Электроника 1.1 / Физические основы электроники

Аналогично для Uкэ 2 В. А теперь можно построить характеристи-

ки обратной связи по напряжению: Uбэ f Uкэ Iб const . Для этого, задавая дискретные значения напряжений U кэ на оси абсцисс и восстанавливая из этих точек перпендикуляры, переносим точки пересечения

с соответствующими выходными характеристиками в четвертый квадрант, используя при этом в качестве переходной характеристику Iк f Iб

и характеристику входную Iб f Uбэ . При этом считаем, что при Uкэ 5 B все входные характеристики идут настолько близко друг к другу, что практически сливаются с характеристикой при Uкэ 5 В.

3.5. Эквивалентные схемы транзистора

Реальный транзистор при расчете электронных схем можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 3.15). Здесь оба электроннодырочных перехода, эмиттерный и коллекторный, представлены диодами VD1 и VD2 , а их взаимодействие учитывается генераторами токов, которые генерируют токи: αN I1 – в нормальном включении (αN – ко-

эффициент передачи транзистора в нормальном включении); α1I1 – в инверсном включении (α1 – коэффициент передачи по току в инверс-

ном включении). Собственные сопротивления различных областей транзистора учитываются сопротивлениями: r э – сопротивление эмит-

терной области, r б – сопротивление базы, r к – сопротивление коллек-

тора. Рассмотренная схема является эквивалентной схемой транзистора по постоянному току, т. к. не учитывает ряда факторов, оказывающих существенное влияние на переменную составляющую.

Рис. 3.15. Эквивалентная схема транзистора по постоянному току

101

Поскольку транзистор в большинстве случаев усиливает сигналы переменного тока, то в этом случае его эквивалентная схема будет несколько иной (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Эквивалентная схема транзистора по переменному току

ной связи по напряжению; rб – объемное сопротивление базы; Cк – емкость коллекторного перехода.

3.6. Транзистор как линейный четырехполюсник

Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.17) – «черного ящика» с произвольной, но неизменной структурой, которая определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами (U1 , I1 , U2 , I2 ).

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие – за зависимые, линейный четырехполюсник мож-

102

но описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I1 и выходное напряжение U2 , а за

зависимые – выходной ток I2 и входное напряжение U1 . Тогда система

уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так:

Рис. 3.17. Схема четырехполюсника

Физический смысл коэффициентов h11, h12 , h21 , h22 , называемых h-параметрами, установим следующим образом:

1.Если в первом уравнении положить U2 0 (короткое замыкание на

сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе.

2.Если в этом же уравнении положить I1 0 (холостой ход на входе),

транзистора при холостом ходе во входной цепи.

С учетом h-параметров эквивалентная схема транзистора выглядит так, как представлено на рис. 3.18.

103

Рис. 3.18. Схема замещения транзистора

Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряжения h12U 2 , который учитывает взаимовлияние между коллекторным и эмит-

терным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h21I1 в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, ко-

гда под действием входного тока I1 в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h21I1 . Параметры h11 и h22 – это соответственно

входное сопротивление и выходная проводимость транзистора. Для различных схем включения транзистора h-параметры будут различны.

Так, для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются (рис. 3.19): U1 Uэб ; I1 Iэ ; U 2 Uкэ ; I2 Iк.

Рис. 3.19. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общей базой

Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и h-параметры по переменному току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с общей базой они определяются по выражениям:

104

Индекс «б» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой.

Для схемы с общим эмиттером входными и выходными величинами являются (рис. 3.20): U1 Uбэ ; I1 Iб; U 2 Uкэ ; I2 Iк.

Рис. 3.20. Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общим эмиттером

Для схемы с общим эмиттером h-параметры определяются из соотношений

(составляет от сотен Ом до единиц кОм);

(обычно равен 10 3 10 4 , т. е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения);

(составляет десятки – сотни единиц);

105

(равна десятым – сотым долям мСм, а выходное сопротивление 1 по-

h22

лучается от единиц до десятков кОм).

Используя семейства входных и выходных характеристик транзистора, h-параметры можно определить и графическим путем. Так, для схемы с общим эмиттером семейства входных и выходных характеристик представлены на рис. 3.21.

Входные характеристики транзистора в справочниках обычно

настолько близко расположены друг от друга, что практически сливаются в одну характеристику. Поэтому, откладывая на оси абсцисс выходных характеристик (рис. 3.21, б) Uкэ 5 В, восстанавливаем из этой

точки перпендикуляр до пересечения с какой-либо из средних характеристик, например Iб2 (точка A). Точке A соответствует коллекторный

ток IкA . Тогда, давая приращение току Iк при неизменном Rк на величину Iк , например до пересечения со следующей характеристикой ( Iб3 ), получим точку B .

Рис. 3.21. Определение h-параметров

по статическим характеристикам транзистора

Приращение базового тока при этом соответствует разности

106

Далее на оси ординат входной характеристики отложим величину тока базы Iб2 IбA . Используявходную характеристику при Uкэ 5 В, найдем

Для нахождения параметра h12 необходимы две входные характеристики, снятые для Uкэ 0 .

Предположим, что, кроме приведенных входных характеристик была бы еще одна, снятая, например, для Uкэ 3 В (показана на

рис. 3.21, а пунктиром). Тогда, находя на этой характеристике точку E , соответствующую базовому току IбA , можно было бы определить

Uбэ U бэA U бэE и Uкэ UкэA UкэE 5 3 2 В,

где UкэA и U кэE – значения напряжений на коллекторе, при которых

сняты входные характеристики с точкой A и точкой E. Подставляя найденные значения в выражение (3.32), можно было бы получить

107

Использование для нахождения этого параметра входной характеристики (при Uкэ 0 В) дает большую погрешность, т. к. при малых

значениях U кэ входные характеристики располагаются далеко друг от друга, а затем их частота возрастает, и уже при Uкэ 5 В они практиче-

ски сливаются друг с другом. Поскольку в справочниках обычно приводится входная характеристика только для одного значения Uкэ 0 , точ-

но определить параметр h12 в нашем случае невозможно.

3.7. Режимы работы транзистора

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 3.22). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется про-

порционально току базы:

Iк

Rк Uвых

Iб Eк

E1

Iэ

Рис. 3.22. Схема усилительного каскада

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 3.23). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Eк – напряжению источника питания коллекторной цепи,

а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

108

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением

где U кэ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; Rк – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Из (3.42) следует, что

И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением Rк . Из рис. 3.23 следует, что в зависимости от тока базы Iб проте-

кающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение Uкэ, будет пере-

мещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при Iб 0 ) до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки

с начальным круто возрастающим участком выходных характеристик.

Рис. 3.23. Режимы работы биполярного транзистора

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей Iб 0 , называется зоной отсечки

и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный – смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода –

109

Iк0 , который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания Eк падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

Uкэ1 Eк.

Ападение напряжения на нагрузке U Rк очень мало и равно

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке, исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток Iб , то рабочая точка будет пе-

ремещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения Iб нас. Здесь транзистор входит в режим

насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока Iк . Зона между осью ординат и круто изме-

няющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора Uкэ0 оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения тран-

зистор можно представить в виде замкнутого ключа.

Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

3.8.Предельные режимы работы транзистора

Впаспортных данных каждого транзистора указывается его предельно допустимая мощность рассеивания, превышение которой недопустимо, т. к. ведет к тепловому разрушению полупроводниковой структуры. Возьмем это значение мощности Pк доп и, учитывая, что

оно равно

110