Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

типом носителей заряда, полярностью напряжений на электродах

инаправлением токов коллектора и базы.

Вобщем случае транзистор применяют в трех основных схемах включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Применительно к транзисторам n-p-n типа проводимости эти схемы изображены на рисунке 2.22. Чаще всего

вэлектронике применяются две схемы, ОЭ и ОК, потому что схемы ОБ используются лишь в специальных устройства, например,

вСВЧ-технике.

Далее будут рассматриваться и изучаться транзисторные устройства, за исключением особо оговариваемых случаев — схемы включения транзисторов ОЭ.

Рассмотрим входную и выходную характеристики биполярного транзистора для схемы ОЭ (рисунок 2.23, а, б).

Так как входная характеристика (рисунок 2.23, б) в значительной степени определяется параметрами эмиттерного перехода, то она

41

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

качественно аналогична ВАХ диода сp-n переходом, что относится и к прямому падению напряжения uбэ, которое для кремниевых транзисторов лежит в пределах 0,6–1,0 В. Различие двух входных характеристик заключается в том, что при увеличении напряжения Uкэ происходит сдвиг ВАХ вправо — в область больших значений напряжений Uбэ. Это объясняется проявлением эффекта Эрли (эффект модуляции ширины базы).

Рисунок 2.23 — Входная (а) и выходная (б) характеристики биполярного транзистора

Он заключается в том, что при увеличении напряжения Uкэ коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы, толщина которой уменьшается. Это вызывает соответствующее увеличение ее сопротивления, что при неизменном токеiб определяет увеличение напряжения uбэ. При этом следует отметить, что при напряжениях Uкэ Ј (2–5) В входные характеристики транзистора практически сливаются.

Выходные характеристики рисунка 2.23, а показывают, что увеличение тока базыiб приводит к увеличению тока коллектораiк, так как Iб1 < Iб2 < Iб3 < Iб4. При этом величине токаIб = 0 соответствует ток коллектора iк = Iк0. Степень увеличения тока коллектора характеризуется коэффициентом передачи базового тока биполярного транзистора:

42

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

функциональный смысл которого заключается в том, что он определяет коэффициент усиления транзисторного каскада по току в схеме ОЭ. Этот параметр является одним из важнейших для биполярных транзисторов, и его бóльшие величины определяют меньшую мощность, требующуюся для управления транзисторным каскадом.

Протекание тока iк при наличии напряжения uкэ обусловливает появление мощности рк = iкuкэ, рассеиваемой транзистором. Для исключения перегрева транзистора и возможного его последующего отказа необходимо, чтобы выполнялось неравенство

где мощность Рк max показана параболической линией Рк max на ри-

сунке 2.23, б.

Существуют два основных режима транзисторов: линейный и импульсный. Первый из них характеризуется линейной зависимостью тока коллектора iк от тока базы iб, поэтому он и называется линейным. В этом случае все изменения тока iб приводят к соответствующим пропорциональным изменениям тока iк в соответствии с выражением (2.19). Во втором режиме транзистор в зависимости от наличия или отсутствия токаiб может находиться в запертом или в открытом состоянии. То есть в этом случае транзистор используется как ключ, включающий и выключающий соответствующую электронную или электрическую цепь или схему. Для второго режима невозможно определить однозначную зависимость между токами базы и коллектора, поэтому для него в открытом состоянии H21э = 0, так как ток коллектораiк в этом случае не зависит от тока базы iб.

Для создания открытого состояния транзистора в импульсном режиме работы во многих случаях используется режим насыщения полупроводниковой структуры. Подобный режим характеризуется тем, что ток коллектора iк транзистора определяется только сопротивлением Rк в цепи коллектора и напряжением Еп источника питания. Это обеспечивается при условии выполнения соотношения

где Iб нас — ток базы, требующийся для обеспечения режима насыщения.

