FE34kIHFh8

Токи насыщения эмиттерного и коллекторного переходов (ISE, ISC).

Данные токи могут быть получены, как следует из рис. 1.1, делением IS на максимальное значение β в нормальном и инверсном активных режимах соответственно. Для нормального активного режима это 0,088 пА, для ин-

версного – 1,98 пА.

Коэффициент расщепления ёмкости коллектор–эмиттер (XCJC). Ко-

эффициент расщепления, обозначаемый обычно XCJC, определяется от-

ношением площадей эмиттера и базы AE и AB. Для их определения был вскрыт корпус одного экземпляра транзистора П306. Измерение произво-

дились с помощью микроскопа МБС-9. Диаметры областей эмиттера и ба-

зы определялись по размерам контактов к эмиттерной и коллекторной об-

ластям и составили 2,5 и 4 мм. Соответственно, XCJC =(1 – AE/AB)=0,61.

Параметры, определяющие сопротивление базы (RBB). Модель Гуммеля

– Пуна использует два значения сопротивления базы – RB и RBM – при нуле-

вом смещении и минимальное. Кроме того, необходимо задать ток IRB, соот-

ветствующий половинному сопротивлению – (RB + RBM)/2. Для определения этих параметров используется импульсный метод измерения.

Рис. 1.10. Схема измерения сопротивления базы и осциллограмма изменения

напряжения на сопротивлении rb

Схема содержит осциллограф С1-70, генератор импульсов G – Г5-28,

способный работать на 75-омную нагрузку. Диод VD1, подключённый к ба-

зе должен иметь малую диффузионную емкость и ток утечки (диод с ба-

11

рьером Шоттки). Резистор rb=2 Ом, необходим для контроля тока базы.

Сопротивление коллекторной нагрузки rC составляет 510 Ом. Измерения

проводятся для токов базы 0,5; 1; 2,5; 3,75; 10 и 50 мА.

Рис. 1.11. Осциллограмма напряжения	Рис. 1.12. Осциллограмма напряжения
Ube при токе базы 0,5 мА	Ube при токе базы 50 мА

На рис. 1.11 и 1.12 приведены осциллограммы напряжений на пере-

ходе база–эмиттер транзистора – Ube для токов базы 0,5 и 50 мА.

Рис. 1.13. Зависимость сопротивления базы от тока базы

На заднем фронте импульса образуется перепад напряжения, обу-

словленный влиянием сопротивления базы, а затем происходит медлен-

ный разряд емкости эмиттер–база. Перепады напряжений ∆Ube в моменты времени T=20 мкс, позволяющие определить RB, составляют 60, 85, 125, 160, 360 и 610 мВ соответственно. Отсюда, RB =∆Ube/(Urb/rb) составляют

12

120, 85, 50, 42,67, 36 и 12,2 Ом. Зависимость сопротивления от тока базы

Ib приведена на рис. 1.13. Штриховой линией показана аппроксимация за-

висимости степенным рядом Microsoft Excel. Из данного рисунка можно определить значение сопротивления базы RB при нулевом токе 400 Ом. В

качестве второго значения берём минимальное – RBM=12,2 Ом. Из данно-

го рисунка определяем ток половинного сопротивления базы, который со-

ставляет около 0,4 мА.

Сопротивление эмиттера ( Re ). Для определения сопротивления эмиттерной области использовалась схема, показанная на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Схема измерения	Рис. 1.15. Зависимость напряжения
сопротивления эмиттера	коллектор–эмиттер от тока базы

Здесь ГТ – генератор тока, входящий в состав измерительного стен-

да; PI – измеритель тока базы Ib; PV – измеритель напряжения коллектор– эмиттер Uce. В качестве PI и PV использованы универсальные вольтметры В7-27. Измерение производится при нулевом токе коллектора. Током утечки вольтметра PV можно пренебречь из-за его высокого внутреннего сопротивления.

