Изъюрова Г.И. Расчёт электронных схем. Примеры и задачи (1987), страница 6

В зависимости от соче- Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя обласгямн чередующейся злектропроводности, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекпии и экстракпии неосновных носителей заряла. Эти транзисторы называют биполярными, потому что их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярные транзисторы могут быть типа р-и-р и я-р-и Структуры и условные обозначения данных типов транзисторов показаны на рис. 2.1. Между каждой обласп ю полупроводника н ее выводом имеется омический контакт, который на рис. 2.1 показан жирной чертой. Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних — эмитгером (Э), другой — коллектором (К). База — область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттер — область, вз которой осуществляется ивжекция носителей заряда в базу.

Кол- у я р тания знаков н значений напряжений на р-и-переходах различают слелующие области (режимы) работы транзистора: активная область — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном — обратное; область отсечки — на обоих переходах обратные напряжения (транзистор заперт); область насьпцення — на обоих переходах прямые напряжения (транзистор открыт); инверсная активная область— напряжение на эмиттерном перехоле обратное, а на коллекторном — прямое. Режимы отсечки и насыщения характерны лля работы транзистора в качестве переключательного элемента. Активную область, нли активный режим, используют при работе транзистора в усилителях нли генераторах.

Инверсное включение применжот в схемах двунаправленных переключателей, используюпщх симметричные транзисторы„в которых обе крайние области имеют одинаковые свойства. В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим змиттером (ОЭ) н с общим коллектором (ОК) (рис 22,а,б,а).

Для определения аналитических зависимостей между токами и напряжениями идеализированный транзистор представляют эквивалентной схемой Эберса — Молла (рис.2.3). Соответствующая одномерная модель состоит ю двух идеальных р-я-переходов, включенных навстречу друг другу. Объемные сопротнвлыщя слоев, емкости р-н-переходов и эффект молуляцин ширины базы не учитываются. Токи змнттера и коллектора выражаются следующим образом: Уэ = Уэвк (е~зкГч' — Ц вЂ” агФквк (е"ккà — 1) 1к = ц)зьк(есэая 1) 1 к(ес™л — 1) (2.1) где 1звк н 1как — тепловые токи змиттерного и коллекгорного 06 уз 2» 3 Ряс. г.г переходов при коротком О~СС аб замыкании иа входе транзистора (Укв = О и Уэв = = О соответственно); а— коэффициент передачи тока змвттера в активном режиме; ал — коэффициент передачи тока эмиттера прн инверсном включении„.(1эв и (1кв — напряжения на змиттерном и коллекторном переходах соответственно; ф„= !с27 е — температурный потенциал.

Можно показать, что 1„Б =1„Б !'(! — аа,), 1эвк = 1эво/(1 аал). (22) (2.3) Учитывая, что 1Б =1э — 1«, получим 1Б = (еоэв~" — 1) + (1 — ас) (1 С") 1эБО 1кБО (ецкв1 — 1). ! — аа, 1 — СОХУ Разрешая уравнение (2.4) относительно Уэв, получим выражение для идеализированных входных (эмнттерных) характеристик транзистора Уэв =1'(1э) ( Укв = сопзС: (1эв = ф,)п~ — + !+ а(е"кБЛΠ— 1) . (2.7) Г 1э Выражение для выходных характеристик может быль получено из уравнения (25): 1к = сс1э-1ББО(е"кв""- 1). (2.8) где 1„Ы, 1эве — обРатные токи коллектоРного и змнттеРного перехолов, измеряемые соответственно при обрыве коллектора и эмнттера. Подставив выражения (2.2) и (2.3) в формулы (2.Ц, получим зависимость токов 1э, 1„н 1Б от напряжений 1!эх и Укв, т..е.

выражения, описывающие статические ВАХ идеализированного транзистора: Б (есэвка 1) ю кБО (еогь~ю, 1) (2 4) 1 — ааО 1 — аас 1, = эве (ееэвлг 1) — кве (еоквглс — 1). (2.5) 1 — аас 1 — ааг л -г -ч -ю -вл„,в И а) На основании закона Кирхгофа для токов в цепях электродов транзистора можно записать ! з — 1к+ 1Б. Реальные входные и выходные характеристики транзистора для схемы ОБ изображены на рис 2.4,а,б. Для активной области ) Гкв ) с 0 и ) Гкв ( ~ ср„поэтому при нормальном вклгоченни (к = а(э + акко.

(2 9) т к — 1кво а=— 1э называемая статическим (интегральным) козффнлиентом передачи эмиттерного тока, составляет 0„95 — 0,999. Так как 1» >> 1квм то обычно статичвжий коэффициент и = = тк/зэ. В инверсном режиме (коллекторньпЪ переход вюпочен в прямом, а эмнттерный — в обратном направлении) ток эмиттера ~э Ъг~к + ~ЭБО Величина за — зэка аг = зк (2.12) Следовательно, ток коллектора 1к в активном режиме работы транзистора представляет собой сумму двух составляощих: тока (кве и части эмиттерного тока, который определяется потоком носителей заряда, гшжектированных в базу и дошедших (за вычетом рекомбинировглших в базе) до коллекторного перехола.

