Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учеб. пособ. ИИТ и Э. Раздел 1.1. Полупр приб.doc
Скачиваний:
99
Добавлен:
01.04.2015
Размер:
1.09 Mб
Скачать

5.2. Основные схемы включения бт. Характеристики бт

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт - амперными характеристиками(ВАХ). Очевидно, что ВАХ прямо смещенного эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а ВАХ обратно смещенного коллекторного перехода – при обратном токе. Однако прежде, чем рассматривать их закономерности, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор – «токовый» прибор, т.к. основные процессы определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора связаны друг с другом функционально, то для полной характеристики БТ необходимо иметь не отдельные характеристики, а их семейства - семейства входных и выходных ВАХ. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ БТ.

Различают три схемы включения БТ: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В этих схемах один из электродов является общей точкой входа и выхода схемы. Во избежание ошибок при этом необходимо помнить, что под входом и выходомпонимают точки, между которыми действуют входные и выходные переменные напряжения. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению. Подразделять схемы по тому, какой электрод является общей точкой входной и выходной цепей, также не следует, т.к. в одной из схем эти цепи совмещены в одну цепь и все ее точки являются общими.

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эта схема, изображенная на рис. 5.3, является наиболее распространенной, т.к. обладает наибольшим усилением по мощности, поэтому ее необходимо рассмотреть наиболее подробно. Схема характеризуется следующими параметрами.

Коэффициент усиления по току kiпредставляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменных токов:

ki=Im ВЫХ / Im ВХ = Im K / Im Б. (5.12)

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то kiсоставляетдесятки единиц.

Усилительные свойства характеризуются статическим коэффициентом усиления по току(иликоэффициентом передачи тока), обозначаемым. Поскольку он должен характеризовать только свойство самого транзистора, то его определяют в режиме без нагрузки (RН= 0), т.е. при постоянном напряженииUКЭ:

 = iК / iБ, при uКЭ = const. (5.13)

Коэффициент имеет порядок десятков и даже сотен, а реальный коэффициент усиления по токуkiвсегда меньше, т.к. при включении нагрузки RНток iкуменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению kuравен отношению амплитудных (или действующих) значений выходного и входного переменных напряжений:

ku = Um ВЫХ/Um ВХ=Um КЭ/Um БЭ. (5.14)

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжения источника ЕКЭдостигает единиц вольт и больше. Поэтомуkuимеет значение отдесятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности kРполучается равнымсотням, тысячам или даже десяткам тысяч. Он представляет собой отношение выходной мощности к входной:

kР= РВЫХ/ РВХ=Im ВЫХ Um ВЫХ / (Im ВХ Um ВХ) = kiku. (5.15)

Важной величиной, характеризующей транзистор, является его входное сопротивление RВХ:

RВХ=Um ВХ/Im ВХ=Um БЭ /Im Б, (5.16)

которое составляет от сотен Ом до единиц кОм. Это вытекает из того, что приUm БЭ , равном десятым долям вольта, базовый ток транзисторов малой и средней мощностей может быть до десятых долей мА.

На рис. 5.3,б приведены входные характеристики iБ=f (uБЭ) при постоянных значениях выходных напряжениях. ПриUКЭ= 0 характеристики исходят из начала координат, т.к. если все напряжения равны нулю, то и ток равен нулю.

То, чтоUКЭ= 0 эквивалентно замыканию накоротко эмиттера и коллектора. При увеличении напряженияuБЭоба перехода прямо смещаются, и ток базы становится равным сумме токов коллекторного и эмиттерного переходов (рис. 5.3,а).

По мере увеличения uБЭток базы увеличивается, характеристика при этом аналогична характеристике для прямого тока транзистора.

При uКЭ0 характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых значенияхuБЭ становится отрицательным. Это объясняет рис. 5.4,б, на котором показана схема приuБЭ= 0. При этом источникUКЭкроме начального тока эмиттераiЭНсоздает в цепи базы токiБ ОБРс обратным направлением. Ток коллектора формирует эти два тока: iК Н= iЭ Н+ iБ ОБР.

