Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по ФОЭТ_перераб.pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
28.05.2015
Размер:
2.74 Mб
Скачать

При повышении напряжения на коллекторном переходе

в нем происходит лавинное

размножение носителей заряда

(из-за ударной ионизации).

Это явление и тунельный

эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может

перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного

перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается

изменением толщины этих переходов.

В результате изменяется толщина базы. Это

явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при

повышении напряжения К-Б, т.к. тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а

толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания

(«прокол» базы) -

соединение коллекторного перехода эмиттерным. В этом случае область

базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

 

Обозначим:

 

и

ÊÁÎ

 

ÊÝÎ

- начальный сквозной ток, если Iб=0.

 

 

 

 

 

 

 

 

где β - коэффициентá ÊÝÎ ,передачи тока Б, он составляет несколько десятков.

При эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если включено питание в цепи коллектора. Надо также сначало включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Т.к. часть напряжения UКЭ, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток IЭ и равный ему ток IК, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение уменьшается, и за счёт этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к ещё большему возрастанию тока IЭ и.т.д.

§3. Основные схемы включения транзисторов.

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом(выходом) понимают точки, между которыми действует входное(выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером(ОЭ), общим коллектором(ОК), общей базой(ОБ). Вместо слов с «с общим» иногда говорят «с заземлённым», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

Различают статический режим транзистора, при котором на его электроды поданы только напряжения от источников питания, и динамический, при котором кроме этих напряжений на вход транзистора подаётся усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено сопротивление нагрузки. В данном параграфе рассматривается статический режим транзистора и соответствующие этому режиму статические характеристики и параметры транзистора.

Статические характеристики транзистора представляют собой зависимости тока в цепи одного из электродов от изменяющегося питающего напряжения на этом электроде при неизменном питающем напряжении на другом электроде или токе в цепи последнего. Различают входные и выходные характеристики транзисторов. Входные характеристики определяют связь входного тока и входного напряжения, при постоянном выходном напряжении. Несколько одноимённых

статических характеристик снятых при различных значениях поддерживаемой

постоянной третьей величины и построенных в одной общей системе координат,

называют семейством статических характеристик.

 

 

 

 

 

 

Включение транзистора с общей базой (ОБ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На

 

рис.

6

приведена схема включения

 

 

 

 

 

 

транзистора с общей базой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В схеме с общей базой семейство входных

 

 

 

 

 

 

статических

характеристик

это зависимости

IЭ

=

 

 

 

 

 

 

f(UЭБ), при UКБ

= const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типичное семейство входных характеристик для

 

 

 

 

 

 

маломощного

n-p-n

транзистора показано на рис. 7.

 

 

 

 

 

 

Отрицательные

 

значения

 

напряжения

UЭБ

 

 

 

 

 

 

соответствуют

 

прямому

включению

 

эмиттерного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перехода.

Характеристика

для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UКБ

= 0 практически совпадают

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с характеристикой p-n перехода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В активном режиме

(UЭБ < 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UКБ

>

0)

сдвиг характеристик

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

изменении

напряжения на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коллекторе

 

 

 

 

обусловлен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эффектом

Эрли:

с ростом

UКБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при постоянном токе

IЭ прямое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

напряжение

 

 

 

эмиттерного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перехода

 

 

снижается

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеристика

 

 

сдвигается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

влево.

В

 

режиме

насыщения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

7 –

Семейство

входных

характеристик

(UЭБ

< 0, UКБ

< 0)

кроме тока

транзистора, включенного по схеме с общей базой.

инжекции

 

через

эмиттерный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

переход течёт встречный ток электронов,

 

инжектированных в базу из коллектора. При

постоянном

напряжении UЭБ

с

ростом

по модулю напряжения UКБ

встречный ток

увеличивается,

а полный эмиттерный ток уменьшается,

то

есть

при

UКБ < 0

характеристики сдвигаются вниз относительно характеристики

UКБ = 0.

 

 

 

 

Выходные характеристики – это зависимости выходного тока от выходного

напряжения при постоянном входном токе.

