3.2. Схемы включения транзисторов

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Как было показано, ток эмиттера распределяется между базой и коллектором. Учитывая, что при возрастании тока эмиттера за счет напряжения сигнала ток базы растет незначительно (из-за его малости), можно считать

I_k =  I _э

Рис.24. Схемы включения транзистора

а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК

Транзистор характеризуют коэффициентом прямой передачи по току, который представляет собой отношение приращения выходного тока к вызывающему его приращению входного тока при постоянном напряжении в выходной цепи. Для схемы ОБ выходной ток - I_k , входной - I _э.Тогда

; при U_k=const

В усилительном режиме в схеме ОБ

 = _и = 0,95 - 0,99;

I_k =   I _э;

приращение тока базы

I_б =  I_э -  I _к =  I_э -   I_э =  I _э( 1 -  ).

В схеме с ОЭ выходным является ток коллектора, а входным - ток базы. Коэффициент прямой передачи по току в этом случае

или

(3.6)

Для увеличения  надо, чтобы   1. Транзистор обладает свойством усилителя.

В схеме с ОК выходным является ток эмиттера, а входным - ток базы. Коэффициент прямой передачи тока примерно равен 

(3.7)

Транзистор и в этом случае работает усилителем. На практике используют примерные равенства:

 =  _и  I _к / I _э

 =  _и  I _к / I _б

которые справедливы при I _к >> I _б > I_кбо.

В силу того, что характеристики в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы, далее рассматривается характеристики только в схемах ОБ и ОЭ.

3.3. Статические характеристики биполярных транзисторов

В схеме с общей базой входные (эмиттерные) характеристики представляют собой зависимость

I _э= f (U_э ) при U_к = const.

Характеристика приU _к = 0 аналогична прямой ветви диодной вольтамперной характеристики. При подаче (- U_к ) она смещается влево (у p-n-p транзистора). Это свидетельствует о наличии

в

Рис.25. Схема включения транзистора

с общей базой (ОБ)

нутренней обратной связи, обусловленной эффектом модуляции базы.

Возникает он в основном из-за сопротивления базы r’_б. Это сопротивление создается слабо легированной областью базы. Оно является общим для входной и выходной цепей. Рост U_к приводит к росту I_кбо . Коллекторный переход расширяется, I_э.рек и ширина базы уменьшаются. Как следствие растет I_э, поскольку увеличивается доля напряжения эмиттер-база, приложенного непосредственно к переходу.

Выходные характеристики представляют собой зависимость тока I_к=f(U_к) при I_{э =} const. . Нулевая характеристика аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики диода. С ростом I_э характеристика смещается, т.к. увеличивается ток коллектора на величину I_{кр =}  I_э  I_э.

а) б)

Рис.26. Входные а) и выходные б) характеристики транзистора в схеме ОБ

Кроме того, наклон характеристики с ростом I_э растет, поскольку с ростом напряжения U_к уменьшаются ширина базы d_б и рекомбинационный ток эмиттера I_э.рек и растет дырочная составляющая тока коллектора I_кр. Выходные характеристики имеют три области. В 1-й I_к сильно зависит от U_к (начальный участок). Эта зона размещается слева от оси тока, поскольку при U_к = 0, I_к  0, т.к. дырки переходят в коллектор под действием внутренней разности потенциалов  ₀.

2-я зона характеризуется слабой зависимостью I_к от U_к. Ток коллектора несколько растет из-за увеличения объемного заряда коллекторного перехода при росте U_кб. При этом снижается толщина базового слоя, растут  и I_к . одновременно снижается напряжение на эмиттерном переходе, отчего падает концентрация дырок вблизи него. Рост I_к во 2-й зоне при росте U_кб. характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода

при I_э=const.

