Краткие сведения из теории 2 страница

При использовании кремниевых транзисторов следует учитывать их специфические особенности: пренебрежимо малый ток I КБ0 и заметное пороговое напряжение для тока I Э. С учетом этих особенностей входная характеристика кремниевого транзистора в активном усилительном режиме имеет вид, показанный на рис…..

При U КЭ=0 работа транзистора коренным образом изменяется. В этом случае напряжение U БЭ оказывается подключенным в прямом направлении как к эмиттерному, так и к коллекторному переходу (рис….), оба перехода оказываются открытыми и транзистор переходит в режим глубокого насыщения. Прямой ток обоих переходов замыкается через цепь базы, так что самым большим током транзистора в этом режиме оказывается ток базы, а транзистор фактически превращается в два параллельно включенных прямо смещенных диода (рис….). По сравнению с активным усилительным режимом величина тока I Б при U КЭ=0 возрастает во много раз. В активном усилительном режиме ток базы составляет лишь небольшую часть тока эмиттера (величина (1- α) для большинства транзисторов лежит в пределах 0,05…0,005). При U КЭ=0 через базу проходит не часть, а весь ток эмиттера, к которому добавляется еще и прямой ток коллекторного перехода, величина которого еще больше, так как в реальном транзисторе площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного.

Выходные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при постоянном токе базы, показаны на рис….. На этих характеристиках ясно видны два различных участка, соответствующих двум основным режимам работы транзистора: активному усилительному режиму и режиму насыщения. Физические процессы, протекающие в каждом из этих режимов при включении транзистора по схеме с ОЭ, такие же, как и в схеме с ОБ, однако условия перехода от одного режима к другому для схем с ОБ и ОЭ неодинаковы. В схеме с ОБ источник коллекторного питания U КБ непосредственно подключен к коллекторному переходу, поэтому для перехода от одного режима к другому требуется просто поменять знак напряжения U КБ. При U КБ>0 транзистор будет работать в активном усилительном режиме, при U КБ<0 – в режиме насыщения. В схеме с ОЭ напряжение на коллекторном переходе U КП зависит не от одного, а от двух источников питания: U КП= U КБ= U КЭ- U БЭ (см. рис….). Поэтому для работы в активном усилительном режиме, для которого U КП>0, требуется обеспечить условие U КЭ- U БЭ>0, т.е. U КЭ> U БЭ. Для перехода в режим насыщения достаточно уменьшить U КЭ до величины, меньшей U БЭ. При U БЭ> U КЭ напряжение U КП= U КБ<0.

При работе в активном усилительном режиме в схеме с ОЭ ток I К, как и в схеме с ОБ, определяется в первую очередь режимом работы входной цепи, т.е. количеством электронов, инжектированных в базу через эмиттерный переход. При увеличении напряжения U БЭ (и связанного с ним тока I Б) число электронов, проходящих в базу через эмиттерный переход, увеличивается, а так как большая часть этих электронов уходит в коллектор, то увеличивается и I К.

В инженерной практике в качестве выходных характеристик биполярного транзистора обычно используются характеристики, снятые при постоянном токе базы (рис….). В активном усилительном режиме связь токов базы и коллектора между собой определяется формулой (5). При постоянной величине β эта зависимость линейна, поэтому в активном усилительном режиме отдельные характеристики семейства, снятые с постоянным шагом изменения тока базы находятся на одинаковом расстоянии ∆ I К друг от друга (рис….). Из формулы (5) следует, что ∆ I К= β ∆ I Б, где ∆ I Б – шаг изменения тока базы.

Однако, в отличие от схемы с ОБ, выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ имеют заметный наклон к оси абсцисс. Первопричиной этого наклона также является модуляция ширины базы, но из-за необходимости поддержания постоянного тока базы при изменении U КЭ влияние модуляции ширины базы в схеме с ОЭ гораздо сильнее, чем в схеме с ОБ.