Для схемы с общей базой семейство выходных

характеристик

n-p-n

транзистора представлено на рис. 8; здесь параметром служит ток

эмиттера:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IK = f(UКБ), при IЭ = const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Область характеристик при UКБ > 0

соответствует активному режиму,

где IК ≈ αIЭ,

так как

α

= 1,

то

IК

≈ IЭ.

Область характеристик при UКБ

< 0

относится к режиму

насыщения,

где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально

возрастает его ток инжекции,

направленный противоположно току коллектора, поэтому

полный ток

IК уменьшается и может даже изменить направление.

 

 

 

 

 

При больших напряжениях UКБ

ток резко увеличивается вследствие пробоя

коллекторного перехода. Для коллекторного перехода характерен лавинный пробой, что

объясняется низкой концентрацией примесей в коллекторе.

 

 

 

 

 

 

В семействе выходных характеристик для транзистора, включённого по схеме с

общей базой, нет характеристики соответствующей IЭ = 0. При

IЭ = 0 в базу из эмиттера не

поступают дырки и в цепи коллектора протекает

только обратный ток IКБ0, который

настолько мал,

что сливается с горизонтальной осью.

 

 

 

 

 

 

 

Слабая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения

свидетельствует

 

 

 

об

 

 

 

 

очень

 

 

 

 

 

 

 

высоком

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выходном

 

 

 

 

 

 

 

 

сопротивлении

 

 

 

 

транзистора

 

 

 

 

 

 

 

 

подключённого по схеме с общей

 

 

 

 

 

 

 

 

базой:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при IЭ = const.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

транзисторов

 

малой

 

 

 

 

 

 

 

 

мощности

 

Rвых.б

имеет порядок

 

 

 

 

 

 

 

 

сотен тысяч Ом, а для некоторых

 

 

 

 

 

 

 

 

типов транзисторов

может

 

даже

 

 

 

 

 

 

 

 

превышать 1

МОм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из

 

характеристик

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 7

видно,

 

 

 

что

малые

 

 

 

 

 

 

 

 

изменения

 

 

 

 

 

 

 

 

эмиттерного

 

 

 

 

 

 

 

 

напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вызывают

 

 

 

 

 

 

 

 

значительные приросты

 

 

тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эмиттера.

Это говорит о том, что транзистор,

включённый по схеме с общей базой, имеет

малое входное дифференциальное сопротивление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, при UКБ

= const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для транзисторов малой мощности Rвх.б составляет единицы

– десятки Ом.

 

 

 

Транзистор,

включённый по схеме с общей базой,

характеризуется также

дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера(просто коэффициент

передачи):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

при UКБ = const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку всегда

IK

 

< IЭ, α < 1 (α = 0,96…0,99), то есть транзистор, включённый

по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Но в то же время он обладает

способностью усиления по напряжению и мощности.

Это может быть объяснено

следующим образом.

 

Входное сопротивление транзистора мало.

Поэтому с помощью

малого прироста входного напряжения

UЭБ можно получить значительный прирост тока

IЭ. Этот прирост тока почти полностью передаётся в коллекторную цепь:

IK ≈ IЭ.

Благодаря

 

тому,

 

что выходное сопротивление транзистора велико и напряжение

коллекторного источника

ЕК >> ЕЭ

2>>Е1), в коллекторную цепь можно включить

нагрузочное

сопротивление

 

 

RK, во много раз превышающее входное сопротивление

транзистора,

от этого прирост коллекторного тока практически не уменьшается.

Прирост

коллекторного тока

IK

 

создаст прирост падения напряжения на нагрузочном резисторе

примерно во столько же раз больший,

чем прирост входного напряжения,

во сколько раз

RK> Rвх.б.

 

При этом возникает такой же по величине, но с обратным знаком прирост

падения напряжения на коллекторе

 

= IKRK.

 

 

 

 

К

=

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким

 

образом,

транзистор

 

даёт

возможность

перейти от

цепи

малым

сопротивлением к цепи с большим сопротивлением, но практически с тем же приростом

тока,

т.е.