Величина называется инверсным коэф- Х ~ б«г =Ю фициентом передачи коллекторного тока. Как правило, п«<а. Х Х~ ш«и Для анализа работы тран- Х«та(Х«а«Х« знсгора на переменном то- 1 КЕ (С СИГНаЛаМИ МаЛЫХ аМП- -Х,, и Д,н и л Х ) «н «« литул) вводят дифференцн- ю«Х Хгг=0) альный коэффициент переда- гп чи эмиттерного тока а««г "'«з . (2.13) Рис 2.5 «1с„ь Л Практически в активном режиме при не слишком больших уровнях инжекции величина а мало меняется с изменением эмиттерного тока, и без большой погрешности можно полагать п„=а. Поэтому в дальнейшем дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока также будем обозначать а.

Статические ВАХ транзистора для схемы ОЭ показаны на рис. 2.5.. В первом квадранте на рис 2.5 гпображены выходные характеристики — Хк = Х'(ХХкэ)(Хь = сонэк Область Х вЂ” активная область, в которой эмиттерный переход открыл, а коллекгорный — закрыл. Как уже было сказано, эта область используется при работе транзистора в усилительном режиме. Если эмиттерный переход закрыт, то работа транзистора происходит в области ХХХ, которой соответствуют незначительные обратные токи (область отсечки). В области ХХ эмнгтерный и коллекторный переходы открыты, т. е.

транзистор работаег в режиме насыщения. Во втором квадранте изображена характеристика передачи тока, т. е. зависимость Х„=Х'(Хь) при Укэ — — сольц В третьем квадранте представлена входная характеристика — зависимость Хь = Х'(Уьэ) ) (Хкэ = сопзп В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, ток коллектора и Хкьа Хк = Хь+ — —.

(2.14) 1 — а 1 — и Зацншем это выражение в виде (2.15) Хк = ВХь + Хкэа где В = иХ (1 — и) — статический (интегральный) коэффициент передачи базового тока; Хкм = Хььа/(1 — и) =(1 + В) Хкш— обратный ток коллехторного перехода в схеме ОЭ при Ха =О„ т. е. при разомкнутом выводе базы. Стазический коэффициент передачи тока базы к кво (2.16) )в+ )кьс Так как 1квс«1к И 1ккв«1в, то практически статический коэффициент передачи тока базы определяют как В=)кДв. ' (2.17) При работе транзистора на переменном токе при малых амплитудах используют дифферендиальный коэффициент передачи тока базы (2.18) Дифференциальный коэффициент (3 связан с интегральным (статическим) коэффициентом следующим соотношением: «((3 (3 = В+()в+ )кв.) —.

(1,' Зависимость )3(Еэ) выражена сильнее, чем зависимость и(уз). Если же этой зависимостью без большой погрешности можно пренебречь, пола~ая в(3/сУв = 33, то (3 в В. Ках было сказано, транзистор в различных электронных устройствах может использоваться в трех схемах включения: ОЭ, ОК и ОБ. Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Она имеет достаточно высокие коэффициенты усиления по напряжению (с инвертированием фазы входного напряжения на 180'), по току и относительно высокое входное сопротввление. Схему ОК называют также эмиттерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совпадает с напряжением на входе и блщко к нему по значению. Эта схема усиливает ток и мошносгь, но не усиливает напряжение (Кс < 1).

Она обладает наибольшим из всех трех схем включения входным сопротивлением и наименьшвы выходным сопротивлением, поэтому часто используется как буферный усилитель лля согласования низкого сопротивления нагрузки с высокиьз выхолным сопротивлением каскада, иначе говоря, применяется как трансформатор сопротивлений. Эмиттерный повторитель эквивалентен генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки.

Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток (коэффициент усиления по току меньше единицы, но близок к ней). Подобно схеме ОЭ, она имеет высо- кое выходное сопротивление. В отличие от схемы ОЭ входное сопротивление этой схемы очень мало; последнее обстоятельство делает ее непригодной для усиления больших напряжений. Обычно схема ОБ применяется для усиления напряжений на очень высоких частотах.

Схемы замещения и параметры транзистораа. Для аналитического расчета цепей с трагсзисторами широко используют схемы замещения. Получили распространение физические и формализованные модели транзистора. В физической схеме замещения ее параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рис.

2.б,а, б показаны Т-образные схемы замещения для переменных токов и напряжений для схем ОБ и ОЭ соответственно. Они справедливы для линейных участков входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неюменными. Здесь г, — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении): (2.19) Значения г, зависят от постоянной составляющей тока эмиттера: гз ~Р~Рэ = 0,02Юэ.

(220) Числовое значение г, лежит в пределах от единиц до десятков Ом. гв — поперечное объемное сопротивление базы — сопротивление базовому току. Обычно ге>>г, и составляет 100 — 500 Ом. Эквивалентный источник тока п), учитывает транзитную составляющую приращения эмиттерного тока, проходящую через базу в коллектор. Рва йб Сопротивление с(У,е — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении); учитывает юменение коллекторного тока с юменением напряжения У„е. Значения г„ лежат в пределах 0,5-1 МОм. Емкости С, и ф— это емкости эмиттерного и коллекторного перехолов. Каждая из них равна сумме барьерной и лнффузионной емкостей соответствующего перехола. Поскольку на высоких частотах емкость С„шунтирует большое сопротивление г„, она сильно влияет на работу транзистора, а емкость С, шуитирует малое сопротивление г, и ее влияние незначительно.