При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции  Iэ, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины UK0 быстро уменьшается до нуля, затем при дальней­шем  повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до зна­чения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину

На рис. 5-2,б представлены реаль­ные выходные характеристики транзи­стора КТ3107, они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэф­фициент передачи тока  зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-)

С ростом тока эмиттера увеличи­вается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшают­ся рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэф­фициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потери на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока  на­чинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока  от тока эмит­тера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедить­ся,  обратив внимание на масштаб по вертикальной оси  рис.(5-3).

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблю­дается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близ­лежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера полу­чается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент  быст­ро надает с ростом тока эмиттера.

 Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и вы­ходной цепей находится на базовом электроде. Другой распростра­ненной схемой включения транзистора яв­ляется схема с общим эмиттером, в кото­рой общая точка входной и выходной це­пей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы  измеряемое относительно эмиттерного элек­трода. Для того чтобы эмиттерный пере­ход был открыт, напряжение базы долж­но быть отрицательным (рассматривается транзистор   типа   р-n-р).

   Выходным напряжением в схеме с об­щим эмиттером является напряжение коллектора   измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллекто­ра должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.

Отметим, что в схеме с общим эмиттером в рабочем режиме, когда транзистор открыт, полярность источников питания базы и коллектора одинакова.     

                              r Бо                    r ко

                                                             r эо

                                           E 1                      E 2

                                              Рис. 5-4                      

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора в схеме с общим   эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения  при  ; 

    Ток коллектора  равен:    Iк= Iкбо + h21БIэ 

Исключив ток эмиттера, получим: 

Iк= Iкбо / (1+ h21Б) – h21Б / (1+ h21Б)*IБ                   (5.4)

 Первый член называется обратным током коллектор – эмиттер при токе базы =0, т.  е. разомкнутой базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким образом:

Iкэо = Iкбо / (1+ h21Б)                                                 (5.5)

  Так как коофичент h21Б отрицателен, а по абсолютной величине очень близок к единице и может достигать 0,980 - 0,995, ток Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.

Множитель при втором члене в уравнении (5.4) является коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ в режиме больших сигналов:

h21Э =- h21Б /(1+ h21Б)                                                    (5.6)

Выразим  коофицент  h21Б  через токи  Iк,  Iэ, и  IкБо:

h21Б =-( Iк – IкБо )/ Iэ                                              (5.7)

Подставив это выражение в уравнение (5.6), получим:

h21Э =( Iк – IкБо)/( IБ + IкБо)                                     (5.8)

  Когда ток коллектора Iк велик по сравнению с током  IкБо,     

h21Э ≈ Iк / IБ                                                                    (5.9)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

                                          (5.10)

 Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры­том транзисторе, согласно выражению (5.10), ток базы   является в основном собственным током коллекторного перехода . Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра­няет свою величину:   .

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока . Ток базы в этом режиме в соответствии с выражением ; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра­стает почти экспоненциально.

                Рис 5-5                                                                                        Рис 5-6

Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока­зывает незначительное влияние на входные характеристики транзи­стора. Как видно из рис.  5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек­торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, равном нулю, ток во входной цепи значительно возрастает по сравнению с рабочим режимом ,потому что прямой ток базы в данном случае проходит через два па­раллельно включенных перехода— коллекторный и эмиттерный. В целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает входные харак­теристики транзистора в схеме с общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если  .

Коэффициент передачи тока базы. Найдем зависимость тока кол­лектора от тока базы с помощью выражений:

        ,

или                  (5.12)

Величина                                     (5.13)

называется коэффициентом передачи тока базы. Поскольку коэффи­циент передачи тока эмиттера  близок к единице, значение  обычно лежит в пределах от 10 до 1000 и более.

Коэффициент передачи тока базы существенно зависит и от тока эмиттера (рис. 5-6). С ростом тока эмиттера коэффициент передачи тока базы вначале повышается вследствие увеличения напряженности внутреннего поля базы, ускоряющего перенос дырок через базу к кол­лектору и этим уменьшающего рекомбинационные потери на поверх­ности базы.