Если теперь включить источник uБЭи постепенно увеличивать его напряжение, то он будет действовать в цепи базы навстречу UКЭ.

Поэтому ток iБ ОБРуменьшается и при некотором значении uБЭ, когда действия UБЭи UКЭуравновесятся, станет равным нулю.

А при дальнейшем увеличении напряжения UБЭон изменяет направление и становится составляющим тока эмиттера.

Уменьшение тока базы при повышении UКЭпроисходит еще и вследствие явления модуляции толщины базы. Чем вышеUКЭ, тем больше напряжение на коллекторном переходе. А толщина базы пропорционально уменьшается. При этом рекомбинация в базе снижается, следовательно, несколько увеличивается iКи уменьшается iБ. Однако изменение напряженияuКЭмало влияет на токiБ, поэтому все входные характеристики близко расположены друг к другу и в справочниках обычно приводится одна – чаще приUКЭ= 0.

На рис. 5.3,в приведено семейство выходных характеристик iК=f (uКЭ) при различных постоянных значениях тока базыiБ=const. Первая ветвь дляiБ= 0 выходит из начала координат, соответствует разомкнутой цепи базы и аналогичны обратной ветви тока диода, но изображенной в первой четверти координатной плоскости. При этом через транзистор от эмиттера к коллектору протекает сквозной токIК 0*. При увеличении значений тока базы характеристики располагаются выше. Увеличение токаiБозначает. Что за счет повышения напряженияUБЭсоответственно увеличивается ток эмиттера, частью которого является ток базыiБ. Следовательно, пропорционально возрастает и ток коллектора.

Выходные характеристики показывают. Что при увеличении UКЭот нуля до небольших значений (порядка десятых долей вольта) ток коллектораiКрезко возрастает, а дальнейшее его увеличение уже оказывает сравнительно малое влияние на токiК,и характеристики имеют более пологий вид. При повышении напряженияuКЭвследствие уменьшения толщины базы уменьшается ток базы, а т.к. характеристики снимаются при условииiБ=const, то для поддержания его прежнего значения необходимо увеличивать напряжениеuБЭ. За счет этого несколько возрастаетiЭ, а следовательно, и ток коллектора. При увеличенииuКЭувеличивается и та его часть, которая приложена в виде прямого напряжения к эмиттерному переходу. В результате также возрастают токи iЭи iК.

Характеристики показывают, что чем больше токи iК, тем раньше, т.е. при меньших значениях uКЭ, наступает электрический пробой.

Рассмотрим вопрос усиления с помощью транзистора и сдвига фазы выходного напряжения на 180относительно входного. На рис. 5.5, а изображена схема усилительного каскада с транзистором типаn-p-n. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а, следовательно, входное сопротивление получается сравнительно небольшим. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2. В эту цепь включена нагрузкаRН, с которой снимается усиленное выходное напряжение. Работа каскада происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рис. 5.5,б). Напряжение источника Е2делится между сопротивлением нагрузкиRНи внутренним сопротивлением транзистораr0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление в основном определяется сопротивлением коллекторного переходаrК 0для постоянного тока. В действительности к сопротивлениюrК 0еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода иn-ир-областей, но этими незначительно малыми сопротивлениями можно пренебречь.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Это вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода rК 0постоянному току. Тогда напряжение источника Е2будет распределяться междуRНиrК 0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада на числовом примере. Пусть питающие напряжения равны Е1= 0,2 В и Е2= 12 В, сопротивление нагрузкиRН= 4 кОм, сопротивление транзистора при отсутствии колебаний на входе также равноr0= 4 кОм, т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет iK= E2/ (RН+ r0) = 12 : 8 = = 1,5 mA.

