1.2.2 Температурные и частотные свойства транзисторов

Диапазон рабочих температур транзис­тора определяется температурными свойствами p-n перехода. При его нагре­вании от комнатной температуры (25°С) до 65 °С сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода уменьшается на 15–20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора Iкоб, он увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10 °С. Все это влияет на характеристики транзистора и на положение рабочей точки (рисунок 1.13).

Рисунок – 1.13 Изменение входной характеристики и смещение рабочей точки транзистора под воздействием температуры.

Ток коллектора увеличивается, а напря­жение UКЭ уменьшается, что равносильно открыванию транзистора. Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температурной стабилизации.

1.2.3 Частотные свойства транзисторов

Диапазон рабочих частот транзистора определяется двумя факторами. Во-первых, наличием барьерных емкостей на p-n переходах. Причем коллекторная емкость влияет значительно сильнее, так как она подключается параллельно большому сопротивлению (рисунок -  1.14).

 

Рисунок - 1.14  Эквивалентная схема для включения биполярного транзистора по схеме с ОЭ с учетом емкостей переходов

 

Во-вторых, возникает разность фаз между токами коллектора и эмиттера. Ток коллектора отстает от тока эмиттера на время, требуемое для преодоления базы носителями заряда.

Если ток постоянный, следовательно частота w1 = 0, то сдвиг фаз между током эмиттера и током коллектора j1 = 0 и коэффициент усиления по току b1 = IК / IБ1 будет максимальным (рисунок 1.15, а). Когда частота w2 > 0, то возникает разность фаз j2 > 0, что приводит к уменьшению коэффициент усиления по токуb2 = IК / IБ2 < b1, так как IБ2 > IБ1 (рисунок 1.15, б). А если w3 >> 0, то b3 << b2 (рис. 1.24, в).

 

Рисунок - 1.15  Разность фаз между током коллектора и эмиттера: а – при постоянном токе; б – НЧ; в – ВЧ

 

С увеличением частоты коэффициент усиления по току уменьшается. Поэтому для оценки частотных свойств транзистора применяется параметр граничной частоты fгр. Граничной частотой называется такая частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в   раз. Коэффициент усиления через граничную частоту можно определить по формуле

 

,

где b0 – коэффициент усиления на постоянном токе; f – частота, на которой определяется коэффициент усиления b; fгр – граничная частота для данного транзистора.

2. Общая часть

Исследование биполярного транзистора, включенного с общей базой

Цель работы — снятие и анализ входных и выход­ных характеристик транзистора, включенного с ОБ; опре­деление по ним h-параметров (рисунок1).

Пояснения. Биполярные транзисторы являются наи­более универсальными и распространенными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиле­ния и генерирования электрических колебаний, и имеют трехслойную р-n-р- или n-р-n-структуру (рисунок 1.1). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает с названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмит­тером и коллектором. Эти транзисторы получили назва­ние биполярных потому, что перенос тока в них осу­ществляется носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Рисунок – 1 Функциональная схема с общей базой. Рисунок – 1.1 Структурная схема транзистора.

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода — эмиттерный П1 и коллекторный П2 — и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов UK1 и UK2, обусловливающих напряженности ЕK1 и EK2 электрических полей в них. Ширина переходов I01и I02 ширина базовой области IБ.

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзистор может работать в трех режимах.

В активном режиме транзистор работает в усилителях, когда требуется усиление электрических сигналов с минимальным искажением из формы. При этом на эмиттерный переход подают внешнее напряжение в прямом направлений, а на коллекторный – в обратном (рисунок 2).

Рисунок – 2 Схема транзистора.

Основные носители эмиттера под действием напряжения Uэб преодолевают эмиттерный переход, а им на встречу движутся основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с элек­тронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжектируются (впрыскиваются) в базовую область.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заря­ди, покинувших эмиттер). Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение UКБ, и с ускорением перебрасываются в кол­лектор полем перехода П2.

Таким образом, ток Iэ основных носителей, покидаю­щих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы IБ. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомбинирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока iK. Уход дырок из эмиттера восполняет­ся генерацией пар электрон—дырка в эмиттерной области и отводом электронов во внешнюю цепь в виде токаIБ.Расход электронов базы на рекомбинацию компенси­руется их притоком в виде тока IБ.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением Iэ == Iк. + IБ, которое можно перепи­сать в приращениях: ΔIэ = ΔIк + Δ IБ.Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмитте­ра) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения Uвых на нем окажется значительно больше переменного напряжения UBX вход­ного сигнала, т. е. транзистор усиливает входной сигнал (рисунок 3,а).

