Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую трехслойную n-p-n или p-n-p структуру и предназначен для усиления мощности электрических сигналов.

Схема технологической структуры биполярного транзистора и его условные обозначения показаны на рис.30.

Рис.30. Схемы технологических структур биполярных транзисторов и их условные обозначения. Конец стрелки указывает на n-тип слоя. Возможно условное обозначение транзистора без кружочка.

Указанные три слоя имеют следующие названия : эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Тождественность работы биполярного транзистора и вакуумного триода найти не представляется возможным из-за принципиальных различий в механизме эмиссии носителей заряда и управления их потоком.

Для усиления электрической мощности используют три варианта включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), рис.31.

Рис.31. Схемы включения биполярного транзистора

Рассмотрим механизм протекания носителей заряда в биполярном транзисторе на примере его включения как четырехполюсника с общей базой, рис.32.

Рис.32. Схемы переноса тока в биполярном транзисторе с разбиением на стадии

В режиме усиления эмиттерный p-n переход Э-Б включен в прямом направлении и ток через него определяется известным выражением:

. (21)

Коллекторный переход К-Б находится под обратным смещением источника ЭДС Е_К и ток через него определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе.

Весь процесс переноса носителей заряда можно разбить условно на четыре стадии (на самом деле все стадии неразрывны).

На первой стадии при положительном смещении на эмиттерном переходе в базу инжектируются электроны (пример строится на структуре n-p-n), рис.2.а. При этом нарушается электронейтральность базы – она заряжается отрицательно из-за вошедших в нее электронов. Электронейтральность восстанавливается за счет эмиссии из внешней цепи положительного заряда дырок в том же количестве, что внесли электроны.

Если в базе нет электрического поля, то электроны и дырки от эмиттерного перехода будут диффундировать к коллекторному переходу. В процессе диффузии они рекомбинируют. Поэтому их количество (концентрация) в базе убывает, рис.2.б.

При достижении коллекторного перехода электроны переносятся его полем в область коллекторного перехода, а дырки остаются в базе, так как не могут преодолеть потенциальный барьер коллекторного перехода, рис.2.в. При этом нарушается электронейтральность базы и коллектора.

Для восстановления электронейтральности этих областей из базы во внешнюю цепь выходят дырки, но в меньшем количестве, чем вошли при инжекции электронов, а в коллектор входят положительные заряды, создавая ток во внешней коллекторной цепи. Электроны и дырки, вошедшие в коллектор диффундируют. Коллекторная область делается, как правило, в несколько раз больше диффузионной длины носителей заряда. Вследствие этого практически все электроны и дырки в коллекторе полностью рекомбинируют и коллекторный ток пропорционален количеству электронов, перешедших из базы в коллектор. Ток базы пропорционален разности количества вошедших в базу носителей заряда для восстановления ее электронейтральности и вышедших из нее после переноса электронов из базы в коллектор.

Таким образом, эмиттерный ток разделяется на два тока: базовый и коллекторный:

При диффузии концентрация носителей заряда на расстоянии от места диффузии x убывает вследствие рекомбинации по закону

,

где L_D – диффузионная длина носителей заряда.

Толщину базы d делают такой, чтобы выполнялось условие

(22)

При этом доля рекомбинирующих в ней носителей заряда равна

(23)

Реальные потери носителей заряда в базе на рекомбинацию составляет 0.3-2% при толщине базы 2-3 мкм. Т.е. ток базы составляет 0.3-2% от тока эмиттера.

В рассмотренной схеме, несмотря на потери тока, отходящего в базу, происходит усиление мощности: входным током управляет малое напряжение прямого смещения, а на выходе коллекторный переход смещен большим обратным напряжением, которое образует в нем большое электрическое поле, создающее электрический ток в коллекторной цепи, почти равный эмиттерному (входному) току. При этом R_Э>R_К. Поэтому

(24)

Одним из основных параметров биполярного транзистора является коэффициент передачи тока. При работе в режиме постоянного тока для схемы с общей базой это есть отношение тока коллектора к току эмиттера

. (25)

Для схемы с общим эмиттером коэффициент передачи тока в режиме постоянного тока равен отношению тока коллектора к току базы

. (26)

Очевидно, что a<1, а b>>1. Между a и b существует взаимосвязь:

. (27)

. (28)

Кроме того, как у четырехполюсника, у транзистора другими основными параметрами являются входное и выходное сопротивления, которые характеризуют согласованность входной и выходной цепей транзистора с другими четырехполюсниками.