Для определения значений, которые будут использованы в расчёте сопротивления эмиттера, необходимо построить зависимость напряжения коллектор–эмиттер от тока базы и выбрать точки, лежащие максимально близко к "выбросу" кривой. Зависимость изображена на рис. 1.15.

13

Для проведения расчётов были выбраны точки (39,9; 195,3) и (40,1;

423). Сопротивление эмиттера определялось по формуле Re=∆Uce/∆Ib и

составило Re=(40,1–39,9)·10–3 /(423–195,3)·10–6= 0,878 Ом.

Сопротивление коллектора (RC). В отличие от измерения сопротив-

	ления эмиттера, сопротивление
	коллектора измеряется при ненуле-
	вых токах коллектора. Для получе-
	ния исходных характеристик ис-
	пользуется схема, изображённая на
	рис. 1.16. Здесь ГТ1 и ГТ2 – генера-
	торы тока, задающие токи базы Ib и
	коллектора IС ; PI1 и PI2 – измери-
	тели токов базы и коллектора; PV –
Рис. 1.16. Схема измерения	измеритель напряжения коллектор–
сопротивления коллектора	эмиттер Uce.

Рис. 1.17. Зависимости Uce от Ib для разных токов коллектора

Снимаются зависимости напряжения коллектор–эмиттер от токов базы при фиксированных токах коллектора. Результаты измерений приведены на рис. 1.17. Сопротивление коллектора в нормальном активном режиме определяется в точках, расположенных поблизости от "выброса" кривых, для которых IC/Ib=const. Расчётная формула выглядит следующим образом: RC=∆Uce/∆IC. Для вычислений взяты следующие точки, соответ-

14

ствующие средним значениям токов коллектора (~5 мА): IC1=4 мА,

Ib1=3,24 мА, Uce1=102 мВ и IC2=6 мА, Ib2=3,71 мА, Uce2=116 мВ. В результа-

те получим RC=6 Ом.

Определение ёмкостей переходов. Для определения ёмкостей пере-

ходов при нулевом смещении CJC и Cje (коллекторного и эмиттерного со-

ответственно), коэффициентов MJC и MJE, характеризующих профиль ле-

гирования перехода, и контактных разностей потенциалов UJC и UJe пере-

ходов измеряют вольт-фарадные характеристики с помощью измерителя Е7-12. Определим указанные коэффициенты для эмиттерного перехода.

На рис. 1.18 приведена зависимость емкости коллекторного перехода от напряжения на переходе. Для определения MJC, MJE, UJC и UJe удобно построить зависимость (CJe – C k)--1/MJE = f(UBE).

Рис. 1.18. Зависимость 1/C2 от напряжения Ubc

коллекторного перехода

Учитывая тот факт, что паразитные ёмкости переходов Ck, измерен-

ные в пустом корпусе транзистора, составляют 1,24 пФ для коллекторного перехода и 0,43 пФ для эмиттерного, их можно не учитывать в силу мало-

сти по сравнению с ёмкостями самих переходов. При получении линейных зависимостей от напряжения на переходе в режиме обратного смещения считаем, что значения MJE, MJC подобраны правильно, а UJe и UJC опре-

деляют в точке пересечения с осями напряжений касательных к линеари-

15

зованным зависимостям. Отметим, что вид зависимости для эмиттерного перехода такой же, но значения емкости эмиттера меньше из-за меньшей площади эмиттера. Из вольт-фарадных характеристик для нулевых напряжений на переходах определим CJe=284,4 пФ, а CJC=1823 пФ. Как видно из зависимости, линейность достигается при возведении ёмкостей в квадрат, что соответствует равенству MJC=MJE=0,5 для обоих перехо-

дов. Контактная разность потенциалов для эмиттерного перехода соста-

вила UJe = 0,878 В, для коллекторного – UJC = 0,657 В.