43

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Следовательно, для создания режима насыщения биполярного транзистора требуется создать избыточный базовый токIб нас, который должен превышать базовый ток, который был бы необходим для создания лишь открытого, но ненасыщенного, состояния транзистора, работающего в граничном режиме работы. Требуемую избыточность базового тока транзистора просчитывают при помощи количественной оценки глубины насыщения. Такой параметр называется степенью насыщения Nнас и определяется как относительное превышение базовым током Iб того значения Iб нас, которое характерно для граничного режима:

где Iк нас — ток коллектора, величина которого зависит от сопротивления Rк.

В практических схемах электроники, работающих в импульсном режиме работы, принимается, что величина коэффициента насыщения должна лежать в пределах N = (2–5).

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому признаком насыщения служит смена полярности напряжения на переходе «коллектор-база». В общем случае, в соответствии с законами электротехники, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора для линейного режима определяется выражением

где Uпп — падение напряжения на полупроводниковой структуре кристалла транзистора.

Если напряжение Uкб изменяет свою полярность на обратную, что является условием насыщения, то выражение (2.23) приобретает вид

44

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Следовательно, падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения может быть сделано меньшим, чем падение напряжения на любом из p-n переходов, так как сумма напряжений Uбэ и Uбк превращается в их разность. Это является одним из важнейших преимуществ режима насыщения, так как при этом снижается мощность, рассеиваемая транзистором, что особенно важно в устройствах силовой электроники для снижения мощности, рассеиваемой транзистором в импульсном режиме работы. Для схем информационной логической электроники выполнение неравенства (2.25) обеспечивает возможность более простого и более эффективного согласования логических элементов между собой.

Следует отметить, что в режиме запертого состояния (режим от-

кдостаточно мал

имощность, рассеиваемая транзистором в этом режиме, также мала

иею можно пренебречь. Однако это утверждение справедливо лишь для маломощных электронных схем и транзисторов с невысокими напряжениями коллектор-эмиттер.

Рассмотрим особенности работы мощного биполярного тран-

зистора при высоких величинах напряженияUкэ. В нормативных документах на параметры высоковольтных транзисторов, кроме

максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер Uкэ max, указывается максимально допустимая величина сопротивления Rб в цепи базы транзистора. Определим необходимость его введения

ивыполняемую им функцию. На рисунке 2.24 приведены две схемы ОЭ биполярного транзистора, иллюстрирующие процессы его работы в режиме отсечки (запертом состоянии). Первая из них (рисунок 2.24, а) работает в режиме «с оборванной базой», то есть при

Rб = Ґ. Вторая схема показывает процессы протекания токов при введении сопротивления Rб.

Ввиду принципиальной симметричности полупроводниковой структуры биполярного транзистора в схеме «с оборванной базой»

при наличии высокого напряжения Еп через переход база-коллек- тор будет протекать обратной токIкб0, что свойственно области обратной проводимости любого p-n перехода. Как видно из схе-

мы рисунка 2.24, а, этот ток, по существу, является током базыIб транзистора. Его появление обусловит образование тока коллекто-

ра — Iк0 = H21ЭIкб0 — бо́льшего по величине, чем ток Iб. Протекание тока через кристалл приводит к увеличению коэффициентаH21Э. Работа транзистора при повышенных температурах, оговоренных соответствующими нормативными документами, обусловливает

45

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

как увеличение тока Iкб0, так и увеличение коэффициентаH21Э. Из-за воздействия этих факторов возникает лавинообразное самооткрывание транзистора и, как следствие, отказ в работе транзисторной схемы. Очевидно, что единственным средством обеспечения надежной работы транзистора является исключение или уменьшение влияния тока Iкб0 на входную цепь транзистора.

Рисунок 2.24 — Включение транзистора

врежиме «с оборванной базой» (а)

ис введением сопротивления Rб (б)

На рисунке 2.25 приведена типичная входная характеристика биполярного транзистора.

Iб

Uбэ

Uбэ пор

Рисунок 2.25 — Типичная входная характеристика биполярного транзистора

Она показывает, что при достаточно малых величинах напряжения Uбэ ток базы Iб становится достаточно малым. Можно условно назвать напряжение Uбэ пор пороговым, при котором ток Iб ®0. Средством снижения величины напряжения Uбэ служит, как это видно

46

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

из схемы рисунка 2.24, а, установка резистора Rб. При этом определенная часть тока Iкб0 шунтируется этим резистором. В соответствии с данными характеристики рисунка 2.25, можно определить требуемую величину шунтирующего резистора:

Выполнение этого условия обеспечивает надежную работу высоковольтного транзистора при максимальных температурах корпуса (перехода), когда обратный тока перехода «база-коллектор» может достигать максимальных величин тока Iкб0 max. Очевидно, что этим и объясняется назначение величины сопротивленияRб в нормативных документах на высоковольтные биполярные транзисторы.

