Выходные статические характеристики в схеме с общим эмиттером

Выходная характеристика это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. Ток базы является параметром семейства выходных характеристик.

На рис… приведена выходная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером. На ней можно выделить два участка. Крутой участок соответствует работе транзистора в режиме насыщения. Более пологий участок соответствует активному режиму. Переход от режима насыщения к активному режиму происходит при U_кэ = U_бэ. При этом U_кб = 0.

Рассмотрим характеристику на активном участке. На рис.. представлены распределения концентрации дырок в базе при U_кб = 0 прямая 1(она соответствует U_кэ = U_бэ) и U_кб < 0 прямая 2. При увеличении U_кэ увеличивается ток коллектора, так как увеличивается градиент концентрации дырок. Одновременно уменьшается инжектированный заряд в базе Q_инж, который пропорционален площади треугольника между прямыми распределения неравновесной и равновесной концентрации дырок. Уменьшение Q_инж приводит к уменьшению тока рекомбинации и, следовательно к уменьшению тока базы. Выходная характеристика снимается при постоянном токе базы. Прежнее значение тока базы восстанавливается увеличением U_бэ. При этом увеличивается концентрация p_n(0), что приводит к увеличению Q_инж, до величины, при которой ток рекомбинации и, следовательно, ток базы увеличиваются до прежнего значения. Но при этом вновь увеличивается ток коллектора. Поэтому в отличие от схемы с общей базой, ток коллектора в активном режиме в большей степени растёт с увеличением U_кэ.

Ход характеристики при переходе в режим насыщения объясняется следующим образом. При напряжении U_кэ, меньшем по абсолютной величине U_бэ, открывается переход коллектор-база, что приводит к увеличению концентрации дырок на коллекторном конце базы. Это уменьшает градиент концентрации дырок, а, следовательно, и ток коллектора. В то же время ток базы увеличивается, так как происходит инжекция дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Ток базы необходимо поддерживать постоянным. Для этого уменьшается напряжение U_бэ . Это приводит к уменьшению инжектированного заряда и, следовательно, тока рекомбинации, являющегося частью тока базы. Снижение U_бэ производится до восстановления прежнего значения тока базы. При этом ещё больше уменьшается градиент концентрации дырок в базе и, следовательно, уменьшается ток коллектора. Таким образом, даже одномерная модель структуры транзистора объясняет снижение тока коллектора в режиме насыщения.

Инжекция носителей в пассивную базу и коллектор, учитываемая в рамках двумерной модели, вызывает рост компоненты базового тока, текущую через коллектор, обеспечивает более резкий спад тока коллектора при поддержании постоянным тока базы.

При одинаковых приращениях тока базы происходит неодинаковое приращение тока коллектора. Это следует из того, что статический коэффициент передачи зависит от тока коллектора. С ростом тока коллектора  вначале растет, а затем падает.

На выходную характеристику влияние температуры намного больше, чем в схеме с общей базой. Это объясняется тем, что ток базы поддерживается постоянным, в то время как с ростом температуры на 1 К  увеличивается примерно на 1%. При том же заряде электронов и дырок в базе с ростом температуры дырочная компонента тока эмиттера увеличивается в большем темпе, чем электронная. Это происходит потому, что для дырочной компоненты база тонкая, а для электронной - толстая. С ростом температуры увеличивается диффузионная длина электронов в эмиттере, а ширина базы практически не изменяется. Это ведет к росту коэффициента инжекции с температурой.

Одновременно с температурой растёт коэффициент переноса, так как увеличивается время жизни дырок в базе. Время жизни увеличивается при изменении температуры от –60 до +60 жизни увеличивается в 2 – 3 раза (Викулов).

С ростом температуры увеличивается поступление в потенциальную яму в базе электронов за счёт роста тока генерации в ОПЗ коллекторного перехода. Поэтому для поддержания заданного тока коллектора требуется меньший ток базы.

Рост времени жизни дырок и поступление электронов в базу из коллекторной ОПЗ уменьшает скорость убыли электронов из базы. Поэтому том же токе базы, что и при более низкой температуре, в базе будет накоплен больший заряд к моменту равенства скоростей поступления и ухода электронов. Большему заряду в базе соответствует больший ток коллектора.

Переходная характеристика

Зависимость I_к от I_б .

