8. Структурная схема биполярного транзистора

   Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект­ронов), а управление протекающим через него током осу­ществляется с помощью управляющего тока.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод на­зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству­ющий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа n-р-n (рис. 1, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично. При этом "стрелочка" эмиттера будет напрвлена в противоположном направлении - в сторону базы. Стрелки эмиттеров показывают направление токов через транзистор.

Рис. 1. Cхематическое изображение струк­туры транзистора

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

9. Схемы включения б/п транзистора и уравнения входных и выходных характеристик h параметры

• Схема с общей базой (ОБ) Если сопротивле­ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен­ной составляющей напряжения и_ых значительно больше амплитуды напряжения и_вх. Учитывая, что i_вых = i_вх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы доста­точно большой, а соответствующее входное сопротивле­ние малое.

• Схема с общим эмиттером (ОЭ) Так как i_вых » i_вх, а при достаточно большом сопротивлении R_н, амплитуда переменной составляющей напряжения и_вых зна­чительно больше амплитуды напряжения и_вх, следователь­но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

• Схема с общим коллектором (ОК) Само напряжение и_бэ и особенно переменная состав­ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения и_вх примерно равна амплитуде переменной составляющей на­пряжения и_вых. В соответствии с этим усилительные кас­кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями. Учитывая также, что i_вx « i_вых, отмечают, что схема уси­ливает ток, но не усиливает напряжение.

На практике, для построения большинства устройств, наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

h-параметры

Связь между входными (U₁, I₁) и выходными (U₂, I₂) напряжениями и токами четырехполюсника (рис. 6) выражается системой двух уравнений. Выбрав два из входящих в эту систему параметров за независимые переменные, находят два других.

Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока ΔI₁, и выходного напряжения ΔU₂, а приращения входного напряжения ΔU₁ и выходного тока ΔI₂ выражают через так называемые h-параметры транзистора:

ΔU₁ = h₁₁ΔI₁ + h_l2ΔU₂, (4.18)

ΔI₂ = h₂₁ΔI₁ + h₂₂ΔU₂. (4.19)

Параметры, входящие в уравнения (4.18), (4.19), определяют:

h₁₁ = ΔU₁ / ΔI₁ — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (ΔU₂ = 0);

h₂₁ = ΔI₂ / ΔI₁ — коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении (ΔU₂ = 0);

h₁₂ = ΔU₁ / ΔU₂ — коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (ΔI₁ = 0);

h₂₂ = ΔI₂ / ΔU₂ — выходную проводимость транзистора при неизменном входном токе (ΔI₁ = 0).

Конкретные значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, т.е. от того, какие токи и напряжения являются входными и выходными. В справочниках обычно приводят h-параметры, измеренные в схеме ОБ для средней полосы частот при типовых значениях постоянных составляющих тока и напряжения.

Установим связь h-параметров транзистора с их физическими параметрами в схеме ОБ.

Рис. 7. Схема замещения транзистора в физических параметрах, включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

С этой целью воспользуемся схемой рис. 7, а. Примем в ней напряжение εu_кб = 0, переменные составляющие заменим приращениями: u_эб = ΔU₁, i_э = ΔI₁, u_кб = ΔU₂, i_к = ΔI₂, а ток i_б выразим через входной ток: i_б = (1 – α)ΔI₁.

Для входной цепи транзистора (см. рис. 4.10, а) при ΔU₂ = 0 имеем

ΔU₁ = ΔI₁[r_э + (1 – α)r_б], откуда h₁₁ = r_э + (1 – α)r_б. (4.20)

Для того же режима (ΔU_2 = 0) ток выходной цепи

ΔI₂ = α ΔI₁ h₂₁ = α. (4.21)

В отсутствие приращений входного тока (ΔI₁= 0) ток в выходной цепи

ΔI₂ = ΔU₂(r_к(б) + r_б) ≈ ΔU₂ / r_k(б) или h₂₂ = 1 / r_к(б). (4.22)

Для этого же режима напряжения на входе и выходе соответственно равны

ΔU₁ = ΔI₂r_б, ΔU₂ ≈ ΔI₂r_к(б) , откуда h₁₂ ≈ r_б / r_к(б). (4.23)

