Статические характеристики транзисторов

На рис.3.8. были указаны междуэлектродные напряжения и токи транзистора. Из рисунка следует, что вместе с равенствами (3.5) всегда выполняется соотношение (3.6). Кроме того, между токами и напряжениями существует связь, которая может быть выражена еще двумя независимыми уравнениями вида

I_К=φ(U_КБ,U_ЭБ), I_Э= φ(U_КБ,U_ЭБ).

Система из четырех приведенных независимых уравнений показывает, что при любых двух заданных из шести независимых параметров режима транзистора (U_КБ, U_ЭБ, U_КЭ, I_Э, I_К, I_Б) остальные четыре могут быть однозначно определены, т.е. заданием любых двух из этих величин (аргументов) полностью определяется режим работы транзистора.

Статической характеристикой называют зависимость тока электрода транзистора от одного из аргументов при фиксированном значении другого и медленном изменении варьируемых переменных величин, чтобы режим работы практически оставался статическим. Каждая точка такой характеристики соответствует определенному статическому режиму транзистора.

Задавая различные значения фиксированному аргументу и устанавливая каждй раз зависимость электродного тока от варьируемого аргумента, получают семейство статических электродных характеристик. Наиболее широко применяются следующие семейства статических характеристик, удобных для расчета транзисторных устройств.

1. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ (рис.3.13, а) I_Б=φ(U_БЭ) при U_КЭ=const. Входные характеристики транзисторов в схеме с ОЭ можно назвать базовыми характеристиками транзистора.

Базовая характеристика при U_КЭ=0 и U_БЭ<0 представляет собой суммарную характеристику эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно и подключенных к источнику в прямом направлении через сопротивление r_б^| (рис.3.13, в). Это соответствует режиму насыщения транзистора. Положительное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, создает в коллекторной цепи прямой ток, который по направлению противоположен обычному току коллектора (I_Кпр=-I_К). Поэтому ток базы представляет собой сумму I_Б= I_Э- I_К= I_Э+ I_Кпр.

При увеличении отрицательного напряжения U_КЭ (рис. 3.13, г) до значения |U_КЭ|>| U_БЭ| напряжение на коллекторном переходе также станет отрицательным U_КБ<0, и ток коллектора сменит направление на обычное, наступит активный режим работы, при котором ток базы определяется разностью I_Б= I_Э- I_К. Для этого бывает достаточным напряжение U_КЭ=-1 В. Так как при данном напряжении ток базы резко уменьшается, то соответствующая базовая характеристика располагается значительно ниже характеристики U_КЭ=0. При дальнейшем увеличении (по модулю) коллекторного напряжения (например, до U_КЭ=-5 В) базовая характеристика незначительно смещается веерообразно вправо. В справочниках обычно приводят две базовые характеристики: при U_КЭ=0 и U_КЭ=-5 В. Все остальные характеристики, снятые при |U_КЭ|>1 В, незначительно отличаются от последней.

Слабая зависимость базовых статических характеристик от коллекторного напряжения при его изменениях от -1 В до U_КЭмакс объясняется тем, что при этом на ток базы оказывают влияние несколько противоположно и слабо действующих факторов.

На рис.3.13, б изображены начальные участки базовых характеристик в увеличенном масштабе. Характеристика при U_КЭ=0 проходит через начало координат. При положительном напряжении на базе относительно эмиттера (U_БЭ>0) и при коллекторных напряжениях U_КЭ<0 оба перехода оказываются включенными в обратном направлении, поэтому I_Б= -I_ЭБО- I_КБО= I_Бобр (режим отсечки). Характеристика, соответствующая U_КЭ=-5 В, пересекает ось абсцисс (I_Б=0) в точке –U_БЭ=R_ДэI_КЭО, где R_Дэ– сопротивление эмиттерного перехода (диода Д_э) для тока транзистора I_КЭО, протекающего в эмиттерной и коллекторной цепи при разомкнутой цепи базы (I_Б=0). При этом условии I_Э= I_К= I_КЭО (см. 3.13, д). Согласно выражению (3.4) ток коллектора I_К= I_КЭО=АI_Э+I_КБО=АI_КЭО+ I_КБО, откуда получаем

