Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Основы электротехники и микроэлектроники.doc
Скачиваний:
259
Добавлен:
11.11.2019
Размер:
2.44 Mб
Скачать
  1. Схемы включения и статические характеристики транзисторов

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме вклю­чения один — входной, другой — выходной, а третий — общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой

Рис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ\ б — с общим эмиттером ОЭ\ в — с общим коллектором ОК

электрод является общим, возможны три схемы включения тран­зистора — с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК (рис. 1.29).

В схемах, на которых рассматривался принцип действия транзисторов и его использование для усиления электрических

колебаний (см. рис. 1.26, 1.27, 1.28), входной электрод — эмит­тер, выходной — коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, — база; следовательно, это была схема ОБ.

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмит­тера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами.

Рис. 1.30. Схема для снятия характеристик транзис­тора, включенного с общим эмиттером

В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во вход­ной цепи — UBX и /вх, в выходной— инык и /вых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно вли­яют друг на друга.

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей вели­чине. Для того чтобы одну - из электрических величин можно было поддерживать постоянной, в схему для снятия характерис­тик надо включить только источники питания; нагрузку и ис­точник усиливаемых колебаний не включают. Для регулирова­ния напряжений включают потенциометры, а для измерения на­пряжений и токов — измерительные приборы. На рис. 1.30 при­ведена схема для снятия характеристик транзистора п-р-п, вклю­ченного с общим эмиттером. При снятии каждой характеристи­ки сначала устанавливают с помощью потенциометров значение постоянной величины, а затем, устанавливая последовательно разные значения изменяемой величины, определяют соответст­вующее значение зависящей от нее другой величины.

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называют статическими. Совокуп­ность характеристик, снятых при разных значениях этой посто­янной величины, представляет собой семейство статических ха­рактеристик.

Наибольшее значение при применении транзисторов имеют два вида характеристик — входные и выходные.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напря­жении:

/вх = f(UBX) при t/вых = const.

Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:

Ашх —- f(Um) при /вх const.

Вид характеристик транзистора зависит от способа его вклю­чения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, по­этому пользуются обычно входными и выходными характеристи­ками для схем ОБ и ОЭ.

МА инб2кб1

икб2 икб1

«.о иэб

Статические характеристики транзистора в схеме ОБ. Как бы­ло показано, в этой схеме входным электродом служит эмиттер, а выходным — коллектор. Поэтому входное напряжение — это напряжение между эмиттером и базой £/эб, а выходное — между коллектором и базой UKб; входным током является ток эмиттера /3, а выходным — ток коллектора /к.

•к

мА

1э4>,эЗ>,э2>,э1 •э4 S

15

!э3

Ю

.—

1э2^

*э1

5

, } и обр * э

Г ,

/

1 1

0

Ю 1

‘ 20 30 U нб


Рис. 1.31. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ: а — выходные; б — входные

Поскольку /к «/э, то выходной ток почти равен входному, так что схема ОБ практически не усиливает ток, а усиливает только напряжение и во столько же раз мощность сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока коллектора от напря­жения коллектор — база при постоянном токе эмиттера, поэтому их называют коллекторными (рис. 1.31,а):

/к —f{UKб) при /э = const.

Для того чтобы график характеристик был универсальным для транзисторов типа р-п-р и п-р-п, напряжение по горизонталь­ной оси отложено без учета его полярности, по абсолютной ве­личине.

При /э = 0 ток коллектора равен обратному току коллектор­ного перехода /к = /КОбр, поэтому выходная характеристика, сня­тая при /э = 0 представляет собой обратную ветвь вольт-ампер- ной характеристики р-п перехода. Характеристики, снятые при постоянных значениях /э >• 0 располагаются тем выше, чем боль­ше Д, причем они выходят не из начала координат. Это объясня­ется тем, что при Uкб —0 на коллекторном переходе действует потенциальный барьер <ро, создающий ускоряющее поле для не­основных носителей заряда, инжектированных в базу из эмитте­ра. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в коллектор и создают ток /к, не равный нулю. Он тем больше, чем больше /э, при котором снимается характеристика. Характерис­тики идут очень полого, т. е. ток коллектора почти не зависит от изменений напряжения коллектора. Это говорит о том, что выходное сопротивление в схеме ОБ очень велико:

/?выхб — ~тт^~ ПРИ /э = const (сотни тысяч ом и более).

А/ к

При увеличении коллекторного напряжения выше максималь­но допустимого возникает опасность электрического пробоя кол­лекторного перехода, который может перейти в тепловой пробой и вывести транзистор из строя.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока эмиттера от напря­жения эмиттер—база при постоянном напряжении коллектор— база; эти характеристики называют эмиттерными (рис. 1.31,6):

h — f(U,б) при UK6 const.

