Способы включения и режимы работы биполярного транзистора.

 

Так как транзистор имеет три вывода, то включить его можно шестью различными способами. Только три из них могут обеспечивать усиление мощности сигнала (с общим эмиттером, с общим кол лектором и общей базой).

а) Схема с общим эмиттером.

При этом включении эмиттерный вывод прибора является общим для входной и выходной цепей (рис. 1.5.3)

Такая схема включения получила наиболее широкое распространение. Входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается между эмиттером и коллектором. Причиной преимущественного использования схем с общим эмиттером является наличие усиления по току и напряжению, что приводит к большой вели чине усиления по мощности.

Существует три основных режима работы транзистора: режим усиления, режим отсечки и режим насыщения. При работе в режиме УСИЛЕНИЯ эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Режим отсечки имеет место, когда эмиттерный переход не смещен в прямом направлении, а режим насыщения – когда коллекторный переход не смещен в обратном направлении.

 

рис. 1.5.3. Схема включения с общим эмиттером.

 

Инжекция не основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если эмиттерный переход смещен в прямом направлении. Поэтому, если напряжение между базой и эмиттером будет меньше пороговой величины (0,6 В для кремниевых), заметной инжекции носителей в базу не происходит. При таком условии, как ток эмиттера, так и ток базы практически равны нулю и, согласно закону Кирхгофа ток коллектора также должен равняться нулю. Это и есть режим ОТСЕЧКИ, который можно описать одним из следующих эквивалентных соотношений:

 

Uбэ < 0.6 В или iб = 0

 

В случае, когда неосновные носители инжектируются через эмит терный переход, их последующая диффузия в базе и собирание на коллекторном переходе зависит от величины напряжения, приложенного к выводам коллектора и эмиттера. Если коллекторный переход не смещен в обратном направлении, то носители будут инжектироваться в базу не только из эмиттера, но также и из коллектора. Это и есть режим НАСЫЩЕНИЯ, при котором токи в выводах транзисторов управляются не самим прибором, а его внешней цепью.

В соответствии со схемой, представленной на рис. 1.5.3:

 

Uкэ = Uбэ + Uкб

 

Когда транзистор находится в проводящем состоянии, напряжение Uбэ имеет значение 0,6 – 0,7 В (для кремния). Напряжение Uкб должно быть достаточной величины для того, чтобы на коллекторном переходе со стороны базы концентрация не основных носителей была малой. При незначительных токах транзистора (десятки миллиампер) для собирания носителей требуется Uкб = 0,3 В. Т.о. для работы в режиме усиления необходимо, чтобы соблюдалось следующее соотношение Uкэ > 1 В. При больших токах (порядка нескольких миллиампер), для того чтобы избежать режима насыщения, следует соблюдать условие Uкб = 1 В. Вследствие зависимости положения точки насыщения от величины токов в паспорте транзистора указывается напряжение насыщения Uкэ нас при определенной величине тока коллектора и тока базы. Значение напряжения насыщения обычно находится в пределах 0,2 – 1,5 В и зависит не только от величины токов и iб, но, в некоторой степени, и от особенностей структуры транзистора.

Итак, требования, необходимые для работы транзистора в режиме усиления, могут быть сформулированы в виде следующих соотношений:

 

iб < 0 (или Uбэ = 0.6 В)

и

Uкэ > Uкэ нас

 

Рассмотрим ВАХи транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Работа эмиттерного перехода транзистора отличается от работы обычного полупроводникового диода лишь тем, что токи эмиттера и базы имеют разные значения (iб < iэ). Типичная входная характеристика транзистора приведена на рис.1.5.4. (iб = f(Uбэ)) при Uкэ = const

рис. 1.5.4. Входные вольтамперные характеристики транзистора.

 

Область отсечки соответствует напряжению Uбэ < 0,6 В. Выходными характеристиками транзистора является семейство iк = f(Uкэ) при iб = соnst (рис. 1.5.5).

 

рис. 1.5.4. Выходные вольтамперные характеристики транзистора.

 

При iб = 0 ток коллектора iк = 0, что соответствует режиму от сечки. Заметим, что все характеристики семейства для различных значений iб сливаются в одну кривую, соответствующую насыщению. Эта кривая лежит в области, где Uкэ столь мала, что становится недостаточной для обратного смещения на коллекторном переходе и где ток коллектора не зависит от тока базы. В области усиления, расположенной справа от этой кривой, находятся почти горизонтальные части этих характеристик, зависящих от тока базы.

Лекция №4. Биполярные транзисторы.

 

План лекции.

 

1.     Основные параметры транзистора (и);

2.     Схема с общей базой;

3.     Схема с общим коллектором;

4.     Предельные значения тока и напряжения.

 

Для характеристики транзистора вводят два параметра: коэффициент передачи тока эмиттера () и коэффициент передачи тока базы (). Коэффициентом передачи тока эмиттера называют отношение iк/iэ, которое определяет долю носителей зарядов, инжектированных в базу и достигших вследствие диффузии коллектора. Как отмечалось выше, не все носители заряда достигают коллектора: небольшая их часть теряется в области базы из-за рекомбинации, а также существует небольшой поток дырок из базы в эмиттер. Однако влияние отмеченных факторов столь незначительно, что для типичного транзистора величина= iк/iэ лежит в пределах 0,95 – 0,995.

