2.2.3.4. Сравнительный анализ трех схем включения

Схема с ОБ имеет следующие достоинства: хорошие частотные свойства (предельные частоты в десятки, сотни раз выше, чем в других схемах включения), слабая зависимость параметров и характеристик от температуры, очень незначительная зависимость тока от напряжения коллектор–база, малое остаточное напряжение в ключевых режимах работы. Основным недостатком этой схемы является большой входной ток (ток эмиттера больше, чем ток коллектора), а, следовательно, малое входное сопротивление такой схемы, что существенно ограничивает возможности ее применения.

Схема с ОЭ обладает следующими преимуществами: значительно больше входное сопротивление, чем в схеме с ОБ, высокий коэффициент усиления по всем трем величинам (ток, напряжение, мощность). К недостаткам этой схемы включения следует отнести: очень сильная зависимость параметров и характеристик от температуры, хуже частотные свойства (предельные частоты в десятки, сотни раз меньше, чем в схеме с ОБ), большая зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе.

Схема с ОК в сравнении со схемой с ОБ и ОЭ имеет несравнимо большее входное и меньшее выходное сопротивления, высокую стабильность всех характеристик и параметров, слабую температурную зависимость. Однако эта схема не может усиливать входной сигнал по напряжению, что значительно ограничивает диапазон ее применения. В основном эта схема включения используется для согласования низкоомного сопротивления нагрузки с высокоомным выходным сопротивлением усилителя с ОБ и ОЭ или с высокоомным внутренним сопротивлением датчиков.

Лекция № 10

2.2.4. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора

Поскольку у транзистора два p-n-перехода, то различают два вида статических ВАХ. Это входные и выходные ВАХ . Статические характеристики предполагают отсутствие добавочных сопротивлений в коллекторной и эмиттерной цепях транзистора (R_к = 0, R_э = 0). Для того, чтобы найти математическое выражение для построения ВАХ, воспользуемся эквивалентной схемой транзистора (рис. 2.32). Это идеальная схема замещения, так как в ней не учтено сопротивление базы и зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. Однако такое допущение незначительно искажает реальную картину, делая анализ более простым и наглядным.

В схеме замещения влияние двух переходов друг на друга отражаются включением генераторов тока _II₂ и _NI₁, где ток I₁ – входной ток или ток эмиттера транзистора при закороченном коллекторном переходе; _N – коэффициент передачи эмиттерного тока в нормальном (усилительном) режиме работы; ток I₂ – ток коллектора, соответствующий инверсному режиму работы транзистора, когда коллекторный переход открыт, а эмиттерный закорочен. В этом случае коэффициент передачи коллекторного тока обозначается _I (индекс I отражает инверсное включение транзистора).

Таким образом, ток эмиттерный и коллекторный имеет две составляющие: инжектируемую и собирающею (инжектируемая I₁, I₂ и собирающая _NI₁, _II₂).

I_э = I₁ – _II₂, (2.5)

I_к = _NI₁ – I₂. (2.6)

Инжектируемый ток p-n-перехода может быть найден из известного уравнения идеальной ВАХ p-n-перехода

, (2.7)

, (2.8)

где – обратный (тепловой) ток эмиттерного перехода при закороченном коллекторном переходе ( ); – тепловой ток коллекторного перехода при закороченном эмиттерном переходе ( ). В справочниках дается тепловой ток транзистора при I_э = 0, а не . Поэтому желательно найти связь между и . Эта связь может быть найдена из уравнений (2.5) и (2.8).

Примем , тогда из уравнения (2.5): 0 = I₁ – _II₂, I₁ = _II₂. Примем , тогда из уравнения (2.8): и подставим эти значения в (2.6), принимая , тогда , отсюда

. (2.9)

Аналогично

. (2.10)

Теперь выразим ток эмиттера и ток коллектора через напряжения U_эб и U_кб для построения ВАХ. Для этого подставим в формулы (2.5) и (2.6) значения I₁ и I₂ из формул (2.7) и (2.8). Получим

, (2.11)

. (2.12)

Эти уравнения, получившие название формул Молла-Эберса, позволяют построить входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ. Формула (2.11) определяет зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер-база и напряжения коллектор-база, и позволяет нам построить входную ВАХ транзистора. Если принять U_кб = 0, то

,

т.е. это ВАХ p-n-перехода при прямой полярности с учетом того, что тепловой ток равен . Если же U_кб  0, то, как видно из анализа формулы (2.11), при U_эб = 0 ток I_э, учитывая, что будет равен , тогда

.

Преобразуем это выражение. Разделим на левую и правую части уравнения, получим

,

где , т.к. (см. (2.9), (2.10)).

В транзисторе всегда выполняется равенство . Учитывая, что , получим

,

или

. (2.13)

Следовательно, при ВАХ проходит не через ноль, а через точку U_эб = 0, (рис. 2.33).

