Site Loader

Лекция 4 Характеристики и параметры биполярного транзистора

1.3. Характеристики и параметры биполярного транзистора

в схеме ОЭ

Биполярный транзистор описывается в первую очередь семейством входных и выходных характеристик. Эти характеристики называют статическими, поскольку их снимают при отсутствии в цепях транзистора резисторов и относительно медленных изменениях токов и напряжений. Входными называют семейство вольт-амперных характеристик входной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений напряжения выходной цепи. Выходными называют семейство вольт-амперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из рис.1.7, каждой схеме включения соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому вид и входных и выходных характеристик транзистора будет определяться схемой его включения.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа n-p-n для схемы включения ОЭ представлены на рис.1.8 и 1.9. Характеристики транзистора типа p-n-p аналогичны, но значения напряжений U

и U — отрицательные.

Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ – это семейство зависимостей IБ (U), построенных при постоянных значениях напряжения U. Однако, как видно из рис.1.8, приводятся две зависимости: одна для U = 0, а другая для значения напряжения U

, соответствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольт-амперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U практически не отличаются друг от друга. В данном случае зависимость IБ (U) по существу является вольт-амперной характеристикой эмиттерного p-n перехода, поскольку коллекторный переход находится в закрытом состоянии. При U= 0, кроме эмиттерного, открытым будет и коллекторный переход, зависимость IБ (U
) представляет собой вольт-амперную характеристику уже двух переходов, включенных параллельно (токи эмиттера и коллектора суммируются в базе).

Рис.1.8. Входная характеристика Рис.1.9. Выходная характеристика биполярного транзистора биполярного транзистора

Выходная характеристика транзистора в схеме ОЭ, как видно из рис.1.9, — это семейство зависимостей I(U), построенных для ряда значений тока IБ. Каждая вольт-амперная характеристика имеет три участка: начальный, на котором происходит резкое увеличение коллекторного тока при подъеме напряжения U

; рабочий участок, где коллекторный ток незначительно увеличивается при увеличении напряжения U, при этом зависимость I (U) – линейная; участок пробоя коллекторного перехода. Резкое увеличение коллекторного тока в начале вольт-амперной характеристики соответствует закрытию коллекторного перехода, когда по абсолютному значению напряжение U становится больше напряжения U
и обеспечивается перенос рабочих носителей заряда из базового слоя в коллекторный. При этом увеличение тока базы (при увеличении напряжения база-эмиттер) обусловлено увеличением поступления рабочих носителей заряда из эмиттерного слоя в базовый.

Соотношения (1.1) и (1.2) позволяют получить выражение для рабочих участков выходной характеристики.

I = β IБ + I. (1.3)

В этом выражении I =

I — является начальным током транзистора в схеме ОЭ, который получается при IБ = 0. Параметр β = — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, который характеризует усиление транзистора по току. Поскольку значение α составляет 0,9 – 0,99, величина параметра β обычно находится в пределах 9 – 99.

Соотношение (1.3) правильно отражает линейное увеличение коллекторного тока при увеличении тока базы, но не передает зависимость тока I от напряжения U

. Последнее учитывается введением в соотношение (1.3) дополнительного слагаемого, после чего оно принимает вид

I = β IБ + + I, (1.4)

где r — дифференциальное сопротивление выхода транзистора в схеме ОЭ.

Область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора, называется рабочей. Границы этой области, показанной на рис.1.9, определяются тремя факторами:

  • максимальным значением напряжения U, превышение которого приводит к электрическому пробою коллекторного p-n перехода;

  • максимальным значением коллекторного тока I, превышение которого приводит к перегреву эмиттерного p-n перехода;

  • максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, Р, превышение которого приводит к перегреву этого перехода. На рис.1.9 последнему фактору соответствует гипербола

I

U = Р.

В маломощных транзисторах значение Р не превышает 0,3 Вт, в транзисторах средней мощности – 3 Вт. Современные транзисторы высокого уровня мощности обеспечивают рассеяние мощности до 100 Вт.

Внутри рабочей области транзистор обычно эксплуатируется в составе усилителей. Начальный участок вольт-амперной характеристики, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, используется в устройствах импульсной техники при работе транзистора в ключевом режиме.

Как отмечалось, в рабочей области коллекторный ток весьма слабо зависит от напряжения U

. Кроме того, из хода вольт-амперной характеристики входной цепи видно, что малому изменению напряжения U соответствует большое изменение базового тока. Из этого следует целесообразность установки электрического режима транзистора по величинам тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, т.е. их выбора в качестве параметров режима прибора. В таком качестве они используются при построении статических характеристик: входные характеристики строятся для ряда значений напряжения U, а выходные – для ряда значений тока IБ.

1.4. Схемы замещения биполярного транзистора

При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения, которая может быть либо бесструктурной, либо структурной. В первом случае транзистор представляется в виде эквивалентного четырехполюсника, во втором – в виде эквивалентной схемы, отражающей физические связи между ее элементами.

