Теория

схемах с ОБ и ОЭ.

При проектировании транзисторных усилителей преимущество отдается

графоаналитическому методу расчета. Такой метод расчета осуществляется по

статическим ВАХ транзистора. Для анализа статических характеристик

транзистора используется математическая модель транзистора ( модель Молла-

Эберса, которую несложно получить, используя его физическую модель (рис.

2.5).

2.4. Физическая и математическая модели транзистора

(модель Молла-Эберса)

Биполярный транзистор ( это два встречно включенных взаимодействующих

электронно-дырочных p-n-перехода, на основании чего его можно представить в

виде физической модели (рис. 2.5) ( модели Молла-Эберса.

[pic]

Рис. 2.5. Физическая модель биполярного транзистора

Модель Молла-Эберса характеризует только активную область транзистора:

она представлена диодами без учета пассивных участков базы и коллектора.

Кроме того, в модели хорошо просматривается принципиальная равноправность

переходов, другими словами, обратимость транзистора, которая лучше всего

проявляется в режиме двойной инжекции.В режиме двойной инжекции оба

перехода работают одновременно в режиме инжекции и в режиме экстракции.

ВАХ эмиттерного и коллекторного прямосмещенных p-n-переходов

описывается уравнениями(

для эмиттерного перехода

[pic]

(2.4)

для коллекторного перехода

[pic]

(2.5)

где: I1 ( ток, инжектируемый в базу из эмиттера; I2 ( ток, инжектируемый в

базу из коллектора; Iэо, Iко ( тепловые токи (именно тепловые, а не

обратные токи переходов, которые в случае кремния намного превышают

тепловые. На практике тепловые токи каждого перехода принято измерять,

обрывая цепь второго перехода).

Из физической модели транзистора (рис. 2.5) следует:

[pic]

(2.6)

[pic]

(2.7)

где: (n ( коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении

транзистора ((N= 0,96(0,99); (i ( коэффициент передачи тока коллектора при

инверсном включении транзистора ((i = 0,5(0,7); (NI1 ( ток экстракции через

коллекторный переход ( ток носителей, собираемых коллекторным переходом из

базы, впрыснутых туда эмиттером); (iI2 ( ток экстракции через эмиттерный

переход (ток носителей, собираемых эмиттерным переходом из базы, впрыснутых

туда коллектором), этот ток значительно меньше тока " (NI1".

Подставляя значения токов I1 и I2 из (2.4) и (2.5) в (2.6) и (2.7),

получаем уравнения, описывающие статические характеристики транзистора:

[pic] (2.8)

[pic] (2.9)

[pic]

[pic] (2.10)

Уравнения (2.8), (2.9), (2.10) называются формулами Молла-Эберса( это и

есть математическая модель транзистора, которая лежит в основе анализа его

статических режимов.

Примечание. В справочной литературе по транзисторам очень часто

статические входные и выходные характеристики даются в разных режимах, что

затрудняет работу с ними. В этом случае, используя модель Молла-Эберса,

можно перестроить характеристики для конкретного режима.

2.5. Статические ВАХ биполярного транзистора

Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора (рис.

2.6, а, б) зависит от схемы его включения (этот факт также хорошо отражает

полученная общая математическая модель (2.8), (2.9), (2.10). Оба семейства

ВАХ получаются довольно просто из математической модели Молла-Эберса.

Поскольку транзистор работает в режиме заданных токов, семейство входных и

выходных ВАХ можно представить выражениями(

[pic] (2.11)

[pic] (2.12)

На выходных ВАХ (рис. 2.6, б) видны два резко различных режима работы

транзистора ( активный (первый квадрант) и режим двойной инжекции (второй

квадрант).

[pic] [pic]

Рис. 2.6. Статические ВАХ n-p-n- транзистора в схеме с ОБ: а (

входные; б ( выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Нормальный активный режим (при Uкб > 0): эмиттерный переход находится

под прямым, а коллекторный ( под обратным напряжением. Для активного режима

формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при (Uк((3( t исчезают

экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током Iкб0 и величиной

1-(, то эти выражения вообще упрощаются:

[pic]

(2.13)

[pic]

(2.14)

Режим двойной инжекции или насыщения (при Uкб < 0): эмиттерный и

коллекторный переходы находятся под прямым напряжением. Для режима двойной

инжекции характерен спад коллекторного тока при неизменном токе эмиттера.

Это ( результат встречной инжекции со стороны коллектора.

Семейство входных ВАХ представляет узкий пучок характеристик, что

свидетельствует о слабом влиянии коллекторного напряжения на входное

напряжение. Наклон выходных коллекторных характеристик также показывает

слабую зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.