Полученные соотношения для h-параметров используем для выражения физических параметров транзистора через его h-параметры:

r_э = h₁₁ – (1 – h₂₁)h₁₂ / h₂₂, r_б = h₁₂ / h₂₂, r_к(б) = 1 / h₂₂, α = h₂₁ (4.24)

10. Режим линейного усиления «А»

Класс А характеризуется тем, что рабочую точку а выбирают посередине участка bc линии нагрузки (рис. 3.11, а), а максимальное значение амплитуды переменной составляющей входного тока (тока базы iБ) не приводит к увеличению тока коллектора iК за пределы участка bc. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого сигнала

будут минимальными, т. е. при подаче на вход синусоидального напряжения (тока) форма выходного напряжения uвых будет практически синусоидальной. Основной недостаток этого класса усиления — очень низкий КПД η = P2 / Pn = UвыхIвых / EnIn.

11. Режим отсечки «В»

Для работы усилителя в режиме В рабочую точку а' устанавливают на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора при IБn = 0 (рис. 3.11, б). В этом режиме переменные составляющие тока iвых и напряжения uвых возникают лишь в положительные полупериоды тока базы iБ. При синусоидальном входном напряжении (токе) выходное напряжение uK имеет форму полусинусоид, т. е. нелинейные искажения очень большие. Этот режим часто используют в двухтактных усилителях мощности. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

12. Промежуточный режим «АВ»

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. В этом режиме КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

13. Режим «С»

В режиме С рабочая точка выбирается за точкой отсечки а' (см. рис. 3.11, б) и ток iК (напряжение uK) в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительной полуволны входного тока базы iБ (рис. 3.11, в). В этом режиме усиления возникают очень большие искажения усиливаемого напряжения (тока), но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотнозависимых звеньев выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения uK.

14. Схема температурной стабилизации

При повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной (рис. 4.8) и переходной характеристиках.

Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включают резистор R_э шунтированный конденсатором С_э . В цепи базы для создания начального напряжения смещения U_бэ между базой и эмиттером применен делитель R'_б R''_б. Напряжение U_бэ зависит от сопротивления резисторов

     

     

     Рис. 4.9. Усилительный каскад с эмиттерной температурной стабилизацией 

При наличии резистора R_э увеличение эмиттерного тока I_э = I_б + I_к из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе R_э . Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, а следовательно, уменьшение токов I_э и I_к.

Для ослабления отрицательной обратной связи параллельно резистору R_э включают конденсатор С_э. Емкость конденсатора С_э выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э.

     Рассмотренный способ температурной стабилизации называют эмиттерной стабилизацией. Недостатком его является необходимость повышения напряжения питания коллекторной цепи, так как при включении резистора R_э в эмиттерную цепь коллекторное напряжение уменьшается за счет падения напряжения на резисторе  R_э.

     

     Рис. 4.10. Усилительный каскад с коллекторной температурной стабилизацией 

     В случае коллекторной температурной стабилизации напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов с сопротивлениями R'_б = R''_б (рис. 4.16), включенных между коллектором и базой транзистора. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение уменьшается. Это приводит к снижению потенциала базы, а следовательно, к уменьшению тока базы I_б и коллекторного тока I_к  , который стремится к своему первоначальному значению. В результате коллекторный ток и коллекторное напряжение изменяются незначительно. Таким образом, введение резисторов с сопротивлениями R'_б и R''_б приводит к существенному ослаблению влияния температуры на характеристики усилительного каскада.

     Чтобы переменная составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы, в усилительном каскаде использован Т-образный фильтр. Между резисторами R'_б и R''_б включен конденсатор фильтра Сф, сопротивление которого должно быть значительно меньше сопротивления R_б  = R'_б + R''_б . Емкость конденсатора фильтра можно определить  по формуле

     где f_н -наинизшая  частота  усиливаемого  напряжения.

     Усилитель с коллекторной стабилизацией обладает меньшей стабильностью, чем усилитель с эмиттерной стабилизацией, но он не требует повышения напряжения питания коллекторной цепи.