Хотя транзистор является нелинейным элементом, но как видно из рис.1.8 и 1.9, на входной и выходной характеристиках можно выделить участки, где зависимости между токами и напряжениями близки к линейным. Такие участки находятся внутри рабочей области. Поэтому транзистор, параметры которого соответствуют рабочей области, можно заменить эквивалентным четырехполюсником, линейными соотношениями которого связываются не значения его входных и выходных токов и напряжений, а величины приращений данных параметров. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током I

Б и выходным напряжением U, величины приращений его параметров целесообразно связать через h-параметры:

Δ U = h Δ I Б + h Δ U, (1.5)

Δ I = h

Δ I Б + h Δ U. (1.6)

Из соотношения (1.5) при Δ U = 0 следует

h= , (1.7)

а при Δ I Б = 0

h =. (1.8)

Аналогичным образом из соотношения (1.6) можно получить

h =, (1.9)

h=. (1.10)

Согласно соотношениям (1.7) – (1.10)

h является входным сопротивлением транзистора при постоянном значении напряжения U;

h — коэффициент обратной связи по напряжению;

h — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U;

h — выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Дифференцирование соотношения (1.4) при условии U = const показывает, что

h = β. (1.11)

Значения h-параметров транзистора рассчитываются, если известны входные и выходные характеристики. Обычно величина параметра h находится в пределах от нескольких сот до единиц тысяч Ом, а величина параметра h — в пределах 10 — 104 См. Величина параметра h практически равна нулю.

В соответствии с рис.1.7,б эквивалентную схему транзистора можно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема для случая включения транзистора с ОЭ приведена на рис.1.10, где приращения токов и напряжений обозначаются как iБ, iК, uБЭ, uКЭ. Для рабочей области прибора параметры элементов схемы можно считать постоянными величинами.

Левая часть эквивалентной схемы транзистора отражает эмиттерный переход, находящийся в открытом состоянии. Поэтому в соответствии со схемой замещения p-n перехода (при ключе К на рис.1.4 в положении «а») резистор rЭ представляет собой сопротивление открытого перехода, величина которого невелика и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Резистор rБ представляет сопротивление базового слоя, величина которого определяется входным сопротивлением прибора, поскольку сопротивление rЭ мало. Правая часть схемы рис.1.10 отражает коллекторный переход, находящийся в закрытом состоянии. Согласно схеме рис.1.4 (при ключе К в положении «б») он представляется параллельным соединением сопротивления rК(Э) и емкости СК. Кроме того, параллельно им включен источник тока βiБ, отражающая факт переноса рабочих носителей заряда в коллекторный слой. На низких частотах емкостное сопротивление велико и шунтирующим действием емкости СК на источник тока βiБ можно пренебречь, в связи с чем подключение емкости СК на рис.1.10 обозначено пунктиром.

Рис.1.10. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Согласно эквивалентной схеме рис.1.10 с учетом малой величины сопротивления rЭ приращение коллекторного тока

,

что находится в соответствии с соотношением (1.4), поскольку при небольших изменениях электрического режима транзистора величина обратного тока IК(0) практически не изменяется. Это подтверждает обоснованность введение второго слагаемого в правую часть соотношения (1.4). Нетрудно также убедиться, что согласно (1.10)

r = .

Характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Рис.7. Схема включения транзистора с ОЭ.  

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

 

Входная статическая характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при постоянном выходном напряжении UКЭ. Для схемы с общим эмиттером:

IБ = f (UБЭ) при UЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для UКЭ> 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока IК от выходного напряжения UКЭ при постоянном входном токе IБ. Для схемы включения с общим эмиттером:

IК = f (UКЭ) при IБ = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера IЭ.

 

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор RК, за счёт которого изменение входного тока или напряжения UВХ будет вызывать изменение выходного напряжения UВЫХ = UКЭ (Рис.10).

 

 

— 9 –


Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

 

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

IБ = f (UБЭ)

Поскольку в статическом режиме для UКЭ> 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

 

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения UКЭ от выходного тока IК при фиксированных значениях входного тока IБ (Рис.11б):

UКЭ = EК – IКRК

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А, В на Рис.11б.

Координаты точки А [UКЭ = 0; IK = ЕКRК ] – на оси IK.

Координаты точки В [IK = 0; UКЭ = ЕК] – на оси UКЭ.

Координаты точки Р [U; I0K] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

— 10 —

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току IК0, а напряжение UКЭ = EК.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

IБ = max; IК ≈ IКН; UКЭ = EК – IКН RН; UКЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: IК доп, UКЭдоп, PК доп (Рис.11б) и IБ нас, UБЭдоп(Рис.11а) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.



Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 23217;


Похожие статьи:

ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (БПТ) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, применяющийся для усиления и генерации электрических сигналов, имеющий три и более выводов. Биполярные транзисторы строятся на основе структур p-n-p или n-p-n. Процессы в данных структурах проходят одинаково.

Рис. 7. Структура(а) и обозначение БПТ(б)

Центральная область структуры называется базой, две другие области являющиеся источниками зарядов и приемниками называются эмиттер и коллектор соответственно.

