лекции прохоров

Характеристики колекторів в схемі ЗЕ, так само як і в схемі ЗБ, схильні температурним зсувам. Проте температурні дії тут виявляються сильніше, ніж в схемі ЗБ. Це обумовлено, по-перше, наявністю множника 1+β перед Iк0 у фо-

рмулі і, по-друге, більш сильними температурними змінами коефіцієнта β = α

/(1-α) при відносно малих температурних змінах коефіцієнта α .

Більш різко тут виражена і нееквидистантність характеристик, оскільки залежність коефіцієнта α від струму емітера (колектора) сильно позначається на залежності коефіцієнта β від струму Iе (Iк).

Крім того, необхідно враховувати, що в схемі ЗЕ пробій переходу колектора наступає при напрузі колектора в 1,5 - 2 рази меншому, ніж в схемі ЗБ.

Нехай на вході діє змінна напруга, що змінюється по гармонійному закону з низькою частотою і малою амплітудою Uвх m. Оскільки вхідні характеристики в активному режимі дуже слабо залежать від UКЕ , можна приблизно вважати, що робоча точка рухається уздовж відрізка ВАС, лежачого на одній і тій же вхідній характеристиці.

На графіку вихідних характеристик за відсутності резистора Rн робоча точка переміщається уздовж прямої навантаження, займаючи крайні поло-

ження В і С, лежачі на характеристиках при I′Б= IБ=+IБm , I′′Б= IБ= - IБm, де IБm - амплітуда базового струму.

Відрізок ВС повинен бути розташований в області активного режиму транзистора. З урахуванням резистора Rн робоча точка рухається в межах відрізка В'АС', що лежить на іншій прямою, позначеною штриховою лінією навантаження. Тангенс кута нахилу її до осі абсцис рівний 1/RК*, де RК ║RН, оскільки резистор RН по змінному струму включений паралельно RК. Тоді амплітуди вихідної напруги і струму колектора зв'язані співвідношенням Uвих m=IКm RК*. Якщо >> h11Е ,то IБ m= Uвх m / h11Е. Вважаючи вихідні характеристики в

62

активному режимі паралельними осі напруг (h22Е << 1 / RК*), одержуємо IК m= h21Е IБ m і коефіцієнт посилення по напрузі:

КU = h21Е RК*/ h11Е

Для підвищення КU треба збільшувати RК і RН. Проте при постійному EК робоча точка А із зростанням RК зміщуватиметься у бік малих значень UКЕ= і може опинитися в режимі насичення, де струм колектора слабо залежить від базового. Тоді коефіцієнт посилення по напрузі різко знижується, а попередній вираз невірний. Для запобігання цього одночасно із зростанням RК треба підвищувати і напругу EК (збільшуючи також і RБ, щоб зберегти той же струм IБ=). Максимальне EК обмежено напругою пробою і допустимою розсіюваною потужністю Рмакс. Остання обмежена гранично допустимою температурою кристала і умовами тепловідвіда.

Величина Рмакс визначає область допустимих значень струму колектора і напруги колектор-емітер. Межа цієї області визначається рівнянням IК макс UКЕ макс= Рмакс і є гіперболою.

3.6 Схема заміщення транзистора у фізичних параметрах

Для проведення розрахунків кіл з транзисторами необхідне представлення транзистора схемою заміщення (еквівалентною схемою). Особливий інтерес представляє схема заміщення у фізичних параметрах, в якій всі елементи пов'я- зані з внутрішніми (фізичними) параметрами транзистора.

На рисунках 3.14, 3.15 представлені схеми заміщення транзисторів ЗБ і ЗЕ для змінних складових струмів і напруг стосовно розрахунку схем з транзисторами, що працюють в підсилювальному режимі, зокрема підсилювальних каскадів. Такі схеми заміщення справедливі для лінійних ділянок вхідних і вихідних характеристик транзистора, при яких параметри транзистора можна вважати незмінними. В цьому випадку використовують так звані диференціальні параметри транзистора, що відносяться до невеликих приростів напруги і струму.

