Передаточная характеристика в схеме с общей базой

П ередаточная характеристика это зависимость тока коллектора от тока эмиттера. Передаточная характеристика снимается при наличии резистора R_к в цепи коллектора (рис..). С помощью семейства выходных характеристик транзистора и нагрузочной прямой рис… можно построить передаточную характеристику. При заданных токах эмиттера токи коллектора находятся в точках пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками. В активном режиме передаточная характеристика линейна. Переход в режим насыщения обусловлен падением напряжения на резисторе при протекании тока коллектора. Когда падение напряжения на нём становится больше напряжения источника питания коллектора E_к, коллекторный переход смещается в прямом направлении. Помимо компоненты тока, обусловленной экстракцией дырок из базы в коллектор, появляется компонента тока коллектора, обусловленная инжекцией дырок из коллектора в пассивную базу и электронов из пассивной базы в эмиттер. Эти компоненты тока коллектора противоположно направлены. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению обеих компонент и ток коллектора, равный их разности практически не изменяется.

Частотная характеристика транзистора

в схеме с общей базой

Частотная характеристика в схеме с общей базой это зависимость дифференциального (малосигнального) коэффициента передачи тока эмиттера от частоты входного тока синусоидальной формы. Она снимается в режиме малого сигнала. Частотная характеристика отражает инерционные свойства транзистора. Эти свойства равнозначно можно определить с помощью переходной характеристики, т.е. реакции тока коллектора на скачок тока эмиттера. Соотношение между постоянной времени переходного процесса  и предельной частотой f_пр выглядит следующим образом

f_пр = 1/2.

Переходной процесс даёт физически более ясную интерпретацию инерционных свойств транзистора. Поэтому частотная характеристика будет объяснена на основе анализа переходного процесса.

Постоянная времени переходного процесса равна сумме постоянных времени перезарядки барьерной ёмкости эмиттерного перехода _э = C_эбR_диф, пролёта дырок _пр, постоянной времени перезарядки барьерной ёмкости коллекторного перехода _к = C_кб (R_к + R_б + R_н)

 = _пр + _э + _к.

Здесь C_эб – барьерная ёмкость прехода эмиттер-база в рабочей точке, R_диф – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в рабочей точке , C_кб – барьерная ёмкость коллекторного перехода в рабочей точке, R_к – сопротивление тела коллектора, R_б – сопротивление базы для протекания тока базы, R_н – сопротивление нагрузки, включенной в цепь коллектора. Сопротивление нагрузки не относится к структуре транзистора, однако реально присутствует в большинстве схем с транзисторами.

В схеме с общей базой транзистор управляется током эмиттера. Поэтому зададим приращение тока эмиттера относительно постоянного тока в рабочей точке.

При скачке тока эмиттера происходит заряд барьерной ёмкости эмиттера с постоянной времени определяемой дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода. Поэтому на инжекцию приходится лишь часть тока эмиттера. По мере заряда ёмкости инжекционная компонента растёт. После заряда ёмкости инжекционная компонента тока становится основной частью тока эмиттера. Поскольку ток коллектора в транзисторе практически равен инжекционной компоненте тока эмиттера, то заряд ёмкости эмиттерного перехода вызывает переходной процесс в токе коллектора. Аналогично влияет перезарядка ёмкости коллекторного перехода через сопротивление нагрузки тела коллектора и сопротивления базы. Часть экстрагированных из базы дырок идёт на компенсацию зарядов ионизированных акцепторов в коллекторе, что замедляет рост тока коллектора во внешней цепи.

Рассмотрим влияние пролётных явлений на переходной процесс в транзисторе. Приращение тока эмиттера в рабочей точке I_э (рис..) вызывает дополнительную инжекцию дырок в базу. Она в свою очередь вызывает введение электронов в базу из металлического контакта базы. Поэтому пока дырки в процессе диффузии не достигли коллекторного перехода, ток эмиттера замыкается через вывод базы. Ток коллектора равен нулю (точнее его управляемая дырочная компонента). Если бы все дырки проходили базу за одно и тоже время, то в момент достижения дырками коллекторного перехода ток коллектора возрастал бы скачком, а ток базы скачком уменьшался до нуля. Однако дырки распределяются по времени пролёта. Есть "быстрые" и "медленные" дырки. Разброс времён пролёта определяет фронт нарастания коллекторного тока.

Время, за которое ток коллектора нарастает до 0,63 от своего стационарного значения равно времени пролёта базы _пр = W_b²/2D_p. Ток базы убывает с таким же фронтом. Если бы не было рекомбинации и инжекции электронов в эмиттер, то ток базы должен был бы уменьшиться до нуля. Однако он снижается до величины, обеспечивающей восполнение потерь электронов в базе.

_пр

Таким образом, длительность фронта коллекторного тока определяется временем перезарядки барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и временем пролёта дырок. В большинстве практических случаев наибольший вклад в постоянную времени переходного процесса вносит перезарядка коллекторной ёмкости через сопротивление нагрузки.

