Принцип действия транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

Токи через переход БЭ и КЭ отсутствуют (наличие запирающих слоев).

Пусть , ( и - закорочены). >>

Включим источники ЭДС и .

Потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшится, так как полярность приложенного к нему напряжения – прямая ток диффузии через эмиттерный переход увеличится.

На коллекторном переходе полярность обратная потенциальный барьер коллекторного перехода увеличится.

Почти все дырки подошли к коллекторному переходу дырки будут втягиваться в коллектор (так как напряженность электрического поля коллекторного перехода будет «втягивающей»).

, где - коэффициент передачи тока эмиттера. ( )

Часть дырок рекомбинирует в базе нейтральность базы нарушается возникает ток электронов в

базу.

Основные соотношения между токами в транзисторе.

Дырки (не основные) из Б К.

- обратный (тепловой)

Электроны (не основные) из К Б.

Полный ток через коллектор:

(1)

(2)

Выражения (1) и (2) показывают, что токи в транзисторе связаны линейно.

Из уравнения (2) следует, что

(3)

При подстановке (3) в (1) получаем

(4)

- коэффициент передачи тока базы

| пренебрегаем I_КБО |

;

Схемы включения БПТ

Для усилителей напряжения используется режим класса А, в котором с щелью обеспечения максимальной линейности усиления рабочая точка (U_эб0, I_к0) выбирается в середине квазилинейного участка проходной характеристики.

Схема с общей базой:

Рабочая точка задается делителями R₁ и R_2.

U_бэ = U_б - U_э

U_к = U_п - U_Rк

Схема с общей базой не инвертирует фазу сигнала, имеет коэффициент усиления по току h₂₁ < 1, (т к отношение тока коллектора к току эмиттера меньше единицы), коэффициент усиления по напряжению во много раз превышает единицу:

–– зависит от сопротивления источника сигнала.

Входное сопротивление мало. Оно определяется низким сопротивлением прямосмещенного эмиттерного p-n-перехода.

Выходное сопротивление высоко. Оно определяется высоким сопротивлением обратносмещенного коллекторного p-n-перехода.

С1 и С2 необходимы для разделения усилительного каскада с генератором и нагрузкой для исключения протекания через них постоянного тока. С_Б необходимо для сглаживания пульсации переменного сигнала и поддержания постоянного напряжения на базе.

Схема с общей базой используется для усиления высокой частоты на СВЧ и УВЧ (т.к. в ней отсутствует эффект Миллера) и в составе каскодных схем (в том числе и в дифференциальном каскаде).

Каскад - два или более усилительных элемента с гальванической связью, выполняющих роль одного усилительного каскада.

Каскад – независимая усилительная ячейка, которую можно выделить из схемы и обозначить ее свойства.

Статические входные и выходные характеристики биполярных транзисторов для схем включения с общей базой.

Для схемы с общей базой входной характеристикой называется зависимость тока эмиттера от напряжения между базой и эмиттером.

Недостаток схем с ОБ: низкое входное и высокое выходное сопротивление, отсутствие усиления по току.

Достоинства схем с ОБ: не инвертируется фаза.

Схема включения транзистора с общим эмиттером.

Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением равняется π, т.к. при увеличении напряжения на базе ток коллектора увеличивается и напряжение на коллекторе уменьшается за счёт увеличения падения напряжения на U_R коллекторе.

- уравнение Эберса-Молла

- тепловой потенциал

Известно, что Т_КUбэ = -2,1mВ/°С.

R - резистор, который выполняет роль отрицательной обратной связи по току.

U_бэ = U_б – U_э

I_э = I_к+I_б

Включая конденсатор С_э || R, мы шунтируем R по переменному току, т.е. делаем переменный потенциал эмиттера равным нулю, позволяет добиться от каскада более высокого коэффициента усиления.

R_вх относительно мало вследствие малого сопротивления открытого эмиттерного p – n перехода, однако больше чем R_ОБ вследствие действия последовательной отрицательной обратной связи (ООС) в эмиттерной цепи.

R_вых – высокое выходное сопротивление определяется высоким сопротивлением замкнутого p – n перехода.

