Полупроводниковые приборы. Курс лекций / часть 5 Чечко

4.17 Термостабилизация точки покоя.

Рассмотренные схемы неприменимы при серийном производстве, так как требуют дополнительной регулировки IОБ.

Более высокой точностью и стабильностью обладают схемы с отрицатель­ной обратной связью. Информация (ток или напряжения покоя) о положении точки покоя на выходе используется для формирования сигнала управления на входе. Наиболее распространена схема с эмиттерной стабилизацией – усовер­шенствование схемы с фиксированным потенциалом базы.. Стабилизирующий элемент - резистор в цепи эмиттера Rэ.

U_ОБ = U_ОБЭ+ U_ОЭ = U_ОБЭ+Iоэ∙Rэ

U_ОБЭ = U_ОБIоэ∙Rэ

В схеме стабилизируется ток покоя Iок:

Чем больше Rэ, тем ста­бильнее точка покоя. На практике достаточно Rэ= 50500 Ом или IоэRэ=0,52 В, или Rэ=(0,050,15)Rк.

Точность схемы так же поддерживается за счёт постоянства UОБ, схема должна быть с фиксированным потенциалом.

U_ОБ = U_ОБЭ+ U_ОЭ = U_ОБЭ+Iоэ∙Rэ

U_{ОБЭ =} U_ОБ- Iоэ∙Rэ

Стабильность схемы сохраняется для любого изменения тока IОК, вызван­ного как технологическим разбросом и температурным дрейфом параметров, так и полезным сигналом. Для сохранения усиления на переменном токе применяют блокировочные конденсаторы.

Коллекторная термостабилизация.

В этом случае стабилизируется напряжение покоя Uокэ. Базовый резистор под­ключен к коллектору и ток базы пропорционален напряжению на коллекторе. При увеличении Uк ток база и пропорциональный ему ток коллектора увеличиваются, напряжение на коллекторе уменьшается – стабилизация.

,

Для сохранения усиления на переменном токе также необходим блокировочный конденсатор.

Часто роль стабилизирующего резистора и блокировочного конденсатора выполняют элементы цепи фильтра питания Rф –Сф.

4.18 Графо – аналитический метод расчёта параметров усилителя класса А. Диаграммы сигнала.

Расчет применим для всех схем ОЭ. В частных случаях Rэ=0.

Статика:

,

1. Uокэ=0, Iк=Ек/(Rк+Rэ) – точка 1 на СЛН

2. Iок=0, Uкэ=Ек – точка 2.

Динамика: UА= Uокэ+IокRкн.

, Iок>Iкm

, Uкm<UАUокэ.

Условия выбора точки покоя:

1. Iок>Iкm =UкmRкн, Iок= Iкm+Iк, Iк=12 мА– запас для исключения отсечки.

2. Uок>Uкm, Uок= Uкm+Uкэ,Uкэ=23В- запас для исключения насыщения.

Требования к предельным параметрам транзистора:

После выбора транзистора определяют входные величины.

Амплитуды сигналов

IБm= (IБ макс IБ мин)/2

UБm= (UБ максUБ мин)/2

IБ(t)= IОБ+ IБmsin(t)

UБ(t)= UОБЭ+UБmsin(t)

Расчёт параметров:

1. Rвх тр=UБm/ IБm (200 ÷2000 Ом).

2. Коэффициент усиления по напряжению Кu=UКm/ UБm (20-200).

3. Коэффициент усиления по току Кi=IКm/ IБmβ (20-200).

5 Малосигнальные схемы замещения и параметры биполярных транзисторов.

5.1 Малосигнальная схема замещения биполярного транзистора в схеме включения ОБ. Физические параметры.

Адаптируем универсальную модель Эберса-Молла к активному режиму.

Активный режим – прямо смещённый эмиттерный, обратно смещённый кол­лекторный переходы.

p-n-p UЭБ>0, UКБ<0

n-p-n UЭБ<0, UКБ>0

(4.9)

(4.10)

(4.11)

При обратно напряжении UКБ I₂=Iко<<I₁, Iэ= I₁,

Iк=_N Iэ+ Iко

Каждая из двух схем справедлива для обоих типов транзисторов – первая для положительного приращения сигнала на входе, вторая - для отрицательного. Важно только соблюдать сонаправленность токов – транзит.