В активном режиме транзистор управляется в любой момент процесса усиления, т.е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение входного.

В режиме насыщения (рисунок 3.1,в) на оба перехода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инженируется потоки основных носителей эмиттера и коллектора и сопротивление промежутка коллектор – эмиттер транзистора резко уменьшается. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рисунок 3.2,г) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные, напряжения. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного IЭбо и коллекторного IКБо переходов малы (особенно крем­ниевых транзисторов).

Рисунок – 3 Схема транзистора.±

При включении биполярного транзистора в электри­ческую схему образуется две цепи: управляющая и уп­равляемая. В управляющей цепи действует входной сиг­нал, который обычно подают на эмиттер или базу. В уп­равляемой цепи (коллекторной или эмиттерной) форми­руется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Третий электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Широко распространены три схемы включения тран­зисторов: с общей базой общим эмиттерами общим коллектором (рисунок 4). Для ра­счета транзисторных схем используют два семейст­ва вольт - амперных характеристик: входные и выход­ные.

Рисунок – 4 Схемы включения транзисторов с ОБ, ОЭ, ОК.

Входные характеристики транзистора показывают за­висимости тока входного электрода от напряжения меж­ду ним и общим электродом при постоянном напряже­нии на выходном электроде. Для схемы с общей базой (ОБ) это зависи­мость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе: Iэ = (Uэб) при Uкб = const.

Выходные характеристики транзистора показывают зависимость тока выходного электрода от напряжения между ним и общим электродом. Снимают выходные характеристики для ряда постоянных токов входного электрода. Для схемы с ОБ это зависимости тока кол­лектора от напряжения между ним и базой при постоянных значениях тока эмиттера: Iк= (Uкб) при Iэ = const.

В режиме усиления малых сигналов, когда нелинейностью ВАХ можно пренебречь, транзистор, включенный с ОБ, эквивалентно представляют в виде линейного четырёхполюсника (рисунок 5), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

Δ Uэб = h11Б ΔIэ + h12БΔUкб;

ΔIк = h21БΔIэ + h22БΔUкб.

Рисунок – 5 Транзистор включенный с ОБ.

Физический смысл h -параметров транзистора состоит в следующем:

h11Б — входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

h12Б — коэффициент внутренней обратной связи в режиме холостого хода на входе;

h21Б — коэффициент передачи тока в режиме корот­кого замыкания на выходе;

h22Б — выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Рассчитывают h-параметры для схемы с ОБ по фор­мулам

Аналитический расчет h-параметров сложен и неточен. Намного проще их получают измерением или по ВАХ.

Для определения h12Б на входной характеристике, соответствующей среднему значению коллекторного на­пряжения, обозначают рабочую точку А (р. y) транзис­тора (рисунок 6,а), которая задается средними значения­ми входного тока Iэpyи входного напряженияUэбpy. Через рабочую точку А (р. y) проводят касательную и строят треугольник BCD. Затем, используя формулу (3), находят

H11Б=BD/CD= ΔUэб /ΔIэ

Для определения h12Б необходимо построить две вход­ные характеристики для двух значений напряжения на выходном электроде (рисунок 6,б). Через рабочую точку А (р. т) проводят линию Iэ = const, что соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменному току. Точки пересечения характеристик и этой линии проецируют на ось Uэб и определяют ΔUэБ. Затем, ис­пользуют формулу (4), находят h12Б, приняв ΔUкб = Uкб2-Uкб1.

Для определения h21Б семейство выходных характе­ристик в области рабочей точки пересекают линией Uкб = const, что соответствует короткому замыканию по переменному току на выходе транзистора (рисунок 6,в). Затем по формуле (5) находят h21Б, графически опреде­лив Δ/к ивычисливΔIэ= Iэ2— Iэ1.

Для определения h22Б(рисунок 6,г) снимают выходную характеристику для тока эмиттера Iэpy в рабочей точке, о затем находят ΔIки ΔUкби по формуле (6) рассчитывают h22Б.

Рисунок – 6 Схема h параметров транзистора с ОБ.

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы — снятие и анализ входных и вы­ходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ; определение по ним его h-параметров (рисунок7).

Рисунок – 7 Функциональная схема с общим эмиттером.

Пояснения. Входными характеристиками транзистора при включении с ОЭ являются зависимости тока базы от напряжения между ней и эмиттером при постоянных напряжениях на коллекторе (рисунок 8,а): IБ = (Uбэ) при Uкэ = const.

Выходные характеристики (рисунок 8,б) представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между ним и эмиттером при постоянных токах базы Iк = f(Uкэ) при IБ = const.

