Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Полные токи в транзисторе не могут быть синусоидальными из-за вентильных свойствр-п-перехода. Амплитудно-частотная характеристика коэффициента h 21 в представляется действительной частью выражения(4.38),т. е.\h 21 в(со)\ = h 2 ш/ J1 + (со/соа) 2 •Фазочастотная характеристика, полученная из(4.39)(4.38),имеетвид<р(со) =со- arctg (со/соа).(4.40)146Разделlh21I1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫlh2шlh2шh21э,/21h21в ~:-l=====:::t===~~h21::L-~~~~-fL.~~~---1.f~f~~~~f~,~W,/2"гр~Рис.Частотнаяхарактеристика4.20коэффициентапередачитокаlh 2 ш(ro)I показана на рис.
4.20 (нижняя кривая).Переходные процессы в схеме с ОЭ можно проанализировать, используя рисунок4.19,б. На вход транзистора в этомслучае подается ступенька базового токаIв· Функцию коллекторного тока можно записать в виде(4.41)где h 2 ш(t)-переходная характеристика коэффициента передачи тока (h 21 э""' р).Как и ранее, полагаем у""'1.Выражение для постоянной времени транзистора в схеме с ОЭ получим, учитывая связь междупараметрами h 2 ш и h 21 э, т. е. h 21 э= h 2 ш/(1- h 2 ш) = а/(1 -а).Переходный процесс, как и в схеме с ОБ, сохраняет экспоненциальный' характер, но постоянная времени 'tкэ ~ в схеме с ОЭ будет много больше, чем 'tкэ в схеме с ОБ, в соответствии с выражением[34]'tкэ ~= 'tкэ/(1 - а)= (р + l)'tкэ·(4.42)Механизм увеличения постоянной времени в схеме с ОЭ можнопояснить следующим образом.
При подаче базового тока за счетпоступления электронов из внешней цепи в области базы возрастает концентрация и суммарный заряд электронов. Накоплениеэлектронов приводитк тому,что их заряд компенсирует зарядионов доноров в области эмиттерного перехода, что приводит к понижению потенциального барьера в ней и возникновению инжекции дырок из эмиттера. Инжектированные дырки будут поддерживать квазинейтральность базы, и в начальный момент Iэ(см. рис.4 .19, б),=Iвкак и в схеме с ОБ. Инжектированные дырки до-Глава4.147Биполярные транзисторыходят до коллектора за время задержкиt 3 (время переноса носителей через область базы), и коллекторный ток начинает увеличиваться (нижняя кривая на рис.4.19,б).
В схеме с ОБ по мере увеличения iк. ток iв уменьшается, но в схеме с ОЭ ток базы Iв =const,т. е. он жестко задан, поэтому возрастание тока коллектора iк вызывает дополнительную инжекцию дырок из эмиттера, необходимую для поддержания квазинейтральности, поскольку часть дырок уже ушла в коллектор. Одновременное возрастание токов iк. иiэ будет происходить до тех пор, пока в базе не накопится избыточный заряд ЛQв, скорость рекомбинации которого будет поддерживать базовый ток постоянным, т. е.(4.43)Следовательно, постоянная времени 't =ЛQ/Iв, т.
е. времяжизни носителей в базе 't равно постоянной времени транзистора в схеме с ОЭ.Выражение для малосигнальной частотной характеристикидля схемы с ОЭ можно записать в форме, аналогичной соотношению.(4.38) дляh21э = h21э/[lгде ООр=1/'tкэ13-схемы с ОБ[34]:+ j(ro/rop)],(4.44)предельная частота для схемы с ОБ.Соответственно амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики будут иметь вид\h 213(ro)J=PI j(l + (ю/ю 13 )) 2 ,(4.45)(j)(ffi) = -arctg (ю/юр).(4.46)Граничная частота коэффициента передачи тока югр определяется изусловия уменьшения коэффициентаПоложив ю=ffiгp и h 213 (югр)коренном выражении(4.45),h 213= 1 и пренебрегая единицейв под-получимwгр""' Pmp""' ~/'tкэ р•(4.47)Учитывая формулу(J)гр = Р/'tкэ р =до единицы.(4.42)(13 + ~)'tкэи равенство Ша= 1/'tкэ• получаем~ 't~э =Ша.Таким образом, частота ffiгp = 2тtfгр близка по величине к Ша.Частотная характеристика jh 213 (ю)j схемы с ОЭ изображенана рис.4.20 (верхняякривая).Раздел1484.
7.1. ПОЛУП~ОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫИмпульсный режим работы.Транзисторный ключПри работе многих цифровых схем, импульсных генераторов,преобразователей импульсов, транзисторных ключей и т. д. происходит быстрое изменение токов и напряжений в больших пределах, так что в большинстве случаев проявляется нелинейность характеристик транзисторов .. Такие режимы часто называют режнмамн большого сигнала.Особенности физических и переходных процессов в режимебольших сигналов хорошо иллюстрируются на примере транзисторного ключа. При работе транзистора в ключевом режимевыходное сопротивление транзистора, непосредственно связанное с цепью нагрузки, сильно изменяется под влиянием входного управляющего импульса.
При этом амплитуда входных импульсов достаточна для перевода транзистора из режима отсечки сначала в активный режим работы, а потом и в режимнасыщения, а также и наоборот, т. е. из режима насыщения последовательно в режим отсечки.Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, при прохождении через базу импульса токас определенной длительностью, обеспечивающего прямое смещение с последующим изменением его направления на обратное.На рис.4.21изображена простейшая схема электронногоключа на основе п-р-п-транзистора в схеме с ОЭ. В Цепь базывключен резистор Rв, а в колл~кторную цепь резистор Rк и источник постоянного напряжения Вк· Пунктирными линиямипоказано подключение нагрузочной емкости Сн, состоящей извыходной емкости ключа и входнойемкостиэмиттерногореходов С3внагрузки,иемкостиколлекторногопе= Сэ и Скв = Ск.В исходном состоянии на входеивых11Сн__L-г11существуетиключпостоянноезакрыт,смещениепосколькутранзистор находится в режиме отсечки, так как на оба перехода поданообратноесмещение.Напряжениена выходе близко к Вк (рис.4.22,точка С).
