Лекция №6

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения. Другими словами, статические характеристики – это вольтамперные характеристики входа и выхода транзисторов. Например, для схемы с общей базой статические характеристики будут определяться следующими зависимостями: I_Э(U_БЭ), I_К(U_БК), для схемы с общим эмиттером: I_Б(U_БЭ), I_К(U_КЭ), для схемы с общим коллектором: I_Б(U_БК), I_Э(U_КЭ).

Статические характеристики каскада, включённого по схеме с ОБ, измеряются по следующей схеме:

Статические характеристики каскада, включённого по схеме с ОЭ, измеряются по следующей схеме:

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на выходе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении.

На рисунке ниже приведены статические характеристики для схемы с ОЭ.

На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов. Область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III – режим насыщения.

Как видно из рисунка (а), с ростом напряжения коллектор-эмиттер Uкэ характеристики смещаются вправо, и тому же значению напряжения Uбэ соответствуют меньшие базовые токи ( Iб3<Iб2<Iб1 ).

Отмеченное смещение характеристик связано с проявлением эффекта Эрли. Суть эффекта Эрли заключается в том, что с ростом напряжения Uкэ увеличивается ширина области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода и соответственно уменьшается ширина базовой области. Это приводит к снижению рекомбинационных потерь (составляющей тока базы Iрr) и уменьшению утечки дырок из базы в эмиттер (составляющей тока базы Ipэ). Соответственно уменьшается и ток базы Iб, равный сумме Iрr и Ipэ.

Сдвиг входных характеристик с ростом напряжения Uкэ заметен только при малых значениях Uкэ (Uкэ < 5 В). Это связано с тем, что расширение ОПЗ коллекторного перехода за счет базы возможно до тех пор, пока граница ОПЗ не дойдет до сильнолегированной области базы, что происходит при напряжениях Uкэ, не превышающих 5 В. При больших значениях напряжения Uкэ расширение ОПЗ осуществляется главным образом за счет слаболегированной области коллектора, что практически не сказывается на входных характеристиках транзистора.

Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал.

В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением:

или

(1)

Такой режим работы транзистора называется динамическим. Динамические характеристики строятся на семействе статических при заданных напряжениях источника питания Uп и сопротивления нагрузки Rк. Для построения динамической характеристики используется уравнение (1).

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цели коллектора Rk. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения Uсм на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов. При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны:

При поступлении на вход сигнала Uвх он усиливается в К_U раз и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу.

Для усилителя с ОЭ , где . Обычно .

Коэффициент усиления по току такой схемы:

Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току и при Rk>>Rн стремится к .

Коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления KU возрастает с увеличением и R_H. Обычно и выше.

Коэффициент усиления по мощности составляет

Выходное сопротивление каскада с . Обычно и

Усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 180⁰ выходного напряжения относительно входного.

Режимы работы транзисторов

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают 3 вида его работы:

I). Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты (и эмиттерный и коллекторный). Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току. Уравнение динамического режима будет иметь вид:

Uкэ = Eк - Iкбо ∙ Rк

Произведение Iкбо ∙ Rк будет равно нулю. Значит, Uкэ → Eк.

II). Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный, и коллекторный открыты, в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов, ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения.

Iб = max;

Iк ≈ Iк.н.;

Uкэ = Eк – Iк.н ∙ Rн

Произведение Iк.н ∙ Rн будет стремиться к Eк. Значит, Uкэ → 0.

III) Линейный режим – это режим, при котором эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.

Iб.max > Iб > 0;

Iк.н > Iк > Iкбо

Eк > Uкэ > Uкэ.нас

Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим.

Резистор Rб ограничивает ток базы транзистора, чтобы он не превышал максимально допустимого значения. В промежуток времени от 0 до t1 входное напряжение и ток базы близки к нулю, и транзистор находится в режиме отсечки. Напряжение Uкэ, является выходным и будет близко к Eк. В промежуток времени от t1 до t2 входное напряжение и ток базы транзистора становятся максимальными, и транзистор перейдёт в режим насыщения. После момента времени t2 транзистор переходит в режим отсечки.

Примеры схем на транзисторах

Стабилизатор напряжения с усилением тока

Как вы помните, схема стабилизации напряжения на основе стабилитрона и резистора обладает следующими недостатками:

1. Напряжение U_вых нельзя отрегулировать или установить на заданное значение. Оно зависит от используемого стабилитрона;

2. Ток стабилизации ограничен 30 мА

На рисунке ниже представлена улучшенная схема, в которой стабилитрон отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. В такой схеме дела обстоят лучше. Ток стабилитрона теперь относительно независим от тока нагрузки, так как по цепи базы транзистора протекает небольшой ток и мощность, рассеиваемая на стабилитроне, значительно меньше (уменьшение в раз). Резистор R_к можно добавить в схему для того, чтобы он предохранил транзистор от выхода из строя при кратковременном коротком замыкании выхода за счет ограничения тока, и, хотя эмиттерный повторитель нормально работает и без этого резистора, его присутствие в схеме вполне обоснованно. Резистор R_к следует выбирать так, чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем было меньше, чем на резисторе R.