Стислі теоретичні відомості. 1. Режими біполярних транзисторів

1. Режими біполярних транзисторів. БТ містять два взаємодіючі електронно-діркові переходи. В залежності від їхнього стану (відкритий – закритий) розрізняють чотири режими: активний (лінійне підсилення сигналів), відсічки, насичення й інверсії.

а). В активному режимі на емітерний перехід для забезпечення інжекції носіїв заряду в базу подається пряма напруга U_EB, а на колекторний перехід, який здійснює екстракцію носіїв заряду, – зворотна напруга U_EB.

Транзистор є керованим приладом, його колекторний струм залежить від струму емітера. Треба пам'ятати, що від струму емітера істотно залежить тільки та складова струму колектора, що зумовлена носіями, інжектованими з емітера в базу і втягнутими в коло колектора.

Ступінь впливу вхідного кола транзистора емітерного – в схемі із спільною базою (СБ) і базового – в схемі із спільним емітером (СЕ) оцінюють за допомогою статичних параметрів: коефіцієнта передачі струму емітера h _{21 B} або і коефіцієнта передачі струму бази h _{21 E} або . Керована складова струму колектора в схемі із спільною базою дорівнює I_E, а в схемі із спільним емітером – I_B.

б). У режимі насичення відкриті обидва переходи. Колекторний перехід вже не здійснює повної екстракції носіїв з бази, що призводить до їхнього нагромаджування й інтенсивної рекомбінації. В режимі насичення струм бази може виявитися порівняним зі струмом емітера.

в). У режимі відсічки обидва переходи закриті. Через них проходять струми, зумовлені процесами теплової генерації носіїв заряду в об'ємі напівпровідника, областях об'ємного заряду і на невипрямляючих контактах, а також струмами витікання.

г). В інверсному режимі емітерний перехід закритий, а колекторний – відкритий. Струм колектора визначають за значенням прямої напруги U_CB.

2. Статичні характеристики. До основних характеристик БТ відносять: вхідні, що зв'язують струм і напругу на вході; вихідні, що зв'язують струм і напругу на виході; характеристики передачі, що зв'язують струми або напруги на виході зі струмами або напругами на вході; характеристики зворотного зв'язку, що зв'язують напруги або струми на вході зі струмами або напругами на виході.

Для схеми із СБ вхідні характеристики визначають із залежності I_E = (U_EB) при (рис. 4.1, а).

При збільшенні зворотної напруги на колекторі зростає струм емітера, вхідні характеристики зміщуються лівіше. Це пояснюється тим, що напруга на колекторі впливає на концентрацію носіїв біля нього і змінює товщину бази внаслідок зміни товщини колекторного переходу (розширення збідненої зони). Це так званий ефект модуляції товщини бази.

Вихідні характеристики для схеми із СБ визначають із залежності I_C = (U_CB) при I_E = const (рис. 4.1, б).

Якщо струм емітера дорівнює нулю, то ця залежність являє собою характеристику електронно-діркового переходу при зворотному зміщенні. Якщо в колі емітера створений деякий струм, то навіть при нульовій напрузі колектора в його колі протікає струм. При подачі на колектор прямої напруги з'являється прямий струм колекторного переходу. Так як він тече назустріч струму інжекції, то результуючий струм із зростанням прямої напруги швидко зменшується до нуля, після цього (при подальшому підвищенні прямої напруги колектора) набуває зворотного направлення і починає швидко зростати.

а б

Рис. 4.1. Статичні характеристики біполярного транзистора з спільною базою:

а - вхідні; б - та вихідні

 

Статичні характеристики містять в собі повну інформацію про транзистор як активний елемент радіоелектронних кіл. В режимі великих сигналів, коли робоча точка зміщується по значній ділянці, характеристики, вони є основою графоаналітичного методу аналізу і розрахунку транзисторних схем.

