Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Практикум
.pdf
41
На практике для анализа схем на полевых транзисторах обычно достаточно характеристик передачи и выходных характеристик, поэтому в дальнейшем мы не будем включать в рисунки входные характеристики и характеристики обратной связи (при желании можно самостоятельно построить их графики
по двум представленным семействам).
После построения эпюр входных и выходных напряжений и выходных
токов: i
, ивх , и
вых
. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению
вых
КU = U
вых/Uвх
, (4.14)
Методические указания для расчета
1. Выбрать вариант для расчета из Приложения 1 в соответствии с номе-
ром по алфавитному списку или указанию преподавателя.
2. По виду выходной и передаточной характеристики определить вид по-
левого транзистора ПТУП или МДП
3. Рассчитать простейший усилитель на ПТ по соответствующей методи-
ке. На схеме указать параметры элементов.
4. Построить эпюр входных и выходных напряжений и выходных токов:
i
, ивх , и
вых
вых
.
5. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению.
42
5. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
5.1. Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения. Статические ВАХ и параметры
для основных схем включения
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p-n-перехода, называется биполярным транзистором.
Биполярным транзистор называется потому, что в нем используются носители
заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от английского
transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную входную цепь
эмиттера с высокоомной выходной цепью коллектора, третий электрод – база –
является управляющим.
Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n-р-n- и
p-n-р-типа в активном режиме (режим усиления) показано на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Устройство, условное обозначение и включение
биполярных транзисторов в активном режиме
Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать,
генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей.
В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей
точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные
схемы включения БТ: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой
(ОБ) и схема с общим коллектором (ОК), называемая также эмиттерным повторителем (рис. 5.2). Первый закон Кирхгофа применительно к транзистору дает
равенство Iэ = Iк + Iб, то есть ток эмиттера в транзисторе распределяется между
43
базой и коллектором. В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы нагрузки обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному
току.
Рис. 5.2. Основные схемы включения транзисторов
В зависимости от того, какие напряжения действуют на переходах, различают 3 режима работы транзистора:
– активный режим, или режим усиления, когда эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном;
– режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направле-
нии;
– режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении.
Наиболее распространенными системами статических вольт-амперных
характеристик биполярных транзисторов являются:
– семейство входных характеристик I1 = f(U1) при U2 = const;
– семейство выходных характеристик I2 = f(U2) при I2 = const.
Входные характеристики транзистора p-n-p- типа в схеме с ОБ определяются зависимостью тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при
постоянном напряжении между коллектором и базой Iэ = f(Uэб) при Uкб = const
(рис. 5.3, а).
Рис. 5.3. Семейство входных (а) и выходных (б)
характеристик p-n-p-транзистора в схеме с ОБ
44
Выходные характеристики транзисторов p-n-p-типа в схеме с ОБ,
называемые также коллекторными, определяются зависимостью тока
коллектора от напряжения между коллектором и базой при постоянном токе
эмиттера I
коллекторный переход течет обратный ток I
= f(Uкб) при Iэ = const (рис. 5.3, б). При токе Iэ = 0 через
к
, величина которого слабо
кбо
зависит от коллекторного напряжения.
На рис. 5.4, а представлены семейства входных характеристик транзисто-
ра p-n-p-типа в схеме с ОЭ Iб = f(Uэб) при Uкэ = const.
Коллекторные, т.е. выходные, характеристики транзистора в схеме с ОЭ
Iк = f(Uкэ) при Iб = const приведены на рис. 5.4, б. Выходные характеристики в
схеме с ОЭ имеют больший наклон, чем в схеме с ОБ, то есть наблюдается
большая зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. С ростом
базового тока коллекторные характеристики располагаются выше, так как увеличение базового тока происходит вследствие увеличения тока эмиттера, следовательно, и тока базы.
Рис. 5.4. Семейство входных (а) и выходных (б)
характеристик p-n-p-транзистора в схеме с ОЭ
При представлении БТ как линейного активного четырехполюсника используются несколько систем характеристических параметров, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения измерения параметров и практического их использования в инженерных расчетах. Как правило, в
справочных данных транзисторов приводятся значения так называемых смешанных или гибридных h-параметров – h11, h12, h21, h22.
Система h-параметров – комбинированная система, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U
(I
= 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров за-
1
даются ток I
и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитыва-
1
= 0) и режим холостого хода на входе
2
45
2121111
UhIhU +=
2221212
UhIhI +=
0
1
1
11
2
=
=
U
I
U
h
0
2
2
22
1
=
=
I
U
I
h
0
2
1
12
1
==I
U
U
h
0
1
2
21
2
==U
I
I
h
∗
кб
rr
∗
к
r1
.
