Эмиттерные вольтамперные характеристики .

Схема эксперимента для получения эмиттерной ВАХ остается пре − жней (рис. 6) , но ключ S должен быть замкнут . Типовое семейство эмиттерных ВАХ приведено на рис.10 . Обычно снимают несколько характеристик при различных значениях U_кб , чтобы выяснить влияние коллекторной (выходной) цепи

БПТ на эмиттерную (входную) . Формула , описывающая эмиттерную ВАХ при U_кб = 0 имеет вид

,

где I₁₀ − тепловой ток эмиттерного перехода , когда коллекторный замкнут накоротко . У БПТ эмиттерный переход считается первым , коллекторный − вторым .

Рис. 10

При U_кб < 0 прямая ветвь смещается к оси тока , т.е. при одном и том же напряжении U_эб эмиттерный ток несколько возрастает (I_э = I_э3 > I_э2) . Величина отрицательного напряжения U_кб несущественно влияет на ход эмиттерных ВАХ .

Если же U_кб > 0 , то вся эмиттерная ВАХ смещается вниз и в третьей четверти , при отрицательных значениях U_эб , переходит в инверсную коллекторную .

Прямая ветвь эмиттерной ВАХ БПТ , как и у обычного вентильного диода характеризуется отрицательным ТКН , это означает , что с ростом температуры триода эмиттерная ВАХ смещается к оси токов .

Схема включения БПТ с общим эмиттером (ОЭ).

Принцип действия БПТ и их вольтамперные характеристики рассма − тривались на примере включения с ОБ . Но наиболее распространенной является схема включения с общим эмиттером (ОЭ) , изображенная на рис. 11 .

Для этой схемы включения БПТ , когда говорят об эмиттерном и коллекторном напряжениях , подразумевают , что оба отсчитываются от эмиттера , принятого за основной электрод , общий для входной (эмит − терной) и выходной (коллекторной) цепей триода . Эмиттерное напря − жение U_бэ , коллекторное − U_кэ , причем U_кэ = U_бэ + |U_кб| . Входной ток – ток базы I_б , выходной − ток коллектора I_к .

Коллекторные вольтамперные характеристики .

Семейство коллекторных характеристик схемы с ОЭ (рис.12) отлича − ется от одноименного семейства схемы включения с ОБ . Характеристи −

Рис. 11

ки смещены вправо на величину падения напряжения на эмиттерном переходе U_бэ и полностью расположены в первой четверти . Коллектор − ные ВАХ определяются как зависимости I_к = f(U_кэ) , снятые при различ − ных значениях I_б.i = const .

На семействе коллекторных ВАХ можно выделить три области : об − ласть отсечки (ОО) ; активную область (АО) ; область насыщения (ОН) .

Аналитическое выражение , приближенно описывающее ход коллек − торных характеристик в активной области , получается на основании известных соотношений . Ток эмиттера I_э = I_к + I_б ; ток коллектора для включения с ОБ I_к = αI_э + I_ко +U_кб/r_к ; подставим I_к в формулу для I_э и выразим ток коллектора через I_б .

I_к = α(I_к + I_б) +I_ко + U_кб/r_к , или I_к(1 – α) = αI_б + I_ко + U_кб/r_к ;

поделим обе части уравнения на 1 – α и введем обозначения

, ,

где β − коэффициент усиления (передачи) тока базы в схеме с ОЭ ; I_ко(1+β) = I^*_ко , , таким образом

.

При небольших напряжениях U_кэ последним слагаемым прене − брегают , тогда

I_к = βI_б + I^*_ко .

Особенности семейства коллекторных ВАХ схемы с ОЭ . Коэффициент передачи входного тока (I_э) схемы с ОБ α слабо , но все – таки зависит от величины I_э . У качественных триодов α = 0,98…0,99 и с ростом I_э , а значит I_к , несколько уменьшается . Незначительные измене − ния α приводят к резкому изменению усилительных свойств триода в схеме включения с ОЭ .