Следует отметить, что требование необходимости введения сопротивления в цепи базы относится обычно и к транзисторам средней и малой мощности. Однако влияние этого сопротивления на надежность работы подобных транзисторов менее критична.

2.3.1.2. Линейный режим работы биполярного транзистора

Линейный режим работы биполярного транзистора применяется для реализации двух функций. Первая из них заключается в усилении входного сигнала постоянного тока. Вторая используется для усиления сигналов переменного тока или напряжения.

Рассмотрим первый вид транзисторного усилителя, схема которого и его временные диаграммы приведены на рисунке 2.26, а и б соответственно.

В момент времени t1 на базу транзистора VT начинает подаваться ток базы iб. Это вызывает появление пропорционально увеличивающегося тока коллектора iк = H21эiб и соответствующее уменьшение напряжения Uкэ.

По достижении момента времени t1 ток коллектора достигает значения Iк1 = H21эIб1, напряжение uкэ снизится до величины

и далее ток базы становится равным нулю.

47

Рисунок 2.26 — Схема транзисторного усилителя постоянного тока (а) и временные диаграммы его работы (б)

Очевидно, чтобы в транзисторном каскаде не возникало искажений, необходимо выполнение неравенства

так как только при этом обеспечивается линейная связь между током базы iб и коллектора iк для H21э = const.

Таким образом, для достижения линейности (или нелинейной пропорциональности) преобразования входного сигналаiб в выходной iк или uкэ требуется соблюдение определенных соотношений между аргументами выражения (2.28), которые должны выполняться при разработке подобных схем.

Следует отметить, что анализ процессов работы транзисторного каскада (рисунок 2.26, где нарастание базового токаiб(t) показано прямой линией) может быть распространен и на другой вид формы изменения тока базы — синусоидального, любого несинусоидального и т.п. Но это утверждение будет справедливым лишь при выполнении условия (2.2). В этом заключается определенная функциональная универсальность рассматриваемой схемы.

Рассмотрим влияние частотных параметров транзистора на функционирование каскада в линейном режиме. На графиках рисунка 2.27 приведены типичные амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики коэффициента передачи тока базы транзистора.

48

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Они показывают, что усилительные свойства транзистора с увеличением частоты f преобразуемого напряжения снижаются, а фазовый сдвиг j между входным и выходным сигналами увеличивается. Здесь обозначения соответствуют: | h21э| — модуль коэффициента передачи тока транзистора на частоте fт, который обычно нормируется в справочных данных на транзисторы.

Рисунок 2.27 — Типичные частотные характеристики биполярных транзисторов

Анализ работы и расчет процессов работы линейного режима может быть выполнен при помощи эквивалентных схем, основанных, как правило, на модели Эберса — Молла.

При этом параметры транзистора описываются в известной си-

49

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Функциональное отличие схемы усилителя рисунка 2.28, а заключается в том, что она управляется входным напряжением или током различной полярности, то есть ее входным сигналом могут служить переменные напряжения любой различной формы и полярности. Реализация этого выполняется соответствующим преобразованием входного сигнала при помощи разделительного конденсатора С и делителя напряжения Rб1, Rб2, выполняющих функцию смещения рабочей точки входной характеристики транзистора в однополярную линейную область при любых величинах и полярности напряжения входного сигнала » uвх. Процессы работы транзисторного усилителя переменного напряжения по схеме рисунка 2.28 показаны на диаграммах рисунка 2.29.

Uвх(+)

Uвх(–)

uбэ

Uбэ0 »Uвых

»Uвх

uкэ

Рисунок 2.29 — Диаграммы процессов работы транзисторного усилителя переменного напряжения

50