Тем не менее эта зависимость есть и объяснить ее можно с помощью

эффекта Эрли.

Влияние эффекта Эрли на ход входных ВАХ заключается в следующем.

Изменение коллекторного напряжения приводит к изменению ширины базы.

Поскольку ток эмиттера , а значит и градиент концентрации носителей заданы,

изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации

носителей, а это связано с изменением напряжения на эмиттерном переходе.

Влияние эффекта Эрли на наклон выходных коллекторных характеристик

объясняется влиянием коллекторного напряжения на ширину запрещенной зоны, а

следовательно, и на сопротивление коллекторного перехода, и на коллекторный

ток. Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

обусловлено эффектом Эрли, поэтому полное выражение для коллекторного тока

с учетом эффекта Эрли будет

[pic]

(2.15)

Наклон коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

(рис. 2.7, б) выражен сильнее, нежели в схеме с ОБ. Это говорит о том, что

сопротивление коллекторного перехода и напряжение пробоя у транзистора в

схеме с ОЭ будут значительно меньше, чем в схеме с ОБ. Эту особенность

можно объяснить тем, что приращение (Uкэ частично падает на эмиттерном

переходе, то есть вызывает приращение (Uбэ, что неизбежно повлечет за собой

увеличение эмиттерного тока и дополнительное приращение коллекторного тока.

[pic] [pic]

Рис. 2.7. Статические ВАХ n-p-n-транзистора в схеме с ОЭ: а ( входные;

б ( выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Сопротивление коллекторного перехода в предпробойной области

уменьшается в 1+( раз, наклон ВАХ быстро возрастает и пробой перехода

наступает значительно раньше, чем в схеме с ОБ

[pic]

где: rкп.оэ ( сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rкп.об (

сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОБ.

Принципиальные отличия схем включения транзисторов с ОБ и с ОЭ.

1. У транзистора в схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но усиле-

ние по напряжению в этой схеме лучше, чем в схеме с ОЭ.

2. Схема на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является лучшим

усилителем мощности, так как в ней происходит усиление и по току и по

напряжению.

3. У транзистора в схеме с ОБ хуже согласующие свойства, чем

в схеме с ОЭ.

4. Сопротивление коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ

больше, чем в схеме с ОЭ в (1+() раз., следовательно, напряжение пробоя

коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в

схеме с ОЭ.

5. Температурные и частотные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше,

чем в схеме с ОЭ.

6. У транзистора в схеме с ОБ слабее, чем в схеме с ОЭ, выражен эффект

Эрли (влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток и на входное

напряжение более заметно в схеме с ОЭ.

2.6. Статические параметры транзистора по переменному току

Все параметры транзистора по переменной оставляющей тока можно выделить

в две группы.

1-я группа ( первичные (rэ, rб, rк, (); нельзя путать первичные

параметры по переменной составляющей тока (rэ, rб, rк) с параметрами по

постоянной составляющей тока (rэо, rбо, rко), так как первые из них

учитывают еще и нелинейные свойства транзистора. Определить их можно из Т-

образных схем замещения транзистора по переменному току.

2-я группа ( вторичные (формальные).

Во вторую группу входят четыре системы параметров:

1) система h-параметров (смешанные или гибридные параметры);

2) система Y(q)-параметров (параметры проводимости);

3) система Z (r)-параметров (параметры сопротивлений);

4) система S (s)-параметров (параметры СВЧ-диапазона).

2.6.1. Система h-параметров (смешанные или гибридные параметры)

Система h-параметров ( это система низкочастотных малосигнальных

параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется

представлять в виде активного четырехполюсника (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Транзистор в виде активного четырехполюсника

Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсника, h-

параметры измеряются в двух режимах:

а) режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается

большая индуктивность);

б) режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе

включается конденсатор большой емкости, при этом путь тока по постоянной

составляющей сохраняется, а по переменной получается режим короткого

замыкания.

Физическая сущность h ( параметров(

1) h11( сопротивление транзистора на входных зажимах по переменной

составляющей тока, Ом, определяется в режиме К.З. со стороны выхода(

[pic] (при U2 = const);

(2.16)

2) h22 ( проводимость транзистора на выходных зажимах транзистора,

Сим (определяется в режиме Х.Х. со стороны входа)

[pic](при I1= const).

