2.2.4. Вольт-амперні характеристики біполярних транзисторів та режими роботи (на прикладі n-p-n транзисторів).

Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.

Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на вході і виході транзистора. Ці характеристики використовуються в розрахунках параметрів заданих режимів його роботи. Можливі різні комбінації струмів і напруг в залежностях, але практично використовуються тільки вхідні і вихідні статичні характеристики для двох основних схем включення – із спільною базою і із спільним емітером.

Д ля схем із спільною базою вхідні статичні характеристики – це залежність струму емітера І_Е від напруги між емітером і базою U_ЕБ при незмінній напрузі між колектором і базою U_КБ: І_Е  = f(U_ЕБ) при U_КБ = const. На рис. 2.18 показана типова статична вхідна характеристика n-p-n транзистора для схеми із спільною базою. Залежність аналогічна вольт-амперній характеристиці n-p переходу для прямого струму. Напруга U_КБ мало впливає на струм емітера, оскільки вона зосереджена на колекторному переході і майже не впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Тому в довідниках для даного типу транзистора наводиться лише дві вхідні характеристики – одну для U_КБ = 0 В, і другу, зняту при U_КБ  0 В, наприклад при U_КБ = –5 В.

Робота транзистора, при якій і на емітерний, і на колекторний переходи подані зворотні напруги відповідає режиму відсікання.

Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільною базою складаються із залежностей струму колектора І_К від напруги між колектором і базою U_КБ при незмінних значення емітерного струму І_Е: І_К = (U_КБ) при І_Е = const. Типова статична вихідна характеристика n-p-n транзистора для схеми із спільною базою показана на рис. 2.19.

Г рафіки колекторного струму І_К аналогічні вольт-амперній характеристиці n-p переходу для зворотного струму. При робочій полярності напруги U_КБ , коли колекторний перехід включений в зворотному напрямку¹, вихідні характеристики уявляють собою майже прямі лінії з невеликим відхилом від горизонталі. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв зарядів, які проникають із емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму в основному визначається величиною струму емітера і незначно залежить від напруги U_КБ, прикладеної до колекторного переходу.

При вхідному струмі І_Е = 0 і U_КБ > 0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис. Вона відповідає звичайній характеристиці зворотного струму n-p переходу. Струм І_КБ 0, що визначається такою характеристикою, є некерованим і презентує собою один з параметрів транзистора. Із збільшенням струму І_Е колекторний струм збільшується на І_К = І_Е – І_КБ 0, що і відображує сімейство графіків на рис. 2.19.

Невеликий нахил характеристик пояснюється впливом напруги U_КБ на ширину бази: при збільшенні напруги база звужується за рахунок розширення колекторного переходу, послаблюється рекомбінація в базовому шарі і дещо зростає коефіцієнт передачі струму , що і зумовлює деяке збільшення струму колектора І_К = І_Е + І_КБ 0 при І_Е = const. Нахил характеристик круто зростав би при наближенні U_КБ до напруги пробою n-p переходу.

При зміні полярності напруги U_КБ струм І_К різко зменшується і досягає нуля при значеннях U_КБ близько десятих долей вольта. В цьому випадку колекторний перехід працює в прямому напрямку, струм через цей перехід різко збільшується і проходить в напрямку, зворотному нормальному робочому струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Відповідні ділянки характеристик на рис. 2.19 показані пунктирними лініями, вони не є робочими і звичайно на графіках не наводяться.

Робота транзистора, при якому емітерний перехід включений в прямому напрямку (U_ЕБ < 0), а колекторний – в зворотному (U_КБ > 0), відповідає активному (підсилюючому) режиму, а коли обидва переходи виявляються прямо включеними (U_ЕБ < 0, U_КБ < 0) – режиму насичення.

В хідні статичні характеристики для схеми із спільним емітером є графіками залежності струму бази І_Б від напруги U_БЕ при незмінному значенні U_КЕ: І_Б = f(U_БЕ) при U_КЕ = const. Типова статична вхідна характеристика n-p-n транзистора для схеми із спільним емітером показана на рис. 2.20.

Якщо коло колектора розімкнене (І_К = 0), крива проходить через початок координат.

З ростом напруги U_КЕ струм І_Б зменшується, оскільки при збільшенні U_КЕ зростає напруга, що прикладається до колекторного переходу в зворотному напрямку, майже всі носії швидко втягуються в колектор і ймовірність їх рекомбінації в базі зменшується.