Частотная характеристика транзистора в схеме

с общим эмиттером

Частотная характеристика в схеме с общим эмиттером это зависимость дифференциального (малосигнального) коэффициента передачи тока базы _м 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 базы. 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 может быть представлена в виде суммы трёх постоянных времени

 = _э^* + _к^* + _p,

где _э^* = R_бдифC_э - время перезарядки барьерной ёмкости эмиттерного перехода, _к^* = (R_н + R_к + R_б) C_к ^*, _р – время жизни дырок в базе. Здесь R_бдиф – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер в рабочей точке, C_э – барьерная ёмкость перехода база-эмиттер, R_н – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи транзистора, R_к – сопротивление тела коллектора, R_б – сопротивление базы, C_к ^* = С_кб. Рассмотрим реакцию приращения тока коллектора в рабочей точке при приращении тока базы в рабочей точке (рис…). Длительность фронта приращения тока определяется перезарядкой барьерных емкостей и временем _р, когда заряд электронов и дырок в базе увеличится до уровня, когда скорость поступления электронов в базу будет равна скорости их ухода. Причём основной вклад в постоянную времени даёт перезарядка барьерной ёмкости коллекторного перехода C_к^* через сопротивление нагрузки. Это объясняется тем, что в цепи базы имеется управляющий источник тока. Он обладает сопротивлением много большим дифференциального сопротивления перехода база-эмиттер. Поэтому барьерная ёмкость коллекторного перехода перезаряжается по цепи источник питания E_к, R_н, переход база эмиттер. Но как только ток начинает протекать через переход база-эмиттер, это вызывает протекание в  раз большего тока в цепи коллектора. Ток в этой цепи не может быть больше E_к/R_н. Поэтому ёмкость коллектора перезаряжается в  раз меньшим током, чем в схеме с общей базой, где источник тока управления находится в эмиттере и перезарядка этой ёмкости не может идти через переход база-эмиттер.

Заменим бесконечную ступеньку приращения тока базы на переменное напряжение в виде меандра. Рассмотрим, каким образом будет изменяться малосигнальный коэффициент передачи _м = I_к/I_б при увеличении частоты меандра. На низкой частоте, когда длительность полупериода меандра много больше , приращение тока коллектора достигает стационарного значения, равного значению при бесконечной ступеньке приращения тока базы. В отрицательный полупериод меандра происходит аналогичный процесс уменьшения тока коллектора. С ростом частоты, когда длительность полупериода становится сравнимой с , амплитуда приращения тока коллектора уменьшается, так как переходной процесс не успевает завершиться. Поскольку амплитуда приращения тока базы поддерживается неизменной (в схеме с общим эмиттером транзистор управляется током базы), то коэффициент передачи тока на малом сигнале уменьшается с ростом частоты.

Замена меандра на синусоидальную форму тока, которую используют для измерения коэффициента передачи h_21э при представлении транзистора четырёхполюсником, принципиально ничего не меняет. С ростом частоты тока базы h_21э уменьшается (рис…). Для сравнения на этом же рисунке приведена частотная характеристика схемы с общей базой. Частота f_пр, на которой коэффициент h_21э уменьшается в корень из двух раз, по сравнению со значением на низкой частоте, называется предельной. Эта частота намного (примерно в  раз меньше), чем в схеме с общей базой. Однако на предельной частоте коэффициент передачи остаётся намного большим единицы. Частота f_гр, на которой коэффициент передачи в схеме с общим эмиттером h_21э становится равным 1, называется граничной. Это частота, до которой в схеме с общим эмиттером транзистор можно использовать для усиления и генерации сигналов.

Усиление в схеме с общим эмиттером

Расчёт задания режима простейшего усилителя по постоянному току (задание токов покоя). Основная идея заключается в том, что на ВАХ выбирают участок примерно в середине нагрузочной прямой. (125) Изменение Т приводит к изменению положения рабочей точки, т.к. меняется . В середине выбирается участок для создания запаса, чтобы не допустить выход на нелинейные искажения.

1.U_кр.т. = Е_к/2; 2.I_кр.т. = Е_к/2R_н; 3. I_брт = I_кр.т./; 4. R_б1 = Е_к - 0.7 В/I_брт; 0.7 В-падение на p-n-переходе (Si);

Недостатки схемы: 1.Плохая термоустойчивость;

2. Большая чувствительность к замене транзистора; (126)

1. U_эрт = (0.1 - 0.2)Е_к; 2. U_крт = (Е_к - U_эрт)/2 +U_эрт;

3. I_крт = (Е - U_эрт)/2R_н; 4.U_б = 0.7 В + U_эрт; 5. I_дел 10 * I_брт;

6. I_брт = I_крт/; 7. R_б1 = (E_к - U_брт/I_дел; 8. R_б2 = U_брт/(I_дел - I_б);

Делитель жестко задает потенциал базы. Применение R₂ создает цепь отрицательной обратной связи по току. С увеличением тока возрастает U_э, что уменьшает U_бэ, а это в свою очередь уменьшает I_б. Снижение I_б приводит к уменьшению I_э (I_к). Отрицательная связь препятствует уходу из рабочей точки. Обратная связь устанавливает постоянный ток. C_э выключает действие обратной связи по переменному току. Эта схема более устойчивая к изменению температуры. В ней меньше сказывается уход рабочей точки при замене транзистора.