Микроэлектроника.-2

40

нием напряжения U КЭ толщина базы уменьшается и для того,

чтобы IБ = const , напряжение U БЭ должно увеличиваться.

3.9. Динамический режим работы

В достаточно большом количестве устройств БТ работает в ключевом режиме, когда наблюдается переход транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот, т.е БТ работает в динамическом режиме. На рис.3.18 представлена схема простейшего электронного ключа на БТ по схеме с ОЭ. А на рис.

3.19 – семейство статических характеристик и нагрузочная пря-

U вых

Для построения нагрузочной прямой используется уравнение Рисунок 3.18. Схемы простейшего электронного ключа на БТ

При отсутствии сигнала на входе( IБ = 0) БТ находится в за-

крытом состоянии. Рабочая точка соответствует точке A и реализуется режим отсечки. При этом через коллекторный переход протекает ток IКЭ 0 . Поскольку он мал, то все напряжение от

источника питания E K падает между эмиттером и коллектором БТ. При подаче большого сигнала БТ открывается и его рабочая точка смещается в точку B , что соответствует режиму насыщения.

41

За счет протекания тока IКнас. практически все напряжение

от источника питания E K падает на нагрузке RН , а напряжение между коллектором и эмиттером падает доU КЭнас. , которое со-

ставляет десятые доли вольта. Совокупность точек пересечения статических характеристик и нагрузочной прямой называют динамической характеристикой БТ. Переход БТ в режим насыщения происходит при определенном токе базы. Дальнейшее увеличение тока базы не приводит к смещению рабочей точки, но

увеличивает степень насыщения g Н .

Считается, что транзистор переходит в режим насыщения при токе базы, обеспечивающем g Н ³ 1. Таким образом в режиме отсечки ( IБ = 0) g Н = 0 , а режиму насыщения соответствует g Н ³ 1. Динамический режим работы БТ ограничен снизу обла-

стью отсечки, слева – насыщения, справа – пробоем, сверху – предельным значением тока через коллектор.

3.10. Усилительные свойства

44

Из 3.28. видно, что в схеме с ОК нельзя получить усиление по напряжению. Но имея высокое входное сопротивление схема с ОК широко используется как согласующий каскад.

3.11. Частотные параметры

Пусть БТ включен в схему с ОБ, током управления является ток эмиттера. Сигналы во входной цепи следуют с периодом T (рис. 3.23). Ток в цепи коллектора появится не сразу, а с некоторой задержкой, обусловленной наличием времени пролета носителей от эмиттера к коллектору. Далее, импульс тока в цепи коллектора будет отличаться от прямоугольного, что связано с разбросом носителей по скоростям и наличием барьерных емкостей у переходов. Кроме того, амплитуда тока коллектора меньше, чем у тока эмиттера, поскольку часть носителей рекомбинирует в базе. Более того, когда импульс тока эмиттера закончится, в цепи коллектора еще протекает ток. Он исчезнет, когда носители уйдут из базы в коллектор. Таким образом можно говорить о том, что для переменного сигнала БТ представляет из себя инерционный элемент, вносящий в схему амплитудные и фазовые искажения.

При увеличении частоты следования импульсов тока управления (период T ¢ < T ) сигналы в цепи коллектора начинают накладываться друг на друга. Это позволяет утверждать, что БТ может работать не на любых частотах.

Для характеристики частотных свойств БТ вводится четыре характеристических частоты. Рассмотрим их:

Предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера - fa .

IЭ T

t

T ¢

IK

45

Тогда частота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера уменьшается в 2 раз по сравнению с низкочастотным значением a0 , называется предельной частотой fa . Часто-

та fa определяется в схеме с ОБ в основном временем пролета носителей через базу tБ .

Причиной уменьшения a при увеличении частоты(рис. 3.24) является уменьшение эффективности эмиттера из-за шунтирующего действия барьерной емкости эмиттерного перехода.

a

a0

a 0

2

47

Граничная частота fгр - частота, на которой модуль b& стано-

вится равным единице (рис. 3.26). Для БТ выполняется соотношение afa = bfb = fгр . Значение fгр можно найти, используя соотношение

По значению граничной частоты БТ делятся на низкочастотные

Максимальная частота генерации fmax - частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице.

где RБ¢ - омическое сопротивление базы;

СКБ - барьерная емкость коллекторного перехода.

48

Уменьшение коэффициента усиления по мощности с увеличением частоты происходит из-за того, что барьерная емкость СКБ

начинает шунтировать нагрузку.

Выражение, стоящее в (3.35) под корнем называют коэффициентом качества БТ. Из четырех частот наиболее важное значение имеет частота fmax , поскольку при более высоких частотах БТ перестает быть активным элементом.

3.12. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Для анализа и инженерных расчетов транзисторных схем БТ удобно представлять в виде эквивалентной схемы. При этом параметры эквивалентной схемы можно рассматривать как параметры транзистора.

Существует три варианта эквивалентных схем: Т-образная, П- образная и гибридная. Наиболее широкое применение имеет Т- образная схема. Поэтому в дальнейшем речь будем вести о ней.

При представлении физической эквивалентной схемы БТ необходимо исходить из определения: БТ – это полупроводниковый прибор на основе двух взаимодействующих переходов. Поэтому суть эквивалентной схемы БТ достаточно понятна: должны быть представлены эквивалентные схемы двухp-n переходов и элементы, отражающие взаимодействие переходов. Взаимное влияние переходов заключается в том, что ток из входной цепи передается в коллекторный выход, а изменение напряжения в выходной цепи вызывает изменение входного напряжения. Можно представить два варианта эквивалентной схемы БТ для области низких частот, когда емкостными элементами можно пренебречь (рис. 3.27 а,б)

aIЭ

Рисунок 3.27. Низкочастотная эквивалентная схема БТ, включенного в схему с ОБ с генератором тока (а), и генератором напряжения в коллекторной цепи (б)

49

На указанных схемах влияние эмиттерного перехода на коллекторный задано генератором тока aIЭ (рис.3.27, а) или генерато-

ром напряжения rm I (рис.3.27, б), а коллекторного перехода на

Э

эмиттерный – генератором напряжения mU КБ .

На рис. 3.28 а, б представлены эквивалентные схемы для случая включения БТ в схему с ОЭ.

На практике чаще используются эквивалентные схемы с генераторами тока, т.к. определение коэффициента пропорциональности rm и rm¢ является более сложным, чем определение

a и b .

bIБ

Рисунок 3.28. Низкочастотная эквивалентная схема БТ, включенного в схему с ОЭ с генератором тока (а), и генератором напряжения в коллекторной цепи (б)

Достаточно часто наличие отрицательной обратной связи по напряжению в эквивалентной схеме задается не генератором -на

пряжения, а включением резистора R¢¢ в цепь базы (рис.3.29).

Б

вительно отражает наличие обратной связи. Однако, учитывая, что отрицательная обратная связь по напряжению не велика, часто ее в эквивалентной схеме не учитывают.