Предельные значения напряжения и тока биполярного транзистора.

 

Величина максимально допустимой мощности рассеяния для данного транзистора зависит от его размеров, конструкции, а также от температуры окружающей среды. Величина допустимой рассеиваемой мощности ограничивается максимально допустимой температурой прибора (150-200 С для кремниевых транзисторов).

В транзисторе, работающем в режиме усиления, подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода. Следовательно, эту мощность можно определить как про изведение Uкэ и iк:

Ррас = Uкэ*iк

Если Ррас max, то

 

Существуют пределы и на максимальные значения Uкэ и iк. Ток коллектора ограничен той предельной величиной, которую способны выдержать, не разрушаясь, тонкие проводнички, соединяющие кристалл проводника с внешними выводами. При превышении этого значения проводнички перегорают, что приводит к внутреннему разрыву цепи в одном или нескольких местах.

На рис. 1.5.11. выделена область допустимых положений рабочей точки для транзистора.

 

рис. 1.5.11. Область допустимых положений рабочей точки.

 

В паспорте транзистора указывается максимально допустимый ток коллектора iк, превышать который не разрешается. Максимально допустимое напряжение на коллекторном переходе транзистора опре деляется процессом лавинного размножения в этом переходе. Т.е. увеличение Uкэ приводит в конце концов к лавинному пробою кол лекторного перехода (рис. 1.5.12).

 

рис. 1.5.12. Поведение вольтамперных характеристик при приближении к напряжению пробоя.

Лекция №5. Модели биполярных транзисторов.

 

План лекции.

 

1.     Модель биполярного транзистора в режиме большого сигнала;

2.     Низкочастотная малосигнальная модель транзистора.

 

Модель биполярного транзистора в режиме большого сигнала (модель 1).

 

Если изменения напряжений и токов достаточно велики, т.е. схема работает в режиме большого сигнала, то при расчете таких схем необходимо учитывать всю нелинейную характеристику транзистора.

Работу транзистора в этом случае можно промоделировать, если входную цепь реального транзистора, представляющую собой эмиттерный переход, заменить полупроводниковым диодом с экспоненциальной ВАХ, а действие смещенного в обратном направлении коллекторного перехода представить эквивалентным генератором тока (рис. 1.5.13).

рис. 1.5.13. Модель транзистора в режиме большого сигнала.

 

Iэо – обратный ток насыщения диода в цепи Э - Б.

 

Эта модель справедлива как в режиме усиления, так и в режиме отсечки. Действительно, если Uбэ уменьшится до 0,6 В, то ток базы, а вместе с ним и ток коллектора станут равными 0. В режиме же насыщения эта модель представляет собой транзистор, не совсем корректно. Поэтому при использовании этой модели и в случае, когда может возникнуть режим насыщения будем считать, что он наступает при некотором значении напряжения Uкэ = Uкэнас. Практическая ценность приведенной модели справедливой при Uкэ > Uкэнас и iб > 0 состоит в том, что ее можно использовать при расчетах рабочей точки транзисторных схем.

 

Низкочастотная малосигнальная модель транзистора (модель 2).

 

На практике очень часто возникает задача усиления малых ана логовых сигналов. В этом случае полная ВАХ транзистора не требуется. Вместо этого важно знать его поведение в достаточно узкой области изменений напряжения и тока. При малых изменениях интересующий нас участок характеристики можно считать линейным. Это дает возможность построить П-образную модель транзистора, позволяющую проводить анализ различных усилительных схем на биполярных транзисторах.

В рассматриваемом случае ток коллектора и базы транзистора можно представить в следующем виде:

 

 

где ,  – постоянные составляющие тока базы и коллектора, соответствующие выбранной рабочей точке.

,  – переменные составляющие тока базы и коллектора, несущие полезную информацию и представляющие собой малые величины.

Как было ранее установлено:

По аналогии можно записать:

Различие между ₀исостоит в том, что₀представляет собой коэффициент усиления транзистора по току в определенной рабочей точке, тогда какявляется средней величиной, одинаковой для всех рабочих точек. Численное значение₀обычно достаточно близко к.

Используя выражение (1.5.2) можно записать:

 

 

Но , где  – значение напряжения в рабочей точке ()

–малый переменный сигнал

(1.5.3)

Т.к. Uбэ  – малая величина, то можно разложить в ряд Маклорена. Ограничиваясь линейными членами разложения, запишем:

 

Подставляя это выражение в (1.5.3) получим:

 

с другой стороны:

Тогда:

(1.5.4)

а так как

(1.5.5)

 

(1.5.6)

 

Представим себе, что линейной зависимости (1.5.5) соответствует включенный в коллекторную цепь эквивалентный генератор тока с амплитудой и линейную связь между и представим сопротивлением между базой и эмиттером. Это сопротивление обозначим rбэ и его величина определяется из соотношения:

rбэ = ₀       (1.5.7)

Следует заметить, что rбэ должно быть положительно, а т.к. единственная переменная, которая влияет на знак rбэ есть , то в выражении для rбэ нужно брать по модулю т.е.

rбэ = ₀(1.5.8)

В этом случае (1.5.8) будет справедливо для транзисторов n-p-n и p-n-p типов. Исходя из приведенного описания, модель транзистора можно представить в следующем виде (рис. 1.5.14):

рис. 1.5.14. Модель транзистора.

 

Или т.к. , то приведенную модель можно представить еще так (рис. 1.5.15)

 

рис. 1.5.15. Гибридная П-образная модель транзистора.

 

Коэффициент g называют КРУТИЗНОЙ и он определяется выражением:

(1.5.9)

 

Отметим, что для любого транзистора величина g зависит только от постоянной составляющей тока коллектора , температуры p-n-перехода транзистора T и констант q и k. Нахождение величины , определяющей положение рабочей точки, – задача нелинейная, которая требует анализа схемы в режиме большого сигнала и может быть решена либо графически, либо при помощи соответствующей модели, справедливой в режиме большого сигнала (модель 1).

Но после того как величина найдена, можно сразу же вычислить g. Например, при комнатной температуре получим:

 

g[См] = 0,04*[мА]

 

В заключении заметим, что построенная здесь П-образная модель транзистора содержит только активные сопротивления и не учитывает инерционные свойства транзистора. Такая резистивная модель обычно справедлива в диапазоне звуковых частот, т.е. до 10 кГц.

Лекция № 6. Модели биполярных транзисторов.

 

План лекции.

 

1.     Модель транзистора, содержащая энергоемкие элементы;

2.     Методика определения параметров гибридных П-образных схем транзисторов.