3.2.2 Схемы включения биполярного транзистора

В схемотехнике применяются три схемы включения биполярных транзисторов – с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Включения транзистора по схеме с общей базой (а), общим

эмиттером (б) и общим коллектором (в)

На представленных схемах к выводам 1 – 1' подается входной сигнал, а с выводов 2 – 2'снимается выходной сигнал. На схемах включения видно, что входной и выходной сигнал берутся относительно вывода транзистора, который является общим относительно входа и выхода. Так в схеме с общей базой (рисунок 3.4,а) входной сигнал U_эб прикладывается к эмиттеру относительно базы и выходной сигнал U_кб снимается с коллектора относительно так же базы. Аналогичное имеет место и на других схемах. В качестве условного обозначения способа включения транзистора используются первые буквы наименования включения (аббревиатура). Так для обозначения включения транзистора по схеме с общим эмиттером используется его аббревиатура О.Э. и т.д.

При конкретном включении транзистора важно правильно расставить полярность напряжений, прикладываемых к его выводам. Полярности должны быть таковыми, чтобы, как уже говорилось, эмиттерный p–n переход был под прямым напряжением, а коллекторный под обратным. Это легко проверить по схемам включения транзисторов на рисунок 3.4.

Каждая из схем включения обладает своими свойствами. Они отличаются величинами входного и выходного сопротивления, значениями коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности, видами входных и выходных вольтамперных характеристик. Каждая схема включения используется для конкретных целей. Так схема с общей базой используется в схемах регулировки напряжения, схема с общим эмиттером используется в усилителях сигнала, с помощью схемы с общим коллектором осуществляется согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой для создания условия передачи максимума мощности.

3.2.3 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Все виды вольтамперных характеристик биполярного транзистора удобно представить в виде диаграммы рисунок 3.5.

Рисунок 3.5 – Виды вольтамперных характеристик биполярного транзистора

Как видно из рисунке 3.5 все В.А.Х. транзистора подразделяются прежде всего на статические и динамические. Статические характеристики описывают статический режим работы транзистора. Он характеризуется тем, что при изменении тока в коллекторе напряжение на коллекторе остается постоянным. Как отмечалось, каждая схема включения транзистора (рисунок 3.4) характеризуется своими вольтамперными характеристиками. Из трех видов включения транзисторов наиболее широко используется включение по схеме с общим эмиттером.

Все вольтамперные характеристики получают экспериментально. На рисунке 3.6 показана схема для снятия В.А.Х. биполярного транзистора типа p–n–p, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рисунок 3.6 – Схема для снятия входных и выходных В.А.Х. биполярного

транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером

Назначение элементов на схеме (рисунок 3.6) следующие: с помощью потенциометров R₁ и R₂ осуществляется изменение напряжений соответственно на базе и на коллекторе относительно эмиттера. Эти напряжения измеряются с помощью вольтметров V₁ и V₂. Ток базы измеряется с помощью первого миллиамперметра (mA₁), а ток коллектора измеряется с помощью второго миллиамперметра (mA₂).

Входной вольтамперной характеристикой называется зависимость тока базы I_б от напряжения на базе относительно эмиттера U_бэ при постоянном значении напряжения на коллекторе относительно эмиттера U_кэ.

Для этого с помощью потенциометра R₂ устанавливается определенное напряжение, а затем с помощью потенциометра R₁ устанавливаются последовательно значения напряжений на базе и для каждого значения измеряется ток базы. По полученным измерениям строится входная В.А.Х. транзистора (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Семейство входных В.А.Х. биполярного транзистора,

включённого по схеме с общим эмиттером

Обычно снимаются и строятся несколько В.А.Х. при различных значениях коллекторного напряжения. В результате получается семейство входных В.А.Х. (рисунок 3.7). Первая В.А.Х. строится при коллекторном напряжении равном нулю. В этом случае функционирует только эмиттерный p–n переход. Он находится под прямым напряжением, что обеспечивается полярностью подключения источника U₁. Поэтому вид входной В.А.Х. транзистора полностью совпадает с В.А.Х. p–n перехода.