Коэффициенты аппроксимации зависимости времени задержки сиг-

нала TF, ITF, XTF определяются измерением граничной частоты fT биполяр-

ного транзистора. Для нескольких значений напряжения на коллекторе вблизи рабочей точки измеряется предельная частота БТ в зависимости от тока коллектора. Напомним, что предельная частота fβ это такая часто-

та, на которой значение βF снижается до уровня 0,707 от своего значения на низкой частоте.

Рис. 1.19. Схема измерения предельной частоты и график зависимости предельной частоты от тока коллектора

Тогда по определению граничной частоты fT =βFfβ × Схема измерения и график зависимости граничной частоты от тока коллектора для напря-

жения коллектора 10 В приведены на рис 1.19. Здесь значения rC=100 Ом и rb=1000 Ом. Значение TF определяется по формуле

16

TF = 1/(2πf ) − C R . Здесь значение барьерной емкости коллектора вы-

числяется для напряжения 10 В, а сопротивление измерено ранее и со-

ставляет 6 Ом. Из рис. 1.19 видно, что сильное изменение граничной ча-

стоты начинается при токах около 250 мА, т. е. можно положить

ITF =250 мА. До этих токов можно считать, что граничная частота не зави-

сит от тока коллектора и составляет 250 кГц. Отсюда определим время задержки TF =1/(2πfT) = 0,63 мкс. Для XTF примем типичное значение 2.

1.1.2.Формирование модели транзистора для использования

вSPICE-программе

Формирование модели транзистора рассмотрим на примере программы B2 Spice. Новый элемент в базу данных добавляется программой

B2 Spice Database Editor в три этапа:

1. Создать “Process Model” для нового элемента. Для этого надо два раза щёлкнуть на строчке “Process Model” в левой части окна программы. Откроется окно “Select Process Model”, в котором надо нажать кнопку “New”. Откроется диалог создания новой модели. Здесь надо ввести имя модели, выбрать тип и, по желанию, ввести описание. Дальше можно переходить на вкладку “Process Model”. Именно здесь и задаются все измеренные в 1.1.1 параметры биполярного транзистора. Сохраняют изменения нажатием кнопки “OK”.

2.Аналогичным образом создать “Simulation Model”. При этом на вкладке “Simulation Guts”, нажав кнопку “Select Process”, выбрать создан-

ную на первом этапе “Process Model”.

3.Создать собственно новое устройство, нажав кнопку “New Device” в меню “Parts”. Здесь нужно выбрать “Simulation Model”, созданную на втором этапе.

Схема в программе B2 Spice Workshop создается выбором нужных элементов из меню “Devices” или “Categories” с последующим соединением их проводниками.

17

1.2.Характеристики и параметры биполярного транзистора

врежиме малых сигналов

Часто транзистор можно рассматривать как линейный элемент. Это справедливо при управлении малым сигналом в окрестности рабочей точки ICa, UCa (рис. 1.20). При расчете схем характеристики БТ заменяются касательными в рабочей точке. В этом случае схема транзистора упрощается и будет иметь вид, как на рис. 1.21. Такие малосигнальные схемы полезны для простых оценочных расчетов электронных устройств с использованием транзисторов. Эти оценки далее можно уточнить с использованием более сложных моделей. Но в целом ряде случаев для расчета устройств бывает достаточно и упрощенного расчета. Здесь введены

следующие малосигнальные параметры: крутизна – изменение коллек-

торного тока I

C

в зависимости от U

ВЕ

–

S =

∂I C

CE

const;

∂U

U

=

дифференциальное выходное сопротивление

r

CE= ∂U CE

U BE=

const –

∂I

зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор–эмиттер; диф-
ференциальное входное сопротивление r	BE=	∂U	BE	const	– опреде-
		∂I		U CE=

ляемое по входной характеристике IB = f(UВЕ ).