При значительной величине тока эмиттера коэффициент передачи тока базы  начинает падать за счет снижения коэффициента инжекции, уменьшения эффективной площади эмиттера и увеличения рекомбинационных потерь в объеме базы.

Перечисленные причины обусловливают, как указывалось, не­большую зависимость коэффициента передачи тока эмиттера а от тока эмиттера Iэ            (см. рис.5-3). Но коэффициент передачи тока базы  при изменении тока эмиттера может изменяться в несколько раз, поскольку в выражении  (5.13) в знаменателе стоит разность близких  величин .

Введя обозначение для коэффициента передачи тока базы  в вы­ражение (5.12), получим основное уравнение, определяющее связь между токами коллектора и базы в схеме с общим эмиттером:

                                                    (5.14)

Выходные характеристики. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером  при   опреде­ляются соотношением (5.14)  и изображены на рис. 5-7. Минимально возможная величина  коллекторного тока  получается в том случае, когда закрыты оба перехода - и коллектора базы в этом случае согласно выражению (5.10)

                              (5.15)

  где - ток эмиттера закрытого транзистора.        Рис. 5-7

   Ток коллектора закрытого транзистора в соответствии с выраже­ниями (5.14)           и (5.15)

                                         (5.16)

Ввиду малости тока эта характеристика  не видна, она совпадает с осью напряжений.

При токе базы, равном нулю, что имеет место при небольшом пря­мом напряжении базы, когда рекомбинационная составляющая тока базы  равна обратному току коллекторного перехода . коллекторный ток в соответствии с выражением (5.14)

                                                                 (5.17)

С ростом коллекторного напряжения заметно увеличение этого то­ка вследствие увеличения коэффициента передачи тока базы .

При токе базы  выходная характеристика транзистора смещается вверх на величину . Соответственно выше идут характеристики при больших токах базы , и т. д. Ввиду зависимости коэффициента пе­редачи тока базы от тока эмиттера расстояние по вертикали между ха­рактеристиками не остается постоянным: вначале оно возрастает, а затем уменьшается.

При снижении коллекторного напряжения до величины, меньшей напряжения базы, открывается коллекторный переход, что должно было бы повлечь за собой увеличение тока базы, но по условию он должен быть постоянным. Для поддержания тока базы на заданном уровне приходится снижать напряжение базы, что сопровождается уменьшением токов эмиттера и коллектора, поэтому выходные харак­теристики при  имеют резкий спад. Транзистор перехо­дит в режим насыщения, при котором неосновные носители заряда инжектируются в базу не только эмиттерным, но и коллекторным переходом Эффективность управления коллек­торным током при этом существенно снижается, коэффициент переда­чи тока  базы  резко уменьшается.

Как показано на рис. 5-7 крупным масштабом в окружности, вы­ходная характеристика при наличии тока базы не проходит через на­чало координат.

При очень напряжениях Uкэ наблюдается резкое падение коллекторного тока с уменьшением напряжения Uкэ и независимость тока коллектора от тока базы. При этом транзистор входит в режим насыщения, который характеризуется тем, что при малых напряжениях коллектор – эмиттер оба p-n перехода, как эмитерный, так и коллекторный, оказываются смещены в прямом направлении.

Отметим, что напряжение Uкэ, при котором наступает насыщение, очень невелико у кремниевого транзистора. Например, напряжение насыщения      Uкэ может быть равным=-0,2(В) при UБэ=-0,9(В) и UкБ=+0,7(В) и только при очень больших токах базы и коллектора напряжение насыщения Uкэ нас=0,5-1В  

Для расчета транзисторных схем иногда применяют выходные ха­рактеристики, снятые при постоянном напряжении базы. Они отли­чаются от рассмотренных характеристик, снимаемых при постоянном токе базы, большей неравномерностью расстояний по вертикали между соседними характеристиками, обусловленной экспоненциальной зави­симостью между напряжением и током базы.