Следующая В.А.Х. снимается при установке на коллекторе с помощью потенциометра R₂ напряжения U_К1. В этом случае под действием коллекторного напряжения часть носителей (дырок), прошедших из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Это приводит к уменьшению числа зарядов, проходящих в базе, т.е. это приводит к уменьшению базового тока. На рисунке 3.7 показано, что при определённом напряжении на базе U_б, токи базы при различных напряжениях на коллекторе различны и их величины убывают с увеличением коллекторного напряжения.

Выходные характеристики снимаются с помощью той же схемы (рисунок 3.6). Выходной статической характеристикой биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером называется зависимость тока коллектора I_к от напряжения на коллекторе относительно эмиттера при постоянном значении тока базы:

I_к = f(U_кэ) при I_б = const

Последовательность снятия выходной В.А.Х. состоит в следующем. В начале устанавливается определённое значение тока базы транзистора путём изменения напряжения на базе. Затем, изменяя напряжение на коллекторе, измеряются значения тока коллектора. Величина напряжения на коллекторе и величина коллекторного тока не должны превышать допустимых предельных значений, указанные в справочнике. Далее устанавливается другое значение тока базы и затем снимается следующая выходная характеристика. Значения тока базы не должны превышать допустимого максимального значения тока базы. Таким образом получается семейство выходных статических характеристик (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 – Семейство выходных статических характеристик биполярного

транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером

При базовом токе равном нулю выходной В.А.Х. не происходит наполнение базы зарядами из эмиттера. Полярность напряжения на коллекторе такова, что коллекторный переход находится под обратным напряжением и коллекторный ток за счёт не основных носителей базы. В результате выходная В.А.Х. представляет собой обратную В.А.Х. p – n перехода. При создании базового тока (I_б2, I_б3) база наполняется основными носителями из эмиттера, что ведёт к уменьшению величины потенциального барьера и уменьшению запирающего слоя коллекторного p – n перехода. Последнее приводит к увеличению коллекторного тока при тех же значениях коллекторного напряжения – зависимости при I_б2 и при I_б3 (рисунок 3.8). Несколько выходных В.А.Х., представленных на одном графике называется семейством выходных характеристик транзистора.

Довольно часто используется включение транзистора по схеме с общей базой (О.Б.). По такой схеме транзисторы включаются, например, в стабилизаторах напряжения и тока. Снятие В.А.Х. биполярного транзистора, включённого по схеме с О.Б. осуществляется с помощью такой же схемы, как и на рисунке 3.6, но транзистор при этом включается по схеме с О.Б. (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Схема для снятия В.А.Х. биполярного транзистора,

включённого по схеме с общей базой

Назначение элементов аналогичное тому, что в схеме рисунок 3.6.

Входной В.А.Х. транзистора, включённого по схеме с О.Б., называется зависимость тока эмиттера I_э от напряжения на эмиттере относительно базы U_э при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы U_к:

I_б = f(U_э) при U_к = const

Последовательность снятия входных В.А.Х. аналогично ранее рассмотренному. Предварительно устанавливается напряжение на коллекторе передвижением ползунка резистора R₂ (рисунок 3.9), величина которого измеряется с помощью второго вольтметра.

Далее, передвижением ползунка резистора R₁, устанавливаются определённые значения напряжений на эмиттере U_э и для каждого его значения измеряется ток эмиттера I_э первым миллиамперметром. Результаты измерений вносятся в таблицу, по которой строится входная В.А.Х.. Первая В.А.Х. снимается при нулевом напряжении на коллекторе. Не трудно увидеть, что в этом режиме электрические процессы протекают только в эмиттерном переходе, который находится под прямым напряжением. Очевидно, что вид входной В.А.Х. при U_к = 0 будет полностью совпадать с В.А.Х. p–n перехода при прямом включении (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Семейство входных В.А.Х. биполярного

транзистора, включённого по схеме с общей базой

Далее устанавливается некоторое напряжение на коллекторе U_к2 и снимается следующая входная В.А.Х.