Рисунок – 8 Схема транзистора.

В режиме усиления малых сигналов транзистор, включенный с ОЭ, эквивалентно представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 9), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

Рисунок – 9 Транзистор включенный с ОЭ.

ΔUбэ= h11эΔIБ+h12эUкэ;

Δ Iк = h21эΔIБ +h21эUкэ

Физический смысл h-параметров рассчитывают для схемы с ОЭ по формулам:

Для определения h11эпроводят через рабочую точку А (р. т), касательную к входной характеристике, и строят треугольник BCD (рисунок 10,а). Тогда, согласно форму­ле (7),

h11э = BD/CD = ΔUбэ/ ΔIБ.

Для определения h12э выбирают две входные характе­ристики, снятые при двух значениях напряжений между коллектором и эмиттером (рисунок 10,б), и проводят через А линию IБ = const, соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки пересечения этой линии с характеристиками проецируют на ось Uбэ, опре­деляют ΔUкэ =ΔUкэ2 – ΔUкэ1, находят Uбэи рассчитыва­ют h12э по формуле (8).

Для определения h21ээ семейство выходных характерис­тик вблизи А (р. т) пересекают линией Uкэ= const (рисунок 10,в), что соответствует короткому замыканию на выходе транзистора. Затем по формуле (9) рассчиты­вают h21э, определив графически ΔIки ΔIБкак разность IБ2 — IБ1.

Для определения h22э выбирают из семейства выход­ную характеристику, снятую при IБ.р.т.

Находят приращение тока коллектора ΔIк, вызванное приращением напря­жения ΔUкэ на нем при постоянном токе базы (рисунок 10,г), и по формуле (10) рассчитывают h22э.

Рабочая точка транзистора в схеме с ОЭ характери­зуется следующими параметрами: IБ р.т., Uбэ.р.т, Iк.р.т и UкЭ р.т.

Рисунок – 10 Схема h параметров транзистора.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

Цель работы — наблюдение работы эмиттерного повторителя и его исследование в режимах передачи синусоидального и импульсного сигналов (рисунок11).

Рисунок – 11 Функциональная схема с общим коллектором

Пояснения. В эмиттерных повторителях транзисторы включаются с ОК (рис. 71). При этом все выходное на­пряжение, снимаемое с резистора R₃в цепи эмиттера, действует в управляющей цепи транзистора последова­тельно входному напряжению и противофазно ему. Сле­довательно, каскад охвачен отрицательной обратной связью.

Рисунок – 12 Схема транзистора включенный с ОК.

Коэффициент передачи цепи отрицательной об­ратной связи β= 1,т.е. обратная связь равна 100%. Отсюда коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению

Кэп - Коэ/(1+Коэ)(38)

Где Коэ — модуль коэффициента усиления по напряже­нию схемы с общим эмиттером, сопротивление нагрузки которой равно сопротивлению резистора R₃.

Из формулы (38) следует, что эмиттерный повтори­тель не усиливает напряжение, так как Кэп< 1 (чем больше Коэ, тем Еэп ближе к единице), а лишь повторяет входной сигнал по амплитуде с некоторым ослаблением. При этом на выходе эмиттерного повторителя повто­ряется также фаза входного сигнала.

Эмиттерный повторитель в h21э + 1 раз усиливает ток входного сигнала и в h21э раз — его мощность.Входное сопротивление эмиттерного повторителя ве­лико и без учета сопротивления резисторов базового делителя может быть рассчитано по следующей прибли­женной формуле:

Rвх.эп ≈ h22эRэ <r_к. (39)

Верхний предел входного сопротивления эмиттерного повторителя Rвх.эп. ограничен сопротивлением r_к смещен­ного в обратном направлении коллекторного перехода, которое для современных транзисторов составляет еди­ницы мегаом.

Формула (39) справедлива для h21эRэ≪(0,1÷0,2).Выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, лежит в пределах от долей ом для мощных транзи­сторов до десятков ом для маломощных и с достаточной точностью может быть определено по формуле

Rвых эп= 25/э. (40)

Если ток Iэ выражен в миллиамперах, то сопротивле­ние Rвых эпполучают в омах. Формула (40) справедлива при токе Iэ≪3 ÷ 5 мА.

Большое входное и малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей позволяют использовать их в качестве каскадов, согласующих высокоомный выход одной схемы с низкоомным входом другой или с низкоом­ной нагрузкой. Кроме того, их применяют для передачи сигналов без изменения формы, амплитуды и фазы, но при значительном усилении тока и мощности.