Исследование биполярного транзистора

2.1. Три схемы включения биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ) проявляет себя по-разному в различных схемах. В зависимости от того, какой электрод транзистора оказывается общим для входной и выходной цепей преобразователя, различают три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ) – рис.1.1 а), с общей базой (ОБ) – рис.1.1 б) и с общим коллектором (ОК) – рис. 1.1 в).

В схеме ОЭ БТ имеет большие входное и выходное сопротивления. Значения сопротивлений мало отличаются одно от другого. Это обстоятельство упрощает согласование соседних каскадов при использовании схемы ОЭ. Усилители с такой схемой включения БТ имеют наибольший коэффициент усиления мощности сигнала.

Рис. П2.1 а) – Схема включения с общим эмиттером

Недостаток схемы – большая проходная емкость. В этой схеме проходная емкость – паразитная емкость коллекторного перехода. Проходная емкость (между входным и выходным электродами) оказывает большое влияние на быстродействие, ограничивает частотный диапазон сильнее, чем входная и выходная емкости (эффект Миллера). Большое влияние проходной емкости объясняется тем, что при изменении входного напряжения на Δ U _БЭ паразитная проходная емкость должна перезарядиться на величину

Δ U _БЭ + Δ U _КЭ.

В схеме ОБ транзистор имеет малое входное сопротивление (большой входной ток), т.к. входной электрод, в этой схеме – эмиттер. Малая проходная емкость позволяет использовать схему на сверхвысоких частотах. Коэффициент передачи по току транзистора в этой схеме немного меньше единицы.

Рис. П2.1 б) – Схема включения с общей базой

В схеме ОК БТ имеет малое входное и большое выходное сопротивление. Эту схему удобно использовать для согласования источника сигнала, имеющего большое выходное (внутреннее) сопротивление с нагрузкой, имеющей небольшое сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы немного меньше единицы. Для выходных каскадов усилителей, обычно используют схему ОК, которую часто называют эмиттерным повторителем.

Рис. П2.1 в) – Схема включения с общим коллектором

В любой из приведенных схем включения БТ может находиться в одном из четырех режимов:

- активный режим (эмиттерный переход – в прямом включении, коллекторный переход – в обратном включении);

- режим насыщения (оба перехода – в прямом включении);

- режим отсечки (оба перехода – в обратном включении);

- инверсный режим (эмиттерный переход в обратном включении, коллекторный – в прямом включении).

В аналоговых преобразователях обычно используется активный режим. В цифровых преобразователях используются режим насыщения и режим отсечки.

1.2. Характеристики и параметры биполярного транзистора

Наибольшее распространение в аналоговой схемотехнике получило включение биполярного транзистора с общим эмиттером. При анализе таких схем, если состояние транзистора управляется генератором напряжения, удобно пользоваться передаточными характеристиками - рис. П2.2, семейством выходных характеристик - рис. П2.3 и входными характеристиками транзистора.

Рис. П2.2 – Передаточная (управляющая) характеристика

Рис. П2.3 – Семейство выходных характеристик

Передаточная характеристика – зависимость тока коллектора I_К от напряжения база-эмиттер U_БЭ - с достаточной для практических расчетов точностью аппроксимируется экспоненциальной функцией

, (1)

где j _T – термический потенциал, при температуре Т по Кельвину j _T = Т×8,625×10^-5 [В]; I _KS – коэффициент пропорциональности, его ориентировочное значение для маломощных кремниевых транзисторов при Т =300 К имеет порядок I_KS» 10^-9 мА.

Биполярный транзистор можно представить в виде 4-хполюсника.

Взаимосвязи между входными и выходными токами и напряжениями эквивалентного четырёхполюсника установим в виде

При малой амплитуде сигнала, когда не проявляется нелинейность электродных характеристик транзистора, взаимосвязи между токами и напряжениями электродов транзистора можно считать линейными.

Тогда полные дифференциалы токов базы и коллектора представляются в виде

Частные производные в этих уравнениях имеют физический смысл электрической проводимости.

Крутизна передаточной характеристики

S == . (2)

Из (1) и (2) следует S =. (2, а)

Ориентировочный пример 1.1. Если коллекторный ток покоя

I_КО =1 мА и термический потенциал φ _T = 25 мВ,

тогда крутизна передаточной характеристики

S = 40 мА/В.

Выходная дифференциальная проводимость

g _КЭ== .

Выходное дифференциальное сопротивление – величина, обратная выходной проводимости r_КЭ =1 /g_КЭ.

С достаточной для практических расчётов точностью можно считать

r_КЭ = U_Е/I_КО, (3)

где U_E - напряжение Эрли, определяется экспериментально; для кремниевых n-p-n транзисторов его типовое значение находится в пределах 80...200 В.

При токе I_К = 1 мА ориентировочное значение выходного сопротивления

r_КЭ = 80...200 кОм.

Дата добавления: 2014-01-20