Схема с общим коллектором. (Эмиттерный повторитель)

   На рис.(5.8) показана схема с общим коллектором (ОК).

                                                         RБ                       Rк

                                      Rr        C                                VT

                                                                                       Сэ

                                                                                                               U п

                                                                          Rэ         Rн

                                                         Рис.(5-8)

Схема называется эмитерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совподает с напряжением на входе и близко к нему по значению.

Если сопротивление нагрузки мало и выполняется условие  h22э ‌‌‌‍│Rн│«1  (5.18) в этом случае можно принебречь не только током цепи  h22э,  но  и   ЭДС генератора h22э Uкэ.

Коэффициент передачи тока.  В соответствии с эквивалентной схемой коэффициент передачи тока  КI=-Iэ/IБ=( IБ+ h21эIБ)/ IБ= h21э +1  (5.19)

 Выходное сопративление.  Ток эмиттера  Iэ =-( IБ + h21эIБ)=-(1+ h21э) IБ.      (5.20)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя зависит от сопротивления генератора и мало, когда сопротивление генератора мало по сравнению с h11э. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя является его ценным свойством. Благодаря этому свойству его выходное сопротивление эквивалентно генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки.    

4. Анализ эквивалентных схем биполярного транзистора.

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

                                                             ά Іэ

                              r эо                        r ко

                                                               r Бо

                                           E 1                          E 2

Рис. 6-1. Эквивалентная Т-образная  схема  транзистора в схеме с ОБ.

В качестве собственных параметров помимо знакомого нам коэффициента усиления по току  принимают некоторые сопротивления в соответствии с эквивалентной схемой транзистора для переменного тока (рис. 6-1). Эта схема, называемая Т-образной, отображает электрическую структуру транзистора и учиты­вает его усилительные свойства. Как в этой, так и в других эквивалентных схемах следует подразумевать, что на вход включается источник усиливаемых колебаний, создающий входное напряжение с амплитудой , а на выход - нагрузка RH. Здесь и в дальнейшем для переменных токов и напряжений будут, как правило, указаны их амплитуды. Во многих случаях они могут быть заме­нены действующими, а иногда и мгновенными значениями.

Основными первичными параметрами являются сопротивления , и , г. е. сопротивления эмиттера, коллектора и базы для переменного тока. Со­противление , представляет собой сопротивление эмиттерного перехода, к кото­рому добавляется сопротивление эмиттерной области. Подобно этому  явля­ется суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области, но последнее очень мало по сравнению с сопротивлением перехода. А сопротивление  есть поперечное сопротивление базы.

В схеме на рис. 6-1,а усиленное переменное напряжение на выходе получается от некоторого эквивалентного генератора, включенного в цепь кол­лектора; ЭДС этого генератора пропорциональна  току эмиттера .

Эквивалентный генератор надо считать идеальным, а роль его внутреннего сопротивления выполняет сопротивление . Как известно. ЭДС любого генератора равна произведению его тока короткого замыкания на внутреннее сопротивление. В данном случае ток короткого замыкания равен , так как  при , т. е. при коротком замыкании на выходе. Таким образом, ЭДС генератора равна .

Вместо генератора ЭДС можно ввести в схему генератор тока. Тогда получается наиболее часто применяемая эквивалентная схема (рис. 6-1, б). В ней генератор тока создает ток, равный . Значения первичных параметров примерно следующие. Сопротивление , составляет десятки Ом,  — сотни Ом, а — сотни килоОм и даже единицы мегаОм. Обычно к трем сопротивлениям в качестве четвертого собственного параметра добавляют еще . Рассмотренная эквивалентная схема транзистора пригодна только для низких частот. На высоких частотах необходимо учитывать еще емкости эмиттерного и коллекторного переходов,   что   приводит   к   усложнению   схемы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5