Взаимосвязь токов и напряжений транзистора в этом режиме становится более наглядной, если рассмотреть изменение режима работы транзистора при переходе из точки А в точку В (рис….). При увеличении напряжения U КЭ увеличивается напряжение U КБ, так как U КБ= U КЭ- U БЭ. С увеличением U КБ коллекторный переход расширяется, база сужается, и вероятность рекомбинации электронов в ней уменьшается. Это означает уменьшение тока I Б на некоторую величину ∆ I Б и увеличение тока I К на ту же величину ∆ I К=∆ I Б. Рабочая точка транзистора при этом перемещается в точку С, соответствующую меньшему току базы. Для того, чтобы из точки С перейти в точку В, соответствующую прежнему значению I Б, необходимо путем увеличения напряжения U БЭ увеличить ток базы на величину ∆ I Б. Ток I К при этом также увеличивается, но на большую величину ∆ I К= β ∆ I Б. Таким образом, необходимость поддерживания величины тока I Б постоянной при увеличении U КЭ, приводит к появлению наклона выходных характеристик в активном усилительном режиме.

Для еще лучшего понимания особенностей выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером имеет смысл рассмотреть численный пример. Пусть в некоторой точке выходной характеристики транзистора, имеющего β =20, величина I К=20 мA, а I Б=1 мА. Увеличим напряжение U КЭ до такой величины, чтобы вследствие эффекта Эрли ширина базы уменьшилась бы вдвое. Тогда I Б уменьшится до 0,5 мА, а ток I К вырастет до 20,5 мА. Чтобы довести ток I Б до прежней величины 1 мА, необходимо увеличить напряжение на эмиттерном переходе, увеличить ток I Э, а значит, и I Б. Однако большая часть ток I Э проходит не в базу, а в коллектор, и с увеличением тока базы на ∆ I Б=0,5 мА величина I К увеличивается на ∆ I К= β ∆ I Б=0,5·20=10 мА. В результате величина тока I К составляет 30,5 мА. При этом увеличение I К составляет величину 10,5 мА, из которой только 0,5 мА вызвано прямым влиянием модуляции ширины базы, а 10 мА является следствием необходимости поддержания постоянным тока базы.

При высоком коллекторном напряжении в схеме с ОЭ, как и в схеме с ОБ, наступает пробой коллекторного перехода, ток I К резко возрастает и возникает опасность выхода транзистора из строя. Напряжение пробоя в схеме с ОЭ существенно меньше, чем в схеме с ОБ, поэтому при проектировании электронных устройств необходимо учитывать, что предельно допустимое напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ U КЭmax заметно меньше, чем соответствующее напряжение в схеме с ОБ U КБ max.

При уменьшении U КЭ до величины, меньшей U БЭ, транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме физические процессы, протекающие в транзисторе в схеме с ОЭ и ОБ, принципиальных отличий не имеют: в режиме насыщения открывается коллекторный переход, появляется встречный ток основных носителей из коллектора в базу и ток I К резко уменьшается. При этом выходные характеристики, соответствующие различным значениям тока базы, сливаются в одну общую кривую, ток I К перестает зависеть от I Б и транзистор теряет усилительные свойства. Так как оба перехода транзистора оказываются открытыми, то сопротивление транзистора резко падает и с точки зрения схемотехники транзистор приближается к короткому замыканию.

Математическим выражением для управляющих характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером является формула I К= βI Б+(β +1) I КБ0, которая иногда записывается в виде I К= βI Б+ I КЭ0. Эти характеристики на рабочем участке линейны и в активном усилительном режиме мало зависят от U КЭ. При очень больших и очень малых токах I Б они искривляются вследствие уменьшения величины β в этих режимах (рис….).

Характеристики обратной связи (рис….) отражают те же физические явления, что и уже рассмотренные входные и выходные характеристики. Для лучшего понимания процессов в транзисторе имеет смысл проанализировать характеристики обратной связи самостоятельно. При этом следует обратить внимание на отображение на этих характеристиках двух основных режимов работы транзистора, на наклон характеристик к оси абсцисс и на то, что ни одна из них не начинается из начала координат.

Все характеристики транзистора зависят от температуры. Влияние температуры на входные характеристики (рис…..) объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов φ к и увеличивается ток I КБ0. Влияние температуры на выходные характеристики (рис….) проще всего увидеть, если использовать формулу I К= αI Э+ I КБ0 для схемы с ОБ и формулу I К= βI Б+(β +1) I КБ0 для схемы с ОЭ.

Для схемы с ОБ на выходных характеристиках I Э = const. Так как и α ≈ const, то с увеличением температуры ∆ I К=∆ I КБ0. Хотя I КБ0 с увеличением температуры возрастает очень сильно (примерно вдвое на каждые 10^оС), влияние этого фактора на ток I К мало вследствие малости самого тока I КБ0 (величина I КБ0 меньше αI Э на несколько порядков). Поэтому схема с ОБ является термостабильной и, как правило, не требует специальной проверки на работоспособность в заданном диапазоне температур.

