Uк-э
Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью
выходных характеристик.
Рассмотрим импульсный
режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы ОЭ. Пусть в
цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис.(9-1) построена
линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или
входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии (в режиме
отсечки). В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток ) и следовательно, эту
цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью
приложено к транзистору.
Если на вход подан импульс
тока , то
транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора
, очень близкий
по значению к .
Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль
замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень
небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением
насыщения .
Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но
на самом коллекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно
соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется
транзистор p-n-p и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к
базе будет напряжение ,
т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,3 В.
Конечно, если импульс
входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится.
Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса
выходного тока. Таким образом, возможное максимальное значение импульса тока
коллектора
(9.1)
Помимо
, и импульсный режим характеризуется
также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через
приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :
(9.2)
Иначе говоря, является параметром,
характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению
больших сигналов, в частности импульсов, и по значению несколько отличается от
.
Параметром импульсного
режима транзистора служит также его сопротивление насыщения (9.3)
Значение у транзисторов для
импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.
Аналогично
рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.
Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.
Если длительность
входного импульса во
много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания
зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же
длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е.
если составляет
единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы
импульса выходного тока и увеличение его длительности.
Для примера на рис.(9-2)
показаны графики короткого импульса входного тока прямоугольной формы и
импульса выходного тока при включении транзистора по схеме ОБ. Как видно,
импульс коллекторного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что
объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток
нарастает постепенно в течение времени (длительности фронта), составляющего заметную
часть . Такое
постепенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме
того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют
разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + является временем включения . После окончания входного
импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое
время (время
рассасывания), а затем постепенно спадает в течение времени спада. Время + есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока
значительно отличается по форме от прямоугольного и растянут во времени по
сравнению с входным импульсом. Следовательно, замедляется процесс включения и
выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь
находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов
накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять
достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие
ключевого режима.
На рис.(9-2)
показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет
сложную форму.
Специальные
транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую
базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее
рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом
количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей
(например, золото).
8. Математическая модель биполярного
транзистора.
Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при
получении математической модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход
представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов.
Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет
протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в
базе). Он обеспечивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и
инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в
обратном направлении и прямому коллекторному току соответствует эмиттерный
ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где -
коэффициент передачи коллекторного тока.
Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае
содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую
( или ):
, (10.1)
Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому
переходу их вольтамперная характеристика определяется так же, как и в случае
диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накоротко,
то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения
распределения неосновных носителей заряда в базе. Тогда:
, (10.2)
где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых
накоротко выводах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при замкнутых
накоротко выводах базы и эмиттера.
Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного
транзистора
Связь между тепловыми токами p-n -переходов ,включенных
раздельно, И тепловыми токами , получим из (10.1 и
10.2). Пусть . Тогда . При . Подставив эти выражения в (10.1), для тока коллектора получим .
Соответственно для имеем
Токи коллектора и эмиттера с учетом (10.2) примут вид
(10.3)
На основании закона Кирхгофа ток базы равен:
(10.4)
При использовании (10.1)-(10.4) следует помнить, что в
полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство
(10.5)
Решив уравнения (10.3) относительно , получим
(10.6)
Это уравнение описывает выходные характеристики
транзистора.
Уравнения (10.3), решенные относительно , дают выражение,
характеризующее идеализированные входные характеристики транзистора:
(10.7)
В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы
протекают токи генерации — рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому
,, , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно
приводят значения обратных токов p-n-переходов ,. определенные как ток
соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.
Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно
подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом
приближении это можно делать и при прямом смещении p-n-перехода. При этом для кремниевых
транзисторов вместо следует подставлять , где
коэффициент m учитывает влияние токов реального
перехода (m = 2 - 4). С учетом этого уравнения
(10.3), (10.5) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета
цепей с реальными транзисторами:
(10.8)
(10.9)
(10.10)
где .
Различают три основных режима работы биполярного
транзистора: активный, отсечки, насыщения.
В активном режиме один из переходов биполярного транзистора
смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой -
в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом
направлении смещен эмиттерный переход, и в (10.3), (10.8) напряжение имеет знак
«+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение в (10.3)
имеет знак « - ». При инверсном включении в уравнения (10.3), (10.8) следует
подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом
различия между инверсным и активным режимами носят только количественный
характер.
Для активного режима, когда и (10.6)
запишем в виде
.
Учитывая, что обычно и , уравнение (10.7)
можно упростить:
(10.11)
Таким образом, в идеализированном транзисторе ток
коллектора и напряжение эмиттер-база при определенном значении тока не зависят
от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности
изменение напряжения меняет ширину базы из-за
изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент
концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением ширина базы
уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток увеличиваются.
Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается
коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при
работе в активном режиме, в выражение (10.11) добавляют дополнительное
слагаемое
(10.12)
- дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.
Влияние напряжения на ток оценивается
с помощью коэффициента обратной связи по напряжению
,
который показывает, во сколько раз следует изменять напряжение
для получения такого же изменения тока , какое дает изменение
напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения = const приращения напряжений должны иметь противоположную полярность.
Коэффициент достаточно мал (), поэтому при практических
расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.
В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены
в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны
превышать . Если модули обратных напряжений приложенных к переходам транзистора
окажутся меньше , то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи
его электродов окажутся больше, чем в области глубокой отсечки.
Учитывая, что напряжения и имеют знак
минус, и считая, что и , выражение (10.9)
запишем в виде
(10.13)
Подставив в (10.13) значение ,
найденное из (10.8), и раскрыв значение коэффициента А, получим
(10.14)
что , а , то выражения
(10.14) существенно упростятся и примут вид
(10.15)
где ;
Из (10.15) видно, что в режиме глубокой отсечки ток
коллектора имеет минимальное значение, равное току единичного p-n-перехода, смещенного в обратном
направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока
коллектора, так как . Поэтому во многих случаях его
считают равным нулю: .
Ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен
току коллектора:
(10.15)
Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние
транзистора, в котором его сопротивление максимально, а
токи
электродов минимальны. Он широко используется в импульсных
устройствах, где биполярный транзистор выполняет функции электронного
ключа.
При режиме насыщения оба p-n-перехода транзистора с помощью приложенных внешних напряжений смещены
в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе () минимально
и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток
коллектора транзистора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при
данной схеме включения не может превысить какое-то значение . В то же
время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера
существенно больше максимального значения тока в коллекторной цепи: .
Тогда коллекторный переход оказывается открытым, падение
напряжения на транзисторе—минимальным и не зависящим от тока эмиттера. Его
значение для нормального включения при малом токе () равно
Для инверсного включения
(10.16)
В режиме насыщения уравнение (10.12) теряет свою справедливость.
Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел
в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера (при нормальном включении)
так, чтобы начало выполняться условие . Причем значение тока , при котором
начинается этот режим, зависит от тока , определяемого параметрами
внешней цепи, в которую включен транзистор.
9. Измерение
параметров биполярного транзистора.
Для проверки
параметров транзисторов на соответствие требованиям технических условий, а
также для получения данных, необходимых для расчета схем, используются
стандартные измерители параметров транзисторов, выпускаемые промышленностью.
С
помощью простейшего испытателя транзисторов измеряются коэффициент усиления по
току , выходная
проводимость и
начальный ток коллектора
Более сложные
измерители параметров позволяют, быстро определив значения , , , , транзисторов в схемах ОБ и ОЭ, оценить,
находятся ли измеренные параметры в пределах допустимого разброса и пригодны ли
испытанные транзисторы к применению по критерию надежности.
Параметры транзисторов
можно определить также по имеющимся в справочниках пли снятым в лабораторных условиях
характеристикам.
При определении
параметров обычно измеряют обратные токи коллектора (всегда) и эмиттера (при необходимости) в
специальных схемах для транзисторов — усилителей, работающих в выходных
каскадах, и для транзисторов — переключателей. При измерениях малых токов
используют высокочувствительные микроамперметры, которые нуждаются в
защите от перегрузок.
Необходимо измерить
также напряжения , , , , .
Напряжение измеряют при заданном токе ограниченном сопротивлением в коллекторе, по
наблюдению на экране осциллографа участка вольтамперной характеристики,
соответствующего лавинному пробою. Можно также измерять величину вольтметром по падению
напряжения на ограничивающем сопротивлении. При этом фиксируется показание
прибора в момент резкого возрастания тока. Напряжение измеряется по изменению
направления тока базы. Напряжение между эмиттером и коллектором фиксируется в
момент, когда ток базы (при
этом ). Величину определяют аналогично
напряжению . При
нахождении измерение
производится в схеме ОЭ в режиме насыщения при заданном коэффициенте насыщения.
Желательно измерения производить в импульсном режиме, чтобы рассеиваемая
транзистором мощность была минимальной. Величина определяется аналогично напряжению в схеме
ОЭ.
Среди параметров,
характеризующих частотные свойства транзисторов, наиболее просто измерить величину
. Для ее определения
следует измерить на частоте , в 2 - 3 раза большей , модуль коэффициента передачи тока
в схеме ОЭ ,
тогда . Все частоты
, указываемые
в качестве параметров, взаимосвязаны и могут быть вычислены.
При измерении
барьерной емкости коллекторного перехода Ск обычно используют
метод сравнения с эталонной емкостью в колебательном контуре и Q-метр.
Емкость измеряется при
заданном обратном напряжении на переходе.