В основном рабочем режиме, который носит название – Активный, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, что означает что к переходу эмиттер база прикладывается прямое напряжение, а переход коллектор-база смещен в обратном.

Основной схемой включения БПТ считают схему. Где общим электродом для входной и выходной цепи является электрод эмиттера.

Для анализа усилительных свойств транзистора применяются семейства входных и выходных характеристик. Для схемы с общим эмиттером (ОЭ) входными будут являться зависимости при (рис.8 а), а выходными – при (рис 8. б).

Рис. 8. Входные (а) и выходные характеристики (б) БПТ

Наклон характеристик в активном режиме обусловлен модуляцией ширины базы коллекторным напряжением. С ростом обратного напряжения на коллекторе увеличивается ширина ОПЗ коллекторного перехода и уменьшается ширина базы, вследствие чего рекомбинация дырок в базе становится меньше и коллекторный ток возрастает.

В схеме с общим эмиттером помимо большого усиления по напряжению происходит значительное усиление по току и, как следствие, по мощности.

К параметрам транзистора отвечающим за усиление электрического сигнала относят статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером , при и α – коэффициент усиления по току для схемы с общей базой, при . Данные коэффициенты связанны между собой зависимостью .



Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 6058;


Похожие статьи:

Лекция 4 Характеристики и параметры биполярного транзистора

1.3. Характеристики и параметры биполярного транзистора

в схеме ОЭ

Биполярный транзистор описывается в первую очередь семейством входных и выходных характеристик. Эти характеристики называют статическими, поскольку их снимают при отсутствии в цепях транзистора резисторов и относительно медленных изменениях токов и напряжений. Входными называют семейство вольт-амперных характеристик входной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений напряжения выходной цепи. Выходными называют семейство вольт-амперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из рис.1.7, каждой схеме включения соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому вид и входных и выходных характеристик транзистора будет определяться схемой его включения.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа n-p-n для схемы включения ОЭ представлены на рис.1.8 и 1.9. Характеристики транзистора типа p-n-p аналогичны, но значения напряжений U и U — отрицательные.

Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ – это семейство зависимостей IБ (U), построенных при постоянных значениях напряжения U. Однако, как видно из рис.1.8, приводятся две зависимости: одна для U = 0, а другая для значения напряжения U, соответствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольт-амперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U практически не отличаются друг от друга. В данном случае зависимость IБ (U) по существу является вольт-амперной характеристикой эмиттерного p-n перехода, поскольку коллекторный переход находится в закрытом состоянии. При U= 0, кроме эмиттерного, открытым будет и коллекторный переход, зависимость IБ (U) представляет собой вольт-амперную характеристику уже двух переходов, включенных параллельно (токи эмиттера и коллектора суммируются в базе).

Рис.1.8. Входная характеристика Рис.1.9. Выходная характеристика биполярного транзистора биполярного транзистора

Выходная характеристика транзистора в схеме ОЭ, как видно из рис.1.9, — это семейство зависимостей I(U), построенных для ряда значений тока IБ. Каждая вольт-амперная характеристика имеет три участка: начальный, на котором происходит резкое увеличение коллекторного тока при подъеме напряжения U; рабочий участок, где коллекторный ток незначительно увеличивается при увеличении напряжения U, при этом зависимость I (U) – линейная; участок пробоя коллекторного перехода. Резкое увеличение коллекторного тока в начале вольт-амперной характеристики соответствует закрытию коллекторного перехода, когда по абсолютному значению напряжение U становится больше напряжения U и обеспечивается перенос рабочих носителей заряда из базового слоя в коллекторный. При этом увеличение тока базы (при увеличении напряжения база-эмиттер) обусловлено увеличением поступления рабочих носителей заряда из эмиттерного слоя в базовый.

Соотношения (1.1) и (1.2) позволяют получить выражение для рабочих участков выходной характеристики.

I = β IБ + I. (1.3)

В этом выражении I = I — является начальным током транзистора в схеме ОЭ, который получается при IБ = 0. Параметр β = — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, который характеризует усиление транзистора по току. Поскольку значение α составляет 0,9 – 0,99, величина параметра β обычно находится в пределах 9 – 99.

Соотношение (1.3) правильно отражает линейное увеличение коллекторного тока при увеличении тока базы, но не передает зависимость тока I от напряжения U. Последнее учитывается введением в соотношение (1.3) дополнительного слагаемого, после чего оно принимает вид

I = β IБ + + I, (1.4)

где r — дифференциальное сопротивление выхода транзистора в схеме ОЭ.

Область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора, называется рабочей. Границы этой области, показанной на рис.1.9, определяются тремя факторами:

  • максимальным значением напряжения U, превышение которого приводит к электрическому пробою коллекторного p-n перехода;

  • максимальным значением коллекторного тока I, превышение которого приводит к перегреву эмиттерного p-n перехода;

  • максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, Р, превышение которого приводит к перегреву этого перехода. На рис.1.9 последнему фактору соответствует гипербола

I U = Р.