Для схемы с ОЭ ситуация другая. Величина β с увеличением температуры заметно возрастает (примерно вдвое при изменении температуры в диапазоне + 60^оС), да и влияние ∆ I КБ0 увеличивается в (β +1) раз. Поэтому схема с ОЭ обладает плохой термостабильностью и для работы такой схемы в широком диапазоне температур необходимо принимать специальные меры.

Для расчета электронных устройств, построенных на биполярных транзисторах, необходимо иметь не только характеристики, но и численные параметры, описывающие работу транзистора. Наиболее важными из таких параметров являются малосигнальные или дифференциальные параметры. Эти параметры основаны на представлении транзистора как четырехполюсника, работа которого характеризуется токами и напряжениями на входе и на выходе (рис.….). Как уже отмечалось выше, в биполярном транзисторе из этих четырех величин независимыми являются только две. В принципе за независимые переменные можно принять любую пару и каждый вариант выбора приведет к своей системе характеристик и к своей системе малосигнальных параметров. Из шести принципиально возможных вариантов наибольшее значение для практики имеют два: система y – параметров и система h – параметров.

Для получения y – параметров за независимые переменные принимаются напряжения на входе и выходе (U 1 и U 2). При таком выборе работа транзистора описывается двумя функциями:

для каждой из которых можно вычислить полный дифференциал:

Частные производные, входящие в это выражение и будут являться y – параметрами. С учетом этого выражения для полных дифференциалов переписываются в виде:

Для возможности практического использования этих выражений от дифференциалов, которые являются бесконечно малыми величинами, следует перейти к конечным приращениям:

(6)

а затем к переменным токам и напряжениям, величина которых равна этим приращениям:

(7)

При этом необходимо подчеркнуть два принципиально важных положения. Первое: система уравнений (7) справедлива только для переменных токов и напряжений. Для постоянных токов и напряжений и для суммы постоянных и переменных составляющих эта система уравнений несправедлива. Второе: как известно из математического анализа переход от дифференциалов к конечным приращениям – это операция приблизительная, которая тем более точна, чем ближе соответствующая функция к линейной. Поэтому все соотношения, выраженные через конечные приращения или переменные составляющие токов и напряжений, являются справедливыми лишь в тех пределах, в каких соответствующую функцию можно считать линейной. Отсюда следует, что у – параметры (как и другие дифференциальные параметры, полученные аналогичным образом) справедливы только для малых сигналов, причем критерием малости является не абсолютная величина сигнала, а линейность функции в пределах сигнала. Это можно наглядно видеть из рис. …., где амплитуда малого сигнала (м) на линейном участке характеристики в несколько раз превышает амплитуду большого сигнала (б) на линейном участке этой же характеристики.

В соответствии с различной формой записи математических выражений, включающих в себя у – параметры, каждый из у – параметров может быть выражен в различной форме. Соответствующие выражения для всех у – параметров получаются однотипным образом с использованием простейших алгебраических операций. Существенной особенностью этих преобразований является необходимость исключения из формул для заданных у – параметров членов, содержащих другие у – параметры. Например, из уравнения для конечных приращений (первое уравнение системы (6)) формула для у 11 получается в виде выражения

содержащего другой у – параметр – у 12. Для того чтобы исключить у 12 из этой формулы необходимо приравнять к нулю приращение ∆ U 2 и тогда формула для у 11 принимает вид

‌‌‌

или, что то же самое,

Подобным образом можно выразить у 11 и через дифференциалы и через переменные токи и напряжения. В результате получим набор математических выражений для у 11:

Условие U 2=0 в последнем выражении означает короткое замыкание в выходной цепи (по переменному току!). Такие же наборы математических выражений можно получить и для остальных у – параметров. Например,

По своему физическому смыслу у – параметры являются проводимостями, измеренными при коротком замыкании в соответствующих цепях, причем короткое замыкание, как на входе, так и на выходе осуществляется только по переменному току. Например:

у 11 – входная проводимость при коротком замыкании на выходе (U 2=0),

у 22 – выходная проводимость при коротком замыкании на входе (U 1=0). Параметр у 21 по историческим причинам нередко называют крутизной и обозначают буквой S.

