![](/user_photo/_userpic.png)
Электроника 1.1 / Физические основы электроники
.pdf![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI101x1.jpg)
Аналогично для Uкэ 2 В. А теперь можно построить характеристи-
ки обратной связи по напряжению: Uбэ f Uкэ Iб const . Для этого, задавая дискретные значения напряжений U кэ на оси абсцисс и восстанавливая из этих точек перпендикуляры, переносим точки пересечения
с соответствующими выходными характеристиками в четвертый квадрант, используя при этом в качестве переходной характеристику Iк f Iб
и характеристику входную Iб f Uбэ . При этом считаем, что при Uкэ 5 B все входные характеристики идут настолько близко друг к другу, что практически сливаются с характеристикой при Uкэ 5 В.
3.5. Эквивалентные схемы транзистора
Реальный транзистор при расчете электронных схем можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 3.15). Здесь оба электроннодырочных перехода, эмиттерный и коллекторный, представлены диодами VD1 и VD2 , а их взаимодействие учитывается генераторами токов, которые генерируют токи: αN I1 – в нормальном включении (αN – ко-
эффициент передачи транзистора в нормальном включении); α1I1 – в инверсном включении (α1 – коэффициент передачи по току в инверс-
ном включении). Собственные сопротивления различных областей транзистора учитываются сопротивлениями: r э – сопротивление эмит-
терной области, r б – сопротивление базы, r к – сопротивление коллек-
тора. Рассмотренная схема является эквивалентной схемой транзистора по постоянному току, т. к. не учитывает ряда факторов, оказывающих существенное влияние на переменную составляющую.
Рис. 3.15. Эквивалентная схема транзистора по постоянному току
101
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI102x1.jpg)
Поскольку транзистор в большинстве случаев усиливает сигналы переменного тока, то в этом случае его эквивалентная схема будет несколько иной (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Эквивалентная схема транзистора по переменному току
|
|
Здесь |
|
β dIк |
Uк const |
– динамический коэффициент передачи по |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
dIэ |
|
|||||
току; |
r |
|
dUэ |
|
Uк const |
– динамическое сопротивление эмиттера; |
|||||||
|
|||||||||||||
|
|
|
э |
|
|
|
dIэ |
|
|
|
|||
r |
dUк |
|
Iэ const |
– |
динамическое сопротивление коллектора; |
||||||||
|
|||||||||||||
к |
|
dIк |
|
|
|
|
|||||||
μэк |
dUэ |
|
Iэ const |
– динамический коэффициент внутренней обрат- |
|||||||||
|
|||||||||||||
|
|
|
dIк |
|
|
|
|
ной связи по напряжению; rб – объемное сопротивление базы; Cк – емкость коллекторного перехода.
3.6. Транзистор как линейный четырехполюсник
Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.17) – «черного ящика» с произвольной, но неизменной структурой, которая определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами (U1 , I1 , U2 , I2 ).
В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие – за зависимые, линейный четырехполюсник мож-
102
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI103x1.jpg)
но описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I1 и выходное напряжение U2 , а за
зависимые – выходной ток I2 и входное напряжение U1 . Тогда система
уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так:
|
|
|
|
|
U1 |
h11I1 |
h12U2 |
; |
(3.26) |
||||
|
|
|
|
|
I2 h21I1 h22U2. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
I2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.17. Схема четырехполюсника
Физический смысл коэффициентов h11, h12 , h21 , h22 , называемых h-параметрами, установим следующим образом:
1.Если в первом уравнении положить U2 0 (короткое замыкание на
выходе), то параметр h |
можно найти как h |
U1 |
|
– входное |
|
11 |
11 |
I1 |
U2 0 |
|
сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе.
2.Если в этом же уравнении положить I1 0 (холостой ход на входе),
|
то параметр h |
равен h |
U1 |
|
|
|
– коэффициент внутренней |
|||||||
|
|
|
|
|
12 |
12 |
|
U2 |
I1 |
0 |
|
|
||
|
обратной связи транзистора по напряжению при холостом ходе во |
|||||||||||||
|
входной цепи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Аналогичным |
образом |
из |
второго уравнения находим |
||||||||||
h |
I2 |
|
|
– коэффициент передачи транзистора по току при ко- |
||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||
21 |
|
I1 |
|
U2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ротком замыкании на выходе; h |
|
|
I2 |
|
|
|
– выходная проводимость |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
22 |
U2 |
I1 0 |
|
транзистора при холостом ходе во входной цепи.
С учетом h-параметров эквивалентная схема транзистора выглядит так, как представлено на рис. 3.18.