В маломощных транзисторах значение Р не превышает 0,3 Вт, в транзисторах средней мощности – 3 Вт. Современные транзисторы высокого уровня мощности обеспечивают рассеяние мощности до 100 Вт.

Внутри рабочей области транзистор обычно эксплуатируется в составе усилителей. Начальный участок вольт-амперной характеристики, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, используется в устройствах импульсной техники при работе транзистора в ключевом режиме.

Как отмечалось, в рабочей области коллекторный ток весьма слабо зависит от напряжения U. Кроме того, из хода вольт-амперной характеристики входной цепи видно, что малому изменению напряжения U соответствует большое изменение базового тока. Из этого следует целесообразность установки электрического режима транзистора по величинам тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, т.е. их выбора в качестве параметров режима прибора. В таком качестве они используются при построении статических характеристик: входные характеристики строятся для ряда значений напряжения U, а выходные – для ряда значений тока IБ.

1.4. Схемы замещения биполярного транзистора

При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения, которая может быть либо бесструктурной, либо структурной. В первом случае транзистор представляется в виде эквивалентного четырехполюсника, во втором – в виде эквивалентной схемы, отражающей физические связи между ее элементами.

Хотя транзистор является нелинейным элементом, но как видно из рис.1.8 и 1.9, на входной и выходной характеристиках можно выделить участки, где зависимости между токами и напряжениями близки к линейным. Такие участки находятся внутри рабочей области. Поэтому транзистор, параметры которого соответствуют рабочей области, можно заменить эквивалентным четырехполюсником, линейными соотношениями которого связываются не значения его входных и выходных токов и напряжений, а величины приращений данных параметров. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током I Б и выходным напряжением U, величины приращений его параметров целесообразно связать через h-параметры:

Δ U = h Δ I Б + h Δ U, (1.5)

Δ I = h Δ I Б + h Δ U. (1.6)

Из соотношения (1.5) при Δ U = 0 следует

h= , (1.7)

а при Δ I Б = 0

h =. (1.8)

Аналогичным образом из соотношения (1.6) можно получить

h =, (1.9)

h=. (1.10)

Согласно соотношениям (1.7) – (1.10)

h является входным сопротивлением транзистора при постоянном значении напряжения U;

h — коэффициент обратной связи по напряжению;

h — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U;

h — выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Дифференцирование соотношения (1.4) при условии U = const показывает, что

h = β. (1.11)

Значения h-параметров транзистора рассчитываются, если известны входные и выходные характеристики. Обычно величина параметра h находится в пределах от нескольких сот до единиц тысяч Ом, а величина параметра h — в пределах 10 — 104 См. Величина параметра h практически равна нулю.

В соответствии с рис.1.7,б эквивалентную схему транзистора можно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема для случая включения транзистора с ОЭ приведена на рис.1.10, где приращения токов и напряжений обозначаются как iБ, iК, uБЭ, uКЭ. Для рабочей области прибора параметры элементов схемы можно считать постоянными величинами.

Левая часть эквивалентной схемы транзистора отражает эмиттерный переход, находящийся в открытом состоянии. Поэтому в соответствии со схемой замещения p-n перехода (при ключе К на рис.1.4 в положении «а») резистор rЭ представляет собой сопротивление открытого перехода, величина которого невелика и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Резистор rБ представляет сопротивление базового слоя, величина которого определяется входным сопротивлением прибора, поскольку сопротивление rЭ мало. Правая часть схемы рис.1.10 отражает коллекторный переход, находящийся в закрытом состоянии. Согласно схеме рис.1.4 (при ключе К в положении «б») он представляется параллельным соединением сопротивления rК(Э) и емкости СК. Кроме того, параллельно им включен источник тока βiБ, отражающая факт переноса рабочих носителей заряда в коллекторный слой. На низких частотах емкостное сопротивление велико и шунтирующим действием емкости СК на источник тока βiБ можно пренебречь, в связи с чем подключение емкости СК на рис.1.10 обозначено пунктиром.

Рис.1.10. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Согласно эквивалентной схеме рис.1.10 с учетом малой величины сопротивления rЭ приращение коллекторного тока

,

что находится в соответствии с соотношением (1.4), поскольку при небольших изменениях электрического режима транзистора величина обратного тока IК(0) практически не изменяется. Это подтверждает обоснованность введение второго слагаемого в правую часть соотношения (1.4). Нетрудно также убедиться, что согласно (1.10)

r = .

