Лекция 5
.docЛекция 5.
Схемы включения биполярного транзистора.
К трём выводам транзистора можно подключить два независимых источника напряжения. В зависимости от того, какой вывод является для них общим, различают три схемы включения транзистора:
1) C общей базой. (α=Iк/Iэ≤1)
2) С общим эмиттером. (β=Iк/Iб>>1)
3) С общим коллектором.
Режимы работы транзистора.
В зависимости от величины и полярности напряжений между выводами транзистора различают четыре режима работы транзистора:
1) Активный (или нормальный, или усилительный). Iвых=kIвх, k – коэффициент передачи по току.
КП – в обратном направлении.
ЭП – в прямом направлении.
Такой режим используется в усилителях и генераторах электрических сигналов.
2) Режим отсечки коллекторного тока.
ЭП и КП смещены в обратном направлении. В коллекторной цепи Ik=Ik0 (где Ik0 – тепловой ток коллекторного, обратно смещенного перехода).
Rкэ > 1 МегаОм.
Такой режим соответствует разомкнутому состоянию электрического ключа и применяется в ключевых схемах на биполярных транзисторах.
3) Режим насыщения.
КП и ЭП смещены в прямом направлении, Rкэ - мало.
Ik=Iколлектора насыщения = Eпитания/Rk, величина тока ограничивается не транзистором, а Iк насыщения.
Такой режим соответствует замкнутому состоянию, механического ключа и используется в ключевых схемах на транзисторах.
4) Инверсный режим.
ЭП смещен в обратном, а КП – в прямом направлении. Здесь входной ток – ток коллектора, а выходной – Iэ.
αI – коэффициент передачи транзистора в инверсном режиме (обычно <<1, поэтому в усилителях не используется).
Противоположный нормальному, в усилительных схемах такой режим не используется, а используется в цифровых, логических схемах. Инверсное включение применяют в схемах двух направленных переключателей:
Эквивалентные схемы транзистора.
Под эквивалентной схемой транзистора понимают эквивалентную схему, составленную из элементов электрической цепи, каждый элемент которой отвечает за некоторую область транзистора.
Эквивалентная схема для малых сигналов:
При малых сигналах транзистор можно считать линейным элементом.
Rэ,Cэ – сопротивление и ёмкость эмиттерного перехода.
Rэ=φт/Iэ
Ск, Rк – характеризуют свойства обратно смещённого коллекторного перехода.
αsIэ – зависимый источник тока, характеризует передачу тока эмиттера, в коллекторную цепь.
Rээ, Rбб, Rкк – об’ёмные сопротивления.
Эквивалентная схема транзистора при больших сигналах (модель Эберса-Молла):
VD1, VD2 – характеризуют нелинейные свойства p-n-переходов.
αN – коэффициент передачи Iэ при нормальном включении транзистора.
αI - коэффициент передачи Ik в эмиттерную цепь, при инверсном включении транзистора.
Токи, протекающие в транзисторе согласно модели Эберса-Молла:
1.Iэ = IЭ0(eUэб/φт-1)-αIIk0(eUkб/φт-1).
2.Ik = αNIЭ0(eUэб/φт-1)- Ik0(eUkб/φт-1).
Математическая модель биполярного транзистора.
Она устанавливает аналитические зависимости между токами и напряжениями на выходах транзисторов. Обычно ее составляют по эквивалентной схеме Эберса-Молла.
Согласно этой модели транзистор состоит из двух p-n-переходов и двух зависимых источников тока.
Iэ=U-αiIk, Ik=αNIэ-i2, αN – коэф-т передачи тока в нормальном режиме.
IК=I(eφЭБφТαN)-1 IК0 IЭО φКБ
Если транзистор работает в номальном режиме, то αi=0:
, I=αКIЭ+IК0
ВАХ биполярного транзистора.
Представляет собой зависимости токов от напряжений на выводах биполярного транзистора, представленные в виде графиков.
Для биполярного транзистора обычно рассматривают:
Входную ВАХ – Iвх=f(Uвх)
Выходную ВАХ – Iвых=f(Uвых)
ВАХ биполярного транзистора с ОБ
1) Входная ВАХ:
- входная характеристика.
