3.3.2. Схема с общим эмиттером

Включим транзистор n-p-n-типа в схему с общим эмиттером (рис. 3.2, б), подав на контакт К коллектора напряжение +U_кэ > 0 и на контакт Б базы напряжение +U_бэ > 0 от соответствующих источников. Для данной схемы входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к.

Входные и выходные характеристики схемы с ОЭ с маломощным транзистором представлены на рис. 3.5.

Входные характеристики

Входные (базовые) характеристики транзистора отражают зависимость тока базы I_б(U_бэ)|_Uкэ от напряжения U_бэ между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером U_кэ (рис. 3.5, а).

а) б)

Рис. 3.5. Входные (а) и выходные (б) характеристики схемы с ОЭ

Входная характеристика при U_кэ = 0

Рассмотрим особенности зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер при отсутствии напряжения на коллекторе U_кэ = 0 (рис. 3.5, а). Зависимость тока базы I_б(U_бэ) от напряжения U_бэ представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 3.5, а), показывающей, что с ростом напряжения U_бэ ток через базовый контакт Б возрастает, однако величина этого тока мала (доли миллиампер).

Сравнивая эту зависимость с зависимостью тока эмиттера I_э(U_бэ) от напряжения U_бэ, приведенную на рис. 3.4, а, можно видеть их идентичность, однако ток эмиттера на несколько порядков выше. Почему это происходит?

В самом деле, зависимость тока эмиттера I_э(U_бэ) от напряжения U_бэ представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 3.4, а), показывающей, что с ростом напряжения U_бэ поток электронов из эмиттера в коллектор возрастает нелинейно. Вспомним, как изменяется ток эмиттера I_э по мере увеличения напряжения U_бэ. Обратим внимание на тот факт, что, например, при U_бэ = + 0,2 В и U_кэ = 0, коллекторный и эмиттерный переходы, открыты в прямом направлении. Поэтому при U_кэ = 0 при возрастании напряжения U_бэ > 0 характеристика тока эмиттера I_э(U_бэ) от напряжения U_бэ соответствовала бы прямой ветви вольтамперной характеристики двух прямо смещенных p-n-переходов (эмиттерного и коллекторного), включенных последовательно. При U_бэ = 0, естественно, ток I_э = 0, а при возрастании напряжения U_бэ > 0 ток I_э возрастает нелинейно (рис. 3.4, а).

Для дальнейшего анализа следует учесть, как связаны токи эмиттера базы. Природа тока базы обусловлена незначительным количеством рекомбинирующих электронов по мере их диффузии к коллекторному переходу через p-базу, и поэтому значение тока базы I_б составляет малую часть тока эмиттера I_э.

В результате этих процессов, такая искомая входная характеристика в схеме с ОЭ, как зависимость тока базы I_б от напряжения U_бэ, представляется также экспоненциальной зависимостью (рис. 3.5, а), но с много меньшими значениями тока базы I_б (доли и единицы мА) по сравнению с током эмиттера I_э (десятки и сотни мА).

Входная характеристика при нормальном активном режиме

Для того, чтобы транзистор работал в нормальном активном режиме, необходимо, чтобы его коллекторный переход был обратно смещенным, т.е. в данном случае для n-p-n-транзистора потенциал коллектора К выбирается положительным (U_кэ  0).

Зафиксируем, например, напряжение U_бэ = + 0,15 В (рис. 3.5, а). Увеличение обратного напряжения U_кэ на коллекторе, например, от 0 до +10 В, вызывает уменьшение тока I_б от 0,17 мА до 0,08 мА (рис. 3.5, а). Другими словами, по мере увеличения обратного напряжения U_кэ серия входных характеристик смещается в область меньших токов базы относительно начальной кривой I_б(U_бэ) со значением U_кэ = 0.

Причиной подобного незначительного уменьшения тока базы является эффект Эрли. По мере увеличения обратного напряжения на коллекторе ширина p-n-перехода П₂ (рис. 3.1, б) увеличивается, область объемного заряда этого перехода смещается в базу, эффективная ширина базы (U) уменьшается (эффект модуляции базы). Ток базы I_б уменьшается, поскольку при возрастании U_кэ все меньшее количество носителей (электронов) рекомбинирует по мере их пролета через сокращенную базу.

Обратим внимание на точку 1 (рис. 3.5, а) при U_бэ = 0. В этом режиме работы поток электронов из эмиттера в базу, а значит, ток I_э, отсутствуют. Ток I_б через контакт базы Б обусловлен, главным образом, током обратно смещенного коллекторного перехода, а именно, составляющей теплового тока I_ко. Именно поэтому при всех значениях U_кэ  0 входные характеристики исходят из точки 1 с отрицательным значением тока базы I_б, равным I_ко, а нулевое значение тока базы достигается при напряжении U_бэ > 0,1 - 0,2 В.

Выходные характеристики

Серия выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ определяет зависимость коллекторного тока I_к(U_кэ) при фиксированном токе базы I_б = const (рис. 3.5, б). На серии вольтамперных характеристик можно выделить три области: I – начальная линейная область; II  рабочий участок транзистора, находящегося в режиме усиления, этот участок характеризуется слабой зависимостью I_к(U_кэ); III – область пробоя коллекторного перехода.