7. Статические характеристики биполярного транзистора

Транзистор в электрических схемах используется в качестве четырехполюсника, характеризующегося четырьмя величинами: входным и выходным напряжениями и входным и выходным токами ( uВХ, uВЫХ, iВХ, iВЫХ). Функциональные зависимости между этими величинами называются статическими характеристиками транзистора, Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых переменных, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых переменных. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых переменных выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае входное напряжение и выходной ток выражаются следующим образом:

На практике удобнее использовать функции одной переменой. Для перехода к таким функциям необходимо вторую переменную, называемую в этом случае параметром характеристики, поддерживать постоянной. В результате получаются четыре типа характеристик транзистора:

; (3.31)

; (3.32)

; (3.33)

. (3.34)

Статические характеристики транзистора могут задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Семейства входных и выходных характеристик транзистора считаются основными и приводятся в справочниках, с их помощью легко могут быть получены два других семейства характеристик. В различных схемах включения транзистора в качестве входных и выходных токов и напряжений выступают токи, протекающие в цепях различных электродов, и напряжения, приложенные между различными электродами. Поэтому конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора. Рассмотрим статические характеристики транзистора в наиболее распространенных схемах ОБ и ОЭ. Статические характеристики в схеме ОБ. В схеме с ОБ (см. рис.3,а) входным током является ток эмиттера iЭ, а выходным — ток коллектора iК, соответственно, входным напряжением является напряжение uЭБ, а выходным — напряжение uКБ.

Входная характеристика в схеме ОБ представляет собой зависимость

Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис.20. Выражение для идеализированной входной характеристики транзистора в активном режиме имеет вид:

Следует отметить, что в выражении (3.35) отсутствует зависимость тока iЭ от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Реально такая зависимость существует и связана она с эффектом Эрли. Как показано в п. 3.3, при увеличении обратного напряжения uКБ. сужается база транзистора , в результате чего несколько увеличивается ток эмиттера iЭ. Увеличение тока iЭ с ростом uКБ. отражается небольшим смещением входной характеристики в сторону меньших напряжений  uЭБ.  — см. рис. 3.20. Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение uЭБ.>0 , хотя реально эмиттерный переход остается закрытым ( iЭ  0) и при прямых напряжениях  uЭБ меньших порогового напряжения.

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведена на рис.21. Выражение дляидеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид: iК = · iЭ+ IКБ0. (3.36)

В соответствие с этим выражением ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения uКЭ. Реально (см. рис.21) имеет место очень небольшой рост iК при увеличении обратного напряжения uКБ, связанный с эффектом Эрли. В активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения коэффициента передачи тока эмиттера  эта эквидистантность нарушается, и характеристики несколько приближаются друг к другу. При iЭ= 0 в цепи коллектора протекает тепловой ток ( iК= IКБ0). В режиме насыщения на коллекторный переход подается прямое напряжение uКБ, большее порогового значения, открывающее коллекторный переход. В структуре транзистора появляется инверсный сквозной поток электронов, движущийся из коллектора в эмиттер навстречу нормальному сквозному потоку, движущемуся из эмиттера в коллектор. Инверсный поток очень резко увеличивается с ростом  uКБ. , в результате чего коллекторный ток уменьшается и очень быстро спадает до нуля — см. рис.21.

Статические характеристики в схеме ОЭ

В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входным током является ток базы iБ, а выходным — ток коллектора iК, соответственно, входным напряжением является напряжение uБЭ, а выходным — напряжение uКЭ.

Входная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость

Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис.22. Выражение для идеализированной входной характеристики в активном режиме имеет вид:

, (3.37)

где uБЭ — прямое напряжение на эмиттерном переходе. Так же, как и в схеме ОБ, входная характеристика имеет вид, характерный для прямой ветви ВАХ p-n-перехода (см. рис.22). однако, входной ток iБ здесь в (  + 1) раз меньше, чем в схеме ОБ. Экспоненциальный рост тока базы при увеличении uБЭ связан с увеличением инжекции электронов в базу и соответствующим усилением их рекомбинации с дырками. В выражении (3.37) отсутствует зависимость тока iБ от напряжения uКЭ. Реально эта зависимость имеет место, она связана с эффектом Эрли. С ростом обратного напряжения на коллекторном переходе сужается база транзистора, в результате чего уменьшается рекомбинация носителей в базе и, соответственно, уменьшается ток базы. Снижение тока базы с ростом uКЭ отражается небольшим смещением характеристик в область больших напряжений uБЭ — см. рис. 3.22.При uКЭ< uБЭ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, их рекомбинация с дырками усиливается, и ток базы резко возрастает — см. рис.22.

Выходная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведено на рис.23. Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

. (3.38)

Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером по сравнению с характеристикой в схеме с общей базой, является то, что она целиком лежит в первом квадранте. Это связано с тем, что в схеме ОЭ напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами, и при uКЭ< uБЭ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым, в результате транзистор переходит в режим насыщения при uКЭ >0 (cм. рис.23). В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, то есть ток коллектора не зависит от тока базы. Так же, как и в схеме ОБ, идеализированная характеристика в активном режиме не зависит от напряжения uКЭ. Реально имеет место заметный рост тока iК с ростом uКЭ (см. рис.23), связанный с эффектом Эрли. Этот рост выражен значительно сильнее, чем в схеме ОБ в связи с более резкой зависимостью от напряжения на коллекторном переходе коэффициента передачи тока базы  по сравнению с коэффицентом передачи тока эмиттера  . Также более резкой зависимостью  от тока эмиттера и, соответственно, от тока базы объясняется практическое отсутствие эквидистантности характеристик. При iБ=0 в цепи коллектора протекает ток iКЭ0=  iБЭ0.