Эти характеристики близки к характеристикам смещённого в прямом направлении p-n-перехода. При Uкб=0, ВАХ входная совпадает с ВАХ p-n-перехода. При Uкб>0, входная ВАХ смещается влево. Это связано с расширением коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. Зависимость толщины коллекторного перехода от напряжения на коллекторе связано с эффектом Эрли.
2) Выходная ВАХ:
.
1.Рабочим режимом работы транзистора является 0<Uкб< Uкб max. КП смещен в обратном направлении, отсюда Iвых: IК = αIЭ + IК0. Однако, из-за эффекта Эрли наблюдается небольшой наклон этих характеристик; он учитывается:
IК = αIЭ + IК0 + UКБ/rК диф
2.При Uкб > Uкб max, наступает пробой коллекторного перехода, что сопровождается резким возрастанием коллекторного тока.
В транзисторах наблюдается два вида пробоя:
-лавинный, аналогичный p-n-переходу.
-эффект смыкания коллекторного и эмиттерного переходов:
3.При Uкб<0, коллекторный переход смещается в прямом направлении, что препядствует движению не основных носителей заряда через него, а потому ток неосновных носителей заряда стремится к нулю, а дальнейшее увеличение ведет к возрастанию тока основных носителей.
Усилительные свойства транзистора, включенного с ОБ, характеризуются αS.
В зависимости от характера входного сигнала различают три разных определения такого коэффициента:
1.Статический коэффициент αS= Ik/Iэ(Ik,Iэ – абсолютные и обычно неизменные токи транзистора).
2. α0 – дифференциальный коэффициент.
(в заданной рабочей точке).
3.Динамический коэффициент – комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты.
, где
– постоянная времени транзистора, включенного с ОБ, W – ширина базы транзистора с ОБ.
АЧХ:
ФЧХ:
φк(ω)=-arctg ωτα
-граничная частота транзистора включенного с ОБ.
Следствия:
1) На высоких частотах коэффициент передачи уменьшается.
2) Появляется фазовый сдвиг (запаздывание) между Iвх и Iвых.
ВАХ транзистора с ОЭ.
Входная характеристика – Iб=f(Uбэ).
1) Входная ВАХ
2) Выходная ВАХ
Входная ВАХ:
1.При Uкэ=0, входная ВАХ ОЭ, совпадает с ВАХ p-n-перехода.
2.При возрастании Uкэ, входная ВАХ смещается вправо, этосвязано с падением напряжения Ik на эмиттерном переходе.
Выходная ВАХ:
1) Выходная ВАХ целиком расположена в первом квадранте, так как Uкэ=Uкб+Uбэ.
2) Наклон на пологой части графиков значительно сильнее, чем для схем с ОБ.
Получим связь между током коллектора и током базы.
IK=f(IБ)-?
;
Разрешим уравнение относительно IK:
1) - коэффициент передачи тока базы.
α=0,9 - β=9
α=0,99 - β=99
α=0,999 - β=999
2) - тепловой ток КП в схеме с ОЭ
, это связано с тем, что IK0 усиливается в β раз.
3) - диф-е сопротивление КП с ОЭ.
Отличия ОЭ от ОБ.
1.За счёт того, что Uкэ=Uкб+Uбэ, ВАХ по сравнению с предыдущим случаем смещаются вправо.
2.Наклон рассматриваемых характеристик значительно больше чем прежде. Это связано с тем, что Uбэ, зависит от Rээ.
3.При Uкэ>Uкэmax, происходит пробой коллекторного перехода, причём, Uкэmax(ОЭ) < Uкбmax(ОБ).
4.При Iб=0, Iкэ=Iко*>>Iко
Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром - коэффициент передачи тока базы. В зависимости от характера входного сигнала β имеет разный физический смысл:
1.Статический коэффициент ;
Установим связь между и .
Ik=Iэ+Ik0=(Iк+Iб)+Ik0=Ik(1-)=Iб+Ik0
2.0 – Дифференциальный коэффициент передачи тока базы.
3.Динамический коэффициент .
- постоянная времени транзистора с ОЭ.