(2.17)

На практике удобнее пользоваться выражением 1/h22(

3) h21 ( статический коэффициент передачи тока со входа на выход,

определяется в режиме К.З. со стороны выхода

(h21об ( (; h21оэ ( ()([pic] (при U2 = const); (2.18)

4) h12 ( коэффициент внутренней обратной связи, показывает какая

часть выходного напряжения через элемент внутренней связи попадает на

вход (определяется в режиме Х,Х, со стороны входа):

[pic] (при I1= const).

(2.19)

Система h-параметров называется смешанной, или гибридной, потому что

параметры имеют разные размерности.

Схема замещения транзистора в системе h-параметров представлена

на рис. 2.9.

В схеме замещения (рис. 2.9) отражены:

а) активные свойства транзистора (с помощью генератора тока h21I1);

б) внутренняя обратная связь по напряжению в транзисторе (с помощью

генератора напряжения на входе h12U2);

в) наличие входного сопротивления и выходной проводимости транзистора

(h11 и h22 соответственно).

[pic]

Рис. 2.9. Схема замещения транзистора через систему h-параметров

2.7. Температурные и частотные свойства

биполярного транзистора

Различают три основные причины зависимости коллекторного тока от

температуры:

1) зависимость тока неосновных носителей Iкбо от температуры (этот ток

удваивается при изменении температуры на каждые 10 оС у германиевых

транзисторов и на каждые 7 оС у кремниевых;

2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается

(примерная скорость этого уменьшения (Uбэ / (Т ( - 2,5 мВ/оС);

3) коэффициент передачи тока базы ( (h21) с повышением температуры

увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры

оказывает ток Iкбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой

коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с

ОЭ. Например, если при температуре 20 оС германиевый транзистор имел

коэффициент передачи тока эмиттера h21 = 50, ток коллектора Iк = 100 мА,

ток неосновных носителей Iкбо = 10 мкА, то при изменении температуры с 20

оС до 70 оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение

тока Iкбо в 32 раза (1.5), то есть ток Iкбо станет равен 320 мкА, а ток

коллектора

Iк = 100,32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при

изменении температуры на +50 оС практически не нарушит работу транзистора.

В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как сквозной ток через

коллекторный и эмиттерный переходы Iкэо будет примерно в ( раз больше тока

Iкбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при

изменении температуры на те же +50 оС произойдет увеличение тока неосновных

носителей Iкэо до 16 мА, а коллекторного тока со 100 мА до

116 мА. Такое изменение тока коллектора основательно повлияет на режим

транзистора и на его основные характеристики.

С повышением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются по двум

причинам:

1) влияние диффузионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек-

торного переходов;

2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока

эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым

со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного

заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера,

так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент

передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.

Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:

предельная частота транзистора fпр ( это такая частота, на которой

статический коэффициент передачи тока эмиттера ( уменьшается в (2 раз по

сравнению с «(», измеренном на частоте 1000Гц;

граничная частота транзистора fгр ( это такая частота, на которой

модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой

частоте в диапазоне 0,1fгр < f < fгр модуль коэффициента передачи тока базы

изменяется в два раза при изменении частоты в два раза;

максимальная частота генерации ( наибольшая частота, при которой

транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной

обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению

[pic]

где fгр ( граничная частота в МГц; (к = r’бСк ( постоянная времени цепи

обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к

самовозбуждению; r’б ( распределенное омическое сопротивление базовой

области; Ск ( емкость коллекторного перехода.

8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

2.8.1. Общие сведения

Рабочим режимом транзистора принято называть его работу под нагрузкой.

Функциональная схема усилителя в общем виде представлена на

рис. 2.9.

[pic]

Рис. 2.9. Функциональная схема электронного усилителя

В усилителях, эквивалентная схема которого представлена на рис. 2.9,

источник управляющей энергии называется источником сигнала, а цепь

усилителя, в которую поступают его электрические колебания, ( входом.

Устройство, к которому подводят усиленные колебания, называется

нагрузкой, а цепь усилителя, к которой подключают эту нагрузку, ( выходом.

Устройство, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в

усиленные электрические колебания, называют источником питания (обычно

используют источник постоянного напряжения, а исключение составляют

параметрические усилители).

2.8.2. Рекомендации по выбору транзисторов при использовании

их в усилительном и ключевом режимах

2.8.2.1. Выбор типа транзистора

При выборе типа транзистора в схему усилителя или ключа исходят из

характера электронной схемы, а также требований к ее выходным электрическим

параметрам и эксплутационным режимам. Особое значение имеет диапазон

рабочих температур конструируемого устройства в целом.

Необходимо иметь в виду, что кремниевые транзисторы по сравнению с

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7