103
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI104x1.jpg)
h11 |
I1 |
|
I2 |
|
|
U1 |
h12U2 |
h21I1 |
1 |
U2 |
|
h22 |
|||||
|
|
|
|
Рис. 3.18. Схема замещения транзистора
Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряжения h12U 2 , который учитывает взаимовлияние между коллекторным и эмит-
терным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h21I1 в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, ко-
гда под действием входного тока I1 в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h21I1 . Параметры h11 и h22 – это соответственно
входное сопротивление и выходная проводимость транзистора. Для различных схем включения транзистора h-параметры будут различны.
Так, для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются (рис. 3.19): U1 Uэб ; I1 Iэ ; U 2 Uкэ ; I2 Iк.
I1 |
I2 |
U1 |
U2 |
Рис. 3.19. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общей базой
Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и h-параметры по переменному току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с общей базой они определяются по выражениям:
h |
|
Uэб |
|
|
|
; |
(3.27) |
|
11б |
|
|
Iэ |
Uкб const |
|
|
||
h |
|
|
Uэб |
|
; |
|
(3.28) |
|
|
|
|
||||||
12б |
|
Uкб |
Iэ const |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
104
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI105x1.jpg)
h |
|
Iк |
|
|
|
; |
(3.29) |
|
21б |
|
Iэ |
Uкб const |
|
|
|
||
h |
|
Iк |
|
|
|
. |
(3.30) |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||
22б |
|
Uкб |
|
Iэ const |
|
|
Индекс «б» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой.
Для схемы с общим эмиттером входными и выходными величинами являются (рис. 3.20): U1 Uбэ ; I1 Iб; U 2 Uкэ ; I2 Iк.
I1 |
I2 |
U1 |
U2 |
Рис. 3.20. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общим эмиттером
Для схемы с общим эмиттером h-параметры определяются из соотношений
h |
|
Iк |
|
|
(3.31) |
|
|
||||
|
|
|
|||
22э |
|
Uкэ |
|
Iб Iб2 const |
|
|
|
|
|
(составляет от сотен Ом до единиц кОм);
h |
Uбэ |
|
. |
(3.32) |
12э |
Uкэ |
Iб const |
|
|
(обычно равен 10 3 10 4 , т. е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения);
h |
Iк |
|
(3.33) |
21э |
Iб |
Uкэ const |
|
(составляет десятки – сотни единиц);
h |
|
Iк |
|
|
(3.34) |
|
|
|
|||
22э |
|
Uкэ |
|
Iб const |
|
105
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI106x1.jpg)
(равна десятым – сотым долям мСм, а выходное сопротивление 1 по-
h22
лучается от единиц до десятков кОм).
Используя семейства входных и выходных характеристик транзистора, h-параметры можно определить и графическим путем. Так, для схемы с общим эмиттером семейства входных и выходных характеристик представлены на рис. 3.21.
Входные характеристики транзистора в справочниках обычно
представлены |
двумя кривыми, снятыми при Uкэ 0 и |
Uкэ 5 В |
(рис. 3.21, а). |
Все остальные входные характеристики при |
Uкэ 5 В |
настолько близко расположены друг от друга, что практически сливаются в одну характеристику. Поэтому, откладывая на оси абсцисс выходных характеристик (рис. 3.21, б) Uкэ 5 В, восстанавливаем из этой
точки перпендикуляр до пересечения с какой-либо из средних характеристик, например Iб2 (точка A). Точке A соответствует коллекторный
ток IкA . Тогда, давая приращение току Iк при неизменном Rк на величину Iк , например до пересечения со следующей характеристикой ( Iб3 ), получим точку B .
Iб |
Uкэ 0 В |
Uкэ |
3 В |
Iк |
|
|
|
|
|
|
Uкэ 5 В |
|
|
|
|
|
|
IбD |
|
|
D |
IкB Iк |
B |
|
|
Iб3 |
|
Iб |
|
|
|
C |
|
Iб2 |
|
|
E |
|
|
IкC |
|
|
|
|
IбA Iб2 |
|
A |
|
IкA |
A |
|
Iк |
|
|
|
|
|
Iб1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uбэ |
|
U |
|
|
Iб |
|
|
|
U |
|
кэ |
|
|
|
|
|
|
бэ |
|
|
|
|
|
|
UбэE UбэA UбэD Uбэ |
|
UкэA UкэC |
|
Uкэ |
|||
|
а |
|
|
|
|
б |
|
|
Рис. 3.21. Определение h-параметров
по статическим характеристикам транзистора
Приращение базового тока при этом соответствует разности
Iб Iб3 Iб2. |
(3.35) |
106
Подставляя найденные величины |
Iк и |
Iб в выражение (3.33), |
|||||
получаем параметр: |
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
Iк |
|
Uкэ |
const |
. |
(3.36) |
|
|||||||
21э |
|
Iб |
|
|
|
Давая теперь приращение напряжению U кэ на величину |
Uкэ от |
||||||
точки A до точки С, получим напряжение U кэС . Точке С соответству- |
|||||||
ет коллекторный ток IкС на оси ординат. |
|
|
|
||||
Находя разность токов IкС и IкA , получим: |
|
|
|||||
|
|
Iк IкC IкA. |
|
|
|
||
Подставляя найденные значения Iк и |
Uкэ в выражение (3.34), |
||||||
получим: |
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
Iк |
|
|
|
. |
(3.37) |
|
|
|
|||||
|
|
||||||
22э |
|
Uкэ |
Iб Iб2 const |
|
|
||
|
|
|
|
Далее на оси ординат входной характеристики отложим величину тока базы Iб2 IбA . Используявходную характеристику при Uкэ 5 В, найдем
напряжение UбэA . Давая приращение напряжения |
Uбэ UбэD UбэA |
||||
навеличину Uэб , находимприращениетокабазы Iб |
IбD IбA . |
||||
Подставляя найденные значения Uбэ |
и Iб в выражение (3.31), |
||||
получаем: |
|
|
|
|
|
h |
Uбэ |
|
|
. |
(3.38) |
|
|
||||
11э |
Iб |
Uкэ const |
|
|
Для нахождения параметра h12 необходимы две входные характеристики, снятые для Uкэ 0 .