При отсутствии коллекторного напряжения (UK6 = 0) вклю­чен только эмиттерный переход в прямом направлении и харак­теристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характе­ристики р-п перехода.

Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схе­ме ОБ:

/?вх,б = при UKt = const (единицы и десятки ом).

При большем значении величины UKб входная характеристика немного сдвигается влево и вверх. Это происходит из-за влияния обратного напряжения на коллекторном переходе на толщину базы. С увеличением UK6, т. е. U0бР, расширяется за счет базо­вой области коллекторный р-п переход и уменьшается толщина базы. Перепад концентрации инжектированных носителей заряда в базе увеличивается, возрастает процесс диффузии их от эмит- терного перехода, а следовательно, и инжекция из эмиттера. В результате становится больше ток /э при том же значении 0Эб.

Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ. В этой схеме входной ток — ток базы /б, выходной — ток коллектора /к, входное напряжение создается между базой и эмиттером Обэ, а выходное — между коллектором и эмиттером UKэ.

Рис. 1.32. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ: а — выходные; б — входные

Поскольку ток коллектора гораздо больше тока базы, а соз­даваемое им напряжение на нагрузке /?н в высокоомной выход­ной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи, то, значит, схема ОЭ усиливает и ток, и напряжение и, следователь­но, дает очень большое усиление мощности сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напря­жения коллектор — эмиттер при постоянном токе базы. Как и для схемы ОБ, выходные характеристики в схеме ОЭ — это коллек­торные характеристики (рис. 1.32, а).

/к = f(UK3) при /б = const.

В этой схеме напряжение U63 — это прямое напряжение на эмиттерном переходе, а обратное напряжение на коллекторном переходе UK6 определяется разностью UK3U,бЭ. Но поскольку икэ >> £/бэ, можно приближенно считать, что U0бр « UK3.

Семейство коллекторных характеристик транзистора в схеме ОЭ отличается от коллекторных характеристик в схеме ОБ. Все характеристики выходят из начала координат, т. е. при UKS = О

ток /к = 0. Это объясняется тем, что при UK3 = 0 цепь коллек­тор — эмиттер закорочена; коллекторный переход подключен па­раллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое на­пряжение, равное i/бз, которое понижает потенциальный барьер. В результате основные носители заряда переходят из коллектора в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, пере­ходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что /к = 0.

Начальная коллекторная характеристика, снятая при U = 0, имеет вид, соответствующий обратной ветви вольт-амперной ха­рактеристики диода. Однако величина тока коллектора, являю­щегося начальным неуправляемым током /к<о>, при этом в де­сятки раз превышает величину обратного тока коллекторного перехода. Это объясняется тем, что ток коллектора /к = /э—/б, а при /б = 0 /к = /э, т. е. ток коллектора создается всем потоком инжектированных из эмиттера в базу и переходящих в коллектор носителей заряда. Но при /б = 0 на эмиттерном переходе еще существует потенциальный барьер, а инжекция носителей заряда в базу невелика. Поэтому ток эмиттера и равный ему ток кол­лектора /К(о) невелики, но созданный потоком основных носи­телей заряда из эмиттера /К(о> значительно превышает обрат­ный ток коллекторного перехода, создаваемый неосновными но­сителями при отсутствии инжекции из эмиттера, т. е. при /э = 0.

Чем больше значение тока /б, при котором снимается кол­лекторная характеристика, тем выше она располагается, так как для увеличения тока /б необходима более интенсивная инжек­ция в базу неосновных носителей заряда, чтобы осуществля­лась более интенсивная рекомбинация их с основными носителя­ми заряда в базе. Это соответствует большему значению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.

Начальный круто восходящий участок каждой характерис­тики является нерабочим. Это участок малого напряжения 1/къ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5—1,5 В. При малых зна­чениях t/кэ, соизмеримых с величиной t/бэ, следует учитывать, что напряжение £/кэ равно сумме напряжений на коллекторном Uk6 и эмиттерном ибэ переходах. Отсюда напряжение на кол­лекторном переходе UK6—UK3UбЭ- При UK3<cU6b из меньшего вычитается большее, т. е. знак UKб меняется на противополож­ный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность UKб соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе, то при икэ < i/бэ она соответствует прямому напряжению. Наи­большее значение прямого напряжения (Укб на коллекторном пе­реходе получается при UK9 = 0, когда Uk6 = U6э. По мере роста UK3 это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при UK3 = U6э. Прямое напряжение на коллекторном пере­ходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллек­торном переходе приводит к увеличению экстракции этих носи­телей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает рез­кое возрастание тока коллектора.