R_э выбирается из диапазона (0.1 – 0.3)R_к для осуществления температурной стабилизации режима работы каскада. Включение С_э позволяет снять это ограничение на К_u на рабочих частотах, т.е. x_сэ<<R_э и x_сэ < r_э0. Для переменного тока его влияние ограничено уменьшением максимальной амплитуды неискажённого выходного сигнала.

Достоинства каскада с общим эмиттером: высокие коэффициенты по току h₂₁ и напряжению (десятки, сотни), более высокие (по сравнению с ОБ) R_вх = h₂₁(R+r_э0), относительно высокое R_вх.

Недостатки: высокое R_вых, инвертирование сигнал (способствует возникновению самовозбуждения и уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах вследствие эффекта Миллера), зависимость Кu от Rн;

,

наличие эффекта Миллера, который заключается в увеличении эквивалентной емкости С_кб в К_u раз. Это приводит к резкому падению усиления каскадов на высоких частотах и необходимости применения каскадов с ОБ.

Статистические входные и выходные характеристики биполярных транзисторов для схем включения с общим эмитером.

Связь между и характеризуется статистическим коэффициентом передачи тока эмиттера где обратной тепловой ток т.к. то этот коэффициент определяет долю носителей зарядов.

Применение схем с ОЭ: предварительные, промежуточные и предвыходные каскады.

Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

U_б=U_э+0,6

Коэффициент усиления по напряжению стремится к единице (но всегда меньше).

Коэффициент усиления по току:

K_u=

R_вх = (R_э+r_эо)h21

U_б = U_э

I_бR_вх=I_э(R_э+rэо)

φ = 0;

Достоинства: отсутствие эффекта Миллера, отсутствие зависимости К_u от R_н.

Недостатки: отсутствие усиления по напряжению.

Используется во входных каскадах для согласования с высоким сопротивлением источника сигнала; в промежуточных каскадах для согласования, особенно с высоким выходным сопротивлением источников тока, в выходных каскадах для согласования с низким сопротивлением нагрузки и потому, что его коэффициент не зависит от сопротивления нагрузки.

Сравнительный анализ схем включения транзистора

Параметр	ОЭ	ОБ	ОК
Rвх	100Ом – 1кОм	1 – 10Ом	10 – 100кОм
Rвых	1 – 10кОм	100кОм – 1Мом	100Ом – 1кОм
Кi	10 – 100	<1(близко)	10 – 100
КU	10 – 100	10 – 100	<1(близко)
Кp	100 – 10000	10 – 100	10 – 100
Φ	π	0	0

Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры

Статические характеристики биполярного транзистора, h-параметры

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства.

Все параметры можно разделить на собственные (первичные) и вторичные.

Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения. К ним относятся: rэ – сопротивление эмиттера, rк – сопротивление коллектора, rб – сопротивление базы. Значения сопротивлений рассматриваются по отношению к переменной составляющей.

С учетом этих параметров транзистор, включенный по схеме с ОЭ, может быть представлен эквивалентной схемой.

С хема замещения:

Генератор тока отражает усилительные свойства схемы, а уменьшение коллекторного сопротивления на 1-α – тот факт, что к эмиттерному переходу прикладывается часть напряжения Uкэ.

Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную зависимость между токами и напряжениями транзистора.

Статическими характеристиками являются статический коэффициент передачи тока эмиттера α и статический коэффициент передачи тока базы β.

С точки зрения системы вторичных параметров транзистор рассматривают как некоторый четырехполюсник со следующей схемой замещения.

Эквивалентная схема с h-параметрами:

1. Входное сопротивление при коротко замкнутом выходе при , к.з. на выходе по переменному току, .

переменному току при к.з. на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

2 )Коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на входе, .

Этот коэффициент показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие отрицательной обратной связи в нем.

3 ) Усиление тока при к.з. на выходе по переменному току , при , .

Показывает коэффициент усиления переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. Аналогичен β в системе R-параметров.

1. Выходная проводимость при х.х. на входе , при ,

– часто используют выходное сопротивление.

Представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Д ля схемы с ОБ:

Д ля схемы с ОЭ:

Эффект Эрли

Эффект Эрли заключается в том, что изменение напряжения между коллектором и эмиттером влечет изменение напряжения между базой и эмиттером.