Предположим, что, кроме приведенных входных характеристик была бы еще одна, снятая, например, для Uкэ 3 В (показана на
рис. 3.21, а пунктиром). Тогда, находя на этой характеристике точку E , соответствующую базовому току IбA , можно было бы определить
Uбэ U бэA U бэE и Uкэ UкэA UкэE 5 3 2 В,
где UкэA и U кэE – значения напряжений на коллекторе, при которых
сняты входные характеристики с точкой A и точкой E. Подставляя найденные значения в выражение (3.32), можно было бы получить
107
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI108x1.jpg)
h |
|
|
|
. |
(3.39) |
|
|||||
Uбэ |
|
||||
12э |
|
|
Iб IбA const |
|
|
|
|
Uкэ |
|
|
Использование для нахождения этого параметра входной характеристики (при Uкэ 0 В) дает большую погрешность, т. к. при малых
значениях U кэ входные характеристики располагаются далеко друг от друга, а затем их частота возрастает, и уже при Uкэ 5 В они практиче-
ски сливаются друг с другом. Поскольку в справочниках обычно приводится входная характеристика только для одного значения Uкэ 0 , точ-
но определить параметр h12 в нашем случае невозможно.
3.7. Режимы работы транзистора
Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 3.22). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется про-
порционально току базы:
Iк βIб. |
(3.40) |
Iк
Rк Uвых
Iб Eк
E1
Iэ
Рис. 3.22. Схема усилительного каскада
Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 3.23). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Eк – напряжению источника питания коллекторной цепи,
а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:
Iк max |
Eк . |
(3.41) |
|
Rк |
|
108
![](/html/67577/277/html_QRB8fs3hw4.8EUB/htmlconvd-SnpQEI109x1.jpg)
Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением
Iк |
Eк Uкэ |
, |
(3.42) |
|
|||
|
Rк |
|
где U кэ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; Rк – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.
Из (3.42) следует, что
R |
Eк |
tgα. |
(3.43) |
|
|||
к |
Iк max |
|
И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением Rк . Из рис. 3.23 следует, что в зависимости от тока базы Iб проте-
кающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение Uкэ, будет пере-
мещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при Iб 0 ) до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки
с начальным круто возрастающим участком выходных характеристик.
Iк |
|
|
|
|
Iк max |
2 |
Iб нас |
||
Iк нас2 |
||||
|
||||
насыщения |
|
|
|
|
|
|
|
||
Режим |
1 |
Iб1 0 |
||
|
|
|||
Iк0 |
Iб 0 |
|||
|
||||
|
Uкэ2 Uкэнас Uкэ0 Uкэ1 |
Eк |
Uкэ |
Рис. 3.23. Режимы работы биполярного транзистора
Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей Iб 0 , называется зоной отсечки
и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный – смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода –
109
Iк0 , который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания Eк падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:
Uкэ1 Eк.
Ападение напряжения на нагрузке U Rк очень мало и равно
UR Iк0Rк. |
(3.44) |
к |
|
Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке, исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.
Если теперь увеличивать базовый ток Iб , то рабочая точка будет пе-
ремещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения Iб нас. Здесь транзистор входит в режим
насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока Iк . Зона между осью ординат и круто изме-
няющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:
Iк max Iк нас2 , |
(3.45) |
а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора Uкэ0 оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения тран-
зистор можно представить в виде замкнутого ключа.
Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
3.8.Предельные режимы работы транзистора
Впаспортных данных каждого транзистора указывается его предельно допустимая мощность рассеивания, превышение которой недопустимо, т. к. ведет к тепловому разрушению полупроводниковой структуры. Возьмем это значение мощности Pк доп и, учитывая, что
оно равно
110