I_КЭО= I_КБО/(1-А)= I_КБО(В+1)≈ I_КБОВ. (3.14)

Для получения этого режима не обязательно производить размыкание базы. Можно в схеме (рис.3.13, д) изменением U_БЭ установить такой ток эмиттера, при котором (1-А) I_Э= I_КБО, тогда I_Б=(1-А) I_Э- I_КБО=0, откуда I_Э= I_КЭО= I_КБО/(1-А)≈ I_КБОВ.

2. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ (рис.3.14) представляют собой зависимость I_К=φ(U_КЭ) при I_Б=const. Эти характеристики можно назвать коллекторными характеристиками транзистора с ОЭ.

Выходная характеристика при I_Б=0 проходит через начало координат и в активной области (|U_КЭ|>1 В) определяется током I_КЭО≈ I_КБОВ. Характеристика при I_Б=const>0 смещаются относительно характеристики при I_Б=0 вверх на величину ВI_Б и по сравнению с выходными характеристиками, снятыми в схеме с ОБ при условии I_Э=const, имеют примерно в β раз больший наклон.

В ыходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ имеют более резко выраженное сгущение при больших токах базы из-за значительного снижения коэффициента А, так как большому току I_Б соответствует большой ток I_Э. Выходныехарактеристики пересекают ось ординат в точках I_К<0 (см. рис.3.14),соответствующих прямому току коллекторного перехода I_Кпр (при U_КЭ=0, когда U_КБ=- U_БЭ>0 транзистор находится в глубоком режиме насыщения).

При относительно малом отрицательном напряжении U_КЭ, пока |U_КЭ|<|U_КЭ|, напряжение U_КБ остается положительным, поэтому транзистор остается в режиме насыщения.

Коллекторные характеристики пересекают ось абсцисс в близко расположенных от начала координат точках, определяющих остаточное напряжение U_КЭост<0, когда I_К=0 (см. рис.3.14). При |U_КЭ|≥|U_БЭ|, когда U_КЭ≤0 транзистор выходит из режима насыщения коллекторный ток приобретает значение, определяемое соотношением I_К=ВI_Б+ I_КЭО≈ВI_Б. Таким образом, переход транзистора к активному режиму осуществляется при изменении коллекторного напряжения от нуля до |U_КЭ|=|U_БЭ|≤1 В, что и предопределяет быстрое изменение коллекторного тока на крутом (восходящем) участке коллекторной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

При смене полярности напряжения на базе (U_БЭ>0) можно установить ток базы I_Б=- I_КБО. В этом случае в соответствии с формулой (3.4) I_Э=0, а I_К= I_Э- I_Б= I_КБО. Дальнейшее увеличение напряжения на базе практически не может привести к уменьшению (изменению) коллекторного тока, т.е. и в схеме с ОЭ I_КБО является неуправляемым током. Максимально возможный ток базы при U_БЭ>0 оказывается примерно равным I_Бобр≈ I_КБО+ I_ЭБО, т.е. он слагается из обратных токов коллекторного и эмиттерного переходов (см. рис.3.13, б).

Лекция №5: Схемы с общим эмиттером и с ОБ. Коэффициенты передачи.

Цельзанятий: Исследование схемы с ОК. Изучение схем с обратными отрицательными связами.

Характеристики и параметры транзистора в активном

(усилительном) режиме

Схема с ОБ. На рис3.17, а показана простейшая схема усилителя напряжения на транзисторе по схеме с ОБ. При наличии нагрузки в выходной цепи изменение входного напряжения (или тока) вызывает изменение выходного тока и напряжения. В таком режиме зависимость одной переменной величины от другой, взятой в качестве аргумента, определяют нагрузочные характеристики.