транзистор как бы преобразует сопротивление цепи.

Наличие усиления по

напряжению при

IK

IЭ означает, что транзистор вносит также усиление по мощности.

 

 

 

 

Выводы:

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

В схеме с общей базой входная характеристика представляет собой характеристику

 

p-n

перехода при прямом включении.

 

 

 

2.

Входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общей базой

 

мало,

т.к. малые изменения напряжения на эмиттере вызывают значительные

 

приросты тока эмиттера.

 

 

 

 

 

 

3.

В схеме с общей базой коллекторное напряжение влияет на ток эмиттера. Причём с

 

повышением (по абсолютному значению)

коллекторного напряжения ток эмиттера

 

увеличивается (входная характеристика сдвигается влево).

 

4.

У транзисторной схемы с общей базой ток коллектора очень слабо зависит от

 

коллекторного

напряжения.

Это означает что выходное сопротивление

 

транзисторной схемы с общей базой очень велико.

 

 

5.

Транзистор,

включённый по схеме с общей базой,

вносит усиление по напряжению

 

и мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Схема не даёт усиления по току.

 

 

 

 

 

7.

из-за малого входного сопротивления схема включения транзистора с общей базой

 

потребляет относительно большой ток от источника сигнала.

8.

Чрезмерное большое выходное сопротивление затрудняет согласование с

 

нагрузкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

 

 

На рис. 9 приведена схема включения транзистора с общим эмиттером.

 

Указанные

 

недостатки

устраняются,

если

 

 

источник

эмиттерного

напряжения,

а

в рабочем

 

 

(положении и источник сигнала)

включить не в

 

 

эмиттерный,

а

в

базовый провод

(рис.9). В этом

 

 

случае общей точкой подключения входных и

 

 

выходных транзистора является вывод эмиттера.

При

 

 

таком включении транзистора воздействие приростов

 

 

напряжения

источника Еб

1)

на

 

эмиттерный

 

 

переход(а значит

и на ток эмиттера)

остаётся по

 

 

существу

тем

же,

 

что и в схеме с общей базой,

Рис. 9

Схема включения

поскольку они

также приложены

между выводами

эмиттера

и

базы.

 

Но теперь источник включён в

транзистора с общим эмиттером

участок входной цепи с малым током базы.

 

 

Последний в данном случае является входным токоми поэтому усилительное свойство VT

в схеме с ОЭ характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока Б :

 

Но

 

 

 

 

 

 

 

 

при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

В свою очередь ,

 

 

 

 

 

 

 

.

 

Подставив значение

в выражение для

, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

При

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

 

 

Т.о.,VT,вкл. по схеме с

ОЭ, усиливает приращение тока Б

(амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиление по

напряжению в данной схеме остаётся примерно таким же, как и в схеме с ОБ, т.е. порядка десятков. Поэтому коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ

Дифференциальное входное сопротивление VT в схеме с ОЭ: при

значительно больше, чем в схеме с ОБ (сотни Ом.), т.к. при одном и том же приросте напряжения на Эом переходе прирост тока Б много меньше прироста тока Э.

Выходное сопротивление VT в схеме с ОЭ: при

меньше, чем в схеме с ОБ (десятки кОм.), поскольку один и тот же прирост К-го напряжения в схеме с ОЭ вызывает больший прирост К-го тока, чем в схеме с ОБ. Объясняется это тем, что в схеме с ОЭ небольшая часть напряжения К-го источника (а также приростов К-го напряжения) прикладывается к Э-му переходу (“-” к Э непосредственно, а “+” через К и К-ый переход к Б) [для VT n-p-n]. При этом, например, повышение Uкэ на Uкэ вызывает дополнительное понижение φ-го барьера в Э-ом переходе, что приводит к повышению токов Э и К.Кроме того, повышение Uкэ приводит и к увеличению UкБ , а от этого расширяется К-ый переход , что, в свою очередь приводит к понижению тока базы, но Rвыхэ определяется при условии IБ=const.Поэтому для восстановления прежнего значения IБ приходится несколько повысить напряжение UБэ, а от этого возрастают токи Iэ и Iк.

