Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
51
вх
I
от входного напряжения
вх
U
при постоянном выходном
напряжении:
1
()
вых
вх вх
U const
I f U
=
=
. Выходной ВАХ является
зависимость выходного тока
вых
I
от выходного напряжения
вых
U
при постоянном входном токе:
2
()
вх
I const
вых вых
I f U
=
=
. По-
скольку параметры
вых
U
и
вх
I
для каждого типа ВАХ может
принимать неограниченный ряд значений, то каждая из этих зависимостей представляется не одной кривой, а несколькими,
которые называют семейством статических входных и выходных характеристик.
а) б) в)
Рис. 4.3. Схемы включения биполярного транзистора:
а — ОБ; б — ОЭ; в — ОК
Для схемы включения транзистора с ОБ семейства входных и выходных ВАХ для схемы с общей базой представляют
собой зависимости:
– входные:
1
()
КБ
Э ЭБ
U const
I f U
=
=
;
(4.5)
– выходные:
+E
K
R
I
Э
IК I
Б
U
КЭ
U
БЭ
I
К
R
+E
K
I
Б
I
Э
U
КБ
U
ЭБ +EK R UЭК
U
БК
I
Э
I
К
I
Б
52
2
()
Э
KKБ
I const
I f U
=
=
.
(4.6)
Аналогично определяются входные и выходные ВАХ для
других схем включения. На рис. 4.4 приведено семейство входных ВАХ n-p-n транзистора, включенного по схеме с ОБ.
Рис. 4.4. Входные ВАХ n-p-n транзистора,
включенного по схеме с ОБ
Входная ВАХ транзистора в значительной степени определяется свойствами эмиттерного перехода и потому аналогична характеристике диода. Сдвиг входных характеристик к оси
тока при увеличении напряжения UКБ объясняется проявлением
так называемого эффекта Эрли. Указанный эффект состоит в
том, что при увеличении напряжения UКБ коллекторный переход
расширяется. Если концентрация атомов примеси в базе меньше
концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение
коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение
UКБ=0
UКБ=10 В В
UБЭ, В
0
0,3
0,6
0,9
50
100
150
200
250
IБ, мА
53
толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе IЭ напряжение
UБЭ уменьшается.
Входные характеристики биполярного транзистора часто
характеризуют дифференциальным сопротивлением rЭ, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода
согласно выражениям (2.13) и (2.18).
На рис. 4.5 приведено семейство выходных ВАХ транзи-
стора, включенного по схеме с ОБ. При эмиттерном токе
0
Э
I =
выходная ВАХ подобна вольт-амперной характеристике изолированного коллекторного перехода. При задании некоторого
значения тока эмиттера
1Э
I
отличного от нуля, ток коллектора
увеличивается на величину
1Э
I
. Смещение выходных ВАХ
вверх по оси тока коллектора при увеличении тока эмиттера соответствует принципу действия транзистора.
Рис. 4.5. Выходные ВАХ n-p-n транзистора,
включенного по схеме с ОБ
IК, мА
UКБ, В
IЭ=40
80
120
160
200
240
280
P
К max
=500 мВт
0
активная область
область насыще-
область отсечки
0 6 12
18
60
120
180
240
-4
54
Наличие наклона выходных характеристик, отражающее
факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера
при увеличении напряжения UКБ, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в
коллектор. Наклон выходных ВАХ численно определяют так
называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода:
.
Э
КБ
K
K
I const
dU
dI
r
=
=
(4.7)
Ток коллекторного перехода существует и при нулевом
напряжении на коллекторе (короткое замыкание коллектора с
базой). Этот ток обусловлен градиентом концентрации неосновных носителей заряда в базе при инжекции носителей в нее из
эмиттера, то есть при наличии тока эмиттера. Чтобы ток коллектора стал равным нулю, на коллектор требуется подать прямое
напряжение, что соответствует работе транзистора в режиме
насыщения.
Режим, соответствующий первому квадранту ВАХ (UКБ > 0,
Iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости
ему соответствует так называемая область активной работы
(рис. 4.5). В активном режиме напряжение UКБ и мощность
Pк = Iк ·U
КБ
, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном пере-
ходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся,
должно выполняться неравенство:
maxKK
PP=
,
(4.8)
где Р
к макс
— максимально допустимая мощность.
