Лк12 (Лекции в ворде)

15.2 Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 15.13:

Лучше с землей и двумя источниками

Рис. 15.13. Схема включения транзистора с общим эмиттером

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I_Б, и напряжение на базе относительно эмиттера U_БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I_К и напряжение на коллекторе U_КЭ. Для любых напряжений:

UКЭ=UКБ+UБЭ

(15.35)

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp-транзистора и положительный в случае npn-транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде: . В схеме с общим эмиттером для pnp-транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (15.1): , отсюда получим:

.

(15.36)

После перегруппирования сомножителей получаем:

.

(15.37)

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент знаком β, итак:

.	(15.38)
	(15.39)

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I_К при изменении тока базы I_Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α<1), то из уравнения (15.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β>>1). При значениях коэффициента передачи α=0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β=50÷100.

15.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp-транзистора в режиме ОЭ (рис. 15.14, 15.15). Зависимости от разности потенциалом между базой и эмиттером U_БЭ - входные ВАХ, зависимости от разности потенциалов между коллектором и эмиттером U_КЭ выходные ВАХ.

Рис. 15.14. Выходные ВАХ ОЭ	Рис. 15.15. Входные ВАХ ОЭ

Входные ВАХ.

(15.36)

При U_КЭ =0 =0, (т. 0 рис. 15.15). С увеличением напряжения |U_БЭ| концентрация на ЭП растет (рис. 15.16), градиент концентрации инжектированных дырок ∂p_n/∂x растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn-переходе, растет экспоненциально (т. А рис. 15.15) и отличается от тока эмиттера только масштабом. Рекомбинационный ток базы составляет часть тока эмиттера:

Рис. 15.16. Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при UКЭ =0, UБЭ<0 (т. А)

В активном режиме (|U_КЭ|>|U_БЭ|>0) (рис. 15.13) поток инжектированных эмиттером дырок p (рис. 15.17,а) экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом .

Часть дырок (1-α)∙p рекомбинирует в базе с электронами, поступающими из омического контакта базы (ток направлен против движения электронов, т.е. из базы). При увеличении (т. В) отрицательный заряд инжектированных электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу.

а	б
UКЭ=const, UБЭ – переменное	UБЭ =const, UКЭ– переменное
Рис. 15.17 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при включении в схеме с ОЭ

При обратных напряжениях на КП и фиксированном напряжении на ЭП |U_БЭ| (рис. 15.17,б) постоянной будет концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U_КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

При этом ∂p_n/∂x в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Как отмечалось в разделе 5 при термодинамическом равновесии

,

(5.2)

При смещении равновесия процессы смещаются в ту или другую сторону. При число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается и входные ВАХ смещаются вниз (т. C рис. 15.15,б).

Рис. 15.18 UБЭ =const, UКЭ– переменное

При малых напряжениях U_БЭ и большом напряжении U_КЭ в базе (рис. 15.18), как и в pn-переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации . Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. D рис. 15.15). Это – режим отсечки, он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

При U_БЭ=0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U_кб<<0) (т. 0 рис. 15.15) ток через ЭП равен нулю, через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I_КЭ0.

В активном режиме (|U_КЭ|>|U_БЭ|>0).

По аналогии с (15.35) можно записать:

(15.37)

Учитывая (15.1): , получим:

.	(15.38)
	(15.39)

Учитывая, что

, а	(15.40)
	(15.41)

где - сквозной тепловой ток отдельно взятого коллекторного pn-перехода в режиме оторванной базы (при , т. E, режим отсечки). За счет прямого смещения базового перехода (рис. 15.16) ток много больше теплового тока коллектора I_к0.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_Б вызывают значительные изменения коллекторного тока I_К. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае , а ток базы (по физической природе рекомбинационный) . 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 .

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 , например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА. стократно вызывает увеличение .

б
Рис. 15.19 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора в режиме насыщения

В режиме насыщения база обогащена неосновными носителями. Критерием этого режима является p_n(W) =p_n0 при (U_КБ=0). В силу уравнения U_КЭ=U_КБ+U_БЭ, равенство U_КЭ=0 может иметь место при небольших отрицательных напряжениях между базой и эмиттером. При U_КЭ 0 и U_БЭ<0, оба перехода смещаются в прямом направлении, их сопротивление падает (E-D рис. 15.15).

При малых напряжениях на коллекторе (U_КЭ<U_БЭ) U_КБ меняет свой знак, сопротивление коллекторного перехода резко уменьшается, коллектор начинает инжектировать дырки в базу. Поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера. Ток коллектора меняет свой знак (на выходных ВАХ эта область обычно не показывается).

При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. G). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).

Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 15.20), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.

Рост тока коллектора с увеличением U_КЭ определяется уменьшением ширины базы. Коэффициенты переноса и передачи тока эмиттера α растут, но коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ растет быстрее α. Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ.

Рис. 15.20 Выходные характеристики pnp-транзистора а – в схеме с ОБ, б – в схеме с ОЭ

15.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Если входная и выходная цепи имеют общим электродом коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а входным ток базы, то для коэффициента передачи тока справедливо:

(15.42)

В таком включении коэффициент передачи тока несколько выше, чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы. Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК, называют эмиттерным повторителем. Однако этот тип включения используется сравнительно редко.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы:

1. Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180. Это самая распространенная усилительная схема.

2. Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот.

3. Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы - согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.