Увеличение тока в  раз по сравнению со схемой ОБ объясняется тем, что в схеме ОЭ при iБ=0 и uКЭ >0 эмиттерный переход оказывается несколько приоткрыт напряжением uКЭ, и инжектируемые в базу электроны существенно увеличивают ток коллектора.

7. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общей базой:

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p — n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области uКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы Iбвызывают значительные изменения коллекторного тока Iк. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор — исток и затвор — сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество — отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Схема Дарлингтона:

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Прямоугольник 29

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

Прямоугольник 29

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора  на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора  включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора  в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Расчет параметров биполярного транзистора

Саратовский государственный технический университет

Методические указания

к самостоятельной работе студентов

под контролем преподавателя

по курсу «Промышленная электроника»

для специальности 1004

Одобрено

редакционно-издательским

советом СГТУ

Саратов 2006

Введение

В соответствии с действующей рабочей программой по дисцип­лине «Промышленная электроника» студенты специальности ЭПП должны выполнить 4 самостоятельных расчетно-графические работы под контролем преподавателя. В настоящих методических ука­заниях изложены материалы по первой работе «Расчет параметров биполярного транзистора.

В основных положениях указаний изложен минимальный объем информации, позволяющий студенту выполнить предлагаемое зада­ние. Предполагается, что студент в процессе подготовки к непосредственному расчету должен изучить в полном объеме необходимый материал по рекомендуемым ниже учебникам и пособиям. При этом следует обратить внимание на физические явления, лежащие в основе работы транзистора, разобраться во взаимосвязи между его электрическими параметрами , хорошо представлять порядок величин параметров.

При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные контрольные вопросы помогут студенту не только определить степень его готовности к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.

Кроме формулировки задания, методические указания содержат справочные сведения по транзисторам, которыми студент обязан пользоваться.

Оформление выполненного задания в тетради должно быть аккуратным, с полной записью его условия. Графики выполняются с помощью графических принадлежностей.

Рекомендуются следующие учебники и пособия:

    1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.-М.:Высшая школа, 1982 /стр. 42-64/.

    2. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988 /стр. 20-28/.

    3. Основы промышленной электроники. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова.-М.: Высшая школа, 1986 /стр. 28-34/.

1. Основные положения

1.1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный транзистор представляет собой кристалл проводника, состоящий из трех слоев с различной проводимостью, как

условно показано на Рис.1. Каждый из слоев снабжён электродами, необходимыми для подключения к внешней цепи, которые называются эмиттер, база и коллектор. Возможны два типа транзисторов и в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних эмиттерном и коллекторном слоях, и в среднем-базовом слое. Как видно из Рис.1., в биполярном транзисторе два перехода, которые называются эмиттерным и коллекторным.

Рис.1

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется типом основного носителя эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа – электроны.

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые в своем дрейфе от эмиттера к коллектору прохо­дят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заря­да нейтрализуется основными зарядами материала базового слоя. Биполярные транзисторы изготовлены так, что концентрация основ­ных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя, поэтому в базовом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей, поступающая из эмиттера, а 90-99 % рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Для обеспечения описанного выше процесса дрейфа рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжение от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора типа приведена на Рис.2.

Рис.2

Чтобы поток рабочих носителей заряда (электронов) из эмиттерного слоя поступал в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан «минус», а к базовому -«плюс». С увеличением напряжения эмиттер — база увеличивается поток носителей заряда, а поэтому и ток эмиттера.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источника внешней цепи. Это обуславливает протекание тока базы, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли потока рабочих носителей заряда, которая нейтрализуется в базовом слое.

Малая величина тока базы определяет функцию базового элект­рода как управляющего. Действительно, эффективное управление транзистором может быть только такое, которое потребляет малый уровень мощности.

Для достижения коллектора электронами эмиттера вошедшими в базовый слой, необходимо, чтобы источник ЭДС, включенный между коллекторным и базовым электродами, обеспечивал подачу на коллектор положительного потенциала относительно базы. Это иллюстрируется на Рис.2.

На Рис.2 представлено включение транзистора по схеме с общей базой. Наряду с такой схемой, на Рис.3. представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешних цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схемы) и выходная (правые части). Наименование схемы

Рис.3

включения транзистора определяется электродом, который явля­ется общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе происходит управление работой транзистора, и в эту цепь включается источник входного сигнала. Нагрузка включается в выходную цепь.

Входные и выходные токи в представленных схемах включения транзистора, а также напряжения между электродами транзистора, определяемые источниками ЭДС, различны и приведены в таблице 1.

Таблица 1

Токи и напряжения во входной и выходной цепях

схем включения транзистора

Схема включения

Входной ток

Входное напряжение

Выходной ток

Выходное напряжение

ОБ

IЭ

UЭБ

IК

UКБ

ОЭ

IБ

UБЭ

IК

UКЭ

ОК

IБ

UБК

IЭ

UЭК

Полярность напряжений источников ЭДС, показанная на Рис.3. соответствует транзистору типа . При использовании транзистора типа в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников должны быть изменены.