График зависимости Iк = Р
к макс
/ UКБ (гипербола) изобра-
жен на выходных характеристиках пунктиром (рис. 4.5).
Режим, соответствующий второму квадранту (UКБ < 0),
называют режимом насыщения. Ему соответствует область
насыщения.
55
Режим работы транзистора, соответствующий значениям
тока коллектора, сравнимого с обратным током I
К обр
, называют
режимом отсечки, а соответствующую область характеристик
вблизи оси напряжений — областью отсечки.
Усиление сигналов транзистором оценивается коэффициентами усиления по току
I
K
, по напряжению
U
K
и по мощно-
сти
P
K
. Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току
1
К
IOБ
Э
I
K
I
= =
, то есть усиления по току в этой схеме
включения не происходит. Но зато можно получить большое
усиление по напряжению. Дифференциальное сопротивление
коллекторного перехода в пологой, почти горизонтальной области выходной характеристики велико, что позволяет включить в
выходную цепь транзистора последовательно большое сопротивление нагрузки
K
R
. Транзистор для выходной цепи пред-
ставляет собой генератор тока
K
I
с большим дифференциаль-
ным сопротивлением
K
r
. При малых изменениях тока эмиттера
Э
I
напряжение на коллекторе транзистора изменяется на
большое значение:
()
K K KK
U R r I =
,
(4.9)
где
()
K K K K KK
R r R r R r= +
— эквивалентное сопротивление
параллельно включенных
K
R
и
K
r
.
Входное дифференциальное сопротивление
Э БЭ
Э
rUI=
, определяемое по входной ВАХ (рис. 4.4), значи-
тельно меньше
К
r
, поэтому и изменение входного напряжения
Э
U
при том же изменении входного тока
Э
I
тоже будет зна-
чительно меньше
К
U
. Таким образом, коэффициент усиления
транзистора с ОБ по напряжению равен:
56
()
K
КK
K К
UOБ
Э Э Э Э
К
Rr
I R r
U
K
U I r r
= = =
.
(4.10)
При больших значениях
K
R
коэффициент усиления
1
UOБ
K
.
Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОБ
POБ
K
тоже может оказаться значительным:
2
1
K
ВЫХ К
POБ U OБ I OБ
ВХ Э
Rr
P
K K K
Pr
= = =
.
(4.11)
Биполярный транзистор называют активным элементом
электрической цепи, поскольку он усиливает мощность входных
сигналов. Так, при
50
K
R =
кОм,
50
Э
r =
Ом усиление по мощно-
сти составит
3
10
POБ
K
, если
КK
rR
. Физически усиление
входного сигнала по мощности означает отбор энергии нагрузкой от источника питания выходной цепи, а активная роль транзистора сводится к роли клапана, регулирующего поступление
энергии от источника в нагрузку, управление которым осуществляется малым по мощности входным сигналом.
В схеме с ОЭ (рис. 4.3, б) транзистор усиливает сигнал как
по напряжению, так и по току. Входным током в этой схеме является ток базы, а выходным — ток коллектора. На рис. 4.6 приведены ВАХ p-n-p транзистора, включенного по схеме с ОЭ.
Характеристики имеют ярко выраженный нелинейный характер.
При этом входные ВАХ (
()
Б БЭ
I f U=
) подобны прямой ветви
диода. Эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении
напряжения UКЭ входные характеристики сдвигаются от оси то-
ка. Выходные ВАХ (
()
К КЭ
I f U=
) характеризуются вначале рез-
ким возрастанием выходного тока
К
I
при возрастании выходно-
го напряжения
КЭ
U
, а затем по мере дальнейшего роста напря-
жения незначительным его увеличением.
57
На семействе выходных ВАХ транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы
транзистора: насыщения, отсечки и активной области.
Рис. 4.6. Статические ВАХ p-n-p транзистора,
включённого по схеме с ОЭ
Согласно формуле (4.4) коэффициент усиления по току
транзистора с ОЭ равен:
1
1
IOЭN
K
−
==
.