1
)1(
β
α
+
=−⋅=
∗
к
кк
r
rr
ются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1,
U
и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:
2
,
(5.1)
.
Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров определяются
следующим образом:
– входное сопротивление при коротком замыкании на выходе
– выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи
;
;
– коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи
;
– коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе
.
5.2. Динамические параметры биполярных транзисторов
Система h-параметров является смешанной (гибридной), так как h-параметры имеют разную размерность: h11 – размерность сопротивления, h22 - размерность проводимости, h12 и h21 являются безразмерными.
Приближенная связь h-параметров с элементами Т-образной эквивалент-
ной схемы замещения транзистора с общей базой устанавливается следующими
формулами:
h
≈ rэ + rб·(1 – α); h
Б
11
≈ –α;
Б
21
(5.2)
h
≈ rб/rк; h
Б
12
≈ 1/rк.
Б
22
Для транзистора в схеме с общим эмиттером:
h
≈ rб + rэ·(β + 1); h
Э
11
21
≈ β;
Э
(5.3)
h
12
Э
≈
; h
22
Э
≈
;
46
5.3. Особенности работы биполярного транзистора
на высоких частотах
Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах, представленная
на рис. 5.5, отражает инерционность передачи сигнала со входа на выход посредством введения в нее цепочек, которые имитируют реальные участки транзистора.
Рис. 5.5. Эквивалентная схема биполярного бездрейфового
транзистора на высокой частоте
На рис. 5.5: rэ – сопротивление эмиттера; Сэ– диффузионная емкость
эмиттерного р-п-перехода; rб – сопротивление объема базовой квазинейтральной области; Ск – барьерная емкость коллекторного р-п-перехода; rк – объемное
сопротивление квазинейтральной коллекторной области; Gк – проводимость
коллекторного перехода; I – эквивалентный генератор переменного тока.
При инжекции неосновных носителей в базу происходит модуляция проводимости коллекторного р-п-перехода Gк, в результате чего изменяется ток в
коллекторной цепи. Для того, чтобы не учитывать частотной зависимости коллекторной проводимости, действующая проводимость коллекторного перехода
в эвкивалентной схеме представлена как постоянная проводимость Gк, а изменение тока коллекторной цепи из-за модуляции Gк имитируется эквивалентным
генератором тока.
Область коллекторного р-п-перехода можно изображать, как на эквива-
лентной схеме, в виде генератора тока, так как реально коллекторный переход
соответствует определению генератора тока. Он имеет высокое внутреннее сопротивление (сопротивление р-п-перехода 1/Gк при обратном включении) и
сильное электрическое поле (Е ≈ 104 В/см), способное переносить поток неосновных носителей заряда, величина которого слабо зависит от сопротивления
внешней цепи Rн в широком диапазоне значений Rн.
Очевидно, что амплитуда тока от эквивалентного генератора определяется глубиной модуляции Gк.
47
На низких частотах влияние реактивных элементов, отраженных в эквивалентной схеме, несущественно. В этом случае сумма модулей токов в электродах транзистора равна нулю (рис. 5.6):
Iэ + Iк + Iб = 0. (5.4)
Рис. 5.6. Векторные диаграммы токов транзистора на низкой (а)
и высокой (б) частотах; векторная диаграмма (в) для вывода
частотной зависимости модуля коэффициента передачи тока
При увеличении частоты начинает сказываться влияние перезарядки емкостей р-п-переходов. Все бόльшая часть тока эмиттера определяется не инжекцией неосновных носителей заряда в базу, а токами рассасывания неосновных носителей: инжектированные носители заряда, не успев диффундировать к
коллекторному р-п-переходу, вновь возвращаются в эмиттер при смене знака
входного сигнала. Однако вследствие малой величины rэ при прямом смещении
τ
= rэ⋅Сэ в сравнении с
э
поэтому временем
τ
= (rб + rк)⋅Ск в цепи коллектора значительно меньше,
к2
τ
можно пренебречь.
э
Чтобы изменился ток коллектора, необходимо, чтобы изменилось электрическое поле р-п-перехода, но для этого в нем должен измениться заряд. Та-
ким образом, вследствие инерционности перезарядки на высоких частотах Ск
шунтирует проводимость Gк, глубина модуляции которой уменьшается, вследствие чего уменьшается ток коллектора.
Из-за конечного времени пролета носителей заряда через базу и возникновения токов смещения в коллекторной цепи появляется рассогласование фаз
входного и выходного сигналов. Кроме того, из-за протекания токов смещения
в коллекторной цепи и токов рассасывания неосновных носителей заряда в
эмиттерной цепи между током эмиттера и током базы также возникает рассо-
гласование фаз. В этом случае сумма амплитуд (модулей) токов ΣI уже не будет
равна нулю. Нулю будет равна сумма мгновенных значений токов ΣĨ в электродах транзистора: Ĩ = I·sin(ωt + φ), где ϕ – фазовый угол.