1.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме ОЭ

Сведения о конкретном типе транзистора, необходимые для правильного выбора режима его работы, обычно приводятся в виде характеристик и систем параметров.

Транзистор, описывается, в первую очередь, семейством вход­ных и выходных характеристик. Входными называется семейство вольтамперных характеристик входной цепи схемы включения тран­зистора, построенных для ряда фиксированных значений напряже­ния выходной цепи. Выходными называется семейство вольтамперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из таблицы 1 каждой схеме включения транзистора соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому и вход­ные и выходные характеристики транзистора будут определяться схемой его включения.

Ниже будут рассматриваться характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Эта схема включения нашла наибольшее распространение.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа представлены на рис.4 и 5*. Входная характеристика — это семейство вольтамперных характеристик IБ (UБЭ), построенных при постоянных значениях напряжения UКЭ. Обычно, как видно из рис.4, приводятся две характеристики: одна для UКЭ=0 , а другая для значения напряжения UКЭ ,соответ­ствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольтамперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений UКЭ практически не отличаются друг от друга.

Выходная статистическая характеристика транзистора, как показано на Рис.5 – это семейство вольтамперных характеристик IК(UКЭ), построенных для ряда значений тока IБ. На выходной характеристике обычно строится рабочая область, т.е. область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора. Границы этой области представленной на Рис.5. связаны с тремя факторами:

__________­­__

*/ Для транзисторов типа напряжения UБЭ и UКЭ— отрицательной полярности.

Рис.4

Рис.5

— максимальным значением напряжения UКЭмах , превышение которого приводит к электрическому пробою в коллекторном переходе транзистора;

— максимальным значением коллекторного тока IКмах , превышение которого может приводить к перегреву эмиттерного перехода;

— максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, превышение которого приводит к перегреву этого перехода, РКмах.

На выходной характеристике, Рис.5., последнему фактору соответствует гипербола

(1)

Как видно из Рис.4 и 5, транзистор представляет собой нелинейный элемент, поскольку его входные и выходные вольтамперные характеристики нелинейные, а следовательно, величины входного и выходного сопротивлений зависят от соответствующих токов и напряжений. Однако на входных и выходных характеристиках транзистора можно выделить участки, где зависимости близки к линейным. В частности , линейными можно считать зависимости в рабочей области Рис.5 , если исключить малые значения напряжения коллектор – эмиттер. Область малых значений UКЭ , где происходит резкое увеличение тока, не используются при работе транзистора в линейном режиме усилителей и генераторов.

Известно из ТОЭ, что на участках, где вольтамперные характеристики нелинейных элементов могут быть аппроксимированные отрезками прямых, эти элементы могут рассматриваться как линейные. Поэтому транзистор в рабочей области часто заменяется эквивалентным четырехполюсником, характеризующимся определенными значениями h параметров, которые являются коэффициентами в соотношениях, связывающих не величины токов и напряжений, а величины их приращений, т.е IБ, IK, ∆UБЭ, ∆UКЭ.

(2)

Из первого соотношения системы (2) при UКЭ=0 (или UКЭ=const) следует

(3)

Из этого же соотношения при IБ=0 (или IБ =const) следует

(4)

Аналогичным образом второе соотношение системы (2) позволяет записать:

(5)

(6)

Физический смысл hпараметров согласно соотношениям (3) – (6) следующий:

h11 – входное сопротивление транзистора, при постоянном значении напряжения UКЭ ;

h12 – коэффициент обратной связи по напряжению;

h21 – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения UКЭ и часто обозначаемый через β;

h22— выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы.

1.3. Определение h параметров транзистора

Расчет значений h параметров производится для электрического режима транзистора, соответствующего рабочей точке (точке покоя) на его статических характеристиках. При работе в линейном режиме эта точка обычно располагается в центре ра­бочей области. Поэтому расчету значений h — параметров должно предшествовать определение рабочей области на выходной характеристике и выбор электрических параметров (IБП , IКП , UБЭП , UКЭП ), соответствующих рабочей точке.

Значения h параметров определяются с помощью построений на выходной или входной статической характеристике и с использованием соотношений (3) – (6). При этом обозначения параметров транзистора, входящих в соответствующее соотношение, показывают, какую именно характеристику следует использовать для определения конкретного h параметра.

Величины приращений электрических параметров транзистора в соотношениях (3) – (6) вычисляется как разность между двумя крайними значениями соответствующих параметров. Величина же параметра в рабочей точке должна располагаться в центре интервала между крайними значениями.

Расчет величины параметра h11 проводится по соотношению (3), где приращения значений тока базы и напряжения база-эмиттер определяются как разность соответствующих координат двух точек (крайних) на зависимости IБ(UБЭ) входной характеристи­ки, показанной на Рис.6. Напряжение UКЭ , для которого приводятся построения, должно совпадать с рабочей точкой транзистора.

