параметры являются взаправду средними, полученными в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Два из h-параметров определяются при коротком замыкании для переменного тока на выходе, т. е. при отсутствии нагрузки в истинно выходной цепи. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение (U2=const) от ис­точника Е2. Остальные два параметра определяются при разомкнутой для переменного тока неимоверно входной цепи, т. е. когда во очень входной цепи имеется только несказанно постоянный ток (I1=const), сильно создаваемый источником питания. Условия U2=const и I1=const нетрудно осуществить на практике при измерении h-параметров.

I1 I2 U1 U2 Рис. 7-1.

Схема транзистора, представленного в виде активного четырёхполюсника.

В систему h-параметров входят следующие величины.

Входное сопротивление

при U2=const (7.1)

представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

При таком условии изменение входного тока является результатом изменения только входного напряжения . А если бы на выходе было пе­ременное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление получалось бы различным в зависимости от переменного напряжения на выходе, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления нагрузки RH. Но параметр должен характеризовать сам транзистор (независимо от RH), и поэтому он определяется при u2 = const, т. е. при RH = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.2)

показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физи­ческими параметрами, которые опираются на нелинейную дина­мическую модель Эберса - Молла, т.е. тесно связаны с физичес­кой структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной ди­намической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме то­го, в усилительных схемах используется либо нормальный актив­ный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недо­пустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ог­раничиться рассмотрением наиболее распространенного нор­мального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включе­ния с ОБ можно изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОБ.

 

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В пер­вом приближении его можно определить по формуле для идеализи­рованного р-n перехода:

R_Э=dU/dIj»_T/I_Э, (3.28)

где I_Э- постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при ком­натной температуре j_т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и мо­жет быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению парамет­ра h_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присое­диненными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r^½_ББ, которое может превышать сотни ом, все­гда остается в модели.

r^½_ББ=h₁₂/h₂₂. (3.30)

 

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она при­менима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять мес­тами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с фи­зическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” - общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОЭ.

 

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изобра­жении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холо­стого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^*соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /(Н_21Э+1), (3.31)

С_К*= С_К(Н_21Э+1). (3.32)

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характери­стики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимо­стью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшает­ся R_К^* по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_K =R_K^*C_K^*.

33)Работа транзистора в ключевом режиме.Степень насыщения транзисторного ключа.