Для маломощных транзисторов r _к(б) = (0,5 - 1,0) Мом. Поскольку характеристики во 2-й зоне почти линейны, можно записать I_к = f (U_кб) :

I_к =  I_э + U_кб / r _к(б) + I_ко (3.8)

наличие I_ко является одной из причин зависимости выходных характеристик от температуры. При росте температуры I_к растет, растет и коэффициент  .

Третья зона - пробой коллекторного перехода, возможный при недопустимом росте U_кб . Электрический пробой при этом очень быстро может перейти в тепловой. U_{кб макс.} указано в справочнике.

В схеме с общим эмиттером входные характеристики - это зависимость I_б =  (U_бэ) при U_к = const. Входным является ток базы. U_б и U_к отсчитываются от эмиттера, т.е. U_б = U_бэ, U_к = U_кэ .

Рис.27. Схема включения

транзисторас общим эмиттером (ОЭ)

Рис.28. Входные (а) и выходные (б)

характеристики транзистора в схеме ОЭ

Нулевая характеристика (U_кэ = 0, U_б < 0) - это суммарная характеристика эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно и подключенных к источнику питания в прямом направлении. В коллекторной цепи протекает ток, противоположный обычному току коллектора. I_к отрицателен, а ток базы равен

I _б = I_э - I_к = I_б +  I_к. (3.9)

При небольшом отрицательном напряжении на коллекторе ток

I_к < 0, I_б = I_э - I_к . При этом ток базы резко падает и характеристика идет ниже. Снижение I_б при росте U_к обусловлено эффектом модуляции базы. Входные характеристики идут из точки с I_б < 0.

Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ - это зависимость I_к =  (U_к) при I_б = const. Напряжение на коллекторном переходе

U_кб = U_кэ-U_бэ. Имеются те же три зоны.

1-я зона - от начала координат до перелома. При U_кэ = 0 потоки дырок из коллектора в базу и из эмиттера в коллектор компенсированы, ток коллектора I_к 0. Рост U_кэ приводит к снижению напряжения на коллекторном переходе и уменьшению инжекции носителей.

Во 2-й зоне действует обратное напряжение. Точка перехода - при

U = 0,5 - 1,5 В . С учетом I_э = I_к + I_б, получим:

,

где  = I_к/ I_б = / (1 -  ) - коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ. При  = (0,9 - 0,99),  = (9 – 99) - получаем усиление по току

I_к = I _б + U_кэ / r _к(э) + I_ко(э) (3.10)

где r _к(э) = r _к(б) / (1 +) - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ, I_ко(э) = ( 1 + ) I_ко - обратный ток коллектора в схеме ОЭ. Во второй зоне тоже есть наклон характеристик из-за модуляции базы, но он больше из-за более сильного изменения  (r _к(э) мало, составляет 30 - 40 Ком). При нулевом токе базы через транзистор протекает начальный или сквозной ток I_ко(э) = ( 1 + ) I_ко. Нулевая характеристика проходит через начало координат и в рабочей области (U_r > 1В) располагается на уровне, примерно равном I_ко . Обратный ток цепи коллектор - эмиттер зависит от состояния входной цепи. Выходные характеристики в зоне малых U пересекают ось ординат в точке I_к < 0 (обратный ток перехода ), но начальный участок, где I_к<0, практического значения не имеет и в справочниках обычно не приводится.

Наличие повышенного тока I _ко нежелательно. При подаче смещения U_бэ>0 эмиттерный переход перейдет в непроводящее состояние и I_к снизится до I_к0 . Область ниже характеристики, соответствующей I_б = 0, называется областью отсечки.

Вэтой схеме более сильно влияние температуры, т.к. I_ко(э) больше и  более сильно меняется при изменении температуры. Большему току эмиттера соответствует больший ток базы.

П

Рис.29. Зависимость коэффициента

 от тока базы

робой коллекторного перехода происходит при меньших в 1,5 - 2 раза коллекторных напряжениях, чем в схеме с ОБ

4. Схемы замещения транзистора. Определение параметров

Для оценки параметров транзисторов принято пользоваться схемами замещения. Каждому элементу эквивалентной схемы можно придать определенный физический смысл.