У режимі малих сигналів робоча точка зміщується по невеликій ділянці вхідної і вихідної характеристик. Тому транзистор може розглядатися як лінійний елемент. У даному випадку для аналізу і розрахунку використовують лінійні методи. За характеристиками транзистора визначають малосигнальні диференціальні параметри.

3. Диференціальні параметри транзисторів. Величини, що мають малий приріст струмів і напруг, називають диференціальними параметрами транзистора.

При поданні транзистора лінійним чотириполюсником найбільше практичне застосування знаходять три системи: h-, y-, z -параметрів.

При використанні h -параметрів як незалежні змінні вибирають вхідний струм і вихідну напругу .

Рівняння набувають вигляду:

Звідси випливає фізичний сенс і найменування h- параметрів:

– вхідний опір транзистора при короткому замиканні на виході для змінної складової струму;

– коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою при розімкнутому вході для змінної складової струму;

– диференціальний коефіцієнт передачі струму;

– вихідна провідність транзистора при розімкнутому вході для змінної складової струму.

Низькочастотні значення параметрів транзистора залежать від схеми увімкнення і визначаються за статичними характеристиками. В роботі [1] є формули переходу між системами параметрів. За допомогою цих формул, коли відомі h -параметри, визначають y- і z -параметри і так далі.

4. Моделі БТ. Для розрахунку електронних кіл, що містять транзистори, їх зображують активними лінійними чотириполюсниками. При цьому властивості транзистора при малому сигналі описують за допомогою еквівалентних схем (електричних моделей). Під моделлю розуміють електричну схему, складену з лінійних електричних компонентів (резисторів, ємностей, індуктивностей, генераторів струму або напруги), що за своїми властивостями з допустимою похибкою не відрізняється від реального транзистора.

За засобом побудови розрізняють фізичні і формальні моделі. Фізичні моделі складають на підставі фізичних міркувань для певних типів конструкцій транзисторів, для певного частотного діапазону, орієнтуються на певну схему увімкнення транзистора (із загальним емітером, загальною базою, загальним колектором). Кожний елемент фізичної еквівалентної схеми відповідає електроду транзистора (рис. 4.2, а). Параметри схеми заміщення r_E і r_C розглядаються відповідно як диференціальні опори емітерного і колекторного переходів. Опір r_B дорівнює сумі розподіленого омічного опору бази r_B ’ і так званого дифузійного опору бази r_B ”.

Для малопотужних транзисторів перераховані параметри мають такі значення: r_E = 20... 40 Ом, r_B = 200... 300 Ом, r_С = 100... 1000 Ом. В довідниках значення r_E, r_B, r_C зазвичай не приводяться, тому їх розраховують за відомими h -параметрами транзистора [1, c. 146].

Формальні моделі будують на основі опису транзистора за допомогою рівнянь чотириполюсників. При використанні h -параметрів модель БТ може бути зображена схемою, показаною на рис. 4.2, б.

5. Підсилення потужності електричних сигналів. Режим підсилення БТ досягається при увімкненні в коло вихідного електрода (колектора або емітера) опору навантаження. В даному випадку зміна вхідного сигналу (наприклад, зміна U_EB) автоматично викликає зміну потенціалу на вихідному електроді. Характерні для статичного режиму умови не виконуються.

 

а б

Рис. 4.2. Моделі БТ: а - фізична; б - формульна

 

Процес підсилення характеризують коефіцієнти підсилення: за струмом G_I = I _ВИХ /I _ВХ за напругою G_u = U _ВИХ /U _ВХ, за потужністю G_P = P _ВИХ /P _ВХ = G_IG_U.

Для аналізу активних елементів в режимі підсилення широко використовують графоаналітичний метод, заснований на використан-ні вхідних і вихідних статичних характеристик.

В схемі із загальним емітером напруга колектора за наявності навантаження в його колі дорівнює U_CE = E_C – R_{C 5} I_C (рис. 4.3).