образна схема заміщення.

Т-образна схема заміщення транзистора ЗБ (рис.3.14) є поєднанням двох контурів: лівого, відноситься до вхідного кола (емітер - база), і правого, відноситься до вихідного кола (колектор - база). Загальним для обох контурів є коло бази з опором rб.

Б

Рисунок 3.14

В схему заміщення входять наступні елементи :

1. Диференціальний опір емітерного переходу (включеного в прямому напрямі), який визначається виразом (3.7) :

Опір rе дозволяє врахувати зв'язок між напругою на емітерному переході uе і протікаючим через нього струмом iе. Величина rе залежить від постійної

Числове значення rе лежить в межах від одиниць до десятків Ом.

2. Об'ємний опір бази r б визначається у напрямі проходження базового струму в шарі бази від межі з емітерним переходом. Базовий шар є порівняно

64

високоомним і звичайно rб > rе. Числове значення rб залежить від типу транзистора і складає 100 – 400 Ом.

3.Еквівалентне джерело струму αIе враховує транзитну складову приросту емітерного струму, що проходить через область бази в колектор.

4.Диференціальний опір колекторного переходу (включеного у зворот-

ному напрямі) визначається :

Опір rк(б) враховує зміну струму колектора із зміною напруги струму Uкб унаслідок ефекту модуляції бази. Значення rк(б) лежить в межах 0,5 – 1 мОм.

5. Джерело напруги εuк(б) у вхідному колі визначає напругу внутрішньо-

го позитивного зворотного зв'язку і відображає вплив ефекту модуляції бази на вхідне коло транзистора, зокрема зміна вхідної напруги під дією зміни напруги колектора. Числове значення коефіцієнта зворотного зв'язку ε порівняно мале

(10-4 – 10-3), тому джерело напруги εuк (б) в схему заміщення часто не вводять. 6. Ємності Се(б) , Ск(б) емітерного і колектора переходів, кожна з яких

рівна сумі бар'єрної і дифузійної ємностей відповідного переходу.

Величина бар'єрної ємності залежить від напруги зміщення р-n-переходу, зокрема при прямому зсуві бар'єрна ємність більше, ніж при зворотному. Отже, бар'єрна ємність емітерного переходу більше, ніж колекторного переходу.

Дифузійна ємність характеризує зміну заряду в базі, викликану зміною напруги на переході. Зміна заряду в базі під дією напруги на емітерному переході пов'язана з інжекцією носіїв заряду в базі, а під дією напруги на переході колектора - з ефектом модуляції бази. Для того, щоб заряд в базі змінився на одну і ту ж величину, зміна напруги на переході колектора повинна бути більшою, ніж зміна напруги на емітерному переході. Це означає, що і дифузійна ємність емітерного переходу більше дифузійної ємності переходу колектора.

Величини ємностей С , С залежать від типу транзистора. Так, у високочастотнихтранзисторів вони суттєво менше ніж у

65

низькочастотних Величини ємностей Се(б) , С к(б) залежать від типу транзистора. Так, у ви-

сокочастотних транзисторів вони суттєво менше ніж у низькочастотних. Величини ємностей Се(б) , С к(б) залежать від типу транзистора. Так, у ви-

сокочастотних транзисторів вони суттєво менше ніж у низькочастотних . Ємність Се(б), визначувана переважно дифузійною ємністю, складає сотні

пікофарад, а ємність Ск(б), визначувана в основному бар'єрною ємністю, - десятки пікофарад.

7. Диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму виража-

ється співвідношенням (3.10) :

α = dIк

dIе Uкб=const (3.10)

Величину коефіцієнта α в області середніх частот приймають незмінною. З переходом в область підвищених частот, при яких починає позначатися час проходження дірок через базу, колектор і базовий струми відрізняються по фазі від емітерного струму, а коефіцієнт α зменшується.