Подадим в цепь эмиттера наряду с постоянным током, задающим рабочую точку (режим по постоянному току), небольшой переменный ток в форме меандра рис... Если полупериод меандра больше постоянной времени нарастания коллекторного тока, то за время положительного полупериода коллекторный ток успеет вырасти до стационарного значения, равного установившемуся току при бесконечной по длительности ступеньке эмиттерного тока. При увеличении частоты меандра, когда длительность полупериода станет соизмеримой с постоянной времени (рис.., пунктир), ток коллектора не будет успевать достигать стационарного значения. Амплитуда его приращения с ростом частоты меандра будет уменьшается. Малосигнальный коэффициент передачи тока эмиттера _м равен отношению приращений тока коллектора к току эмиттера

.

Приращение тока эмиттера (амплитуда меандра) поддерживается с ростом частоты постоянной, а приращение тока коллектора падает. Поэтому с ростом частоты малосигнальный коэффициент передачи уменьшается (рис….). Если заменить форму переменного тока эмиттера на синусоидальную, которой пользуются при определении частотных характеристик, то принципиально физика процесса не изменится. Модуль коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой уменьшается с ростом частоты (рис...). Частота, на которой коэффициент передачи h_21б уменьшается в 2 раз называется предельной.

.

Наличие фронта приращения коллекторного тока говорит о сдвиге по фазе между эмиттерным и коллекторным током. Моменты достижения амплитудного значения у I_э и I_к различны. Поэтому коэффициент передачи при синусоидальной форме эмиттерного тока является комплексной величиной, поскольку имеется сдвиг по фазе между током эмиттера и коллектора. Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты представляется следующим аналитическим выражением

,

где h_21бн – значение коэффициента передачи на низкой частоте, когда сдвигом по фазе между током эмиттера и коллектора можно пренебречь.

Усиление в схеме с общей базой в режиме

большого сигнала

Воспользуемся для иллюстрации механизма усиления в схеме с общей базой при активной нагрузке R_н входной и выходной характеристиками транзистора (рис..). Рассмотрим режим большого сигнала, когда нелинейностью входной характеристики нельзя пренебрегать.

Из анализа графиков можно сделать следующие выводы.

В схеме с общей базой усиление по току не происходит. Входной сигнал усиливается по напряжению и мощности. Действительно, для смещения эмиттерного перехода достаточно 0,7 В. При этом выходное напряжение может, при соответствующем сопротивлении нагрузки, изменяться на E_к, которое обычно намного больше 0,7 В. Поэтому максимальный коэффициент усиления по напряжению в активном режиме K_u равен

K_u = Е_к/U_pn ,

где U_pn – напряжение на эмиттерном переходе, равное 0,7 В для кремниевого транзистора.

Импульс напряжения на выходе имеет искажения, обусловленные нелинейностью входной характеристики. Искажения формы сигнала будут и при заходе в режим насыщения.

Имеется сдвиг по фазе нa 180 градусов между входным и выходным напряжением. Входной импульс положительный, а выходной отрицательный.

Амплитуда выходного импульса напряжения зависит от сопротивления нагрузки R_н. Если R_н уменьшается, то амплитуда импульса также уменьшается. При увеличении сопротивления нагрузки возможен переход транзистора в режим насыщения, когда с ростом эмиттерного тока амплитуда тока коллектора практически не растёт.

Усиление в режиме малого сигнала

Р ассмотрим усилитель в схеме с общей базой с активной нагрузкой R_н в цепи коллектора (рис..). На рис… представлены характеристики и временные диаграммы, иллюстрирующие усиление в схеме с общей базой в режиме малого сигнала. Из анализа графиков можно заключить, что в режиме малого сигнала имеется усиление по напряжению и сдвиг по фазе на 180^о между входным и выходным напряжением.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению малого сигнала на частотах, когда сдвигом фаз между током эмиттера и коллектора можно пренебречь. Он равен отношению

,

где U_вых – приращение выходного напряжения, U_вх – приращение входного напряжения.

При усилении малых сигналов стремятся получить необходимый коэффициент усиления напряжения при приемлемом уровне искажений формы входного сигнала (его оценивают процентом высших гармоник в выходном сигнале при синусоидальном входном напряжении). Для этого необходимо установить режим работы транзистора по постоянному току. Иначе говоря, надо установить рабочие точки на входной и выходной характеристиках транзистора. Это делается для того, чтобы исключить влияние участка входной характеристики с малой крутизной и уменьшить искажения, обусловленные нелинейностью выходной характеристики. Обычно напряжение на коллекторе в рабочей точке выходной характеристики выбирают равной половине напряжения источника питания коллектора E_к/2. Перпендикуляр из точки E_к/2 на оси абсцисс выходной характеристики восстановленный до точки пересечения с нагрузочной прямой равен току коллектора в рабочей точке I_крт. Его ещё называют током покоя. Это ток протекает, когда входного сигнала нет. Ток эмиттера в рабочей точке I_эрт можно считать равным току коллектора в рабочей точке, поскольку коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице. Зная ток эмиттера в рабочей точке, можно определить дифференциальное сопротивление эмиттера

.