Выражение для коэффициента тока базы = ir/iб может быть найдено путем совместного решения уравнения Кирхгофа для токов, которое применительно к транзистору имеет вид:

 

iк = iэ - iб

и уравнения:

 = iк/iэ, iэ = iк/

 

iк = iк/ - iб, (I/ - I) = iб

 

 = /(1 - ), iк = (/(1 - ))*iб = *iб (1.5.1)

 

Так как близко к 1, то значениямогут быть достаточно большими: от 20 до 200. Заметим, что в уравнении (1.5.1) ток коллектора не зависит от Uкэ. Это так, но при условии, что Uкэ достаточно велико, и транзистор работает в режиме усиления. Следовательно, график зависимости iк от Uкэ в области усиления представляет собой горизонтальную прямую (рис. 1.5.5).

рис. 1.5.5. Реальные и идеальные вольтамперные характеристики транзистора.

 

Из сравнения графиков для реальных транзисторов с идеальной ВАХ можно сделать вывод, что уравнение iк = *iб представляет собой довольно большое приближение для реальных характеристик в области усиления и области отсечки. Расхождения наблюдаются в области насыщения, где уравнение (1.5.1) не применимо. К тому же это уравнение не отражает небольшого подъема ВАХ.

Если в качестве параметра выбирается напряжение Uбэ, то для построения выходных ВАХ требуется знать связь между Uбэ и iк. Получим ее. Для эмиттерного перехода:

 

 

где Iэо – обратный ток эмиттерного перехода.

 

(1.5.2)

 

Как видно из полученного выражения iк имеет заметную нелинейную зависимость от Uбэ. Входные и выходные характеристики транзистора p-n-p-типа в схеме с общим эмиттером являются, дополняющими к характеристикам транзистора n-p-n-типа в том смысле, что все напряжения и токи имеют противоположный знак.

б) Схема с общей базой.

При таком включении базовый вывод является общим для входной и выходной цепей (рис. 1.5.6).

рис. 1.5.6. Схема включения с общей базой.

 

В схеме с общей базой (ОБ) входными характеристиками транзистора является семейство iэ = f(Uбэ) при Uбэ = const (рис. 1.5.7). Характеристика этого семейства при Uкб = 0 представляет собой ВАХ эмиттерного перехода. Взаимодействие коллекторного и эмиттерного переходов приводит к изменению ширины базы, за счет чего меняется ток iэ. При Uкб < 0 ширина базы увеличивается, а ток iэ уменьшается. Все входные характеристики располагаются близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии напряжения Uкб.

 

рис. 1.5.7. Входные вольтамперные характеристики.

 

Выходными характеристиками транзистора в схеме с ОБ является семейство iк = f(Uкб) при iэ = const (рис. 1.5.8).

Характеристика этого семейства при iэ = 0 представляет собой ВАХ коллекторного перехода. При Uкб > 0 она почти параллельна оси абсцисс, т.к. в этом случае выходным током транзистора будет обратный ток коллектора Iкб_О, который мало зависит от напряжения на коллекторном переходе. При Uкб < 0 выходным током транзистора является ток коллекторного перехода, который связан с напряжением коллекторного перехода, поэтому в этой области наблюдается резкое изменение тока iк. При Iэ > 0 и Uкб > 0 основное влияние на выходной ток транзистора оказывает ток через эмиттерный переход, поэтому при небольших положительных напряжениях на коллекторе характеристики рассматриваемого семейства представляют собой ряд прямых, идущих почти параллельно оси абсцисс. При больших положительных Uкб выходные характеристики транзистора начинают заметно изгибаться, т.к. напряжение на коллекторном переходе приближается к пробивному напряжению.

рис. 1.5.8. Выходные вольтамперные характеристики.

 

На рис. 1.5.9 показаны каскады с общей базой, причем приводятся схемы подключения питания и для транзисторов n-p-n и p-n-p.

рис. 1.5.9. Усилительные каскады с общей базой.

 

Так как входной сигнал подается между базой и эмиттером, а вы ходной возникает между базой и коллектором, то этим обеспечивается минимальное значение входного полного сопротивления и очень высокое выходное сопротивление. Выходной сигнал совпадает по фазе с входным.

Разделительный конденсатор С1 используется для того, чтобы воспрепятствовать прохождению постоянных составляющих входного сигнала. Напряжение входного сигнала возникает на резисторе R1. Он же образует цепь для прохождения тока в цепи эмиттер-база. Протекание коллекторного тока вызывает напряжение на резисторе R2. Переменная составляющая данного напряжения представляет собой выходной сигнал усилителя. Конденсатор С2 является разделительным, он пропускает на выход только переменную составляющую.

в) Схема с общим коллектором.

Схемы транзисторного каскада с общим коллектором транзисторов n-p-n и p-n-p показаны на рис. 1.5.10.

рис. 1.5.10. Схемы усилителей с общим коллектором.

 

Схему с общим коллектором называют также ЭМИТТЕРНЫМ ПОВТОРИТЕЛЕМ, поскольку выходной сигнал снимается с эмиттерного резистора, и повторяет по фазе входной. Действительно, при росте входного сигнала на первой схеме транзистор приоткрывается и, следовательно, увеличивается ток через резистор R2, а значит и падение напряжения на нем. При уменьшении Uвх транзистор прикрывается, и напряжение на R2 уменьшается. Аналогичные рассуждения можно провести и для второй схемы.

Основной особенностью работы эмиттерного повторителя является высокое входное сопротивление, которое определяется приближенным выражением Rвх *R2, а выходное равно R2, т.о. входное соп ротивление враз больше выходного.