В таблице 1 приведены сравнительные параметры этих схем включения

Табл.1. Входные и выходные параметры схем включения биполярного транзистора

Схема вклю- чения Параметр	ОЭ	ОБ	ОК
RВХ	Единицы кОм	Сотни Ом	Десятки кОм
RВЫХ	Единицы кОм	Единицы кОм	Десятки Ом
Коэффициент передачи тока	b=50-300	a=0.98-0.995	0.98-0.995
Коэффициент передачи напряжения	10-50	10-20	0.98-0.995
Коэффициент усиления мощности	50-100	50-100	»1

Биполярные транзисторы имеют следующиеосновные характеристики:

- входные: для включения по схеме с ОЭ – зависимость тока базы I_Б от напряжения эмиттер- база U_БЭ при постоянном напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ = const; для включения по схеме с ОБ - зависимость тока эмиттера I_Э от напряжения эмиттер-база U_ЭБ при постоянном напряжении коллектор-база U_КБ = const.

- выходные: для включения по схеме с ОЭ – зависимость тока коллектора I_К от напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б = const; для включения по схеме с ОБ - зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база U_БК при постоянном токе эмиттера I_Э = const.

Вид этих характеристик показан на рис.33.

Рис.33. Характеристики биполярного транзистора для включения по схеме с ОЭ (а) и по схеме с ОБ (б).

Нужно заметить, что семейство выходных характеристик биполярного транзистора имеет участок, на котором ток коллектора слабо зависит от выходного напряжения U_КЭ и U_КБ, но их положение определяется током базы для схемы с ОЭ и током эмиттера для схемы с ОБ.

Усилительные свойства биполярного транзистора в режиме постоянного тока рассмотрим на примере схемы его включения с общим эмиттером, рис.34.

Рис.34. Усилитель постоянного тока на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Зависимость тока через p-n переход носит экспоненциальный характер. Поэтому для ограничения тока через эмиттерный p-n переход во входную цепь устанавливают ограничительное сопротивление R_Б. Напряжение U_ЭБ определяется как разность между U_ВХ и U_RБ = I_БR_Б, рис.34.

Режимы по постоянному току входной и выходной цепи определяются ранее описанным методом, путем построения нагрузочных характеристик. Для входной цепи определяется максимально возможный ток через эмиттерный переход как отношение входного напряжения к сопротивлению резистора R_Э и через точку на оси токов, соответствующую этому значению, и точку на оси напряжений соответствующую входному напряжению проводят прямую линию. Точка пересечения ее с входной ВАХ позволяет определить ток базы и напряжение U_БЭ. На графике семейства выходных характеристик строится нагрузочная ВАХ: через точку E_К на оси напряжений и точку E_К/R_К проводят прямую и определяют точку пересечения ее с выходной ВАХ, соответствующую току, найденному при построениях на входной ВАХ, рис.35.

Рис.35. Схемы графического определения режимов биполярного транзистора в усилительной схеме в режиме постоянного тока

Когда входное напряжение меняется, то меняется и ток базы. При этом изменяется напряжение U_КЭ за счет изменения тока коллектора. Этот процесс показан на рис.36.

Рис.36. Схема усиления постоянного тока с помощью биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Как видно из схемы фаза входного сигнала инвертируется на выходе транзисторного усилителя.

Представленный усилитель имеет существенный недостаток – большие нелинейные искажения при входных напряжениях, сравнимых с напряжением U_ОТКР (напряжение открывания), рис.36, а также невозможность усиливать сигналы меньше этого напряжения. Для устранения этого недостатка в схему вводится резистор, создающий начальное смещение на переходе база-эмиттер, рис.37.

Рис.37. Схема усилителя постоянного тока на биполярном транзисторе с начальным смещением базового перехода

Начальное смещение базового перехода U_см можно определить графически по методике, представленной на рис.12. Входное напряжение U_ВХ на графике входной характеристики нужно сместить по оси напряжений вправо на U_СМ. При начальном смещении на вход усилителя можно подавать напряжения отрицательной полярности, но не больше по абсолютной величине, чем (U_СМ – U_ОТКР). В остальном же механизм усиления входного сигнала аналогичен усилению без начального смещения.

Основными недостатками усилителя постоянного тока являются сложность создания многокаскадных схем и нестабильность напряжения на выходе при отсутствии напряжения на входе (нестабильность нуля).

Сложность создания многокаскадных схем связана с тем, что начальное смещение на входе последующего каскада создается большим усиленным напряжением на коллекторе предыдущего каскада. Это может ввести последующий каскад в так называемое насыщение, когда коллекторный ток через транзистор второго каскада будет очень велик и возникнут трудности с усилением отрицательных входных сигналов (положительных на выходе первого каскада).

Для усиления малых переменных сигналов с относительно большой частотой используют усилители переменного тока на биполярном транзисторе, простейшая схема одного из которых представлена на рис.38.

