200101_jeimpt_lr_2012

i	K	I	КБ.О	eU БЭ Т ,	(6.2)

где U БЭ T – контактная разность потенциалов.

При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода I К.ОБР I КБ.О . Из уравнения (6.1) легко найти напряжение на эмиттерном переходе

					iK
U	БЭ		Т	ln		1 .	(6.3)
					I КБ.О

Поскольку ц = 25 мВ при Т = 300 К, то уже при напряжении UБЭ = 100 мВ можно считать, что U БЭ Т ln i K I КБ.О . Выходные вольтамперные характеристики транзистора приведены на рис. 6.2, а. Линейная область на этих характеристиках отмечена штриховой линией.

Рисунок 6.2 – Выходные характеристики биполярного транзистора (а) и его входная характеристика (б)

Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Укажем на некоторые особенности характеристик транзистора в линейной области. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе (в соответствии с уравнением (6.1) такой зависимости вообще нет). В-третьих, напряжение на базе не

71

зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы. Поэтому в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, управляемого током базы. Пренебрегая падением напряжения между базой и эмиттером, можно считать этот переход короткозамкнутым. В результате для линейного режима можно использовать модель транзистора, приведенную на рис. 6.3, а.

Рисунок 6.3 – Схема замещения биполярного транзистора (а), схема усилительного каскада (б) и расчетная схема (в)

Пользуясь этой моделью, можно рассчитать коэффициент усиления каскада изображенного на рис. 6.3, б. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему каскада (рис. 6.3, в).

Для этой схемы находим

	iБ uC / RБ ;		iK iБ ;		uН iK RН iБ RН ,
	откуда
	uН		uc RН	или Ku		RН	.
			RБ
						RБ

Для уточнения расчетов введем в модель транзистора параметры

Рисунок 6.4 – Схема замещения биполярного транзистора в H-параметрах

72

неучтенные ранее, тогда получим уточненную схему замещения биполярного транзистора (рис. 6.4).

Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называются уравнениями транзистора в Н-параметрах

uбэ H11iб		H12 uкэ ,
	iк H 21iб	(6.4)
		H 22 uкэ.

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (6.4), установим, воспользовавшись режимом холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе. При холостом ходе на входе iб 0, откуда находим два параметра

H			uбэ	,	H			iк	.	(6.5)
	12					22
			uкэ					uкэ

Аналогично при коротком замыкании на выходе uкэ 0 находим:

H			uбэ	,	H			iк	.	(6.6)
	11					21
			iб					iб

Параметры холостого хода в соответствии с (6.5) означают: H21 – обратная передача по напряжению и H22 – выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (6.6) и означают: H11 – входное сопротивление, H21 – прямая передача по току. Полученная система параметров транзистора не противоречит схеме замещения, приведенной на рис. 6.3, а. Так, при H11 H12 H22 0 получаем вместо схемы приведенной на рис. 6.4 схему – на рис. 6.3, а, если положить, что H21 .

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме (рис. 6.3, б), когда в коллекторной цепи включено сопротивление нагрузки RН. В этом случае увеличение тока базы iБ приведет к увеличению тока коллектора iК,. В результате увеличится падение напряжения на нагрузке RН и уменьшится напряжение на коллекторе uКЭ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения

73

uКБ uКЭ uБЭ 0.

(6.7)

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие uКБ 0

. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для

получения данного	тока коллектора при работе транзистора
в линейном режиме.	Выполнение условия uКБ 0 обычно называют

граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы IБ.НАС транзистора в насыщенном режиме к току базы IБ.ГР в граничном режиме

q I Б.НАС I Б.ГР .

(6.8)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает незначительное напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 6.5, а. В соответствии с ней напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

UКЭ.НАС I К RНАС EН ,

(6.9)

где RНАС – сопротивление насыщенного ключа, ЕН = 0,5...0,1 В.

В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение UКЭ.НАС при заданном токе коллектора [13, 14].

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае являет выполнение условия uБЭ 0 . В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис. 6.5, б. В соответствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ro и параллельно включенный

74

КЭ.R

ему генератор небольшого тока утечки IУТ I КБ.О . На вольтамперных характеристиках транзистора, приведенных на рис. 6.2, а, режиму отсечки соответствует горизонтальная линия при iБ1 0 .

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор – эмиттер I при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером.

Рисунок 6.5 – Схемы замещения транзисторного ключа в режиме насыщения (а) и отсечки (б)

Таким образом, два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнуть ключ S. Остальные элементы на схемах замещения, приведенных на рис. 6.5, соответствуют неидеальности транзисторного ключа.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

В инверсном режиме работы транзистора коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. В этом режиме коллектор и эмиттер меняют местами, и роль коллектора выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора, т.е. (βинв< βлин).

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправленных электронных ключах. В этом случае транзистор изготавливается симметричным и его усиление фактически не изменяется при

75

замене коллектора и эмиттера. В таких транзисторах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны характеристикам в линейном режиме.

Рисунок 6.6 – Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

Включение транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) приведено на рис. 6.6 [15]. В исследуемой схеме статический коэффициент передачи тока (в обозначениях EWB) определяется выражением как отношение тока коллектора IК к току базы IБ:

DC IK IC .