В области I (режим насыщения, режим двойной инжекции) оба перехода "эмиттер – база" и "коллектор – база" смещены в прямом направлении за счет того, что напряжение U_кэ мало (потенциал _к коллектора меньше, чем потенциал _б базы, открывающий эмиттерный переход). Обратим внимание, что крутой наклон характеристики в области I связан с малым электрическим сопротивлением открытого транзистора.

На границе ВАХ области I с областью II ранее открытый коллекторный переход начинает закрываться, и в области II закрытый коллекторный переход находится под воздействием обратного напряжения – так реализуется нормальный активный режим. Точке перехода от области I к области II соответствует напряжение U_кэ порядка 0,5…1,5 В в зависимости от величины тока базы.

Рассмотрим особенности активного режима работы транзистора.

С учетом соотношений с (3.7)- (3.9) имеем

(1 – )I_к = I_б + I_ко.

Поделив все члены полученного выражения на (1 – ), получим основное уравнение тока коллектора в схеме с общим эмиттером:

I_к = I_б + ( + 1)I_ко, (3.13)

где  = /(1 – ) – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Величина коэффициента усиления по току  измеряется десятками и сотнями единиц.

Таким образом, схема с ОЭ обладает усилением по току:

K_I(э) = ∆I_к/∆I_б =  = /(1 – ). (3.14)

Иногда уравнение (3.13) записывают в другом виде [12]:

I_к = I_б + I_ко^*, (3.15)

где I_ко^* = ( + 1)I_ко – тепловой ток транзистора в схеме с общим эмиттером (начальный сквозной ток, протекающий через транзистор).

Из уравнения (3.13) следует, что ток коллектора, теоретически равный I_к  I_б, не должен изменяться по мере увеличения напряжения U_кэ. Однако более точный учет влияния напряжения U_кэ показывает, что уравнение выходной характеристики на участке II (рис. 3.5, б, сплошные линии) имеет вид

I_к = I_б + U_кэ/r_к(э) + ( + 1)I_ко, (3.16)

где за наклон характеристики "отвечает" второе слагаемое уравнения, физически характеризуя ток через резистор сопротивлением r_к(э)  дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Возрастание тока коллектора (на участке II) по мере увеличения напряжения U_кэ связано с увеличением коэффициента усиления  за счет эффекта Эрли, описанного выше. По мере увеличения обратного напряжения на коллекторном p-n-переходе, его ширина l_к(U) возрастает, сокращается ширина базы (U_кэ) (рис. 3.3), уменьшается вероятность рекомбинации основных носителей, ток I_б через контакт Б уменьшается, соответственно, возрастает коэффициент инжекции  и увеличивается ток коллектора I_к.

Наклон выходной характеристики I_к(U_кэ) на участке II характеризует сопротивление r_к(э) = du_кэ/di_к|_Iб = const, которое может быть найдено по данным характеристики как отношение приращений напряжения U_кэ и токаI_к.

При условии, что входной ток базы отсутствует I_б = 0 (нулевой), имеем, что через коллекторный переход (и контакт К) протекает ток I_ко(э), равный

I_ко(э) = ( + 1)I_ко = I_ко^*, (3.17)

называемый начальным или сквозным (рис. 3.5, б, кривая I_ко(э)).

Если эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние (режим отсечки), т. е. сделать потенциал базы _б < 0 (U_бэ < 0), то ток базы I_б поменяет направление и будет равен I_ко, а ток коллектора снизится до от I_ко^* до I_ко (рис. 3.5, б, кривая I_ко), и ток коллектора будет определяться обратным током коллекторного перехода I_ко, протекающим по цепи "база – коллектор".

Наличие достаточно большой составляющей тока I_ко^* = ( + 1)I_ко в выражении (3.17) является одой из главных причин температурной зависимости выходных характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению величины тока I_ко^* и смещению серии характеристик I_к(U_кэ) вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рис. 3.5, б).

Коэффициент усиления по напряжению K_U(э) = ∆u_кэ/∆u_бэ мало отличается от коэффициента K_U(б), так как U_кэ и U_кб практически равны.

Коэффициент усиления по мощности K_p(э) = K_I(э)K_U(э) во много раз больше, чем в схеме с ОБ, так как схема с ОЭ обладает усилением по току.

Входное сопротивление r_вх(э) = ∆u_бэ/∆u_б (дифференциальное) примерно на порядок выше, чем в схеме с ОБ, и составляет десятки или сотни Ом.

Выходное сопротивление r_вых(э) (дифференциальное), как и в схеме с ОБ, определяется внутренним сопротивлением обратно смещенного p-n-перехода "коллектор – база" и составляет сотни килоом или единицы мегом.

Схема с ОЭ находит наибольшее применение в схемотехнике, так как обладает усилением по току, напряжению и мощности. Недостатком схемы с ОЭ по сравнению со схемой с ОБ является большая величина неуправляемого теплового тока I_ко^*, для уменьшения которого приходится принимать специальные меры.