Например , при α = 0,99 , β = α/(1 – α) = 0,99/(1 – 0,99) = 99 ; при α = 0,98 , β = 0,98/(1 – 0,98) = 49 . Т. е. при снижении α всего на

Рис. 12

0,01 , β уменьшается в два раза . Этим объясняют существенную раз − ницу в стабильности характеристик схем включения с ОБ и ОЭ . Семейство коллекторных ВАХ схемы ОЭ менее регулярно , чем схемы ОБ и заметно «сгущается» с ростом I_к .Наклон коллекторных ВАХ значительно больше , чем в схеме с ОБ , т. к. r^*_к гораздо меньше r_к .

Если разомкнута цепь базы (I_б = 0) , то ток коллектора I_к = I^*_ко = I_ко(1 +β) , что во много раз больше I_ко (при разомкнутой цепи эмиттера в схеме с ОБ) . Это состояние соответствует активной области , триод еще нельзя считать полностью закрытым , находящимся в области отсечки (ОО) . Мощность , рассеиваемая на коллекторном переходе при I_б = 0 : P_к = I^*_ко∙U_кэ , может оказаться заметной долей в составе P_к.доп для данного БПТ . Поэтому предельно допустимое напряжение на коллекторе U_к.доп в схеме включения с ОЭ может быть примерно на 40% меньше , чем в схеме с ОБ .

Для того , чтобы триод находился в активной области (АО) , необ − ходимо выполнить следующие условия : U_бэ ≥ 0 , I_б ≥ 0 , U_кб < 0 ; U_кэ < 0 , |U_кб| > φ_т ; в активной области БПТ работает как усилительный эле − мент I_к ≈ β∙I_б ( в режиме управляемого сопротивления) .

Величина тока базы может быть даже отрицательной (I_б втекает в базу) , но не более |−I_ко| , при этом триод сохраняет некоторую управ − ляемость .

Для того , чтобы триод находился в области отсечки (ОО) , необ − ходимо выполнить следующие условия : U_бэ <0 , I_б = − I_ко ; U_кэ < 0 , I_к = I_ко ; в области отсечки ток коллектора пренебрежимо мал и БПТ счита − ется выключенным .

Напряжение U_кэ = |U_кб| + U_бэ . При U_кб = 0 U_кэ = U_бэ > 0 триод находится на границе области насыщения и активной : эмиттерный переход инже − ктирует носители зарядов (в нашем случае дырки) , коллекторный пе − реход собирает . В ОН коллекторный переход тоже немного смещается прямо и начинает не только собирать , но и инжектировать носители зарядов , т. е. появляется встречный собираемому поток носителей . Ток I_к сохраняет прежнее направление : от эмиттера к коллектору , но при увеличении U_бэ практически не растет .

Для того , чтобы вывести БПТ в состояние насыщения , необходимо выполнить следующие условия : U_бэ >0 ; I_б > 0; U_кб ≥ 0 , I_к ≈ β∙I_б . Ток базы , при котором U_кб = 0 , т. е. триод находится на границе между областями насыщения и активной , называют минимальным током базы насыщения и обозначают I_б.мин .

На практике , чтобы обеспечить состояние насыщения БПТ , выби − рается большее , чем I_б.мин , значение тока базы насыщения : I_бн = S∙I_б.мин , где S − степень насыщения . Для мощных триодов , работающих в схемах импульсных транзисторных преобразователей S = 1,5…2 , для маломощ − ных , работающих в интегральных микросхемах S = 2,5…4 .

С ростом температуры все семейство коллекторных ВАХ смещается вверх , причем влияние температуры на характеристики значительно сильнее , чем в схеме включения с ОБ . Причинами влияния являются температурные зависимости : I_ко(Т) и β(Т) .

Эмиттерные вольтамперные характеристики (рис.13). Эмиттерная ВАХ схемы включения с ОЭ отличаются от одноименной характе − ристики включения с ОБ : а) они имеют другой масштаб по оси токов , т. к. I_б = I_э/(1 + β) ; б) эмиттерные ВАХ смещаются от оси токов с ростом |−U_кэ| ; при обратном смещении эмиттерного перехода , обратный ток базы ограничивается значением −I_ко .

Рис.13

Семейство эмиттерных ВАХ характеризуется отрицательным ТКН , т. е. с ростом температуры сдвигается к оси токов .

Линейная схема замещения БПТ , включенного с ОБ (рис.14).