В результате рассогласования эмиттерного и коллекторного токов ток в
базе увеличивается. Однако необходимо помнить, что увеличение амплитуды
48
( )
б
hб
э
к
б
jjh
I
I
jh
21
exp)()(
21 21
ϕωω
==
бh 21
ϕ
бб
h
б
h
б
б
f
jf
h
j
h
jh
21 21
11
)(
21 21
21
+
=
+
=
ω
ω
ω
2
21
2
21
21
21 21
11
)(
+
=
+
=
бб
h
б
h
б
б
h
f
f
h
jh
ω
ω
ω
−=
б
б
h
h
21
21
arctg)(
ω
ω
ωϕ
б
h
ff
21
=
2)(
21 21 бб
hjh =
ω
2
)(
21
ω
jh
б
бh 21
ϕ
тока базы не связано с увеличением рекомбинационного тока, так как время
жизни носителей заряда и их диффузионная длина не зависят от частоты.
Для схемы с общей базой комплексный коэффициент передачи тока
эмиттера
, (5.5)
где İк, İэ – комплексные амплитуды токов коллектора и эмиттера;
|h
(jω)| – модуль;
21б
– аргумент комплексного коэффициента передачи тока эмиттера,
т.е. угол сдвига фаз между токами İк и İэ.
Зависимость h
от ω может быть найдена путем решения уравнения
21б
диффузии. При некоторых упрощающих допущениях решение уравнения диффузии позволяет получить следующую формулу для определения частотной за-
висимости h
21б
(jω):
. (5.6)
В этом случае
; (5.7)
. (5.8)
Если
циента передачи тока эмиттера уменьшается в
, то
. Частота, на которой модуль коэффи-
раз, называется предельной
частотой коэффициента передачи тока эмиттера биполярного транзистора.
Предельная частота является важным параметром транзистора и используется в
качестве основного критерия при классификации биполярных транзисторов по
частотным свойствам. На рис. 5.7 изображены зависимости
и
от
частоты.
49
бб
hh
21 21
1
τω
=
б
h
б
б
j
h
jh
21
1
)(
21
21
ωτ
ω
+
=
бh 21
τ
( )
брh
h
б
21
1
21
−≈
ττ
( )
бh
б
б
б
б
э
h
j
h
h
jh
jh
jh
б
21
21
21
21
21
21
1
1
1
1)(1
)(
)(
21
−
+
−
=
−
=
ω
ω
ω
ω
ω
( )
эб
hбh
h
21 21
21
1
ωω
=−
ээ
h
э
h
э
э
f
jf
h
j
h
jh
21
21
11
)
(
21 21
21
+
=
+
=
ω
ω
ω
Рис. 5.7. Амплитудно-частотная (а) и фазо-частотная (б)
характеристики коэффициента передачи тока
Введя обозначение
, запишем выражение (5.6) в виде
. (5.9)
Величина
имеет размерность времени и примерно равна среднему
времени диффузии неосновных носителей заряда через базу. Она связана с временем жизни в базе соотношением
. (5.10)
Для схемы с общим эмиттером частотная зависимость коэффициента пе-
редачи тока базы:
. (5.11)
Обозначая
, (5.12)
получаем
. (5.13)
Следовательно, схема с общим эмиттером характеризуется частотной за-
висимостью модуля комплексного коэффициента передачи тока базы
50
2
21
21
21
1
)(
+
=
э
h
э
э
f
f
h
jh
ω
−=
э
h
h
f
f
21
э 21
arctg
ϕ
э
h
f
21
э
h
э
h
э
э
hh
h
f
h
f
h
h
ff
бб
бэ
21 21 21
21
21 21
21 21
11
1 ≈
+
=
+
−=
э
h
f
21
э
h
f
21
б
h
f
21
(5.14)
и аргумента
. (5.15)
Частота
, на которой модуль коэффициента передачи тока базы
уменьшается в 2 по сравнению с его низкочастотным значением, называется
предельной частотой коэффициента передачи тока базы.
Выражение (5.12) можно представить в другом виде:
. (5.16)
Из выражения (5.16) видно, что частота
в h
раз меньше предельной
21 э
частоты коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. Следовательно, частотные свойства схемы с общим эмиттером значительно хуже
схемы с общей базой. Для сравнения на рис. 5.8 показана зависимость |h
|h
| от частоты.
21э
21б
| и
Рис. 5.8. График, поясняющий определение частот
и их сравнение с частотой
, fТ
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]