4.4. Эффект Эрли

Зависимость тока коллектора от напряженияU_кэобусловлена эффектом Эрли. Для учета эффекта Эрли в формулу 4.1 добавляется отношениеU_кэ/U_Э

где U_Э– напряжение Эрли. Оно равно 30… 150 В дляn-p-nтранзисторов и 30…75 В дляp-n-pтранзисторов.

Ток коллектора транзистора зависит от тока базы. Коэффициент усиления по току В является коэффициентом пропорциональности между ними и во многих простых расчетах считается константой. В этом случае не учитывается зависимость коэффициента усиления по току от U_бэиU_кэ. Однако во многих случаях зависимость отU_кэучитывается, так как она порождается эффектом Эрли.

4.5. Зависимость параметров транзистора от температуры

На характеристики транзистора сильно влияет температура. Особенно важна температурно-зависимая связь между током коллектора и напряжением база-эмиттер. Эта связь проявляется в том, что передаточные характеристики транзистора смещаются влево с увеличением температуры рис.4.8. Это означает, что если зафиксировать ток коллектора, то один и тот же ток коллектора, будет достигаться при меньшем напряженииU_бэ. Для количественной оценки измененияU_бэот температуры вводят температурный коэффициентU_бэ

.

Температурный коэффициент U_бэозначает, что при увеличении температуры на один градус, один и тот же ток коллектора достигается при напряженииU_бэменьшем на 1,7 мВ.

Используя уравнение 4.1 можно показать, что при изменении температуры на 30 градусов коллекторный ток изменяется почти в десять раз. Поэтому невозможно задавать температурно стабильную рабочую точку транзистора А, в режиме малых сигналов выбирая значение напряжения U_бэ.

4.6. Работа схемы с общим эмиттером

Для лучшего понимания работы транзистора рассмотрим схему транзистора с общим эмиттером, которая показана на рис 4.9. Подадим на вход схемы сначала постоянное напряжение величиной близкое к 0,6 В с тем, чтобы задать постоянный ток коллектора небольшой величины порядка единиц мА. Напряжение на выходе схемы будет равно

U_вых=U_кэ=U_п–I_кR_к. (4.5)

Таким образом, мы зададим режим работы схемы по постоянному току.

Теперь подадим последовательно с постоянным напряжением 0,6 В малое синусоидальное напряжение dUвх. В результате изменения синусоидального напряжения напряжение на входе будет увеличиваться или уменьшаться относительно 0,6 В. Это приведет к изменению тока базы и, следовательно, тока коллектора. При увеличении входного напряжения увеличивается ток коллектора, а напряжение на коллекторе транзистора, т.е. на выходе схемы согласно уравнению 4.5 будет уменьшаться. При уменьшении входного напряжения наоборот токи базы и коллектора уменьшаются, а напряжение на выходе схемы увеличивается. Таким образом, напряжение на выходе изменяется в противофазе к входному напряжению.

Следует заметить, что выходное напряжение изменяется относительно постоянного напряжения на коллекторе, которое определяется постоянным током коллектора – током покоя. В свою очередь ток покоя коллектора задается постоянным напряжением Uбэ = 0,6В. Переменные составляющие сигналов представляют собой полезный сигнал, постоянные составляющие токов и напряжений схемы определяют режим работы транзистора по постоянному току так называемую рабочую точку.

Более наглядно процесс прохождения сигнала в схеме можно рассмотреть с помощью графо-аналитического метода. Задача состоит в следующем: необходимо построить график выходного сигнала, если известен входной сигнал. Построение выходного сигнала графоаналитическим методом показано на рис.4.10. В верхней части рисунка представлены передаточная и выходные характеристики транзистора, построенные в одном масштабе по току коллектора. В нижнем левом углу показан график входного сигнала, представляющий собой сумму постоянного напряжения величиной 0,6 В, задающего рабочую точку транзистора и полезный синусоидальный сигнал, который изменяется относительно постоянной составляющей (синяя линия). Постоянный сигнал определяет положение рабочей точки на передаточной характеристике транзистора – точка А.

Чтобы найти выходной сигнала, надо определить изменение тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер во времени. Для определения двух неизвестных необходимо иметь два уравнения. Одно уравнение 4.5 задано в аналитическом виде, а другое задано графически в виде семейства выходных характеристик. Такую систему уравнений целесообразно решать графическим способом. Для этого построим прямую, определяемую уравнением 4.5, на графиках выходных характеристик транзистора. Строим по двум точкам. При U_кэ= 0,I_к =U_п/R_к, а приI_к = 0,U_кэ=U_п.Через найденные точки проводим прямую,которая называется нагрузочнойпрямой.

Теперь на нагрузочной прямой можно отобразить рабочую точку А, как показано на рис.4.10. При изменении токов и напряжений движение осуществляется вдоль нагрузочной прямой относительно рабочей точки А. При увеличении входного сигнала, увеличивается ток коллектора транзистора и движение осуществляется вверх относительно рабочей точки. Напряжение U_кэпри этом уменьшается. При уменьшении входного напряжения ток коллектора уменьшается, а напряжение U_кэувеличивается. Выходной сигнал показан на нижнем правом графике синим цветом. Стрелками на графиках показана последовательность построения точек выходного сигнала для моментов времени t₀, t₁, t₂, t₃и t₄.

Из проведенных построений можно сделать следующие выводы:

1. График выходного сигнала представляет собой синусоиду, амплитуда которой значительно больше амплитуды входного сигнала. Следовательно, схема представляет собой линейный усилитель электрических сигналов.

2. Выходной сигнал изменяется в противофазе выходному.

3. Выходной сигнал изменяется относительно постоянного значения U_кэА, которое определяется режимом работы транзистора по постоянному току.

В этом случае говорят, что схема работает в линейном режиме или в режиме малого сигнала.

Если на вход подать относительно большой сигнал (на графике показан сиреневым цветом), то транзистор будет периодически входить в режим насыщения или отсечки, т.е. будет полностью открыт, или полностью закрыт. В результате появляются нелинейные искажения. На графике выходного сигнала будут срезаны вершины синусоиды. Этот случай соответствует нелинейному режиму работы транзистора или режиму большого сигнала.

Режим насыщения характеризуется током коллектора насыщения I_кни напряжением коллектор-эмиттер насыщения U_кэн. Минимальное напряжение насыщения для транзисторов малой мощности равно примерно 0,1 – 0,2 В. Транзистор входит в режим насыщения, когда напряжение U_кэ< U_бэ ≈ 0,7 В. В режиме насыщения ток коллектора транзистора имеет максимальное значение и не зависит от тока базы. При увеличении тока базы ток коллектора остается неизменным. Ток коллектора насыщения определяется только внешними элементами, подключенными к транзистору

I_к= I_кн = (U_п– U_кэн) / R_к≈ U_п/ R_к.

В режиме отсечки транзистор закрывается, ток базы и коллектора практически равен нулю и напряжение на выходе будет равно напряжению питания.

Режим работы большого сигнала используется для построения ключевых схем. В ключевых схемах транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях: в полностью открытом (режим насыщения) или полностью закрытом (режиме отсечки). Ключевые схемы управляются импульсными входными сигналами. В этом случае говорят, что транзистор работает в ключевом или в импульсном режиме.