При появлении отрицательного потенциала на коллекторе часть дырок, перешедших из эмиттера в базу теперь движутся в коллектор через коллекторный p–n переход. Это приводит к увеличению эмиттерного тока I_э при тех же значениях напряжений на эмиттере U_э, так как этот ток, как отмечалось, равен сумме токов базы и коллектора. Отсюда следует, что значения эмиттерного тока будут больше прежних значений на величину коллекторного тока. Следовательно, эта характеристика пойдёт выше прежней характеристики (U_к2>0, рисунок 3.10).

Следующая входная В.А.Х. снимается при следующем бóльшем напряжении U_к3>U_к2. Увеличение коллекторного напряжения приводит к увеличению коллекторного тока, что вызывает увеличение эмиттерного тока. Последнее приводит к тому, что характеристика при U_к3 будет расположена выше характеристики при U_к2 (рисунок 3.10).

Семейство выходных характеристик представляет зависимость тока коллектора I_к от величины коллекторного напряжения U_к при неизменном значении тока эмиттера I_э:

I_к = f(U_к) при I_э = const

Первой является характеристика при нулевом токе эмиттера. В этом случае в транзисторе функционирует только коллекторный переход, который находится под обратным напряжением. Очевидно, что в этом случае выходная характеристика будет полностью повторять В.А.Х. p–n перехода, находящегося под обратным напряжением (рисунок 3.11, I_э = 0).

Рисунок 3.11 – Семейство выходных В.А.Х. биполярного

транзистора, включённого по схеме с общей базой

Для снятия следующей выходной характеристики устанавливается некоторое значение тока эмиттера I_э2. При нулевом напряжении на коллекторе ползунок потенциометра находится в крайнем нижнем положении. Это приводит к закорачиванию коллектора с базой. В результате эмиттерное напряжение, прикладываемое к выводам эмиттер – база создаёт токи в двух участках цепи. Первый – эмиттер, база и второй – эмиттер, база, коллектор, перемычка в R₂ и база. Поэтому, при нулевом напряжении на коллекторе в коллекторе имеет место коллекторный начальный ток, который на графике обозначен I_{к нач.}. Увеличение коллекторного напряжения не значительно влияет на увеличение тока коллектора. Это связано с тем, что величина коллекторного тока зависит от плотности дырок в базе, прошедших из эмиттера. В такой схеме включения транзистора их плотность определяется только напряжением на эмиттере. Некоторое нарастание тока коллектора при увеличении коллекторного напряжения вызвано оттягиванием этим напряжением части дырок от цепи базы.

При изменении полярности напряжения коллекторный переход будет находиться под прямым напряжением, что приводит к резкому увеличению коллекторного тока и на практике не допустимо. Поведение В.А.Х. в этом случае показано пунктиром.

3.2.4 Динамические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с О.Э.

В предыдущих параграфах рассматривались электрические свойства транзистора, не соединённого с другими электрическими элементами. В этом случае, как было видно, изменение базового тока у транзистора, включённого по схеме с О.Э., вызывало изменение коллекторного тока, но коллекторное напряжение при этом оставалось неизменным. Такой режим, как отмечалось, принято называть статическим.

Если посмотреть любую схему с применением транзисторов, то видно, что к транзистору подключено определённое число электрических элементов. Из всех видов включения транзисторов наиболее результативным, как будет показано далее, является включение по схеме с О.Э.. При таком включении транзистора к коллектору подключается или резонансный контур (резонансный усилитель) или резистор (резистивный усилитель). Для изучения динамических свойств транзистора используем варианты резистивного усилителя. На рисунке 3.12 представлен биполярный транзистор, типа p–n–p, включённый по схеме с О.Э., в коллектор которого включён резистор R_н , называемый сопротивлением нагрузки.

Рисунок 3.12 – Схема включения биполярного транзистора

в динамическом режиме

В этой схеме источник питания коллекторной цепи E_к имеет постоянное значение (Е_к = const). Входное напряжение (U_бэ) изменяется в определённых пределах.