Схема замещения составлена из т.н. дифференциальных параметров , поэтому генератор тока I_ко в ней отсутствует . Вместо него введено дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_к . Эмит − терный диод – переход замещен дифференциальным сопротивлением перехода r_э . Влияние коллекторного напряжения на ход эмиттерных ВАХ отражен генератором эдс μ_экU_кб , включенным последовательно с сопротивлением r_э ; здесь μ_эк – коэффициент обратной связи в триоде . Для учета частотных свойств триода параллельно сопротивлениям

r_к и r_э включаются барьерные емкости переходов C_э и C_к ; на рис.14 учтена только C_к , как наибольшая из двух . В коллекторной цепи дей − ствует генератор тока α∙i_э , отражающий функцию собирания коллек − тором носителей , инжектированных эмиттером в базу .

Линейная схема справедлива только для переменных составляющих напряжений и токов действующих в триоде ; знаки

Рис. 14

полярности напряжений и направления токов в схеме (рис.14) соот − ветствуют одному из полупериодов сигнала .

Дифференциальные параметры линейной эквивалентной схемы :

1. Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

;

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

;

3. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

4. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению

.

r_б – объемное сопротивление базы ; не является дифференциальным па − раметром ; учитывается в любых эквивалентных схемах . У маломощ − ных БПТ может достигать нескольких десятков Ом , у мощных − доли Ом .

Дифференциальные параметры линейных эквивалентных схем могут быть определены по ВАХ , снятым экспериментально .

Линейная схема замещения БПТ , включенного с ОЭ (рис.15)

Дифференциальные параметры линейной эквивалентной схемы включения с ОЭ :

1. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы

;

2. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

3. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению

;

Объемное сопротивление базы r_б и дифференциальное сопротивление собственно эмиттерного перехода r_э такие же , как и в схеме включения с ОБ . Для данной схемы включения БПТ имеет смысл определять дифференциальное входное сопротивление триода

4. Дифференциальное входное сопротивление БПТ в схеме включения с ОЭ

.

Параметры рассмотренных линейных схем замещения называют физическими .

Рис. 15

II . Описание лабораторного стенда (рис. 16)

На стенде можно снимать статические характеристики БП триодов и диодов . На лицевой панели стенда размещены : гнезда для подключения источников питания и приборов , переключатели полярности напряжения и тока , потенциометры плавной регулировки напряжения , контакты для подпайки триодов и диодов . Чтобы снять ВАХ триода, достаточно сместить его эмиттерный переход в прямом направлении напряжением 1…1,5 В , а коллекторный обратным напряжением не более 15…25 В .

На передней панели стенда установлены миллиамперметры для из − мерения тока эмиттера или базы , pA1 и тока коллектора pA2 ; вольт − метры pV1 и pV2 для измерения эмиттерного и коллекторного напря − жений ; гнезда G1 , G2 , G5 , G6 для подключечения источников питания и гнезда G3 , G4 − для подключения лабораторного вольтметра с боль − шим входным сопротивлением ; переключатели S1 , S2 , S3 для смены полярности подключения измерительных приборов , S4 для изменения схемы включения триодов (ОБ , ОЭ) ; потенциометры R1 , R2 для плав − ной регулировки напряжений и , наконец контакты для подпайки (ус − тановки) исследуемых триодов . Место подпайки (установки) указано рисунком условного обозначения триода .

Пределы измеряемого тока прибором pA1 : без перемычки на левой боковой стенке − 1мА ; с перемычкой − 20мА . Прибор pA2 имеет предел измерения − 20мА в любом случае .

III . Порядок выполнения работы .

1 . Ознакомиться с параметрами исследуемого триода по справочной литературе . Подпаять к контактам (установить на контактную колодку) триод согласно условному обозначению .

2 . Подготовить приборы и стенд к работе :

а) повернуть штоки потенциометров R1 и R2 против часовой стрелке до упора , что соответствует значениям U_эб и U_кб = 0 ;

Рис. 16

б) для расширения предела измерения эмиттерного тока до 20мА , замкнуть перемычкой гнезда на левой боковой стенке стенда ;

в) включить источники питания E1 и E2 эмиттерной и коллекторной цепей ; установить (по возможности) напряжение на выходных зажимах E1 ≈ 1…1,5 В , на выходных зажимах E2 не более 20 В ; включить лабораторный вольтметр pV1 в сеть .