Нумерация индексов для у – параметров (как и для других малосигнальных параметров) появилась из матричной записи соответствующих уравнений. Она является сочетанием номеров строк и столбцов матрицы, поэтому правильным наименованием параметра у 11 будет «игрек один-один», а не «игрек одиннадцать», а параметра у 21 – «игрек два-один», а не «игрек двадцать один».

Если за независимую переменную на входе принять ток I 1, и за независимую переменную на выходе – напряжение U 2, то связи между токами и напряжениями в транзисторе записываются в виде

Проделав математические преобразования, подобные тем, которые были проделаны для выражений, связанных с у – параметрами, получим соотношения между приращениями токов и напряжений

и соотношения между переменными токами и напряжениями

где

В отличие от у – параметров физический смысл h – параметров неодинаков для различных параметров:

h 11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (U 2=0);

h 12 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (I 1=0);

h 21 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе (U 2=0);

h 22 – выходная проводимость при холостом ходе на входе (I 1=0).

При этом, как и в случае у – параметров, условия холостого хода или короткого замыкания должны выполняться по переменному (и только по переменному) току.

Условия холостого хода или короткого замыкания являются принципиально важными для малосигнальных параметров, так как именно эти условия определяют связь между величинами в числителе и знаменателе соответствующих формул. Физический смысл величин у 22 и h 22 в первом приближении одинаков – и тот, и другой параметр является выходной проводимостью. Но у 22 измеряется при коротком замыкании на входе, а h 22 – при холостом ходе, и вследствие этого численные значения у 22 и h 22 оказываются неодинаковыми. А запись формул без учета рассматриваемых условий (например, такая, как или ) вообще не имеет смысла, так как из подобных формул неясно, как связаны между собой величины ∆ I 2 и ∆ U 2 (или J 2 и U 2) и вследствие этого величине h 22 можно придать любое произвольное значение.

Все малосигнальные параметры зависят от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ или ОК), рабочей точки, температуры и частоты. Зависимость от схемы включения определяется тем, что для различных схем включения величины I 1, U 1, I 2, U 2 оказываются неодинаковыми. Например, величина I 1 для схемы с ОБ – это I Э, а для схемы с ОЭ – I Б. Соответственно и величина h 21 для схемы с ОБ h 21Б=α (т.е. 0,95…0,995), а для схемы с ОЭ h 21Э=β (т.е. 20…200). Между одноименными параметрами для различных схем включения существуют однозначные соотношения, позволяющие пересчитывать малосигнальные параметры для различных схем включения. Такие соотношения имеют довольно сложный вид и приводятся в справочниках, в некоторых учебниках и в технической литературе.

Зависимость параметров от рабочей точки, т.е. от режима работы транзистора по постоянному току, вызвана нелинейностью характеристик транзистора. Эта зависимость хорошо заметна на примере параметра

.

Если обратиться к выходным характеристикам транзистора для схемы с ОЭ, которые сняты при постоянном токе базы (рис. …), то можно легко увидеть, что при одном и том же ∆ I К величина ∆ U КЭ на отлогом и крутом участках характеристики отличается во много раз. Следовательно, во столько же раз отличается и величина h 22Э.

При изменении температуры малосигнальные параметры также изменяются, причем характер зависимости различен для различных параметров. На практике наиболее важным является влияние температуры на величину h 21. Для схемы с ОБ величина h 21Б в рабочем диапазоне температур практически постоянна (с увеличением температуры h 21Б увеличивается на доли процента). Для схемы с ОЭ изменение h 21Э гораздо больше (для большинства транзисторов величина h 21Э увеличивается в 2 раза при изменении температуры от -60 до +60^оС).

Как у, так и h – параметры широко используются на практике. Система у – параметров оказывается удобнее для проведения расчетов, а h – параметры более удобны для их экспериментального измерения, поэтому в справочниках по транзисторам обычно приводятся именно h – параметры. Между у и h – параметрами существует взаимнооднозначное соответствие, поэтому при необходимости с помощью соответствующих формул можно определить у – параметры, если известны h – параметры, и наоборот. При этом для определения единственного параметра одной системы может потребоваться знание нескольких параметров другой системы (формула для у 22, например, содержит все четыре h – параметра).