(6.10)

Коэффициент передачи тока АС (в обозначениях EWB) определяется отношением приращения IК коллекторного тока к вызывающему его приращению IБ базового тока:

AC I K I Б .

(6.11)

Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллек- тор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению IБ тока базы:

76

r U БЭ		U БЭ 2	U БЭ1	.	(6.12)
ВХ	I Б	I Б 2	I Б1

Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с ОЭ, выраженное через параметры транзистора, определяется следующей формулой:

rВХ rБ АС rЭ ,

(6.13)

где rБ – распределенное сопротивление базовой области полупроводника;

rЭ – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: rЭ = 25/IЭ, где IЭ – постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое rБ в (6.13) много меньше второго, поэтому им

можно пренебречь:
rВХ АС rЭ .	(6.14)

Дифференциальное сопротивление rЭ перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением rВХ.ОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения UБЭ к вызван-

ному им приращению IЭ тока эмиттера:
r		U БЭ		U БЭ 2	U БЭ1	.	(6.15)
ВХ .ОБ		IЭ		IЭ2	IЭ1
Через параметры транзистора это сопротивление определяется сле-
дующим выражением:
	rВХ.ОБ rБ		АС rЭ .				(6.16)

Первым слагаемым в выражении (6.16) ввиду его малости можно пренебречь, поэтому считаем, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:

rВХ.ОБ rЭ .

(6.17)

6.4 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Определение статического коэффициента

77

передачи тока транзистора

а) Определение DC коэффициента передачи при напряжении источника ЕБ = 5,7 В

Создайте и включите схему (см. рис. 6.6). Запишите результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Содержание отчета». По полученным результатам рассчитайте статический коэффициент передачи транзистора DC. Результат записать в раздел «Содержание отчета».

б) Определение DC коэффициента передачи при напряжении источника ЕБ = 2,68 В

Изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 2.68 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Содержание отчета». По полученным

результатам рассчитать	коэффициент	DC.	Ответ записать
в раздел «Содержание отчета».
в) Определение DC	коэффициента	передачи	при напряжении

источника ЕК = 5 В

Изменить номинал источника ЭДС ЕК до 5 В. Запустить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Содержание отчета». По полученным результатам рассчитать статический коэффициент передачи транзистораDC. Результат записать в раздел «Содержание отчета». Затем установить номинал ЕК равным 10В.

Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора транзистора

Всхеме (см. рис. 6.6) изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 0 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

а) Измерение токов IБ и IК транзистора

Всхеме (см. рис. 6.6) произвести измерения тока коллектора IК для каждого значения ЕК и ЕБ. Результаты измерений занести в табл. 6.1 раздела «Содержание отчета».

б) Построение семейства выходных характеристик транзистора

По данным табл. 6.1 постройте в разделе «Содержание отчета»

78

(рис. 6.10) семейство выходных характеристик транзистора, представляющих зависимости IК = f(ЕК) при IБ = const.

в) Снятие осциллограмм выходных характеристик транзистора

Создать схему, изображенную на рис. 6.7. Включить схему. Зарисовать осциллограмму выходной характеристики, соблюдая масштаб, в разделе «Содержание отчета» (рис. 6.11). Повторить измерения для каждого значения ЕБ из табл. 6.1. Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовать в разделе «Содержание отчета» на одном графике.

Рисунок 6.7 – Схема для осциллографирования выходных характеристик транзистора

г) Определение коэффициента передачи тока транзистора

По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока АС при изменении базового тока от 10 A до 30 A, ЕК = 10 В. Результат записать в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

а) Измерение токов IБ, IЭ и напряжения UБЭ транзистора

Создайте схему (рис. 6.6). Установить значение напряжения источника ЕК равным 10 В и провести измерения тока базы IБ, напряжения база-эмиттер UБЭ, тока эмиттера IЭ для различных значений напряже-

79

ния источника ЕБ в соответствии с табл. 6.2 в разделе «Содержание отчета». Обратите внимание на то, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера, IК IЭ.

б) Построение входной характеристики транзистора

В разделе «Содержание отчета» по данным табл. 6.2 построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер

(рис. 6.12).

Рисунок 6.8 – Схема осциллографирования входных характеристик транзистора

в) Осциллографирование входной характеристики транзистора

Создать схему (рис. 6.8). Включить схему. Зарисовать входную характеристику транзистора в разделе «Содержание отчета» (рис. 6.13).

г) Определение входного сопротивления транзистора

По входной характеристике найти сопротивление rвх при изменении базового тока от 10 А до 30 А. Результат записать в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 5. Получение входной характеристики транзистора в схеме с общей базой

а) Построение входной характеристики транзистора

В разделе «Содержание отчета» по данным табл. 6.2, построить график зависимости тока эмиттера от напряжения база-эмиттер

(рис. 6.14).

б) Осциллографирование входной характеристики транзистора

Создать и включить схему (рис. 6.9). Зарисовать осциллограмму полученной характеристики в разделе «Содержание отчета»

(рис. 6.15).

в) Определение сопротивления rЭ транзистора

80