Анализируя формулу (2.12), можно построить выходные характеристики. Для удобства построения ВАХ преобразуем эту формулу, для этого выразим из (2.11) значение и подставим в (2.12), в результате получим

. (2.14)

В формуле (2.14) учтено, что (см. выражение (2.9)). Как видно из (2.14), если , то , т.е. это уравнение – обратная ветвь идеальной ВАХ p-n-перехода. Так как , то можно считать , что . Если , то при , , при ; при , , т.к. >> 1. Выходные ВАХ представлены на рис. 2.34.

Если это значит, что на коллекторный переход подано прямое напряжение, как и на эмиттерный. Такой режим работы называется режимом насыщения (характеристики слева от оси I_к). В этом режиме транзистор теряет свои усилительные свойства и поэтому не используется для усиления электрического сигнала. Построенные характеристики, приведенные на рис. 2.34, являются идеальными.

Реальные ВАХ имеют небольшое увеличение тока при увеличении . Это объясняется явлением, получившим название модуляции базы. Суть модуляции базы в следующем. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе увеличивается ширина обедненного слоя p-n-перехода в основном за счет базовой области, при этом ширина базы (l₁) уменьшается (рис. 2.35), а, следовательно, уменьшается время пробега электрона по базе от эмиттера к коллектору, что снижает вероятность рекомбинации электронов в базе и приводит к увеличению тока коллектора. Однако это увеличение не может быть большим, поскольку ток базы имеет величину менее 2 % от тока эмиттера. С учетом модуляции базы реальные выходные ВАХ в режиме усиления могут быть построены, используя следующее уравнение

, (2.15)

где – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, которое количественно учитывает эффект модуляции базы. Величина этого сопротивления единицы, десятки мегом.

Используя уравнение (2.15), можно построить реальные выходные ВАХ транзистора (рис. 2.36).

На рис. 2.36 пунктиром показаны предельно допустимая мощность рассеивания на коллекторе и предпробойное состояние коллектор-базового перехода. Как видно, с увеличением тока коллектора допустимое напряжение на коллекторе уменьшается.

Поскольку тепловой ток I_ко зависит от температуры, то и характеристики тоже зависят от температуры. С увеличением температуры при одном и том же токе эмиттера выходные ВАХ смещаются вверх на величину , а входная ВАХ с учетом того, что смещается влево (уменьшение , показано пунктиром на рис. 2.33).

Статические ВАХ для схемы с ОЭ отличаются от статических ВАХ в схеме с ОБ и это отличие связано с тем, что в схеме с ОЭ напряжение питания прикладывается к двум переходам: коллекторному и эмиттерному.

, поэтому выходные ВАХ по сравнению со схемой с ОБ сдвигаются вправо на величину , которая тем больше, чем больше ток эмиттера. Следовательно, режим насыщения в схеме с ОЭ происходит при отрицательном напряжении и выходные ВАХ расположены в первом квадранте координат , . Для их построения воспользуется формулой (2.15), заменив суммой + и опустив индекс N в коэффициенте передачи тока эмиттера. Тогда

.

Преобразуем эту формулу для того, чтобы найти зависимость тока коллектора от входного тока в схеме с ОЭ – тока базы.

.

Разделим на (1 – ), получим

,

или

, (2.16)

где – сквозной (тепловой) ток в схеме с ОЭ; – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

Анализируя формулу (2.16), можно сделать вывод, что тепловой ток в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схема с ОБ, а следовательно, выходные ВАХ значительно чувствительней к изменению температуры. Дифференциальное сопротивление значительно меньше, чем в схеме с ОБ, а следовательно ток коллектора в большей степени зависит от изменения U_кэ, а объясняется это тем, что часть напряжения U_кэ приложено к эмиттерному переходу, смещая этот переход в прямой полярности.

Внешний вид этих характеристик представлен на рис. 2.37. Все семейство ВАХ на начальном участке практически сливаются в одну линию, которая носит названия линии насыщения. Область, расположенная между линией насыщения и осью I_к носит название области насыщения. Активный (усилительный) режим ВАХ расположен правее линии насыщения, в области пологой части выходных характеристик. Поскольку к база-эмиттерному переходу, как и в схеме с ОБ, приложено прямое напряжение, то входная ВАХ в схеме с ОЭ при U_кэ = 0 будет иметь такой же внешний вид, как и в схеме с ОБ, однако количественно она сильно отличается, поскольку ток базы в ( + 1) меньше тока эмиттера.

Если U_кэ  0, то входная ВАХ сместиться вниз, т.к. при U_бэ = 0 через базу будет протекать обратный ток I_ко (рис. 2.38). Графическое изображение входных ВАХ показано на рис. 2.39.

Поскольку схема с ОК в статическом режиме (R_э = 0) ничем не отличается от схемы с ОЭ, то и ВАХ такие же, как у схемы с ОЭ.