При U_КЕ = 0 (колектор і емітер замкнені накоротко) і U_БЕ > 0 обидва переходи з’єднані паралельно і приєднані до джерела в прямому напрямку.

П ри збільшені напруги на колекторі U_КЕ характеристики зміщуються вправо і вниз, тобто струм І_Б зменшується. Це пояснюється звуженням ширини бази, що супроводжується ослабленням рекомбінації носіїв. Зміщення графіків вниз при малих напругах (U_КБ < 1 В) відбувається тому, що обидва переходи включені зустрічно і базовий струм стає рівним різниці струмів: І_Б = І_Е – І_К. При подальшому збільшенні напруги U_КЕ зсув вхідних характеристик незначний, і вони практично співпадають. Тому в довідниках звичайно наводяться одна-дві криві.

Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільним емітером складаються із залежностей струму колектора І_К від напруги між колектором і емітером при фіксованому струмі бази: І_К = f(U_КЕ) при І_Б = const. Типова статична вихідна характеристика n-p-n транзистора для схеми із спільним емітером показана на рис. 2.21.

В схемі із спільним емітером напруга, що прикладається до колекторного переходу дорівнює U_КЕ – U_БЕ, оскільки ці напруги між точками колектор–база виявляються включеними зустрічно. Тому при |U_КЕ | < |U_БЕ | напруга на колекторному переході відповідає прямій напрузі. Це зумовлює стрімке зростання струму на початковій ділянці – від U_КЕ = 0 до |U_КЕ | = |U_БЕ |. Далі, при |U_КЕ | > |U_БЕ | (аж до допустимого значення U_КЕ), крутизна характеристик зменшується, вони майже горизонтальні.

Положення кожної з вихідних характеристик залежить, головним чином, від струму бази (І_Б1 < I_Б2 < … < I_Б5).

На сімействі вихідних характеристик виділені три області, властиві трьом режимам роботи транзистора: режим відсічки (1), активний режим (підсилення) (2) і режим насичення (3). Графік, відповідний струму бази І_{КБ 0}, проходить через початок координат і при U_КЕ > 1 В визначає зону відсічки. Активна зона розташована між зонами відсічки, насичення і лінією, яка визначає І_К через допустиму потужність, що розсіюється колектором (наводиться в довідниках).

Статичні характеристики транзистора в схемі із спільним колектором подібні характеристикам транзистора в схемі із спільним емітером. Вхідним колом транзистора є базово-колекторний перехід, що має великий внутрішній опір, оскільки виявляється включеним в зворотному напрямку. Керуючим струмом є невеликий струм бази; вихідні струми (І_Е або І_К) відрізняються незначно.

Динамічними характеристиками транзистора визначається режим роботи транзистора – динамічний режим, коли у вихідному колі є навантаження, а на вхід подається певний сигнал. Динамічний режим відрізняється від статичного сильним взаємним впливом параметрів транзистора і елементів схеми. В цьому режимі напруга джерела живлення U₂ (на рис. 2.17-б) неперервно перерозподіляється між опором навантаження R_н і вихідними електродами транзистора у відповідності з виразом¹:

U_КЕ = U₂ – І_КR_н.

Наведений вираз є рівнянням динамічного режиму для вихідного кола. Зміна напруги на вході транзистора викликає відповідну зміну струму емітера, бази, а отже , і струму колектора І_К. Це призводить до зміни напруги на R_н, в результаті чого змінюється напруга U_КЕ.

Побудова динамічних характеристик здійснюється з метою вибору оптимального режиму роботи транзистора при заданому навантаженні. Початковими є дані про вхідний сигнал і потужність, що споживається навантаженням, а також статичні вхідні і вихідні характеристики та параметри транзистора, що наводяться в довідниках.

Найчастіше використовують вихідні і вхідні динамічні характеристики.

З рівняння динамічного режиму випливає рівняння:

І_К = (U₂ – U_КЕ)/R_н = U₂/R_н – U_КЕ/R_н.

П ряма лінія, що відповідає останньому рівнянню, називається навантажувальною прямою або прямою навантаження. Вона являє собою вихідну динамічну характеристику і будується на сімействі статичних вихідних характеристик за двома точками – А і В. Динамічна характеристика в сімействі статичних вихідних характеристик для n-p-n транзистора показана на рис. 2.22. Розташування лінії навантаження на статичних характеристиках однозначно визначається напругою джерела живлення U₂ і опором резистора R_н.