Це співвідношення є рівнянням прямої. Графік, побудований за нею, називають характеристикою навантаження. На сім'ю вихідних характеристик вона наноситься по двом точкам: I_C = 0, U_CE = E_C і U_CE = 0, I_C = E_C/R_C (рис. 4.4).

Точку пересічення характеристики навантаження з тією або іншою вихідною статичною характеристикою транзистора називають робочою точкою.

Рис. 4.3. Принципова електрична схема дослідження БТ за схемою з СЕ

 

Вхідна характеристика навантаженого транзистора відрізняється від статичної, що зумовлено зміною колекторної напруги. Динамічна вхідна характеристика при збільшенні струму бази послідовно перетинає сім'ю статичних характеристик, знятих при U_CE = const. Ця характеристика йде більш круто: при включенні навантаження вхідна провідність транзисторів зростає.

У режимі лінійного підсилення робочу точку вибирають всередині лінійної ділянки. Точки 1 і 5 на вихідних характеристиках відповідають межам лінійної ділянки.

Наведені на рис.4.4 характеристики дозволяють графо-аналітичним методам визначити коефіцієнти підсилення за струмом і напругою (відношення амплітуд струму колектора I_mC і струму бази I_mB і амплітуд напруг U_mCE і U_mBE.

Потужність, що витрачається джерелом сигналу на вході:

P _ВХ = 0,5 U_mBEI_{mB .}

Вихідну потужність визначають за вихідними характерис-тиками. Амплітудне значення струму на виході дорівнює I_mC, а амплітудне значення напруги на навантаженні

U_mC = I_mC R_C = U_{mCE .}

Вихідна потужність

P _ВИХ = 0,5 U_CEI_{mC .}

Вона пропорційна площі заштрихованих трикутників (рис. 4.4). Вихідна потужність монотонно зростає в деяких межах при збільшенні опору навантаження. Однак із-за шунтуючої дії вихідної ємності транзистора і низького повного опору вхідного кола наступного каскаду можливості значного збільшення опору навантаження обмежені.

Максимальне значення амплітуди змінної складової колекторного струму обмежується граничним струмом транзистора (I_{mC max} < 0,5 I_{C. доп}), значення якого зумовлюється допустимим зниженням коефіцієнта передачі струму при високих рівнях інжекції.

Максимальне значення амплітуди змінної складової колекторної напруги обмежується максимально допустимою напругою колектора (U_{mCE max} < 0,5 U_{CE. доп}).

Вихідна потужність складає певну частку потужності, що витрачається джерелом живлення колекторного кола:

P ₀ = I_{C 0} E_C ,

де I_{C 0} – струм у робочій точці.

Коефіцієнт корисної дії колекторного кола

= P _ВИХ /P ₀.

а б

Рис. 4.4. Побудова вхідних динамічних характеристик (а)

і характеристик навантаження для схеми увімкнення

транзистора із спільним емітером (б)

 

Інша частина потужності P_C витрачається в колекторному переході на даремне нагрівання транзистора.

При підсиленні гармонічних і двополярних імпульсних сигналів вхідну робочу точку вибирають в центрі лінійної ділянки. Це забезпечує максимальну амплітуду вихідного сигналу: U_mCE = 0,5 E_C. Якщо схема призначена для підсилення імпульсів позитивної або негативної полярності, то для отримання максимального вихідного сигналу з амплітудою, що дорівнює майже E_C, транзистор в початковому стані повинен знаходитися або в режимі відсічки, або насичення. Транзистори типу p-n-p при ввімкненні із загальним емітером і загальним колектором відкриваються при надходженні негативних імпульсів. Тому в даному випадку в початковому стані схема повинна бути закрита (рис. 4.3, точка 6).

Література: [1, c. 39–41, 56–95]; [2, c. 19–30, 186-189]; [3, с. 59-97]; [4, с. 110-135]; [5]; [8].