Лабораторная работа 6

Исследование статических характеристик транзистора

и усилительного каскада на его основе

Цель работы

Ознакомление с принципом работы усилительного реостатного каскада низкой частоты на транзисторе и исследование его работы.

Теоретические сведения

Принцип действия транзистора

По своим свойствам транзистор аналогичен вакуумному триоду. Однако физические процессы в нем существенно отличаются от процессов в электронной лампе. Сравним принцип действия транзистора, полагая, что он включен по схеме с общим эмиттером, и электронной лампы (конечно пренебрегая рядом второстепенных явлений) – рис. 1.

В электронной лампе электроны, эмиттируемые катодом, преодолевают потенциальный барьер в околокатодной области и под действием сил электрического поля перемещаются к аноду. Управление электронным потоком осуществляется за счет изменения высоты потенциального барьера путем изменения потенциала на сетке (отрицательного за счет падения напряжения на цепочке R_к – С_к, выполняющей роль автоматического смещения).

В транзисторе источником электронов является эмиттер, функции анода выполняет коллектор, функции сетки – база, а управление потоком электронов осуществляется путем изменения высоты потенциального барьера в эмиттерном переходе.

Более точные представления о работе транзистора можно получить, рассматривая два р-n-перехода, которые он содержит.

Реализовав в одном монокристалле два р-n-перехода на небольшом расстоянии (порядка 1 мкм) друг от друга, получим плоскостной транзистор (рис. 2).

При отсутствии внешних напряжений (электрического поля) высот потенциальных барьеров у обоих р-n-переходов одинакова. При включении транзистора под напряжения полярностью, показанной на рис. 3, потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается, а коллекторного – возрастает, что обусловлено соответствующим смещением в р-n-пере­ходе.

Когда ключ S на рис. 3а разомкнут, ток в цепи эмиттера отсутствует. При этом в цепи коллектора есть небольшой ток, называемый обратным током коллектора и обозначаемый I_кбо (буква "о" в индексе от слова "обратный", поэтому неправильно обратный ток коллектора называть нулевым). Этот ток очень мал, так как при обратном смещении коллектора потенциальный барьер велик и непреодолим для основных носителей – дырок коллектора и свободных электронов базы. Обратный коллекторный ток создается главным образом неосновными носителями – дырками, генерируемыми за счет тепловых колебаний решетки в базе.

На рис. 4 приведены выходные характеристики транзистора, включенного по схеме рис. 3а.

Для рассматрива­емого р-n-р транзистора принято отрицательное напряжение коллектор–база откладывать вправо от оси абсцисс.

Нижняя кривая соответствует разомкнутому положению ключа в цепи эмиттера и показывает зависимость обратного тока коллектора от напряжения на коллекторном переходе.

Замыкание ключа S в цепи эмиттера приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного р-n-перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, переходящих из эмиттера в базу, и для электронов, переходящих из базы в эмиттер. Нас интересуют только дырки, переходящие из эмиттера в базу, потому что они создают приращение (см. дальше) коллекторного тока. Говорят, что эти дырки инжектируются в базу через переход.

Попав в базу, где нет электрического поля, дырки начинают двигаться по законам диффузии. Поскольку толщина базы транзистора значительно меньше длины свободного пробега дырки до рекомбинации, то большая часть инжектированных дырок достигает коллекторного перехода. Дырки являются неосновными носителями базы, и поэтому они "захватываются" потенциалом коллекторного перехода, благодаря чему коллекторный ток увеличивается. Часть же (1/10 ... 1/30) инжектированных дырок рекомбинирует в теле базы, образуя ток базы i_б.

Меняя R_э и, соответственно, i_э, получаем семейство характеристик транзистора при различных постоянных значениях эмиттерного тока i_э.

До сих пор мы рассматривали только дырочную составляющую эмиттерного тока. В действительности эмиттерный ток образуется как дырками, так и электронами (рис. 5).

Коллекторный ток в транзисторе создают только дырки, поэтому эффективность  определяется как

(1),

где i_эр, i_эn – дырочная и электронная составляющие эмиттерного тока.

Как уже отмечалось, не все дырки, инжектированные в базу через эмиттерный переход, достигают коллекторного перехода: часть дырок, не достигая коллектора, рекомбинируют с основными носителями в базе – электронами.