Пряма навантаження будується за рівнянням для струму І_К. В точці А І_К = 0, а U_КЕ = U₂. Це відповідає закритому стану емітерного переходу транзистора. При цьому струм в опорі навантаження відсутній і падіння напруги на навантаженні дорівнює нулю. Отже, вся напруга джерела живлення Е_К виявляється прикладеною до ділянки колектор – емітер транзистора.

Точка перетину лінії навантаження із віссю струмів В є точка, для якої виконується умова І_К = U₂ / R_н, оскільки струм колектора у випадку повністю відкритого (або закороченого) транзистора обмежувався би тільки величиною опору R_н.

Всі проміжні точки лінії навантаження характеризують можливі напруги і струми у відповідних колах транзистора при подачі сигналу з урахуванням опору навантаження. Будь якому струму бази відповідає певне значення струму колектора і колекторної напруги. Так на рис. 2.22 показано, що струму бази І_Б2 відповідає напруга U_КЕ(І_Б2) та струм через навантаження І_К(І_Б2).

Вхідна динамічна характеристика уявляє собою залежність вхідного струму від вхідної напруги в динамічному режимі при незмінних напрузі живлення і опорі навантаження.

Вхідна динамічна характеристика будується по точкам перетину лінії навантаження із статичними вихідними характеристиками. Для кожної напруги на колекторі за вихідною динамічною характеристикою визначається відповідний струм бази. Потім на вхідних статичних характеристиках відмічаються точки (А, В, С), що відповідають знайденим значенням струмів бази. Побудова вхідної динамічної характеристики для n-p-n транзистора показано на рис. 2.23. Лінія АВС, яка з’єднує точки, є вхідною динамічною характеристикою транзистора (штрихова лінія на вхідній статичній характеристиці).

Рис. 2.23.

Оскільки вхідні статичні характеристики розташовуються досить щільно, іноді для спрощення аналізу роботи і розрахунку параметрів схеми з транзистором вхідну динамічну характеристику не будують, а приймають за таку одну із вхідних статичних характеристик, що відповідає деякій напрузі на колекторі, відмінній від нуля.

Для практичного використання вольт-амперних характеристик транзистора в аналізі і розрахунку зручно використовувати суміщену хрест-характеристику, на якій в однаковому масштабі у відповідних квадрантах одночасно показані залежності: І_К(U_КЕ) – у квадранті І, І_К(І_Б) – у квадранті ІІ, І_Б(U_БЕ) – у квадранті ІІІ та вхідні і вихідні динамічні характеристики (рис. 2.24).

Рис. 2.24.

Режим роботи транзистора без викривлень забезпечується тим, що напруга вхідного сигналу U_БЕ не виходить за межі певної ділянки А₁В₁ на вхідній динамічній характеристики (3-й квадрант), де залежність І_Б(U_БЕ) найбільше наближається до лінійної. Середина такої ділянки, що відповідає напрузі U_БЕ 0 вибирається за робочу точку, відносно якої змінюється вхідний сигнал. Для утворення робочої точки між емітером і базою послідовно з джерелом вхідного сигналу включається джерело постійної напруги зміщення (на рис. 2.17. це U₁), яка дорівнює U_БЕ 0.

Отже, зміна вхідної напруги (напруги між базою і емітером) відносно U_БЕ 0 від U_БЕ(А1) до U_БЕ(В1) викликає зміну струму бази відносно І_Б 0 від І_Б(А2) до І_Б(В2), що призводить до зміни опору між колектором і емітером, а відповідно і до зміни колекторного струму відносно І_К 0 від І_К(А3) до І_К(А3). Зміна колекторного струму зумовлює зміну падіння напруги між колектором і емітером від U_КЕ(А4) до U_КЕ(В4) відносно U_КЕ 0, тобто утворення вихідного сигналу відповідних параметрів.

Таким чином при динамічному режимі роботи через транзистор і колекторне навантаження протікає струм як при дії вхідного сигналу, так і при його відсутності, тобто є постійна складова струму і напруги у вхідному і вихідному колах.

За динамічними характеристиками уточнюється фактичне значення коефіцієнтів підсилення, ККД і інших параметрів.