При t/K3 > t/«, полярность UKб изменяется на обратную для коллекторного перехода. Изменение напряжения 0КЭ на этом участке характеристик мало влияет на величину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого, но круче, чем в схеме ОБ.

Следовательно, выходное сопротивление в схеме ОЭ велико, но меньше, чем в схеме ОБ:

Авых.э = ^'э при /б = const (десятки килоом).

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою коллекторного перехода.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, — это базовые характеристики (рис. 1.32,6), представляю­щие собой зависимость тока базы от напряжения база — эмит­тер при постоянном напряжении коллектор — эмиттер:

/б = f{UбЭ) при f/K, = const.

При t/K, = 0 характеристика имеет вид прямой ветви вольт - амперной характеристики диода. С увеличением постоянного на­пряжения UK3, при котором снимается характеристика, она не­много сдвигается вправо. Это объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению коллекторного перехода за счет базы, уменьшению толщины базы и числа ре­комбинаций в ней, а значит, и тока базы при том же значении напряжения t/63.

Входные характеристики, как и прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода, начинаются не из начала координат, а при некотором значении напряжения базы, называемом порого­вым t/ пор*

Входное сопротивление в схеме ОЭ не очень мало; оно го­раздо больше, чем в схеме ОБ:

Rbx.3 = Цтг1- при t/кэ = const (сотни и тысячи ом).

А/б

Кроме рассмотренных семейств характеристик для практиче­ских расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.

Проходная характеристика — это зависимость выходного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения

^ база — эмиттер при постоянном напряжении коллектор — эмит­

тер (рис. 1.33, а):

/к = / (U63) при UK3 = const.

Проходная характеристика может быть построена по точкам, взятым на входных и выходных характеристиках. Она начинает­ся не из начала координат (так как ток коллектора появляется, когда ток базы /б>0), а при значении напряжения U69, равном пороговому I/пор. Начальный участок ее пологий, а с дальнейшим увеличением 0бэ характеристика становится круто восходящей и практически линейной. При (УбЭ <1 (Упор транзистор остается закрытым, ток /к = 0; при UбЭ > Unop транзистор открывается.

Рис. 1.33. Проходная характеристика (а) и характерис­тика прямой передачи (б) транзистора в схеме ОЭ

Характеристикой прямой передачи называют зависимость вы­ходного тока от входного. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора (рис. 1.33,6):

/к = /(/б) при (Лэ = const.

Эта характеристика выходит из начала координат. С увеличе­нием тока базы возрастает и ток коллектора; сначала медленно, а затем быстрее и практически линейно.

На характеристики транзистора оказывает сильное влияние температура: с повышением температуры коллекторные характе­ристики, снятые при том же значении тока базы, располагаются выше (рис. 1.34). Влияние температуры в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Основная причина перемещения харак­теристик вверх — значительное увеличение обратного тока кол­лекторного перехода, который в схеме ОЭ увеличивается в де­сятки — сотни раз. Кроме того, усиление тока в схеме ОЭ также возрастает с повышением температуры.

В схеме О К входным током является ток базы /б, а выход­ным— ток эмиттера /э. Входное напряжение создается между ба-

зой и общей точкой входной и выходной цепей, к которой через источник постоянного тока Ек подключен по сигналу коллектор, поэтому входное напряжение— U6k, а выходное — на сопротивле­ние нагрузки, включенной между эмиттером и общей точкой, — является напряжением U3K. Как видно из схемы рис. 1.29, в, во входной цепи на эмиттерном переходе действуют два напряже­ния— от источника сигнала UBX и на резисторе нагрузки ивых, причем приращения этих напряжений находятся в противофазе, так что фактически напряжение на переходе равно их разности и очень мало. Этим объясняется соотношение Ц,ых < UBXt но раз­ность между ними невелика. Таким образом, в схеме ОК прак­тически не усиливается напряжение, а усиливается только ток;

Рис. 1.34. Влияние температуры на коллекторные характеристики тран­зистора в схеме ОЭ

во столько же раз усиливается мощность сигнала. Из-за отсутст­вия усиления напряжения, снимаемого с эмиттерной нагрузки, простейший усилитель, построенный по схеме ОК, называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление схемы ОК очень велико, так как ток базы протекает под действием неболь­шой разности напряжений UBblK — UBX и имеет малую величину:

Rbx.k

А/г.

при UK = const (десятки килоом).

Выходное сопротивление схемы ОК, наоборот, очень мало; значительно меньше, чем в схемах ОБ и ОЭ.

При снятии статических характеристик источник усиливаемых колебаний и резистор нагрузки не включают. В этом случае схема ОК становится точно такой же, как схема ОЭ. Поэтому статические входные и выходные характеристики в этих двух схемах одинаковы.