Напряжение Е2разделится пополам, и напряжения на RНи на r0будут по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает на до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создает на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5 4 = 10 В, а падение напряжения на сопротивленииr0транзистора уменьшится до 12 – 10 = 2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2 : 2,5 = 0,8 кОм. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – 0,1 В, произойдет обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет рано 0,2 – 0,1 = 0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшаются до 0,5 мА. На резистореRНпадение напряжения уменьшится до 0,54 = 2 В, а на сопротивленииr0оно возрастет до 10 В; следовательно. Это сопротивление увеличилось до 10 : 0,5 = 20 кОм. Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивленияr0от 0,8 до 20 кОм, при этом размах напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе составляет 8 В (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения. Этот числовой пример является приближенным, т.к. в действительности зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны на временных диаграммах, на рис. 5.6. Этим графикам соответствуют следующие уравнения. Входное напряжение uВХ=Um ВХ sin t; напряжение на участке база – эмиттерuБЭ=UБЭ 0+Um БЭ sin t, где Um БЭ=Um ВХ; ток коллектора iK = IK 0 + Im K sin t.Аналогично выражается напряжение на нагрузке:uR=UR 0+Um R sin t, гдеUm R = Um ВЫХ = Um КЭ = Im KRНиUR 0=IK 0RН. Напряжение на выходеuВЫХ=uКЭ=UКЭ 0-Um КЭ sin t, гдеUКЭ 0= Е2-UR 0.

Каскад по схеме с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжениями имеется фазовый сдвиг 180. Для доказательства необходимо рассмотреть работу схемы на рис. 5.5. На нем знаки постоянных потенциалов указаны в кружках для отличия от знаков переменных потенциалов. От постоянного тока коллектора на резисторе нагрузки получается падение напряжения со знаком «минус» на верхнем по схеме конце. Пусть на вход транзистора (на базу) поступает положительная волна напряжения, как показано на рис. 5.5. Это напряжение складывается с напряжением Е1, и напряжение на эмиттерном переходеUБЭувеличивается. В результате возрастает ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора. Тогда увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т.е. дополнительно к постоянному напряжению наRНпоявляется еще и переменное напряжение с той же полярностью. Таким образом, на выходе получается отрицательная полуволна переменного напряжения.

Достоинством схемы ОЭ является удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатками данной схемы по сравнению со схемой ОБ являются худшие частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ значительно зависит от температуры. Вопросы частотной и температурной зависимостей будут рассмотрены ниже.

Схема с общей базой (ОБ)

Хотя эта схема (рис. 5.7) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же она находит применение, т.к. по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ.

Схема с ОБ характеризуется следующими параметрами.

Коэффициент усиления по току:

ki = I m К / I m Э 1, (5.17)

т.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент усиления по току (иликоэффициент передачи тока) для схемы с ОБ обозначаетсяи определяется для режима без нагрузки (RН= 0), т.е. при постоянстве напряжения коллектор – база:

 = i К / iЭприuК Б = const.(5.18)

Коэффициент всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току kiдля каскада с ОБ всегда немного меньше, т.к. при включенииRНток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжениюопределяется соотношением:

ku= Um КБ / Um ЭБ, (5.19)

он получается таким же, как и в схеме с ОЭ, т.е. составляет десятки и сотни.

Действительно, если в схемах с ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то ток коллектора будет практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также получаютяс одинаковыми. Поскольку коэффициент усиления по мощности kР равен произведению:

kР = ki ku, (5.20) а ki 1, то kp примерно равен ku, т.е. составляет десятки и сотни.

Входное сопротивлениедля схемы с ОБ:

RВХ = Um ЭБ / Im Э, (5.21) оно получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ. Это видно из того, что ток Im Э в десятки раз больше тока Im Б, входное сопротивление для схемы с ОБ получается равным всего лишь десяткам, а у более мощных транзисторов даже единицам ом. Такое малое сопротивление является существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление получается до сотен килоом.

Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями отсутствует, т.е.е фаза напряжения при усилении не изменяется. На рис. 5.7,б показана полярность отрицательной полуволны входного напряжения, под влиянием которой возрастают токи iЭи iКи увеличивается радение напряжения на резисторе нагрузки, т.е. отрицательная полуволна выходного напряжения.

Следует отметить, что каскад по схеме с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме с ОЭ.

Входными характеристиками БТ, включенного по схеме с ОБ является зависимость i Э = f (uЭБ) приuКБ = const, обратите внимание, что они аналогичны характеристикам для прямого тока диода, поскольку ток эмиттера является именно таким током (рис. 5.7,а). Приu КБ = 0 характеристика идет из начала координат. А приuКБ 0 характеристика проходит немного выше, т.е. возникает ток эмиттера, и приu ЭБ = 0 протекает небольшой начальный токiЭ Н. Условиеu ЭБ = 0 соответствует короткому замыканию эмиттера и базы. Характеристики для различныхuКБрасположены очень близко друг к другу, и в справочниках обычно приводится только одна характеристика для некоторого значенияuКБ. Малое влияние напряженияuКБна ток эмиттера объясняется тем, что поле, создаваемое напряжениемuКБ, сосредоточено в коллекторном переходе. Но все же с увеличениемuКБток эмиттера несколько возрастает, что объясняется влиянием поперечного сопротивления базы.

Из схемы на рис. 5.7 б видно, что при UБЭ= uЭБ= 0 обратный ток базы iБ ОБРсоздает на сопротивлении rб0некоторое напряжение, которое является прямым для эмиттерного перехода. Поэтому возникает токiЭ Н, и, как видно из рис. 5.7 б, iЭ Н+ iБ ОБР= iК Н. С увеличением uКБнесколько увеличивается ток iБ ОБР, следовательно возрастают напряжение на rб0и токiЭ Н. Если же от источникаUБЭ подано такое напряжение, что токiБизменит свое направление, то он будет, как обычно, составлять часть тока эмиттера (рис. 5.7 а). В этом случае на сопротивленииrб0токiБсоздает напряжение, которое действует навстречу напряжениюUБЭ, т.е. уменьшаетuЭБ. С увеличением uКБуменьшается толщина базы, а вследствие этого уменьшаются токiБи напряжение на сопротивленииrб0. В результате возрастает напряжение uЭБи ток эмиттера также растет.

На рис. 5.8,а приведено семейство выходных характеристик iК = f (uКБ) при iЭ= constдля различных его значений. ПриiЭ= 0 характеристика проходит через начало координат, т.к. приiЭ= 0 иuКБ = 0 ток коллектора iК= 0. Эта характеристика является характеристикой обычногоp-nперехода. Условие iЭ= 0 соответствует разомкнутой цепи эмиттера, а это означает, что включен только коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. В этом случае протекает начальный ток iК 0.

При некотором значении uКБ начинается электрический пробой коллекторного перехода и ток коллектора резко возрастает.

Выходные характеристики для различных значений iЭ представляют собой практически прямые линии, имеющие небольшой наклон, что означает малое влияние напряжения uКБ на ток коллектора. Действительно, для увеличения тока iК необходимо увеличить ток эмиттера, чтобы из эмиттера в базу инжектировалось больше носителей. Но если iЭ = const, то при возрастании uКБ коллекторный ток увеличивается главным образом за счет за счет уменьшения толщины базы, в результате чего в базе снижается рекомбинация инжектированных носителей с основными носителями базы. Следовательно, большее количество инжектированных носителей достигает коллектора, ток iК увеличивается, а ток базы уменьшается.

Особенностью выходных характеристик является то, что при uКБ = 0 и при iЭ  0 ток коллектора имеет довольно большое значение – почти такой же, как и при uКБ  0. Это объясняется тем, что благодаря сопротивлению базы rб0 в данном случае на коллекторном переходе имеется некоторое напряжение. Оно представляет собой напряжение, созданное на rб0 током базы (рис. 5.8,б). У многих транзисторов выходные характеристики имеют вид прямых линий начиная от uКБ = 0. Зависимость между токами iК и iЭ является почти линейной. Поэтому выходные характеристики при одинаковом изменении тока iЭ располагают на одинаковом расстоянии друг от друга. Чем больше токи, тем быстрее, т.е. при более низких значениях uКБ, происходит электрический пробой.