Эффект Миллера

У силитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению Кu, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в Кu раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Волна проходит через конденсатор, попадает на базу и уменьшает входной сигнал. Из этого следует, что для источника сигнала емкость Скб в (Кu +1) раз больше, чем при подключении Скб между базой и землей. Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пкФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю.

Эксплуатационные параметры:

• Граничная частота – та частота, на которой коэффициент увеличения равен 1. Выше этой частоты транзистор усиливать не может.

• Обратные токи эмитерного и коллекторного p-n-переходов.

• В нутренние ёмкости эмитерного и коллекторного p-n-переходов.

• Максимальные параметры коллектора :

Основные режимы работы биполярных транзисторов.

1. Активный режим: эмиттер p-n включён в прямом, коллектор в обратном. Дырки из эмиттера переходят в базу, т.к. эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Концентрация дырок в базе на границе с эмиттером резко увеличивается и дырки диффузируют через базу в область с более низкой концентрацией, т.е. к коллекторному переходу. Основной усилительный режим.

2. И нверсный режим: в этом режиме эмиттерный переход смещён в обратном напрвлении, коллекторный – в прямом. Обладает меньшим коэффициентом усиления и низким допустимым напряжением источника питания, т.к. запертый эмиттерный переход не рассчитан на высокое напряжение.

3. Режим насыщения: оба p-n перехода транзистора включают в прямом направлении. Токи насыщения коллектора и эмиттера обусловлены движением основных носителей, т.к. концентрация основных >> не основных, то ; считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

4. Режим отсечки: оба p-n перехода транзистора включают в обратном направлении. Обратные токи коллектора и эмиттера обусловлены движением неосновных носителей зарядов.

При режиме насыщения рассеиваемая мощность равна 1,2Вт, при режиме отсечки – 0,6Вт, а при мгновенном переключении рассеиваемая мощность =1Вт, а передаваемая (полезная) =90Вт.

Чередование режимов отсечки и насыщения используется в ключевых усилителях и прелбразователях напряжения с целью увеличения КПД. Когда транзистор открыт, напряжение на нём мало, ток максимален – рассеиваемая мощность невелика. Когда транзистор закрыт, напряжение максимальное, ток очень мал (только ток утечки) – рассеиваемая мощность ещё меньше. Максимальная мощность на транзисторе рассеивается, когда напряжение и ток равны половине максимальных значений. Делая время переключения минимально возможным, мы можем уменьшить эту составляющую рассеивания на транзисторе и увеличить КПД.

Характеристики транзисторов

Выходная (коллекторная характеристика)

I_К=f(U_КЭ) при I_Б = const

Участки: I – крутой, II – пологий, III – участок теплового пробоя.

Основным является II (усилительный) участок. На нём транзистор можно представить как управляемый источник тока.

Наклон пологого участка: при ↑U_КЭ => ↑φ₀ => ↑ объёмный заряд => ↑ ширина двойного слоя => ↓ эффективная ширина базы => ↓ вероятность рекомбинации => ↑ I_К.

, ,

Для увеличения I_Б надо увеличить U_БЭ:

I-участок ,

Пусть мы будем уменьшать U_КЭ при U_БЭ = const, когда U_КЭ = U_БЭ = U_{КЭ НАС}, при дальнейшем уменьшении U_КЭ, U_КБ сменит знак – коллекторный переход встал под прямое напряжение.

Возникает диффузия дырок из коллектора в базу, следовательно уменьшается ток I_К, транзистор теряет усилительные свойства.

I участок используется в ключевом режиме транзистора. U_КЭН ≈ 0.2 ÷ 1 В

III участок – участок теплового пробоя. Если увеличится U_КЭ энергии электрического поля станет достаточно для ударной ионизации, нерабочий участок.

Входная характеристика

Семейство кривых I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const

I_Б = I_К + I_Э

Входная характеристика - ВАХ двух параллельно включенных p-n переходов.

При U_КЭ = 0 на ЭБ и БК U_ПРЯМОЕ.

При U_КЭ > U_КЭН на ЭБ – U_ПРЯМОЕ, на БК – U_{ОБРАТНОЕ}.

При U_БЭ = 0 I_Б = I_КБО

I_Б = I_К - I_Э = (1-α) × I_Э - I_КБО из (2)

- сопротивление базы – входное дипольное сопротивление транзистора