Рис.38. Схема однокскадного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе

Для блокирования постоянной составляющей на входе и выходе усилительного каскада применяют конденсаторы С_ВХ и С_ВЫХ. Поэтому можно создавать многокаскадные усилители переменного тока: режимы работы по постоянному току каждого каскада в этом случае не будут влиять на другие каскады. Для лучшего согласования входных и выходных сопротивлений в каскадных схемах необходимо выполнять условия:

; . (29)

В представленной схеме начальное смещение на базе создается делителем напряжения R_Д1 – R_Д2. Напряжение смещения на базе в этом случае может быть приблизительно определено с использованием выражения:

. (30)

При этом нужно учитывать, что сопротивление R_Д2 шунтируется переходом эмиттер-база.

Усиление переменного сигнала происходит также, как и в усилителе постоянного тока; также проводится и графический анализ процесса усиления внутри каскада между входной и выходной емкостями. На выходе после С_ВЫХ потенциалы усиленного сигнала отсчитываются от нулевого уровня, так как постоянная составляющая блокируется выходным конденсатором, рис.39.

Рис.39. Схема усиления переменного сигнала усилителем на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером

Как видно и в усилителе переменного напряжения на выходе происходит инверсия фазы входного напряжения. Чтобы сохранить фазу входного сигнала усилитель переменного тока строится по двухкаскадной схеме, рис.40.

Рис.40. схема двухкаскадного усилителя переменного тока. С_ПЕР – переходной конденсатор

Из графиков на рис.10 видно, что форма входного сигнала в некоторой степени искажается вследствие нелинейности входной и выходной характеристик. Для снижения искажений необходимо выбирать начальное смещение на квазилинейном участке входной ВАХ и работать с малыми входными сигналами. Кроме того, используются особые режимы, которые будут рассмотрены позже.

Биполярный транзистор в режиме усиления малого переменного сигнала как четырехполюсник характеризуется системой h – параметров. При этом входные и выходные малосигнальные токи и напряжения связаны системой линейных уравнений:

. (31)

Для определения h – параметров используют следующие режимы и условия:

при постоянном напряжении между коллектором и общим электродом и DU_ВЫХ = 0, т.е. в режиме короткого замыкания переменного выходного сигнала;

при постоянном токе ссмещения на входе и DI_ВХ = 0, т.е. в режиме холостого хода переменного выходного сигнала по входу;

при постоянном напряжении между коллектором и общим электродом и DU_ВЫХ = 0, т.е. в режиме короткого замыкания переменного выходного сигнала;

при постоянном токе смещения на входе и DI_ВХ = 0, т.е. в режиме холостого хода переменного выходного сигнала по входу;

Параметр h_11Э транзистора, включенного по схеме с ОЭ, имеет размерность сопротивления. Он представляет собой дифференциальное входное сопротивление транзистора, т.е. сопротивление переменному току.

Параметр h_21Э – коэффициент передачи тока при малосигнальном режиме.

Для схемы включения транзистора с ОБ у h – параметров заменяется нижний индекс.

Эти параметры могут быть достаточно точно определены графическими методами из известных входных и выходных характеристик. Для этого необходимо измерять на графиках приращения сигналов с учетом указанных выше условий. Режим короткого замыкания реализуется включением после выходного конденсатора сопротивления малой величины. Существуют специальные измерительные приборы для определения h- параметров.

В зависимости от положения рабочей точки на графиках характеристик транзистора в режиме покоя (при отсутствии сигнала на входе), а также от величины усиливаемого сигнала на входе различают три основных режима работы усилительных каскадов, или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.

Режим А характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают на линейном участке входной и переходной характеристик (зависимости тока коллектора от тока базы). Пример такого режима показан на рис.10. Так как в режиме А зависимость тока коллектора от тока базы практически линейна, то нелинейные искажения минимальны. Однако, вследствие того, что среднее значение тока коллектора много больше амплитуды усиленного тока, КПД таких усилителей невысокий.

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности к потребляемой усилителем мощности от источника питания:

, (32)

где I_Km, U_Km – амплитудные значения усиленных коллекторного тока и напряжения; I_K0, U_K0 – коллекторный ток и напряжение в режиме покоя.

В режиме В рабочая точка находится при напряжении отсечки на входной характеристике (в начале переходной характеристики), рис.41.

Рис.41. Схема реализации режима В

В режиме В ток через коллектор протекает лишь в положительные полупериоды, когда открывается переход эмиттер-база. Если входной сигнал имеет форму синусоиды, то выходной сигнал будет иметь форму полусинусоиды. Очевидно, что нелинейные искажения в режиме В очень большие, однако КПД значительно выше режима А, так как ток покоя практически равен нулю. Режим В используется как правило в двухтактных усилителях мощности.

Режим С отличается от режима В тем, что рабочая точка в этом случае выбирается при входном напряжении, запирающем входной p-n переход до напряжения, несколько меньшего амплитудного значения переменного входного напряжения, рис.42.