На рис. 5.8,а штриховыми линиями показано, что при перемене знака напряжения uКБ уже при небольших его значениях ток коллектора резко уменьшается, а затем изменяет свое направление и быстро возрастает. Такое явление объясняется тем, что при этом напряжение uКБ будет являться прямым для коллекторного перехода. При увеличении его значения на десятые доли вольта сначала компенсируется то небольшое напряжение, которое создано за счет падения напряжения от тока iБ на сопротивлении базы. Затем напряжение на коллекторном переходе становится прямым и ток iК резко возрастает в обратном направлении.

Достоинства схемы с ОБ: обладает меньшими искажениями, меньшей частотной и температурной зависимостью по сравнению со схемой с ОЭ. Недостаток: обладает очень малым значением входного сопротивления.

Схема с общим коллектором (ОК)

В этой схеме, приведенной на рис. 5.9, коллектор является общей точкой входа и выхода. Особенность этой схемы в том, что выходное напряжение полностью передается на вход в фазе с входным, т.е. присутствует глубокая положительная обратная связь.

Из схемы не трудно увидеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер и выходного напряжения:

u ВХ = u бэ + u ВЫХ. (5.22)

Характеристики, присущие схеме с ОК:

1) коэффициент усиления по току:

ki = Im э / Im б= ( Im к + Im б ) / Im б=Im к / Im б+ 1, (5.23)

составляет несколько десятков;

2) коэффициент усиления по напряжению:

k u =Um вых / Um вх = Um вых / (Um бэ+ Um вых), (5.24)

составляет k u  1 (но всегда меньше единицы), т.к. Um бэ равно не более десятых долей вольта, Um вых – единицы вольт и Um бэUm вых. Необходимо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, но каскад в целом не дает усиления. Поскольку фаза выходного напряжения совпадает по фазе с входным и усиление по напряжению отсутствует, то схему с ОК еще называют эмиттерным повторителем (Rн включается в цепь эмиттера);

3) коэффициент усиления по мощности

k p= k i k u  k i , (5.25)

т.к. k u  1, то k p составляет несколько десятков.

4) входное сопротивление

R вх = (Um бэ + Um вых) / Im б, (5.26)

составляет десятки килоом. Отношение Um бэ / Im б есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое достигает единиц колоом. А так как Um вых в десятки раз больше Um бэ, то Rвх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим и обычно составляет единицы килоом или сотни ом.

Достоинством схемы ОК является высокое входное сопротивление.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между uВЫХ и uВХ нет. Пусть, например, в данный момент. Подается положительная полуволна uВХ, как показано на рис. 5.9. Тогда увеличивается напряжение uБЭ и возрастает ток эмиттера, который увеличит падение напряжения на резисторе нагрузки. Следовательно, на выходе получится положительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно и называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в цепь эмиттера (по отношению к корпусу).

Сравнительный анализ различных схем включения БТ

Сравнительный анализ важнейших свойств трех схем включения биполярных транзисторов для удобства сведен в таблицу

Таблица 1

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

ki

Десятки - сотни

Несколько меньше единицы

Десятки - сотни

ku

Десятки - сотни

Десятки - сотни

Несколько меньше единицы

kp

Сотни – десятки тысяч

Десятки - сотни

Десятки - сотни

RВХ

Сотни Ом – единицы кОм

Единицы – десятки Ом

Десятки – сотни кОм

RВЫХ

Единицы – десятки кОм

Сотни кОм – единицы МОм

Сотни Ом – единицы кОм

Фазовый сдвиг между uВЫХ и uВХ

180

0

0