В схеме замещения применены следующие параметры:

1. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в примом направлении (от единиц до десятков Ом)

r_э = dU_э / dI_э при U_кб = const.

Это объемное сопротивление низкоомное, в схеме замещения часто не учитывается.

а) б)

Рис. 30

Схема замещения транзистора а) физические параметры;

б) схема замещения при включении с общим эмиттером.

2. Объемное сопротивление базы r_б > r_э (от 100 до 400 Ом).

3. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении):

r_к(э) = {1 / (1 + )} { dU_кб / dI_к } , при I_б = const.

Определяется изменением тока коллектора при изменении напряжения на коллекторном переходе. Учитывает эффект модуляции базы,

r_к(э) = {1 / (1 + )}  (0,5 - 1,0 Мом)

4. Емкость коллекторного перехода С _кэ(э) равна сумме зарядной и диффузионной емкостей. Величина зависит от типа транзистора, составляет десятки пикофарад. Влияет на работу, особенно в области высоких частот. Емкость эмиттерного перехода не учитывается, поскольку она шунтирована малым сопротивлением r_э.

5. Граничная частота f_ = f_ / (1 + ). f_ - граничная частота в схеме ОБ, при которой  снижается в раз.

Частотные свойства схемы ОЭ хуже, чем схемы ОБ.

Достоинством физических параметров транзистора является то, что они не зависят от схемы включения. Недостаток - некоторые из них невозможно измерить. Поэтому на практике часто пользуются вторичными параметрами, характеризующими транзистор как активный четырехполюсник. Наибольшее распространение получила система h-параметров, которая предполагает малые приращения сигналов. В этом случае процессы можно описать системой уравнений

U₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ U₂

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ U₂

Из этой системы уравнений получаем:

1. h₁₁= U₁/i₁ при U₂=0, входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе.

2.h₁₂ =U₁/ U₂ при i₁ = 0, коэффициент обратной связи , показывающий, какая часть напряжения передается с выхода транзистора на вход при неизменном входном токе.

3

Рис.31. Представление

транзистора в качестве

четырехполюсника

.h₂₁ = i₂/i₁ при U₂=0, коэффициент передачи транзистора по току, измеренный при постоянном напряжении на выходе. Для схемы ОЭ h ₂₁ = .

4.h₂₂ =i₂/U₂ при i₁ = 0, выходная проводимость транзистора при постоянном

входном токе.

h - параметры связаны с физическими параметрами и позволяют их определить. Для схемы ОЭ получим::

r_э = h₁₂ / h₂₂ ; r_б = h₁₁ - h₁₂ ( 1 + h₂₁) / h₂₂ ; r_к = (1 + h₂₁) / h₂₂;  = h₂₁

Для разных схем включения h -параметры различны. Поэтому иногда их снабжают индексами: h_б - для схемы с ОБ, h_э - для схемы с ОЭ.

В ряде случаев требуется иметь более высокие значения для коэффициента передачи тока транзистора и его входного сопротивления. В этом случае может быть полезна схема составного транзистора. При этом коэффициент передачи тока базы будет равен:

 = ₁+ ₂ + ₁₂ . Если учесть, что ₁ >> 1, и

₂>> 1, то получим   ₁₂

Для получения максимального коэффициента  транзистор Т2 выбирают более мощным, с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1.

Рис.32. Схема составного транзистора

Для составного транзистора справедливы соотношения:

r_э = r_э2 + ( r_э1 + r_б2) / (1 + ₂) = (2 r_э1 + r_б2) / (1 +₂ );

r_б  r_б1; r_к = r _к2// [ r_к1 / (1 + ₂)].

Коллекторные сопротивления составного транзистора меньше, чем сопротивление одного транзистора. Обратный ток коллектора становится несколько выше:

I_ко = I_ко2 + (1 +₂ ) I_ко1 . (3.11)

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.