а) Статическая нагрузочная характеристика выходной цепи (нагрузочная прямая) представляет собой зависимость I_К=φ(U_КБ) при R_k≠0, E_k=const. Как отмечалось ранее, нагрузочные прямые определяются свойствами только этой выходной цепи и не зависит от электронного прибора и способа его включения.

Учитывая, что U_БК=- U_КБ, получаем выражение для нагрузочной прямой коллекторной цепи транзистора p-n-p (рис.3.17, а):

I_k=E_k/R_k- U_БК/R_k= E_k/R_k+U_КБ/R_k (3.16)

где U_КБ<0. Это выражение представляет собой уравнение прямой, отсекающей на осях координат отрезки: на оси абсцисс U_КБ=Е_К, на оси ординат I_k=Е_К/R_k (рис.3.18, а, прямая 1).

Нагрузочная прямая определяет напряжение и ток выходной (коллекторной) цепи в режиме покоя (когда отсутствует усиливаемый сигнал), т.е. I_КП= Е_К/R_k- U_КПБ/ R_k. Точка П, соответствующая режиму покоя, всегда располагается на этой прямой (см. рис.3.18, а).

Схема с ОЭ. В усилительных и импульсных устройствах наиболее часто транзистор используется в схеме с ОЭ. В этой схеме входным током является ток базы, а выходным – ток коллектора. Напряжение на базе U_БЭ и коллекторе U_КЭ отсчитываются относительно общего электрода – эмиттера. На рис. 3.17, б показана простейшая схема усилителя напряжения на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, а на рис. 3.20, а приведена динамическая коллекторная характеристика, нанесенная на график совместно с его семейством статических выходных характеристик. В качестве примера использован транзистор МП41А. Крупный масштаб характеристик не позволяет выделить на данном рисунке область отсечки II, которая, как и в схеме с ОБ, определяется обратным (неуправляемым) током коллектора I_КБО. Поэтому характеристики, снятые при I_Б=– I_КБО, а также при I_Б=0 (соответствуют току I_КЭО), сливаются с осью абсцисс. Область насыщения III, в которой увеличение тока базы при наличии нагрузки не вызывает заметных изменений тока коллектора, заштрихована. В этой области U_КЭ остается отрицательным, но U_КБ становится положительным, что и определяет режим насыщения, когда оба перехода включены в прямом напрвлении.

На рис.3.20,б и 3.21,а показана динамическая входная характеристика транзистора в схеме с ОЭ или динамическая базовая характеристика, которая в усилительном режиме и в режиме отсечки практически совпадает со статической базовой характеристикой, снятой при U_КЭ=–5 В. Это объясняется очень слабым влиянием коллекторного напряжения на положение статических базовых характеристик, узкий веер которых обычно отождествляется с одной характеристикой, снятой при U_КЭ=–5 В.

При переходе транзистора в режим насыщения через цепь базы начинает замыкаться часть тока эмиттера I_ЭБ= I_Э–I_Энас. В цепи коллектора протекает только ток I_Кнас≈ I_Энас, поэтому, начиная со значения I_Бнас, ток базы в режиме насыщения, равный I_Б= I_Бнас+ I_ЭБ, с увеличением |U_БЭ| быстро возрастает из-за роста составляющей I_ЭБ, и динамическая базовая характеристика существенно отклоняется от статических базовых характеристик (рис.3.21,а).

В режиме насыщения ток базы I_Б= I_Э– I_Кнас=φ(U_БЭ)– I_Кнас при |U_БЭ|>|U_БЭнас| и I_К=0. Следовательно, при I_Б >I_Бнас динамическая базовая характеристика определяется статической базовой характеристикой, снятой при I_К=0 и уменьшенной на I_Кнас. Для получения этого участка динамической базовой характеристики нужно характеристику, соответствующую I_К=0, сместить параллельно вниз на величину I_Кнас, при этом точка 2 совпадает с точкой 1. Точка 2 находится на уровне I_Б= I_Энас= I_Бнас+ I_Кнас (рис.3.21,а).