При некотором значении базового напряжения в базе устанавливается базовый ток I_б. В соответствии с ранее рассмотренным, под действием электрического поля, создаваемого источником Е_к возникает коллекторный ток I_к. Этот ток создаёт падение напряжения на сопротивлении нагрузки U_н. В соответствии с вторым законом Кирхгофа очевидно следующее соотношение:

Е_к = U_кэ + U_н = U_кэ + I_к R_н (1)

Из этого соотношения найдём напряжение на коллекторе:

U_кэ = Е_к - I_к R_н (2)

При увеличении напряжения на базе увеличивается базовый ток, что приводит к увеличению коллекторного тока. Из последнего соотношения видно, что при этом уменьшится напряжение на коллекторе. Из рассмотренного видно, что при изменении входного напряжения изменяется напряжение на коллекторе. Такой режим работы транзистора принято называть динамическим. Динамический режим транзистора описывается выходной, входной и проходной динамическими характеристиками.

Выходная динамическая характеристика

Выходная динамическая характеристика – это зависимость тока коллектора (I_к) от напряжения на коллекторе (U_кэ). Исходным является выше полученное уравнение по второму закону Кирхгофа для коллекторной цепи:

Е_к = U_кэ + I_к R_н

Это уравнение называется уравнением динамического режима транзистора. Из него получаем уравнение для динамической характеристики:

(3)

Из этого же уравнения напряжение на коллекторе:

(4)

Из уравнения динамической характеристики видно, что она имеет вид прямой линии. Выходная динамическая характеристика строится на семействе выходных динамических характеристик (рисунок 3.13). Так как она имеет вид прямой, найдем две крайние ее координатные точки на осях. Рассмотрим первый крайний случай, когда транзистор полностью открыт, то считается, что его сопротивление между эмиттером и коллектором равно нулю. Тогда падение напряжения на нём равно нулю. В этом случае ток коллектора равен максимальному значению:

Этому режиму соответствует точка с координатами (I_{к max}, U_к=0) на оси ординат – ось тока (рисунок 3.13).

Рассмотрим второй крайний случай, когда транзистор полностью закрыт.

Рисунок 3.13 – Выходная динамическая характеристика и семейство

статических выходных характеристик

Тогда его сопротивление равно бесконечности, а ток коллектора отсутствует, т.е. I_к = 0. Из (4) следует, что в этом режиме напряжение на коллекторе равно величине приложенной Э.Д.С. Е_к. Значит этому режиму соответствует точка с координатами (I_к = 0, U_к = Е_к) на оси абсцисс – ось напряжения (рисунок 3.13,а). Соединяя эти установленные точки, получаем выходную динамическую характеристику.

Полученное семейство выходных статических характеристик совместно с выходной динамической характеристикой позволяет осуществить анализ электрического состояния транзистора. Прежде всего отметим, что положение выходной динамической характеристики определяется величиной Е_к и R_н. При желании изменить её положение необходимо изменить одну из этих величин или обе (рисунок 3.13, б). Режим работы транзистора определяется выбором рабочей точки на динамической характеристике, которая характеризует электрическое состояние транзистора в исходном состоянии. Эту точку, обычно, выбирают, исходя из режима работы транзистора. Выбираем точку 2 на характеристике и в ней электрическое состояние транзистора характеризуется следующим – через транзистор будет протекать коллекторный ток I_к2, на транзисторе будет падать напряжение равное U_к2, на сопротивлении нагрузки падает напряжение U_н2 и при этом ток базы должен быть равен I_б2. При выборе другой рабочей точки значения названных величин изменится. Из сказанного следует, что с помощью семейства выходных статических характеристик и выходной динамической характеристики можно устанавливать режим работы транзистора и определять его электрическое состояние.

Входная динамическая характеристика

Входная динамическая характеристика строится на семействе входных статических характеристик с помощью выходной динамической характеристики. На рисунке 3.13 на динамической характеристике отмечены четыре точки (1÷4), каждой из которых соответствует определённое коллекторное напряжение. Для каждого коллекторного напряжения строится входная статическая характеристика (рисунок 3.14,а). Каждой точке выходной динамической характеристике соответствует своё значение тока базы. Последовательность построения входной динамической характеристики следующая. Для точки 1 выходной динамической характеристики соответствует базовый ток I_б1 и коллекторное напряжение U_к1. На графике семейства входных характеристик (рисунок 3.14,а) откладываем на оси тока значение тока I_б1 и проводим этот уровень до пересечения с входной статической характеристикой, построенной для U_к1, что даёт точку 1 для входной динамической характеристики. Далее общаемся к точке 2 выходной статической характеристики.