Приращение входного напряжения U_вх можно выразить как произведение приращения тока эмиттера на дифференциальное сопротивление эмиттера

.

Приращение выходного напряжения равно

.

Тогда коэффициент усиления по напряжению, равный отношению приращения выходного напряжения к входному будет

.

Поскольку коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице, то коэффициент усиления будет равен

.

Коэффициент усиления больше единицы, когда R_н > R_диф. R_диф зависит от режима по постоянному току.

Рассчитаем режим работы усилителя в схеме с общей базой по постоянному току.

Пусть дано напряжение источника питания коллектора Е_к и величина сопротивления нагрузки в цепи коллектора R_н. Определим напряжение источника смещения в цепи эмиттера Е_э, сопротивление R_э и ёмкость разделительного конденсатора С_э. Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения и минимальных нелинейных искажений сигнала постоянное напряжение коллектора в рабочей точке (рис…) выбирается как

U_крт = Е_к/2.

Тогда отсюда можно определить постоянный ток коллектора в рабочей точке и примерно равный ему ток эмиттера в рабочей точке

I_крт = Е_к/2R_н = I_эрт.

Зная ток эмиттера в рабочей точке, определим дифференциальное сопротивление эмиттера в рабочей точке

R_эдиф = kT/eI_эрт.

Чтобы переменный ток не шунтировался сопротивлением R_э, то есть весь шёл в эмиттер, для управления током коллектора R_э надо выбирать много большим R_эдиф. Много больше означает не менее чем в 10 раз. Определим требуемое напряжение источника смещения в цепи эмиттера Е_э

Е_э = I_эрт.R_эдиф + U_pn ,

где U_pn - падение напряжения на переходе эмиттер-база для кремниевого транзистора. Для кремниевого транзистора оно находится в пределах 0,5 – 0,7 В. Величина ёмкости конденсатора С_э исключает протекание постоянного тока от источника смещения Е_э через источник переменного сигнала. Её величина определяется условием, что на нижней частоте усиления f_н сопротивление ёмкости было много меньше R_диф. Много меньше означает не менее чем в 10 раз. То есть большая часть входного переменного напряжения должна падать на входе транзистора, а не на конденсаторе С_э. Это условие выражается следующими неравенствами

1/(2С_э f_н) << R_эдиф,

или

С_э >>1/ 2 f_нR_эдиф).

Схема с общей базой обеспечивает усиление по мощности и напряжению. Предельная частота в этой схеме является самой высокой по сравнению с другими схемами включения. Поэтому эта схема используется для высокочастотных и сверхвысокочастотных применений.

Статические характеристики транзистора общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером управление транзистором происходит с помощью тока базы.

Входная статическая характеристика - это зависимость тока базы I_б от напряжения база-эмиттер U_бэ при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером U_кэ. Напряжение коллектор-эмиттер является параметром семейства входных характеристик (рис…).

При U_кэ = 0 ток базы равен сумме текущих в одном направлении токов двух открытых p-n-переходов. При увеличении отрицательного напряжения между коллектором и эмиттером, коллекторный переход будет всё меньше смещаться в прямом направлении. Поэтому составляющая тока коллектора, текущая в пассивную базу, будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению тока базы. Когда U_кэ станет равным U_бэ, инжекция дырок в базу из коллектора и электронов из базы в коллектор прекратится. Это приведёт к уменьшению тока базы. По этой причине входная характеристика сдвигается вправо. При дальнейшем увеличении по модулю U_кэ коллекторный переход закроется. Будет открыт только эмиттерный переход. Дальнейший, уже незначительный сдвиг характеристики вправо, обусловлен эффектом Эрли. За счёт его уменьшается инжектированный в базу из эмиттера заряд дырок и, следовательно, ток рекомбинации, являющийся частью тока базы.

Таким образом, при увеличении отрицательного напряжения коллектор-эмиттер происходит сдвиг входных характеристик вправо.

При увеличении температуры действуют несколько физических механизмов, изменяющих ток базы.

Ток базы увеличивается за счёт того, что растёт ток инжекции электронов из базы в эмиттер. Кроме этого растёт ток инжекции дырок из эмиттера, что приводит к увеличению инжектированного заряда в базе. А это приводит к увеличению тока рекомбинации.

С ростом температуры увеличивается время жизни электронов и дырок в базе. Это ведёт к уменьшению тока рекомбинации и, следовательно, к уменьшению тока базы. Обратный ток перехода коллектор-база увеличивается с ростом температуры. Поскольку он направлен противоположно другим компонентам тока базы, то это приводит к уменьшению результирующего тока базы.

Наличие двух противоположных тенденций изменения тока базы с ростом температуры приводит к тому, что на начальном участке вольт-амперной характеристики ток базы уменьшается, а на конечном увеличивается. Поэтому снятые при разных температурах входные характеристики пересекаются. На основной части входной характеристики с ростом температуры ток базы увеличивается.