книги / Общая электротехника и электроника. Физические основы и элементная база электроники
.pdfвходного и выходного сигналов, как и в схеме на рис. 2.32, а общей шиной, как и в двух предыдущих схемах включения, будет шина (-) источника питания. Входным током в этой схеме является ток базы, а выходным - ток
эмиттера, поэтому коэффициент передачи тока базы у = — . Если выра7б
зить этот коэффициент через а и р , как это было выполнено в схеме с ОЭ, получим
У = 1 - а = 0 + 1) » 1 - |
(2-4) |
|
Следовательно, схема с ОК имеет самый большой коэффициент уси |
||
ления по току. |
|
|
Коэффициент усиления по напряжению |
|
|
g _ Д^вых _ |
Д^вых____ |
|
и |
Д^вых+ДС/б-э |
’ |
но так как Д£/б_э «Д £У ВЫХ, т 0 |
близок к единице, в связи с чем эту |
схему часто называют эмиттерным повторителем (повторяет входной сиг нал по напряжению).
Коэффициент усиления по мощности КР =уКи » 1, так как Ки * 1, а у » 1 .
2.2.4.Сравнительный анализ трех схем включения
Схема с ОБ имеет следующие достоинства: хорошие частотные свой ства (предельные частоты в десятки, сотни раз выше, чем в других схемах включения), слабая зависимость параметров и характеристик от темпера туры, очень незначительная зависимость тока от напряжения коллектор -
база, малое остаточное напряжение в ключевых режимах работы. Основ ным недостатком этой схемы является большой входной ток (ток эмиттера больше, чем ток коллектора), а следовательно, малое входное сопротивле ние такой схемы, что существенно ограничивает возможности ее примене ния.
Схема с ОЭ обладает следующими преимуществами: большое вход ное сопротивление по сравнению со схемой с ОБ, высокий коэффициент усиления по всем трем величинам (ток, напряжение, мощность). К недос таткам этой схемы включения следует отнести: сильную зависимость па раметров и характеристик от температуры, худшие частотные свойства (предельные частоты в десятки, сотни раз меньше, чем в схеме с ОБ), большую зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе.
Схема с ОК в сравнении со схемой с ОБ и ОЭ имеет несравнимо большее входное и меньшее выходное сопротивление, высокие стабильные характеристики и параметры, слабую температурную зависимость. Однако эта схема не может усиливать входной сигнал по напряжению, что значи тельно ограничивает область ее применения. В основном эта схема вклю чения используется для согласования низкоомного сопротивления нагруз ки с высокоомным выходным сопротивлением усилителя с ОБ и ОЭ или с высокоомным внутренним сопротивлением датчиков.
Л е к ц и я 10
2.2.5. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора
Поскольку у транзистора два /?-и-перехода, то различают два вида ста-
тических ВАХ: |
входные |
и выходные |
( / вых = F(UBbIX)\y |
=const |
Статические характеристики предполагают |
отсутствие добавочных сопротивлений в коллекторной и эмиттерной це пях транзистора (RK= О, Кэ = 0). Для того чтобы найти математическое вы ражение для построения ВАХ, воспользуемся эквивалентной схемой тран зистора (рис. 2.34). Это идеальная схема замещения, так как в ней не учте ны сопротивление базы и зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. Такое допущение незначительно искажает реальную картину, но делает анализ более простым и наглядным.
В схеме замещения влияние двух переходов друг на друга проявляет ся при включении генераторов тока (Х/ / 2 и адг/ь где 1\ - входной ток или
щ Н |
|
щ $ \ |
— |
/» |
|
|
/к |
|
|
___ N _______ |
|
ь |
|
|
\ |
< |
|
|
• |
г/э-б |
Б |
oic-б |
|
|
Рис. 2.34 |
|
|
ток эмиттера транзистора при |
закороченном |
коллекторном переходе; |
a N - коэффициент передачи эмитгерного тока в нормальном (усилитель ном) режиме работы; / 2 - ток коллектора, соответствующий инверсному режиму работы транзистора, когда коллекторный переход открыт, а эмиттерный закорочен. В этом случае коэффициент передачи коллекторного тока обозначается а / (индекс I отражает инверсное включе ние транзистора).
Таким образом, эмиттерный и коллекторный ток имеет две состав ляющие: инжектируемую и собирающую (соответственно инжектируемые
1\ и ^собирающие <хн1\ и а//2): |
|
h - h - |
(2.5) |
/к = алг/1 - / 2. |
(2 .6 ) |
Инжектируемый ток р-я-перехода может быть найден из известного |
|
уравнения идеальной ВАХ р-л-перехода: |
|
е^э-бЛРт _ || |
(2.7) |
|
|
/ 2 =/к .о (еС/к-б/фт |
(2.8) |
где / 'о - обратный (тепловой) ток эмитгерного перехода при закорочен ном коллекторном переходе ( UK_ б = 0 )',ГК0 - тепловой ток коллекторного перехода при закороченном эмиттерном переходе (£/э _б =0). В справоч никах тепловой ток транзистора 1К0 дается при /э = 0 , а не при t/ 3 _ 5 = О Поэтому желательно найти связь между Гк 0 и 1К0 . Эта связь может быть найдена из уравнений (2.5) и (2.8).
Примем / э = 0, тогда согласно (2.5) |
0 = 1\ - o.ih> 1\ |
= а йг- При |
||
(7 к_ б > фт и согласно (2.8) / 2 = |
|
Подставив значения h |
и h в (2.6), |
|
приняв / к = 1к о , получим Лео = “ ^ / ^ . 0 |
+ 4 « . тогда |
|
||
тг |
_ |
^К. 0 |
* |
(2.9) |
i K.O |
1 |
„ „ |
||
|
1 “ aNaI |
|
||
Аналогично |
|
|
|
|
71 |
_ |
^Э.О |
• |
(2 .1 0 ) |
1Э.О “ 1 |
„ |
|||
|
1 - |
aNaI |
|
Для построения ВАХ выразим ток эмиттера и ток коллектора через напряжения U3_ б и UK_ б- Для этого подставим в формулы (2.5) и (2.6) зна
чения /[ и /г из формул (2.7) и (2.8) и получим |
|
|
h = 4 о И э- б/фт - l ) - a / 4 o H " 6/<pT - 1)’ |
(2 |
.И) |
= а ^ . о ( ^ э- б/фт - 1 ) - ^ . о ( ^ к- б/фт " l) |
(2 |
.1 2 ) |
Эти уравнения, получившие название формул Молла - Эберса, позволяют построить входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ. Формула (2.11) определяет зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер - база и коллектор - база и позволяет нам построить входную ВАХ транзистора. Если принять С/к_ к = 0, то
h= 4 о ( ^ " б/фт -l)>
иэто будет ВАХ р-л-перехода при прямой полярности с учетом того, что тепловой ток равен Гэ о . Если же С/к_ б ^ 0, то, как видно из анализа фор
мулы (2.11), при U3_ б = 0 ток /э, учитывая, что е“^ к~б/фт « 1 , будет ра вен а ; / ^ 0, тогда
^э = 4 о И - б/фт- 1 ) + а Л .о .
Преобразуем это выражение. Разделив на / ' 0 левую и правую части уравнения, получим
А . _ а / ^ . + 1 = е{/з-б/<Рт5 1э.о 'э.о
где а 7 |
= адг,таккак |
|
'э.о |
^э.о |
*^э.о |
В транзисторе всегда выполняется равенство а / / к о = ад?1Э0. С уче том адг « 1 получим
Л^э-б/фт _ Iэ
1Э.О
или |
|
|
|
^э-б=<Рт 1п -^- |
(2.13) |
|
1Э.О |
|
Следовательно, при |
(JK_ Q ^ 0 ВАХ проходит не через ноль, а через |
|
точку [/э-б = 0 , / э = /д 0 |
(рис. 2.35). |
|
Проанализировав формулу (2.12), построим выходные характеристи ки. Для удобства построения ВАХ преобразуем эту формулу: выведем из
(2 .1 1 ) значение (е”^ э_б/<Рт - 1 ) и, подставив его в (2 .1 2 ), получим |
|
|
||||||
|
|
/ к = |
^ / э - / к . о ( ^ К' б/<Рт-1 )- |
|
(2-14) |
|||
В формуле (2.14) учтено, что |
адгаjI'K0 - Гк о = - / к о . Как видно из |
|||||||
(2.14), если / э = 0, |
то / к = - ^ к.о(е |
^ к^б/фт |
т.е. это уравнение - об |
|||||
ратная ветвь идеальной ВАХ р-н-перехода. Так |
как е~^к~б/фт « |
1 , то |
||||||
можно считать, что |
/ к « / к о . Если / э * 0, то при С/к —б |
= а л^э> |
||||||
при £/к _ б < О |
/ к = |
э |
^к.о» ПРИ |
- б > ® |
= а Л^7э ^к.о6 |
к |
^ Фт , |
|
т.к. е^к-б/фт » |
1. Выходные ВАХ представлены на рис. 2.36. |
|
|
Если f/ K _ 6 > 0, то это значит, что на коллекторный переход подано прямое напряжение, как и на эмиттерный. Такой режим работы называется режимом насыщения (характеристики слева от оси 7*). В этом режиме транзистор теряет свои усилительные свойства и поэтому не используется для усиления электрического сигнала. Построенные характеристики, при веденные на рис. 2.36, являются идеальными.
Реальные ВАХ имеют небольшое увеличение тока при увеличении (/к_ 5 . Это объясняется явлением, получившим название модуляции базы, суть которого в следующем. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе увеличивается ширина обедненного слоя р-л-перехода в основном за счет базовой области, при этом ширина базы (1\) уменьшается (рис. 2.37), а следовательно, и уменьшается время пробега электрона по базе от эмиттера к коллектору, что снижает вероятность ре комбинации электронов в базе и приводит к увеличению тока коллектора. Однако это увеличение не может быть большим, поскольку ток базы обычно составляет менее 2 % от тока эмиттера. С учетом модуляции базы реальные выходные ВАХ в режиме усиления могут быть построены с уче том
=aNI3 +1к.о +— > |
(2.15) |
ГК |
|
где гк - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, кото
рое количественно учитывает эффект модуляции базы, гк = ^ к ~ 6 . Вели- d/K
чина этого сопротивления - единицы, десятки мегаом.
Используя уравнение (2.15), можно построить (рис. 2.38) реальные выходные ВАХ транзистора. На рис. 2.38 пунктиром показаны предельно допустимая мощность рассеивания на коллекторе и предпробойное со стояние перехода коллектор - база. Как видно, с увеличением тока коллек тора допустимое напряжение на коллекторе уменьшается.
Рис. 2.37
Поскольку тепловой ток /«.О зависит от температуры, то и ВАХ тоже зависит от температуры: с увеличением температуры при одном и том же токе эмиттера выходные ВАХ смещаются вверх на величину
А/к о = 1к.о(0 ” ^к.о9а входная ВАХ с учетом того, что ^Уэ —б "Фт
'э.о
смещается влево (уменьшение t/3_ 5 на рис. 2.35 показано пунктиром).
Статические ВАХ для схемы с ОЭ отличаются от статических ВАХ для схемы с ОБ: в схеме с ОЭ напряжение питания прикладывается к двум
переходам: коллекторному и эмиттерному (7/ к _ 3 = t/ |
K - 6 + ^э-б)» поэто |
му выходные ВАХ сдвигаются вправо на величину |
U3_ 5 , которая тем |
больше, чем больше ток эмиттера. Следовательно, режим насыщения в схеме с ОЭ происходит при отрицательном напряжении UK_ э и выходные
ВАХ расположены в первом квадранте координат / к , UK_ 3 . Для их по
строения воспользуемся формулой (2.15), заменив |
/ э |
суммой / к + / 5 и |
||||
опустив индекс А в коэффициенте передачи тока эмиттера. Тогда |
||||||
|
= а ^к |
|
+ ^к.о + |
• |
|
|
|
|
|
|
гк |
|
|
Преобразуем эту формулу для того, чтобы найти зависимость тока |
||||||
коллектора от входного тока в схеме с ОЭ - тока базы: |
|
|||||
|
/ к( 1 - а ) = а /б + / к . 0 + — • |
|
|
|||
|
|
|
|
ГК |
|
|
Разделив это выражение на (1 - а), получим |
|
|
|
|||
I к |
tt |
j |
! 7к.о , |
и к |
|
|
1 - а |
6 |
1 - а |
гк(1 -а) |
|
||
|
|
|||||
ИЛИ |
|
|
|
|
|
|
|
/ к = р / б + / к . 0 + ^ » |
|
(216) |
|||
|
|
|
гк |
|
|
|
где /* о - сквозной (тепловой) ток в схеме с ОЭ, 7* 0 = |
= ^к.о(Р + 1) i |
г* - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с О Э,гкФ= гк( 1 - а ) = ^ .
Анализируя формулу (2.16), можно сделать вызод, что тепловой ток в схеме с ОЭ /* 0 значительно больше, чем в схеме с ОБ, а следовательно, выходные ВАХ значительно чувствительней к изменению температуры.
Дифференциальное сопротивление значительно меньше, чем в схеме с
ОБ, а следовательно, ток коллектора в большей степени зависит от изме нения f/K_ э . Объясняется это тем, что часть напряжения UK_ э приклады вается к эмитгерному переходу, смещая его в прямой полярности.
Внешний вид этих ВАХ пред ставлен на рис. 2.39. Все семейство ВАХ на начальном участке практиче ски сливается в одну линию, которая носит название линии насыщения. Область, расположенная между лини ей насыщения и осью /ю называется областью насыщения. Активный (уси лительный) режим ВАХ расположен правее линии насыщения, в области пологой части выходных характери стик. Поскольку к переходу база - эмиттер, как и в схеме с ОБ, прило
жено прямое напряжение, то входная ВАХ в схеме с ОЭ при UK_ э = 0 бу дет иметь такой же внешний вид, как и в схеме с ОБ, однако количествен но она будет сильно отличаться, поскольку ток базы в (р + 1 ) меньше тока эмиттера.
Если UK_ э ф 0, то входная ВАХ сместится вниз, так как при Щ _э = О через базу будет протекать обратный ток / Л 0 (рис. 2.40). Графическое изо бражение входных ВАХ показано на рис. 2.41.
Поскольку схема с ОК в статическом режиме (R3 = 0) ничем не отли чается от схемы с ОЭ, то и ВАХ такие же, как и в схеме с ОЭ.
2.2.6. Эквивалентная схема замещения транзистора
Для усилительного режима, когда С/э _ б > 0, a UK_ б < 0, схема заме щения транзистора (см. рис. 2.34) выглядит так, как показано на рис. 2.42. Такая схема удобна для расчета усилителя, когда на вход приходят боль шие сигналы (например элек тронный ключ). В усилителях
Д£/э -биА£ Ас-б изменяются незначительно, и в этом слу
чае диод |
можно |
заменить |
дифференциальным |
сопро |
|
тивлением |
эмиттерного |
|
перехода, |
равным |
dt/o |
в |
dl.
‘э точке покоя. При таких изменениях можно считать,
что А/ко = 0. Следовательно, для малосигнальных параметров схему можно линеаризировать, т.е. использовать схему замещения транзистора для малых сигналов (рис. 2.43). В эту схему включено дифференциальное
сопротивление коллектора гк |
dUK |
* |
= — - , |
учитывающее модуляцию базы, а |
|
|
d/ к |
|
также барьерная емкость Ск коллекторного перехода и диффузионная ем кость Сэ эмиттерного перехода. В этом случае схема замещения выглядит так, как показано на рис. 2.43.
В схеме замещения а - коэффициент передачи т(Л& эмиттера,
а; гэ - дифференциальное сопротивление эмитгерного пе*
UK=const |
|
рехода, гэ = Ш э-5 |
; гк - дифференциальное сопротивление кол |
|
C/K=const |
лекторного перехода, учитывающее модуляцию базы, гк = dU.
d/„ / 3=const
Рз _ к - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, учиты-
__м |
тт |
тт |
d£/-j_ 6 |
; Гб - объемное сопро- |
вающии влияние |
и к на |
и Эу рэ _ к = — £—- |
||
|
|
|
df/к - б |
/,=const |
тивление базы, зависит от геометрии базы и при расчетах принимается
равным 40-240 Ом; Ск - барьерная емкость, Ск = |
. Q _ даффузи- |
|
V 2 t / K - 6 |
т/ |
\iUK_ 5 - эквивалентные |
онная емкость, Сэ = —- (см. лекцию 4); а 1Э и |
|
Фт |
|
генераторы тока и ЭДС.
Малосигнальная схема замещения для схемы с общим эмиттером представлена на рис. 2.44. В этой схеме замещения Гб, гэ и Сэ имеют те же
гк