Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Рис. 3.38

Выходные характеристики для транзистора КТ603А

инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. Ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия: |uкб| < 0,75 В.

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб > 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб < 0), называют режимом насыщения.

Обратный ток коллектора Iко мал (для КТ603А Iко ≤ 10 мкА при t ≤ 25°C). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ = 0 и iк = αст iэ + Iко = Iко, практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток Iко возрастает (для КТ603А Iко ≈ 100 мкА при t ≤ 85°C) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током Iко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

Вактивном режиме напряжение uкб и мощность pк =

=iк uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство

pк ≤ Pк max,

где Pк max — максимально допустимая мощность (для КТ603А Pк max = 500 мВт при t ≤ 50°C).

График зависимости iк = Pк max/uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный —

вобратном. В режиме насыщения оба перехода смещены

впрямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым

дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением

α= diк u =const .

diэ кб

Для приращения тока коллектора iк и приращения тока эмиттера iэ можно записать:

iк = α iэ.

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициент α может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25°C α = 0,909–0,988.

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера и при увеличении напряжения uкб, объяс-

няется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор. Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода:

rк = duкб i = const .

diк э

С учетом эффекта Эрли

iк = αст iэ + Iко + 1 uкб.

rк

Схема с общим эмиттером. Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующей схеме, представленной на рисунке 3.39. Эту схему называют схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ, т. е. зависимость вида

iб = f(uбэ ) uкэ =const ,

где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость

iк = f(uкэ ) iб =const ,

где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующие два факта.

1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не

несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее, характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.

2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математи-

эффект Эрли проявляется

в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением:

rдиф = duбэ u =const .

diб кэ

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером. Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (см. рис. 3.41).

Обратимся к ранее полученному выражению

iк = αст iэ + Iко.

Рис. 3.41

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером транзистора КТ603А

В соответствии с первым законом Кирхгофа для данной схемы

iэ = iК + iб

и с учетом предыдущего выражения, получим

Коэффициент βст называют коэффициентом передачи базового тока. Его величина составляет десятки-сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что

Введем обозначение I′ко ≡ (βст + 1) Iко. В итоге получаем iк = βст iб + I′ко.

Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывается в виде

Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β. По определению

β = diк u =const .

diб кэ

Для приращения тока коллектора iк и тока базы iб можно записать:

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного

выше условия pк ≤ Pк max, должны выполняться условия

iк ≤ Iк. max и uкэ ≤ Uкэ max,

где Iк max и Uкэ max — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А Iк max = 300 мА, Uкэ max = 30 В (при t ≤ 70°C).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую

область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 3.43).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположе-

ны на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 3.44).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ = 40 В.

Рис. 3.44

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

Инверсное включение транзистора. Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βI. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βI ≤ β. Часто βI ≈ 1.

3.4.3.Три схемы включения транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки и h-параметры транзисторов

Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (при расчетах обычно их считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Изобразим три характерные схемы включения транзистора.

Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.45). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх. Учитывая, что iвых = iвх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиление тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление малое.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.46). Так как iвых iвх, а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напря-

жения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Входной ток достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.47). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют за-

коротками (закорачивают). После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название — схема с общим коллектором.

Само напряжение uбэ и особенно переменнаясоставляющаяэтого напряжениядостаточно малы, поэтому ампли-

туда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. В соответствии с этим усилительные каскады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями.

Учитывая также, что iвх iвых, отмечают, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.

На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

H-параметры транзисторов. При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 3.48), на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1, а на выходе — напряжение u2 и ток i2. Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, име-

ет вид

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

• h11 = u1 u =0 — входное сопротивление при коротком i1 2

замыкании на выходе;

• h12 = u1 i =0 — коэффициент обратной связи по напря- u2 1

жению;

• h21 = i2 u =0 — коэффициент передачи тока при корот- i1 2

ком замыкании на выходе;

• h22 = i2 i =0 — выходная проводимость при холостом u2 1

ходе на входе.

По эквивалентным схемам транзистора можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора при включении по схемам с ОБ и ОЭ представлены на рисунке 3.49. Если Ск и генератор напряжения μЭКUКБ

Рис. 3.49

Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора при включении по схемам с ОБ (а) и ОЭ (б)