Входная статическая характеристика для схемы с ОЭ представляет собой зависимость тока Б от напряжения на Б при неизменном напряжении на К:

IБ=f (UБэ) при Uкэ=const.

Рассматривая зависимость тока Б от напряжения на Б, следует иметь в виду, что последнее воздействует на ток Б не непосредственно, а, как и в схеме с ОБ, через ток Э.Так, например, повышение UБэ вызовет увеличение Iэ.При этом за счёт роста составляющих Iэn и Iэрек увеличется и ток Б.

КЭ

Рис. 11 – Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

Сравнивая входные статические характеристики VT в схеме с ОЭ с одноимёнными характеристиками для схем с ОБ, можно заметить некоторые различия между ними:

1.В схеме с ОЭ К-ое напряжение не увеличивает входной ток (Б),а уменьшает его, то есть смещает характеристику вправо.

2.Входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при наличии К-го напряжения, имеют отрицательный участок (IБ<0).При малых значениях напряжения на Б (на Э-ом

переходе) суммарный ток, образованный составляющими тока Б Iэn и Iэрек, оказывается меньше встречной составляющей-тока IкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением тока IкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением тока IкБо, тоесть втекает в Б.Входная характеристика пересекает горизонтальную ось в точке, для которой выполняется равенство: Iэn + Iэрек = -IкБо.

Выходная статическая характеристика VT, включённого по схеме с ОЭ (рис.11), представляет собой график зависимости тока К от напряжения на К при неизменном токе

Б: Iкэ=f(Uкэ) при IБ=const.

Поскольку при Uкэ=0 ток К представляет собой диффузионный ток, протекающий в обратном направлении, статические выходные характеристики начинаются не с нуля, а с некоторого отрицательного значения тока.

К-ые характеристики в схеме с ОЭ имеют заметно больший угол наклона к горизонтальной оси, чем в схеме с ОБ. Это говорит о меньшем сопротивлении VT по сравнению со схемой ОБ.

Выводы:

1.В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

2.VT, включённый по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений, чем в схеме с ОБ.

3.Благодаря указанным преимуществам схемы с ОЭ находит наибольшее применение на практике.

Схема включения с общим коллектрором (ОК)

Статические характеристики ОЭ и ОК примерно одинаковые.

В отличие от схемы с ОЭ в схеме с ОК нагрузочный резистор включают не в цепь К, а в цепь Э и выходное напряжение снимают не с К VT, а с указанного нагрузочного резистора в цепи Э (рис. 12). Особенность данной схемы состоит в том, что входные и выходные напряжения сигнала действуют в одной цепи Б-Э. Причём приросты напряжения, создаваемые источником с-ла, вызывают близкие по значению приросты падения напряжения на нагрузочном резисторе Rэ, но противоположной полярности. Поэтому непосредственно между Б и Э будет приложена разность указанных приростов напряжения, которая во много раз меньше прироста напряжения источника с-ла, поступающего на Б VT в отсутствие Rэ, то есть в схеме с ОЭ. Соответственно будут меньшими и приросты токов в VT, в частности тока Б. Последним объясняется то, что схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включение VT дифференциальное входное сопротивление (Rвх.к. может

при Uкэ=const.

составлять десятки кОм.).Выходное сопротивление схемы с ОК наименьшее из всех схем включения VTа (десятки-сотни Ом.). Очевидно, что в данной схеме прирост падения напряжения на Rэ, то есть Uвых всегда меньше Uвх. Это означает, что схема с ОК не даёт усиления по напряжению. В то же время схема с ОК даёт усиление по току и мощности. Статические характеристики VT снимаются при отсутствии нагрузочного резистора (Rк=Rэ=0). Но в этом случае схема с ОК превращается в схему с ОЭ. Поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

Выводы:

1.Схема с ОК вносит усиление по I и P, но не даёт усиление по напряжению.