Рис.6

Построения для расчета величины параметра h22 с помощью соотношения (6) проводится аналогичным образом (см .Рис. 7) на выходной характеристике. Вольтамперная характеристика, на кото­рой выполняются построения, должна соответствовать току базы рабочей точки.

Рис.7

Расчет величины параметра h21 (или β) проводится в два этапа. Сначала по выходным характеристикам строится зависимость IК (IБ) для значения напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точ­ке. Фиксированные значения IК этой зависимости, как видно из построения на Рис.8, определяются ординатами точек пересечения вертикальной прямой, проведенной через точку UКЭП, с вольтамперными характеристиками для фиксированных значений IБ. Затем по построенной кривой зависимости IК (IБ) (см. Рис.9) определяются приращения токов коллектора и базы для подстановки в соотношение (4).

Величина параметра h12 близка к нулю. Об этом свидетельствует тот факт, что в рабочем интервале значений напряжения UКЭ вольтамперных характеристики IБ(UБЭ) транзисторов практически не отличаются друг от друга. Обычно величина параметра h12 не определяется.

1.4. Схема замещения транзистора и определении значений ее параметров

Рассмотренные выше h -параметры транзистора вводятся, в известной степени, формально. Поэтому для расчетов электрических схем на транзисторах предпочтительнее использовать схему

Рис.8

Рис.9

замещения полупроводникового прибора. Под схемой замещения пони­мают электрическую схему, составленную из линейных элементов (сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжений), по своим свойствам отличающихся от реального объекта (в данном случае — транзистора).

В соответствии с Рис.3 схему замещения транзистора целесооб­разно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема приведена на Рис.10. Очевидно, схема замещения справедлива для тех участков статических характеристик транзистора, где вольтамперные характеристики можно считать линейными, т.е. для тех участков, для которых выше определялись значения h –параметров. В связи с этим на Рис.10 токи и напряжения, обозначенные прописными буквами, являются малыми величинами (по сравнению со значениями параметров в рабочей точке) и соответствуют приращениям токов и напряжений, которые использовались при расчете h –параметров.

Рис.10

Схема замещения Рис.10 справедлива для области низких час­тот к включает в себя три активных сопротивления, величины которых можно определить как отношение приращений напряжений в цепях транзистора к соответствующим им приращениям токов:

дифференциальное сопротивление эмиттерного pn перехода,

численные значения которого обычно лежат в пределах от

единиц до десятков Ом;

объёмное сопротивление базы, величина которого в зависимости от типа транзистора составляет 100 — 400 Ом:

дифференциальное сопротивление коллекторного pn перехода, величина которого при включении транзистора по схеме ОЭ составляет несколько кОм и выше.

Кроме того, схема замещения включает генератор тока в цепи коллектора, указывающий на то, что транзистор является активным элементом. Значение тока этого генератора пропорционально значению тока базы iб).

С целью учета частотных свойств транзистора в схеме замещения обычно предусматривается емкость коллекторного pn перехода, шунтирующая источник тока. В связи с тем, что при низких частотах влияние этой емкости незначительно, определение величины этого параметра ниже не предусматривается. Поэтому на схеме Рис.10 присоединение емкости коллекторного перехода обозначено пунктиром.

Как видно из Рис.10 в схему замещения транзистора входят четыре элемента. Величину электрических параметров этих элементов можно связать с величинами четырех h –параметров. Для этого можно использовать законы Кирхгофа, рассмотрев схему замещения транзистора при тех же условиях, при которых были получены соотношения (3) – (6), т.е. при или .

При условии , т.е при коротком замыкании выходных клейм схемы 10 выходной ток, по существу, определяется только величиной тока источника, поскольку сопротивление весьма велико, а , т.е.

(7)

Так как ikи iбэквивалентны приращениям соотвествующих токов и

(8)

Таким образом, параметры h21и β эквивалентны, о чем отмечалось выше.

С учетом эквивалентности параметров и второй закон Кирхгофа, записанный для входного контура схемы Рис.10, дает

(9)

Поскольку токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой первым законом Кирхгофа

, (10)

а также в соответствии с соотношением (7)

(11)

После замены и эквивалентными им приращениями параметров соотношение (11) представляется в виде

(12)

Откуда

(13)

Условие IБ=const эквивалентно режиму, при котором IБ=0 . Для этого режима второй закон Кирхгофа для выходной цепи позволяет записать соотношение

(14)

С учетом того, что rК(Э)>>rЭ , а величины и эквивалентны величинам приращений параметров и , из соотношения (14) следует

(15)

Второй закон Кирхгофа для входной цепи схемы Рис.10 в режиме с IБ=const позволяет записать

(16)

Откуда вследствие соотношения (14) и эквивалентности и соответственно и получается

(17)

Из соотношений (8), (13), (15), (17) нетрудно получить выражения для определения параметров схемы замещения транзистора через его hпараметры

(18)

(19)

(20)

(21)

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *