5.1.2. Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Работа БТ описывается системой статических и динамических характеристик. К статическим характеристикам (т.е. характеристикам, снятым на постоянном токе) относятся: а) входная ВАХ; б) передаточная и в) выходная ВАХ. Динамические характеристики (АФЧХ и ПХ) измеряются при подаче на вход БТ соответствующих тестовых сигналов. Рассмотрим систему статических характеристик БТ на примере схемы включения с общей базой (рис. 5.3). Зададим во входную (эмиттерную) цепь ток I_э от внешнего источника тока. Измерять необходимо следующие величины: входное напряжение U_эб на переходе эмиттер-база, выходной ток I_к коллектора и выходное напряжение U_кб между коллектором и базой. Из рассмотренного выше принципа действия БТ и его структуры следует уравнение баланса электродных токов:

I_э = I_к + I_б, (5.1)

где I_б – ток базы БТ. Введем коэффициенты пропорциональности:  = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера,  = I_к/I_б – коэффициент передачи тока базы.

Подставив  и  в (5.1), получим уравнение связи между передаточными коэффициентами

 = /( +1). (5.2)

Поскольку типичное значение  для маломощных БТ имеет порядок десятков– сотен, то в первом приближении можно принять   1.

Входная ВАХ в схеме с ОБ представляет собой зависимость тока I_э = f(U_эб) через прямо смещенный эмиттерный переход от напряжения на переходе. Но так как переход представляется в виде диода, то указанная зависимость есть ничто иное, как ВАХ прямой ветви диода:

I_э = I₀(exp(U_эб/_t) - 1). (5.3)

Передаточная характеристика отражает связь выходного I_к и входного I_э токов через введенный выше параметр   1:

I_к = ^. I_э  I_э. (5.4)

Рис. 5.3. Включение БТ с ОБ

Выходная ВАХ устанавливает связь между током I_к и напряжением U_кб обратносмещенного коллекторного диода. Поскольку сопротивление диода при обратном смещении очень велико, можно принять I_к = f(U_кб) = const. Таким образом, получены уравнения, описывающие статические характеристики БТ в схеме с ОБ. В графической форме эти уравнения изображены на рис. 5.4. Существует ограничение на использование формул (5.2) – (5.4), связанное с возможностью перехода БТ из режима усиления в режим двойной инжекции. Примем условие такого перехода в виде

U_кб = U_к - U_б  0. (5.5)

В режиме двойной инжекции электродные токи не зависят от свойств БТ, а полностью определяются внешними источниками и сопротивлениями.

Рис. 5.4. Статические характеристики БТ с ОБ

Рассмотрим несколько примеров, связанных с анализом работы БТ на постоянном токе.

Пример 1. В некоторой электронной схеме, содержащей 3 БТ, вольтметром постоянного тока с большим входным сопротивлением были измерены потенциалы на электродах этих БТ. Данные измерений сведены в табл. 5.2. Требуется определить, в каком режиме (усилительном, двойной инжекции или отсечки) работает каждый БТ.

Задача решается по определению для режимов с учетов эквивалентной схемы БТ на постоянном токе. Определяем смещение на переходах 1-го БТ.

Таблица 5.2

.№ БТ	Эмиттер	База	Коллектор	Режим
1	0	0,6	10	У
2	3	3,6	3
3	-2	-2	-1

На эмиттерном диоде U_см = U_эб = U_э – U_б = 0 – 0,6 = – 0,6 В, т.к. на катоде диода имеется отрицательный по отношению к аноду потенциал, причем этот потенциал соответствует напряжению U_* отпирания, делаем вывод, что эмиттерный переход 1-го БТ смещен в прямом направлении. Коллекторный диод 1-го БТ смещен в обратном направлении, т.к. на его катоде действует более положительный потенциал, чем на аноде (базе): U_см = U_кб = U_к - U_б = 10 - 0,6 = 9,4 В. По определению, если эмиттерный переход БТ смещен в прямом, а коллекторный переход – в обратном направлении, то такой БТ работает в усилительном режиме. Поэтому в графе "Режим" таблицы для 1-й строчки стоит знак "У". Используя аналогичные рассуждения, заполните графу "Режим" для 2-го и 3-го БТ самостоятельно.

Рис. 5.5. Транзисторное реле

Пример 2. При каком значении входного напряжения сработает реле в схеме (рис. 5.5), если ток срабатывания реле составляет 50 мА и коэффициент передачи тока базы  = 50? В каком из трех режимов (усилительном, двойной инжекции или отсечки) будет находиться БТ после срабатывания реле, если сопротивление обмотки реле R₀ = 300 Ом?

1. Реле включено последовательно в цепь коллектора БТ, следовательно, при открывании транзистора реле сработает тогда, когда выполнится условие равенства тока коллектора току срабатывания реле:

I_к = I_ср = 50 мА.

2. Зная значение I_к = 50 мА и коэффициент  = 50, можно оценить ток базы, при котором сработает реле:

I_б = I_к/ = 50 мА/50 = 1 мА.

3. Для входного контура U_вх – R – эмиттерный переход БТ по второму закону Кирхгофа составляем уравнение

Uвх = IбR + Uбэ = IбR + U_* =1мА1кОм + 0,6 В = 1,6 В.

3. Рассчитаем напряжение на коллекторе БТ при срабатывании реле по второму закону Кирхгофа:

Uк = Uкэ = E – Iк R0 = 15 В – 50 мА300 Ом = 0 В.

3. Определяем режим работы БТ после срабатывания реле по тому, в каком смещении находятся его переходы. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении потому, что U_бэ = U_* = 0,6 В. Для коллекторного перехода выполняется условие (5.5)

U_кб = U_к – U_б = U_кэ –U_бэ = 0 В – 0,6 В = – 0,6 В < 0.

Так как оба перехода смещены в прямом направлении (оба диода открыты), это означает, что БТ после срабатывания реле будет находиться в режиме двойной инжекции.