Однако при реальном проектировании электронных устройств необходимо иметь в виду, что в справочниках величины h – параметров приводятся только для одного типового режима работы транзистора. А так как величины малосигнальных параметров зависят от рабочей точки, то для практических расчетов использовать значения параметров, взятых из справочника можно далеко не всегда. Отсюда следует необходимость уметь определять малосигнальные параметры для произвольно выбранной рабочей точки самостоятельно.

Такое определение производится по характеристикам транзистора с использованием общего алгоритма определения параметров по характеристикам, справедливого для любых малосигнальных параметров любого электронного прибора, для которого существуют такие параметры. Подробное описание этого алгоритма, примеры его использования, разбор типовых трудностей и характерных ошибок при его применении приведены в учебном пособии […].

В кратком изложении этот алгоритм сводится к следующему:

1. Требуемый параметр m записывается в виде формулы, выраженной через приращения:

2. Выбирается необходимое семейство характеристик, на котором обязательно должны присутствовать все три переменных x 1, x 2 и x 3, входящих в формулу для m. Если одной из этих переменных (в том числе и x 3) на имеющемся семействе характеристик нет, то по этому семейству определить заданный параметр m невозможно.

3. На выбранном семействе характеристик находится требуемая рабочая точка и через эту точку проводится линия, соответствующая условию x 3=const. В некоторых случаях такой линией оказывается одна из характеристик и тогда дополнительного построения не требуется.

4. На линии x 3=const вблизи заданной рабочей точки находятся две другие точки, для которых можно определить значения x 1 и x 2 и вычислить значения ∆ x 1 и ∆ x 2. При этом необходимо выполнять условие малосигнальности.

5. Вычисляется частное ∆ x 1/∆ x 2 (условие x 3=const уже выполнено при построениях по пункту 4).

В качестве примера на рис…. показано определение h 21Э по выходным и управляющим характеристикам транзистора. Исходная формула для h 21Э представляется в виде

На обоих семействах характеристик, представленных на рис…., имеются все три переменные: I К, I Б и U КЭ. Интересующая рабочая точка обозначена буквой Φ. Линией U КЭ=const на выходных характеристиках (рис….а) служит вертикальная линия, проходящая через точку Φ. На рис….б условию U КЭ=const удовлетворяет сама управляющая характеристика и дополнительного построения не требуется. Точки, между которыми находятся требуемые приращения, обозначены буквами А и В, так что величина h 21Э на рис….а определяется как

а на рис….б – как ∆ I К2/∆ I Б. Величины ∆ I К1, ∆ I К2 и ∆ I Б, входящие в эти выражения, обозначены непосредственно на рис….

Наиболее важной областью применения транзистора является усилительная техника. Наиболее распространенной схемой усилителя является схема с общим эмиттером, в которой нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь транзистора (рис….). Напряжение на входе такого усилителя – это напряжение на эмиттерном переходе транзистора, а напряжение на выходе – это напряжение U КЭ, которое можно найти из 2-го закона Кирхгофа

(8)

/////////////////////////////////////////////////////////////////////

Транзистором называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов. Наиболее распространены биполярные транзисторы с тремя выводами. В процессах прохождения токов биполярных транзисторов участвуют основные и неосновные носители зарядов. По порядку чередования p-n-переходов различают биполярные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов биполярных транзисторов одинаков.

Система обозначений биполярных транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Например, КТ602А или 2Т602А. В начале обозначения ставится буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал («Г» или «К», 1 или 2). Затем идет буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор, «П» - полевой. После этих букв идет число, условно характеризующее частотные свойства, мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, условно определяющая классификацию транзисторов по параметрам, изготовленных по единой технологии.

Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника с двумя взаимодействующими p-n-переходами. При получении в кристалле полупроводника двух взаимодействующих переходов возможно различное чередование полупроводников. Если полупроводники чередуются: дырочный, электронный и дырочный, то транзистор имеет структуру p-n-p (рис. 2.1). При чередовании полупроводников: электронный, дырочный и электронный, транзистор имеет структуру n-p-n.

p n p

Э К

Б

Рис. 2.1. Условное изображение кристалла биполярного транзистора

структуры p-n-p (Б – база, Э – эмиттер, К – коллектор).

Среднюю область кристалла называют базой (Б), одну крайнюю область – эмиттером (Э), а другую - коллектором (К). При изготовлении транзистора добиваются выполнения следующих условий:

· концентрация основных носителей заряда в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей заряда в базе;

Дата добавления: 2015-05-06