Отношение называется коэффициентом переноса неосновных носителей через базу.

Учитывая, что доля электронной составляющей в эмиттерном токе незначительна вследствие того, что концентрация электронов в базе намного ниже концентрации дырок в эмиттере, можем просто записать уравнение токов транзистора в установившемся режиме i_э = i_к + i_б .

Связь между током эмиттера и коллектора осуществляется с помощью коэффициента передачи тока , который показывает, какая часть полного тока через эмиттерный переход достигает коллектора.

Схема с общим эмиттером

Наиболее часто транзисторы включают по схеме с общим эмиттером, когда общим зажимом (по переменному току) для входного и выходного напряжения является эмиттер. На рис. 6а приведена простейшая схема усилителя с ОЭ, а на рис. 6б – выходные характеристики транзистора с ОЭ.

Ток коллектора равен i_к = i_э – i_б .

Ток коллектора зависит от тока базы, являющегося управляющим, следующим образом i_к =  i_б , где  = (30...100) – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером, он связан с  так:

и наоборот .

Таким образом, меняя ток i_б, можно менять ток i_к, вызывая на R_к большее или меньшее падение напряжения. Это приводит к тому, что делитель, составленный из R_к и транзистора станет управляемым. Выходное напряжение, снимаемое с него, через разделительный конденсатор поступает на нагрузку.

Для дальнейшего уточнения процесса усиления введем понятие "нагрузочной линии" транзистора и "рабочей точки" на ней.

Выразим величину напряжения на коллекторе в зависимости от тока i_к (зависящего, в свою очередь, от тока i_б):

U_к = f(i_к) = U_n – i_к R_к . (2)

При заданных U_n и R_к это уравнение прямой линии (рис. 7) в системе координат (U_к, i_к), проходящей через точку (U_n , 0) под углом  = arctq (–1/R_к) к оси U_к .

Значит при изменении тока i_к , состояние транзистора как двухполюсника будет описываться точкой, лежащей на прямой.

Действительно, U_n = +R_к . Это вытекает из равенства суммы отрезков О+U_n = ОU_n .

Отрезок |О| =, a отрезок |U_к U_n| = | / tg  | = = i_к R_к .

Если же наложить нагрузочную линию (рис. 7) на выходные характеристики транзистора (рис. 6б), то получаем множество рабочих точек (рис. 8), в зависимости от тока покоя базы.

Точка А называется "рабочей точкой" усилительного каскада, он задается конструктором выбором i_б = i_бо , т.е. током покоя базы (током базы при отсутствии входного сигнала). Ток покоя базы задается цепочкой смещения (R_э – С_э) в случае рис. 1, или R_б – в случае рис. 6а. Существуют и другие способы задания рабочей точки каскада.

Как же правильно выбирать рабочую точку? Существует много критериев правильности её выбора. Рассмотрим самый простой – линейность коэффициента усиления.

Нетрудно увидеть, что при изменении выходного сигнала ток базы меняется синхронно с входным сигналом (см. входную характеристику на рис. 9).

Это приводит к тому, что увеличивается (точка А') или уменьшается (точка А'') ток базы, который вызывает изменение коллекторного тока i_к. Изменения последнего вызывают изменения падения напряжения на коллекторе (от U_к' до U_к'').

Зависимость i_к = f (i_б) непрерывная, а не дискретная, как это показано на рис. 6б и рис. 8 (приведено конечное множество выходных характеристик для конкретных значений, фактически же их бесконечное множество, как и различных значений тока базы).

Точку А выбирают так, что различным приращениям (в плюс и минус тока базы соответствовали бы одинаковые по модулю приращения коллекторного тока. Они, в конечном итоге, обеспечат одинаковые приращения напряжения на R_к (и на выходе каскада, что одно и то же).

Этим самым будет обеспечен заданный коэффициент нелинейности усиления.

Практически выбор рабочей точки А происходит варьированием наклона нагрузочной линии (путем изменения R_к), а также величины напряжения питания U_п (рис. 10).

В числе других факторов, влияющих на выбор рабочей точки,  ограничение на допустимую мощность рассеивания на транзисторе, т.е. на произведение U_к i_к в любой момент времени.

Обратим внимание на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным: когда входное напряжение максимально, выходное – минимально и наоборот.