Рисунок 3.14 – Построение входной динамической характеристики по

точкам (а) и по семейству входных характеристик (б)

Значение её базового тока I_б2 откладываем на оси тока семейства входных статических характеристик (рисунок 3.14,а) и проводим уровень этого тока до пересечения с характеристикой, построенной для U_к2, что даёт точку 2 для входной динамической характеристики. Аналогично строятся точки 3 и 4 для входной динамической характеристики. Полученные точки соединяются плавной кривой, которая и является входной динамической характеристикой.

Реально семейство входных статических характеристик представляет В.А.Х., которые очень плотно расположены друг относительно друга. Поэтому в справочной литературе семейство входных В.А.Х. представляется в виде двух характеристик, снятых при нулевом и максимальном значениях коллекторного напряжения, с заштрихованным между ними участком (рисунок 3.14,б). В таком случае за входную динамическую характеристику берётся усреднённая В.А.Х., находящаяся между заданными В.А.Х. (рисунок 3.14,б).

Проходная динамическая характеристика.

Проходная динамическая характеристика показывает как изменяется величина тока коллектора I_к при изменении напряжения на базе U_б, т.е. показывает связь выходного сигнала с входным. Строится проходная динамическая характеристика с помощью входной и выходной динамических характеристик (рисунок 3.15). Для этого необходимо взять точку на выходной динамической характеристике. Ей соответствует определённый ток коллектора, который откладываем на оси коллекторного тока проходной динамической характеристики. Этой же точке соответствует определённый ток базы, для которого находим базовое напряжение по входной динамической характеристике. Это напряжение откладываем на оси базового напряжения проходной динамической характеристики.

Рисунок 3.15 – Построение проходной

динамической характеристики

Например, точке 2 на выходной динамической характеристике соответствует ток коллектора I_к2, который откладывается на оси коллекторного тока проходной характеристики (рисунок 3.15). Этой же точке 2 соответствует базовый ток I_б2. Откладываем этот ток на оси базового тока семейства входных статических характеристик (рисунок 3.14,а) и с помощью входной динамической характеристики находим напряжение на базе U_б2 и откладываем его на оси базового напряжения проходной характеристики (рисунок 3.15). Аналогично поступаем с другими точками. При базовом токе равном нулю на выходной характеристики соответствует точка нуль, которой соответствует начальный ток коллектора I_к0. Очевидно, что нулевому значению базового тока соответствует нулевое значение базового напряжения. В результате следует, что проходная динамическая характеристика при нулевом значении базового напряжения имеет значение I_к0.

У проходной динамической характеристики можно выделить три участка – средний линейный участок и два нелинейных – верхний и нижний. Исходное состояние транзистора характеризуется местом положения его рабочей точки на проходной характеристике, т.е. значениями напряжении на базе и коллекторного тока. Для установки требуемого значения на базе существует ряд схемотехнических способов. В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике различают три режима работы транзистора, отличающиеся степенью точности передачи сигнала, эффективностью использования усилительных свойств транзистора. Первый режим называется режимом А, когда рабочая точка находится в середине линейного участка (в окрестности точки 2 на графике проходной характеристики), а амплитуда входного сигнала не выходит за пределы линейного участка характеристики. Этот режим называется линейным и характеризуется высокой точностью передачи сигнала (малыми нелинейными искажениями), но в этом режиме самый низкий коэффициент полезного действия. Когда рабочая точка находится в начале линейного участка (в окрестности точки 1 на графике проходной характеристики), то этот режим называется режимом В и характеризуется заметными частотными искажениями сигнала, но довольно высоким К.П.Д. Наконец, когда рабочая точка находится в начале проходной характеристики, то этот режим называется режимом С. Он характеризуется значительными частотными (нелинейными) искажениями, но имеет самый высокий К.П.Д. из всех режимов.