Рис.42. Схема реализации режима С.

Режим С характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала и наибольшим КПД. Он используется в основном в автогенераторах.

Обратные связи в усилительных схемах на биполярных транзисторах.

Обратной связью в усилителях называют подачу части или всего выходного сигнала усилителя на его вход.

На рис.43. показана структурная схема усилителя с обратной связью.

Обратные связи по виду электрической величины бывают обратными связями по току и обратными связями по напряжению.

По типу взаимодействия с входным сигналом – положительная или отрицательная обратная связь.

По характеру взаимодействия – последовательная и параллельная обратная связь.

Отрицательная обратная связь используется, как правило, для обеспечения устойчивой работы усилительных устройств, уменьшения нелинейных искажений при усилении входного сигнала увеличения входного и уменьшения выходного сопротивлений.

При отрицательной последовательной обратной связи по напряжению для входной цепи усилителя справедливо уравнение

, (33)

где U_ОС = bU_ВЫХ

Реально усилитель преобразует напряжение U₁, поэтому усилитель усиливает с эффективным коэффициентом усиления К равным

. (34)

С учетом этого отношения коэффициент обратной связи К_ОС можно представить в виде

. (35)
Разделив числитель и знаменатель на U₁ получим

. (36)

Т.о. видно, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления в (1+bК) раз.

При положительной обратной связи выходной сигнал усиливается сильнее в (1-bК) раз.

Далее на конкретных примерах будет показано действие отрицательной и положительной обратной связи.

На рис.44 представлена схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по коллекторной цепи:

Рис.44. Однокаскадный усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью по коллекторной цепи.

При подаче на вход усилителя потенциала положительной полярности в базе создается ток, при котором на коллекторном выводе напряжение уменьшится за счет открывания транзистора, что соответствует изменению фазы выходного напряжения на 180⁰. С коллектора часть измененного по фазе тока через резистор R_ОС протекает через базовый переход. Таким образом, создается отрицательная обратная связь по току.

На рис.45. представлена схема однокаскадного усилителя постоянного тока на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по эмиттерной цепи:

Рис.45. Схема однокаскадного усилителя постоянного тока с отрицательной обратной связью по эмиттерной цепи.

При возрастании напряжения на входе на базовом выводе повышается потенциал. Ток через переход база-эмиттер увеличивается. При этом увеличивается эмиттерный ток и падение напряжение на R_Э. Знаки падений напряжения на R_БЭ и R_Э противоположные, поэтому напряжение U_ОС на R_Э является напряжением отрицательной обратной связи (отрицательная обратная связь по напряжению). Потенциал базы в этом случае равен

Аналогично все происходит для усилителей переменного тока.

В усилителях постоянного тока можно создавать положительную обратную связь, если, например, соединить через резистор коллекторный вывод второго каскада с базовым выводом первого каскада.

Обратная связь в усилителях постоянного тока в широком диапазоне частот входного сигнала частотно независима.

При усилении переменного тока обратная связь может создаваться не только с помощью резисторов, но и с помощью конденсаторов и катушек индуктивности. В этом случае коэффициент обратной связи становится частотно зависимым, так как сопротивление этих элементов зависит от частоты.

На рис.46.а и 46,б представлены примеры схем усилителей переменного тока, в которых использованы обратные связи с использованием частотно зависимых цепей

Рис.46.Схемы однокаскадных усилителей с частотно зависимыми обратными связями: а) по коллекторной цепи; б) по эмиттерной цепи.

Обратная связь в усилителе, схема которого изображена на рис.46.а, создается цепочкой R_ОС-С_ОС. При увеличении частоты входного сигнала модуль проводимости этой цепочки увеличивается, увеличивается коэффициент отрицательной обратной связи.

В усилителе, представленном на рис.46,б конденсатор включен параллельно эмиттерному сопротивлению, создающему отрицательную обратную связь по постоянному току. Сопротивление конденсатора C_Э уменьшается при увеличении частоты входного сигнала и коэффициент отрицательной обратной связи по переменному току уменьшается.

Рис.47. Двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью по постоянному и переменному току.

В двухкаскадном усилителе, рис.47, фаза выходного сигнала и входного сигнала по постоянному току совпадает, поэтому резистор R_ОС создает положительную обратную связь. Положительную обратную связь по переменному току создает конденсатор C_ОС. При увеличении частоты входного сигнала сопротивление этого конденсатора уменьшается и коэффициент обратной связи увеличивается.

Строго говоря, при анализе частотно-зависимой обратной связи необходимо проводить и фазо-частотный анализ входного и выходного сигналов и коэффициента обратной связи.

Дата добавления: 2015-05-06