Важным является
измерение в качестве параметра постоянной времени (обычно в номинальном режиме
транзистора). Переменное напряжение достаточно большой частоты ( 5 МГц) подается
в цепь коллектор — база и вольтметром измеряется напряжение на входе между
эмиттером и базой. Затем в измерительную цепь вместо транзистора включается
эталонная цепочка RC. Изменяя значения RC, добиваются тех же показаний вольтметра. Полученное RC будет равно постоянной транзистора.
Тепловое сопротивление
измеряется с
помощью термочувствительных параметров (,,) с использованием графиков зависимости этих
параметров от температуры. Для мощных транзисторов чаще всего измеряют
величину для
маломощных -
Параметр большого
сигнала В измеряется на постоянном токе (отношение /) или импульсным методом (отношение амплитуд
тока коллектора и базы).
При измерении h-параметров
наибольшие трудности возникают при определении коэффициента обратной связи по
напряжению, .
Поэтому обычно измеряют параметры , , а затем вычисляют по формулам пересчета
значение .
Измерения малосигнальных параметров производятся на частотах не более 1000 Гц.
10. Основные параметры биполярного транзистора.
Электрические параметры.
Напряжение
насыщения коллектор-эмиттер при , не более ------
0,3 В.
Статический
коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером
при
, :
при Т=298 К ------------ 35 – 90
при Т=358 К ------------ 35 – 180
при Т=228 К ------------- 15 – 90
Модуль коэффициента передачи тока при f=100 МГц, ,
не
более 3.
Емкость
коллекторного перехода при , f=10 МГц не более 6 пФ
Емкость
эмиттерного перехода при , f=10 МГц не более ---8- пФ
Обратный
ток коллектора при не более:
при
Т=228 К и Т =298 К ------- 1 мкА
при
Т=358 К --------------------- 10 мкА
Обратный
ток коллектор – эмиттер при ,
не
более 100 мкА
Предельные эксплутационные данные.
Постоянное
напряжение коллектор – эмиттер при -- 16 В
Постоянное
напряжение база – эмиттер при ------------------------------ 5 В
Постоянный
ток коллектора:
при Т=298 К ----------------- 10 мА
при Т=358 К ----------------- 5 мА
Импульсный ток коллектора при , ------------25 мА
Постоянная
рассеиваемая мощность коллектора:
при Т=228 - 298 К ----------------- 1 мВт
при Т=358 К ------------------------ 5 мВт
Импульсная рассеиваемая мощность коллектора , 50 мВт
Температура
окружающей среды --------------------------От 228 до 358 К
Максимально
допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора в мВт при Т=298
– 358 К определяется по формуле: .
Графики:
Рис 12-1
Входные характеристики.
Рис 12-2. Зависимость обратного тока коллектора от температуры.
Рис 12-3. Зависимость статического коэффициента передачи тока от
напряжения коллектор-эмиттер.
Рис 12-4. Зависимость статического коэффициента передачи тока
от тока эмиттера.
11. Применение биполярных транзисторов в электронных схемах.
Данный радиомикрофон предназначен для озвучивания
мероприятий, и т. д. Устройство работает в УКВ диапазоне на частоте 87,9 МГц,
специально отведенной для радиомикрофонов, и его сигналы принимают на обычный
радиовещательный приемник с диапазоном УКВ-2. Дальность действия радиомикрофона
в пределах прямой видимости — более 200 м.
Схема и принцип действия. Схема
радиомикрофона приведена на рис. 13-1. Передатчик собран на транзисторе VT4 по однокаскадной схеме. Такое решение для миниатюрного устройства,
каким является радиомикрофон, оправдано, так как использование в передатчике
отдельно задающего генератора и выходного каскада приводит к снижению его
экономичности и возрастанию габаритов.
Как известно, частота LC-генератора,
работающего в области 100 МГц, существенно зависит от напряжения питания.
Передатчик содержит два контура — контур L1C9C10C12C13VD2, Задающий частоту генератора, и выходной
контур L3C15C16,
связанный с антенной. Это повышает стабильность генерируемой частоты.
Задающий контур подключен к транзистору VT4 по схеме Клаппа. Влияние изменения параметров транзистора VT4 при изменении питающего напряжения на задающий контур введено к
минимуму выбором малого коэффициента включения транзистора в контур
(определяется емкостью конденсаторов СЮ, С12,
С13). Для повышения температурной стабильности частоты
применены конденсаторы С9, СЮ, С12, С13 с малым ТКЕ, а коэффициент включения в
задающий контур варикапа VD2 невелик из-за малой емкости
конденсатора С9.
Выходной П-коктур позволяет согласовать антенну с выходом
транзистора
VT4 и улучшает фильтрацию высших гармоник. Выходной контур
настроен на частоту второй гармоники задающего контура. Это уменьшает влияние
выходного контура на задающий контур через емкость перехода коллектор—база
транзистора VT4, благодаря чему улучшается стабильность
частоты передатчика. За счет всех этих мер уход частоты передатчика при
изменении питающего напряжения от 5 до 10 В невелик и подстройки приемника в
процессе работы не требуется.
Звуковой сигнал с электретного микрофона ВМ1 поступает на
вход микрофонного усилителя, собранного на операционном усилителе (ОУ) DA2. Питание микрофон получает через резистор R1 и
развязывающую цепь R5C2. Для снижения
потребляемой мощности на месте DA2 использован
микромощный ОУ К140УД12. Резистор R10 задает потребляемый
ток ОУ около 0,2 мА. Большой мощности от микрофонного усилителя не требуется,
потому что он нагружен на варикап, а мощность управления варикапом,
представляющим собой обратносмещенный диод, крайне мала R7
и сопротивление участка сток—исток полевого транзистора VT1 образуют цепь отрицательной обратной связи, определяющей коэффициент
усиления микрофонного усилителя. Канал полевого транзистора VT1 служит регулируемым сопротивлением в системе АРУ. При напряжении затвор—исток,
близком к нулевому, сопротивление канала — около 1 кОм и коэффициент усиления
микрофонного усилителя близок к 100. При возрастании напряжения до 0,5... 1 В
сопротивление канала повышается до 100 кОм а коэффициент усиления микрофонного
усилителя уменьшается до 1. Это обеспечивает почти неизменный уровень сигнала
на выходе микрофонного усилителя при изменении уровня сигнала на его входе в
широких пределах.
Конденсатор С4 создает спад АЧХ микрофонного усилителя в
области высоких частот для уменьшения глубины модуляции на этих частотах и
предотвращения расширения спектра сигнала передатчика. Конденсатор СЗ блокирует
цепь обратной связи усилителя DA2 по постоянному току.
Через резистор R4 на неинвертирующий вход ОУ DA2 поступает напряжение смещения, необходимое при однополярном
питании.
Транзистор VT3 выполняет функцию
детектора системы АРУ и управляет полевым транзистором VT1.
Порог срабатывания системы АРУ устанавливается подстроенным резистором R12. Когда сигнал с выхода микрофонного усилителя и отпирающее
напряжение смещения с части резистора R12 в сумме
сравняются с напряжением открывания перехода эмиттер—база транзистора VT3, последний открывается, подавая напряжение на затвор полевого
транзистора VT1. Сопротивление канала полевого
транзистора VT1 увеличивается, и коэффициент усиления микрофонного
усилителя уменьшается.
Благодаря АРУ амплитуда сигнала на выходе усилителя
поддерживается практически на постоянном уровне. Этот уровень можно
регулировать, меняя резистором R12 напряжение смещения
транзистора VT3. Цепь R9C5 задает постоянную времени срабатывания, а цепь R8C5 — постоянную времени восстановления системы
АРУ. Для компенсации температурных изменений напряжения открывания перехода
эмиттер -база транзистора VT3 напряжение на резистор R12 подано с диода VD1,
Транзистор VT3, цепь формирования
порога срабатывания АРУ R11R12VD1 и резистор R4, через который поступает смещение
на неинвертирующий вход ОУ, получают питание от стабилизатора напряжения DA1. Это же напряжение подано через резистор R14 в
качестве наприжения смещения на варикап VD2. Так как емкость варикапа
существенно зависит от приложенного к нему напряжения смещения, то к его
стабильности предъявляются жесткие требования. Поэтому стабилизатором DA1 служит микросхема КР142ЕН19, представляющая собой стабилизатор
напряжения параллельного типа. Выбором резисторов R2 и R3 задают напряжение стабилизации около 3,5 В на выводе 3 микросхемы DA1. Балластным сопротивлением служит генератор тока на полевом
транзисторе VT2. что повышает экономичность стабилизатора.
Рис 13-1 Электрическая
принципиальная схема радио микрофона.
|
12. Литература
1.
И.П. Жеребцов «Основы Электроники», Ленинград «Энергатомиздат» 1985 г.
2.
В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника», Москва «Высшая школа» 1991 г.
3.
В.В. Пасынков, Л.К. Чирикин «Полупроводниковые приборы», Москва «Высшая
школа» 1987 г.
4.
В.А. Батушев «Электронные приборы», Москва «Высшая школа» 1980 г.
5.
Морозова И.Г. «Физика электронных приборов», Москва «Атомиздат»1980 г.
6.
Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник/ под ред. Н.Н. Горюнова,
Москва «Энергатомиздат» 1985 г.
7.
Лавриненко В.Ю. «Справочник пополупроводниковым приборам» Киев1984г.
8.
Манаев Е.И. «Основы радиоэлектроники» - М. радио и связь, 1990г.
9.
Степаненко И.П. «Основы микроэлектроники» - М. Советское радио, 1980г.
10.
Дулин В.Н. «Электронные приборы» - М. Энергия, 1977г.
11.
Журнал «Радио».
Web-литература
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|