- диф. сопротивление прямосмещённого эмиттерного пере­хода.

rK – сопротивление обратно смещённого коллекторного перехода.

=_N=Iк/Iэ - коэффициент передачи тока эмиттера.

rБ – сопротивление слоя базы - уточнение модели Эберса – Молла.

,

w0  r_Б

К транзистору предъявляются два основных конструктивных требования:

1. Высокомная баэа - _Б >> _Э ,_К ( повышение коэффициента инжекции).

2. Тонкая баэа - w <<Lp ( повышение коэффициента переноса).

Оба требования приводят к увеличению сопротивления области базы для тока базы. Наличие сопротивления r_Б приводит к зависимости плотности тока эмиттера от координаты: в глубине к p-n переходу приложено меньшее прямое напряжени, чем на поверхности. Выделим в p-n-p транзисторе поверхностный и глубинный эдементарные p-n переходы. Напряжение поверхностном переходе равно внешнему напряжению Uпр1=UЭБ = 700 мВ. На внутреннем (глубинном) переходе напряжение меньше за счет падения напряжения на r_Б : Uпр2=UЭБI_Бr_Б = 700 мВ  10 мА1Ом =690 мВ. Поверхностные диоды находятся под максимальным прямым напряжением и имеют максимальную плотность тока. Плотности токов неодинаковы по координате y: j_Э1>> j_Э2 – ток вытесняется на поверхность транзистора.

Сопротивление r_Б отрицательно влияет на свойства транзистора из–за эффекта вытеснения тока на поверхность. Этот эффект не позволяет получить мощные транзисторы путём простого увеличения площади. Для нейтрализации эффекта вытеснения тока мощные транзисторы имеют специальную -гребенчатую структуру.

5.2 Схема замещения биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ)

Отличие от схемы замещения ОБ

1. Общий электрод – эмиттер,

2. Входной ток – ток базы, поэтому зависимый источник тока (учет транзита) Iэ преобразуется в источник βI_Б,

3. Измененный источник тока требует пересчета внутреннего сопротивления r_К(Б) r_КЭ= r*_К

Iк=Iэ+Uкэ/(r_К+r_Б). С учетом Iк=Iэ при I_Б=0

Iк=Iк+Uкэ/(r_К+r_Б) Iк=Uкэ/[(r_К+r_Б)(1-)],

Для маломощных транзисторов r_К=1001000 кОм, r_Э=10100 кОм.

5.3 Транзистор как линейный четырёхполюсник. Система h – параметров.

Теория четырехполюсников позволяет применять единые методы при анализе различных по структуре и принципу действия систем.

Гибридная система H – параметров разработана специально для биполярных транзисторов. Эта система учитывает физические процессы в биполярных транзисторов. h – действительные части комплексных коэффициентов H, определяются графически с помощью семейств статических ВАХ как отношения малых (линеаризация) приращений сигналов ( в статике Jm(H)=0, H=h).

Для системы h-параметров в качестве независимых переменных (аргументов) принимаются

I₁=I_ВХ (биполярный транзистор управляется током I_К=I_Э или I_К=βI_Б) и

U₂=U_ВЫХ (выходной ток – функция входного тока).

- входное сопротивление при КЗ на выходе

- коэффициент обратной связи по напряжению

- коэффициент прямой передачи по току при КЗ на выходе

- выходная проводимость при ХХ на входе.

Системе уравнений соответствует схема:

5.4 Определение H – параметров биполярного транзистора по статическим ВАХ в схеме включения ОБ.

Для каждого h- параметра должен быть указан режим измерения, например: h_21Б=0.0005 при I_Э=5 мА, U_КБ=+5В

Сложность определения h12 – отсутствие семейства ВАХ, т.к. приводимый в справочниках график при U_КБ=0 соответствует режиму насыщения, а h-параметры определяются для активного режима.

5.5 Определение H – параметров биполярного транзистора по статическим ВАХ в схеме включения ОЭ.

5.6 Связь H – параметров с физическими параметрами в схеме с ОБ.

1.

2.

3.

4.

5. 7 Связь H – параметров с физическими параметрами в схеме ОЭ.

1.

.

Сравним с входным сопротивлением для схемы ОБ.

2

3

4 ,