(4.12)
,
БЭ
U В−
4
12
БЭ
Э
КЭ
U
h
U
=
0,2
1
КЭ
U В−=
Б
I
БЭ
U
5 В
БЭ
U
КЭ
U
200I
Б
мкA−=
40
80
120
160 2 0 4 6
,
КЭ
U В−
11
БЭ
Э
Б
U
h
I
=
,
Б
I мкA−
220
140
60
0,1
0,3
25
рас
P мВт=
22КЭ
КЭ
I
h
U
=
200
Б
I мкA−=
К
I
КЭ
U
40
80
120
160
1
КЭ
U В−=
B
I
К
I
21КЭ
Б
I
h
I
=
5 В
8 6
2
,
К
I мA
58
У применяемых на практике транзисторов
= 0,90 … 0,99,
что соответствует
= 9 … 100. Физически большие значения
обусловлены рекомбинационной природой базового тока.
Поступающие в базу от источника питания через базовый электрод дырки, представляющие собой ток базы, нарушают электронейтральность базы и снижают потенциальный барьер эмиттерного p-n-перехода. Из эмиттера в базу увеличивается приток
электронов, но время пролета слоя базы электроном
много
меньше времени жизни электронов и дырок в базе
n
. Поэтому
для нейтрализации притока дырок в базу требуется в
n
раз
больший приток электронов из эмиттера.
Коэффициент усиления по напряжению транзистора с ОЭ
определяется:
*
*
1.
K
UOЭ
Rr
к
K
r
э
=
(4.13)
Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОЭ
равен:
*
2
*
1
K
К
POБ
Э
Rr
K
r
=
.
(4.14)
При построении усилительных каскадов чаще всего используется схема включение транзистора с ОЭ. Кроме значительного усиления выбор схемы включения транзистора с ОЭ
бывает выгодным еще и потому, что входное сопротивление
*
Э
r
оказывается больше аналогичного сопротивления
Э
r
транзисто-
ра с ОБ в (
1+
) раз.
59
Схема включения транзистора с ОК (рис. 4.3, в) имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, так как
разность потенциалов между входным электродом — базой, и
выходным — эмиттером, практически не зависит от тока базы.
Усиление по току транзистора с ОК значительно и составляет:
1 1.
IOК
K
= +
(4.15)
Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад на транзисторе с ОК называют эмиттерным
повторителем. Кроме усиления по току эмиттерный повторитель
демонстрирует значительное усиление по мощности. Усилительный каскад с ОК обладает высоким входным и малым выходным сопротивлением, что позволяет его использовать при
согласовании других транзисторных каскадов, использующих
схемы включения транзисторов с ОБ и ОЭ.
4.2. Эквивалентные схемы замещения транзистора.
Ключевой режим работы биполярного транзистора
Представление транзистора в виде линейного четырехполюсника позволяет ввести систему h-параметров, полностью
определяющей свойства транзистора при его работе в линейном
режиме. При этом значения h-параметров будут зависеть от рабочей точки, температуры и частоты. Для биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, система уравнений через
h-параметры имеет вид:
11 12
,
БЭ Э Б Э КЭ
U h I h U = +
(4.16)
21 22
.
К Э Б Э КЭ
I h I h U = +
(4.17)
Каждый из h-параметров, входящих в систему уравнений,
определяют экспериментально с помощью опытов короткого
замыкания на выходе и обратного холостого хода на входе транзистора:
60
11
0
,
КЭ
БЭ
Э ВХЭ
Б
и
U
h
I
R
=
=
=
(4.18)
21
0
,
КЭ
К
Э
Б
и
I
h
I
=
=
=
(4.19)
12
0
0,
Б
БЭ
Э
КЭ
I
U
h
U
=
=
(4.20)
22
0
.
1
Б
К
Э
КЭ К
I
I
h
Ur
=
==
(4.21)
Полученные h-параметры имеют следующий физический
смысл:
11Э
h
и
21Э
h
— соответственно входное сопротивление и
коэффициент передачи тока базы при коротком замыкании на
выходе транзистора по переменному току;
12Э
h
и
22Э
h
— вели-
чины, обратные коэффициенту усиления по напряжению (коэффициент обратной связи по напряжению) и выходному сопротивлению (выходная проводимость) при холостом ходе на входе
транзистора по переменному току. На практике h-параметры
применяют, как правило, для анализа низкочастотных схем. На
рис. 4.6 приведен пример определения h-параметров транзистора с использованием ВАХ.
На рис. 4.7 приведена эквивалентная схема замещения биполярного транзистора в h-параметрах.
Эквивалентные схемы замещения применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы. Эквивалентная схема биполярного транзистора на постоянном токе, представленная на
рис. 4.8, называется моделью Эберса — Молла.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]