Т-образна схема заміщення транзистора ЗЕ приведена на рисунку 3.15.

β iб

Е

Рисунок 3.15

66

Опори rБ , rе мають те ж фізичне значення і той же порядок величин, що і в схемі транзистора ЗБ. Джерело напруги, що враховує зворотний зв'язок, в схемі заміщення не показано зважаючи на мале значення коефіцієнта зворотного зв'язку. Оскільки вхідним струмом в схемі ЗЕ є струм бази транзистора, у

вихідне коло схеми заміщення включено джерело струму β iБ . Напрями струмів, так само як і для схеми ЗБ, підкоряються умові iе = iк + iб.

Опір rк(е) = rк(б) / (1+β) враховує зміну струму колектора із зміною напруги унаслідок ефекту модуляції бази. Оскільки початковим в схемі ЗЕ є струм бази, який в 1+β раз менше струму емітера, то при переході від схеми ЗБ до схеми ЗЕ в 1+β раз зменшується не тільки активний, але і ємнісний опір пере-

ходу колектора. Це означає, що в схемі ЗЕ Ск(е) = (1+β) Ск(б). Збільшення ємності Ск(е) приводить до ще більшого її впливу в області підвищених частот, ніж Се(е) = Се(б). У зв'язку з цим ємність Се(е) в схемі ЗЕ звичайно не враховують.

Диференціальний коефіцієнт передачі струму в схемі ЗЕ

3.7 Транзистор як чотириполюсник, h-параметри транзистора

Параметри транзистора, що входять в Т-образну схему заміщення транзистора (рис. 3.14, 3.15), безпосередньо характеризують фізичні властивості тришарової напівпровідникової структури, що використовується, і можуть бути розраховані за геометричними розмірами шарів і параметрами матеріалу, з якого виготовлений транзистор. Проте пряме їх вимірювання неможливе, оскільки межі розділу шарів і переходів структури недоступні для підключення вимірювальних приладів. Тому як вимірювані параметри транзистора вибрані ті, які відображають властивості транзистора як чотириполюсника.

67

Транзистор можна предста-

жається системою двох рівнянь. Вибравши два з вхідних в цю систему параметрів за незалежні змінні, знаходять дваінших.

Для транзистора як чотириполюсника у виді незалежних змінних звичай-

но приймають прирости вхідного струму I1 і вихідної напруги U2, а прирос-

Конкретні значення h-параметрів залежать від схеми включення транзистора, тобто від того, які струми і напруги є вхідними і вихідними. В довідниках звичайно приводять h- параметри, зміряні в схемі ЗБ для середньої смуги

68

частот при типових значеннях постійних складових струму і напруги.

Зв'язок h - параметрів транзистора з фізичними параметрами в схемі ЗБ може бути встановлена за допомогою схеми заміщення (рис. 3.16). Приймемо

69

3.8 Робота транзистора на високих частотах

Поняття "високі частоти" є відносним, оскільки воно пов'язано з інерційними властивостями конкретного типу транзистора таким чином, що якщо час протікання фізичних процесів в транзисторі, викликаних зміною вхідного сигналу, сумірний або перевищує його період, то частоту називають високою.

На рисунку 3.17 представлені частотні залежності коефіцієнтів передачі струму в схемах ЗЕ і ЗБ, з яких видно, що на високих частотах значення h21 зменшуються в порівнянні з їх значеннями на низькій частоті. Це обмежує частотний діапазон, в якому може бути використаний даний транзистор для посилення сигналу.

Припустимо, що струм емітера стрибком змінюється на малу величину IЕ від постійного значення IЕ= (рис. 3.18). Струм колектора не може збільшитися миттєво, він наростає поступово. Інтервал часу між моментом наростання емітерного струму і моментом часу, в якому струм колектора збільшується до рівня 0,5 сталого значення, рівного α· IЕ, назвемо часом затримки колекторного струму.

70