Если на вход подать имРис.4.21пульс положительной полярностиГлава4. Биполярнь1е транзисторыРис.с амплитудой Sв 1 (рис.4.23,1494.22а), то транзистор перейдет в открытое состояние, при котором он будет находиться в режиме насыщения за счет инжекции носителей как из эмиттера, так и изколлектора. В цепи базы течет ток, равный JБl = (+Sв 1 - Ивэ)/Rв,где И вэ-прямое падение напряжения на эмиттерном перехо-ние напряжения ИRKRкlк. Напряжение на выходе по абсо=токIкде, а в цепи коллекторасоздает на резисторе Rк паделютной величине уменьшается на величину Ивк·Сказанное можно проиллюстрировать с помощью графического решения уравнения для нагрузочной прямой совместно суравнениями для выходных статических характеристик.
Этиуравнения описывают токи и напряжения в схеме :i;ipи наличиинагрузки в цепи коллектора. Рассмотрим этот метод решенияболее подробно.Из-за падения напряжения на резисторе Rк, т. е. ИRK= IкRк,напряжение на коллекторе можно записать в следующем виде:(4.48)В этом уравнении две неизвестных величины (Икэ и I-к), поэтому для определения параметров конкретного режима работыприбора при наличии нагрузки в его коллекторной цепи необходимо к полученному выражениюБАХI к= f(U кэ• I в>·(4.48) добавить еще уравнениеВ результате получим систему из двух уравнений:(4.49)150Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫИвэнас:1в)iв(t)1t211111,,..-----1-110,9/Кнас0,1/КнасI/1/Кнас1~I-..,""--l ~ ~-~-:-::-~-:t==~<:!l.~=~1 1__ _j_1----t--ti t2 tзt 1 11 t~1 1 1t1 1 1"1t5 ltбlt4~:~дlJ\,..нрtpac1j '111(вклltcпl"'1tвыкл11,..I10,lЛU1 1 11 1 111т--------------O,lЛU111 116клиРис.4.23Эту систему можно решить графически, используя семейство выходных характеристик Iк;= f(Ик 3), где в качестве параметра используется ток базы Iв· Совместное решение уравнений(4.49)определяется точкой пересечения линии нагрузки с любой выходной характеристикой Iк = f(Ик 3 ).Если выбрать выходную характеристику=IБl=Iвнас (см.
рис.4.22),I к = f(U кэ)приIв =пренебрегая влиянием Rв, и провести нагрузочную прямую, соответствующую резистору Rк, тоточкаDудовлетворяет решению системы(4.49).Нагрузочнаяпрямая строится по двум точкам, одна из которых (точка В) лежит на оси абсцисс (Икэ=Бк), т. е. при Iк =О, когда сопротивле-Глава 4.
Биполярные транзисторы151ние транзистора очень велико и напряжение источника полностью приложено к коллектору. Другая точка лежит на оси ординат, когда Икэ =О, т. е. транзистор закорочен или обладаетбесконечно малым сопротивлением. В этом случае ток через сопротивление Rк будет равен Iк = Бк/Rк (точка А). ТочкаD пересечения нагрузочной прямой с характеристикой Iв = Iвнас определяет выходное напряжение (Ивых =Икэ нас) транзистора в режименасыщения.
И~ых должно быть как можно меньше и слабо зависимо от входного напряжения и сопротивления Rк· Эти требования наиболее полно удовлетворяются, если рабочая точкаDлежит на крутом участке выходной характеристики, который соответствует режиму насыщения и Ивых=Икэнас (Икэнас-напряжение насыщения). Чтобы реализовался режим насыщения, необходимо выполнение условия Iвнас=(Рк - Икэ нас)/ Rк-> Iкнас/~, где Iкнас =ток насыщения.Рассмотрим более детально временные процессы переходатранзистора из закрытого (режим отсечки) в открытое состояние (режим насыщения) и снова в закрытое, т. е. проанализируемпереходныепроцессывтранзисторномключенаосновесхемы с ОЭ.
В начальном состоянии транзистор находится в режиме отсечки (точка С на рис.4.22),оба перехода включены в обратном направлении. На базу подано отрицательное смещение Бв 2 ,и, следовательно, оно равно входному напряжению: Ивх = :__\f5в 2 \(см. рис.4.23),базовый iв и коллекторный iк токи пренебрежимомалы, выходное напряжение Ивых близко к величине Рк· В моментвремени t 1 входное напряжение скачком изменяете.я от -1Бв 2 \ доБш>О (см. рис.4.23, а), что приводит к перепаду входного напряжения ЛИвх = /Бш\ + Бв 2 • Напряжение Ивэ и ток базы iв немогут измениться скачком из-за наличия инерционных процессов, связанных прежде всего с наличием паразитной емкостисвх' которая равна сумме параллельно включенных барьерныхемкостей Сэ и Св: (см.
рис. 4.21). Напряжение \Ивэl нарастаетпримерно по экспоненциальному закону с постоянной времени•вх=RвСвх' при этом полагается, что транзистор еще находитсяв закрытом состоянии, и его сопротивление мало влияет на величину •вх· Условно считается, что транзистор находится в закрытом состоянии до тех пор, пока Iв ~ 0,llвнас' а коллекторный ток Iк"" О,llкнас (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