Рис. 1.20. Передаточная и выходная	Рис. 1.21. Малосигнальная
характеристики транзистора	эквивалентная схема транзистора

Данные параметры достаточно просто определяются по входным и выходным статическим характеристикам, как показано на рис. 1.20, или можно использовать их значения, измеренные в 1.1.1. Выходной емкостью CCE можно пренебречь при анализе схемы рис. 1.21 на частотах ни-

18

же ее частоты среза. При этом полезны следующие соотношения. Учитывая, что

I = I			(T,U	)exp(U	/ U ) .			(2.1)
Для крутизны получим		S				C
	I			BE T	I
S =			exp(U	/ U ) =			.	(2.2)
	U				U

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

Дифференциальное выходное сопротивление связано с коллекторным током через напряжение Эрли

rCE = UFA/IC . (2.3)

Тогда несложно рассчитать выходное сопротивление для любого коллекторного тока. Типовое значение UAF для n–p–n -транзисторов находится в пределах 80…200 В и 40…150 В для р–n– р-транзисторов.

Дифференциальное входное сопротивление определяется из соотношения

r = ∂U ∂I = ∂U / ∂I / β = β / S .

(2.4)

Здесь β – дифференциальный коэффициент усиления по току, который можно считать равным βF, определенному в 1.1.

2. СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Имеется три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают, соответственно, схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Наиболее часто используется схема с общим эмиттером. Для наглядности рассмотрения будем исходить из n– р–n - транзисторов и используем р–n– р-транзисторы только там, где это необходимо. Во всех схемах можно заменить n– р–n -транзисторы на р–n– р- транзисторы, поменяв одновременно полярность питающих напряжений (и электролитических конденсаторов). Параметром, который можно положить в основу рассмотрения, является напряжение база–эмиттер в рабочей точке UBЕA, составляющее для кремниевых транзисторов ~ 0,6…0,7 В.

2.1. Принцип работы схемы с общим эмиттером

Для анализа схемы с общим эмиттером (рис. 2.1) приложим такое входное напряжение Uе ≈ 0,6 В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.

19

		Коэффициент усиления						по
	напряжению			схемы		с	общим
	эмиттером: A =				Ua /	Ue = -S(RC
	||	rCE);	входное		сопротивление
	rE	= rBE ; выходное сопротивле-
	ние ra		= RC ||	rCE.
		Если входное напряжение
	повысить на небольшую вели-
	чину		Uе, то коллекторный ток
Рис. 2.1. Упрощенное изображение схемы	увеличится			(cм.	рис.		1.20	и
с общим эмиттером	1.21).		Поскольку		выходные			ха-
	рактеристики			проходят			почти

горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток IC зависит только от UВЕ, но не зависит от UCЕ. Тогда увеличение IC из (2.1) и (2.3) составит

I	≈ S U	= S U . Так как коллекторный ток источника напряжения
протекает через сопротивление RC, то падение напряжения на RC тоже
повышается		и выходное напряжение	Ua возрастает на	величину
U	= − I R	≈ −SR U . Таким образом, схема обеспечивает коэффи-
циент усиления по напряжению
		A = − U / U	= −SR .	(2.5)

Для анализа схемы установим взаимосвязь между входными и выходны-

ми величинами транзистора: I = I

(U

,U

),

I

= I (U ,U ).

Полные дифференциалы имеют вид

B

∂I

B

BE

∂I

B

CE

dI

=

U CEdU

+

U BEdU

,

∂U

∂U

C

∂I

C

BE

∂I

C

CE

dI

=

U CEdU

+

U BEdU

,

∂U

∂U

Полученные частные производные упоминались в 1.2. Учитывая введенные там обозначения и пренебрегая обратной передачей

(Sr = ∂IB/∂UCЕ ≈ 0), получим основные уравнения

dI	= (1/ r			)dU	,			(2.6)
dI	= SdU			+ (1/ r		)dU	.	(2.7)
Эту систему уравнений можно записать в матричной форме:
dI	B	1/ r		BE	0	dU	BE
	C	=	S		1/ r	CE	CE .
dI						dU
				20