Лекция 11.
Основные схемы включения биполярного транзистора.
Работа в импульсном режиме
Три схемы включения транзистора. Взависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (схема ОБ, рис. 11.1); с общим эмиттером (схема ОЭ, рис. 11.2) и с общим коллектором (схема ОК, рис. 11.3). В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками ивх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (в схемах ОБ и ОЭ)или тока эмиттера (в схеме ОК)на резисторах R Kили R Э, соответственно,создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами u вых. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы u вых было бы во много раз большое вызвавшего его приращения u вх(в схемах ОБ и ОЭ)или близко к нему (в схеме ОК).
Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора зависит от схемы включения его в цепь, что следует из полученной его общей математической модели. Так, для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис.11.4, а для схемы с ОЭ—на рис. 11.5.
Однако следует подчеркнуть, что в действительности расчет схемы ОБ можно осуществлять, пользуясь вольт-амперными характеристиками схемы ОЭ, и наоборот. Так или иначе, расчет ведется для одного и того же транзистора, а те и другие вольтамперные характеристики представляют соотношения меду токами его выводов и напряжениями между его выводами. Таким образом, все сводится лишь к тому, относительно какого вывода производится отсчет потенциалов.
На рис. 11.4, а видны две области: 1) активныйрежим (U КБ < 0) с коллекторным переходом, смещенным в обратном направлении; 2) режим насыщения (U КБ > 0) с коллекторным переходом, смещенным в прямом направлении.
В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока a, а коэффициентом передачи базового тока b (индексы N и I мы здесь опускаем). Удобство использования b обусловлено тем, что в практических случаях обычно задается изменение тока базы.
Найдем связь между a и b. Для этого используем уравнение (15) и уравнение
I Э = I Б + I К.
Подставив I Э в (15), получим
или
.
Обозначив
, и ,
получим
, (11.1)
где I КЭО – обратный ток коллекторного перехода при I Б= 0.
Так как aN » 0,95, то bN >> 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, bN = 30¸800. Падение напряжения на эмиттерном переходе в активном режиме составляет доли вольт, в то время как U КБ - несколько десятков вольт. Поэтому в большинстве случаев справедливо допущение, что U КЭ » U КБ, с учетом которого (11.1) примет вид
. (11.2)
Следует обратить внимание на то, что в схеме с ОЭ влияние тока I КБО и сопротивления r К диф на коллекторный ток увеличивается в 1 + b раз по сравнению со схемой с ОБ. Коэффициенты b и a зависят от тока, протекающего через транзистор. Эта зависимость во многом определяется технологией, по которой изготовлен конкретный транзистор, и обусловлена процессами рекомбинации в области р-п- перехода, в базе и приповерхностных областях у эмиттерного перехода.
Для инженерных расчетов применяют различные упрощенные аппроксимации зависимости b от тока:
или
,
.
где b 1 —коэффициент передачи при токе I К1.
Последнюю аппроксимацию целесообразно применять для расчета b у современных микромощных транзисторов в диапазоне токов 10-6 - 10-3 А. При этом погрешность расчета находится в пределах 5—20%.
Коэффициент a значительно меньше зависит от режима работы транзистора. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов увеличиваются при повышении температуры окружающей среды. Зависимость коэффициентов a и b от режима работы приводит к тому, что дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов
, . (11.3)
не равны соответствующим интегральным коэффициентам передачи, определенным из (2.43), (2.52), в которых принято, что
и . (11.4)
Дифференциальные коэффициенты передачи базового и эмиттерного токов могут быть больше, меньше или равны интегральному. В дальнейшем зависимости и будем учитывать только в специальных случаях.
Основные параметры биполярных транзисторов и их ориентировочные значения следующие:
1) коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи, которые в первом приближении считают равными интегральным и относят к случаю малого сигнала (последнее указывается звездочкой)),
и ; (11.5)
2) дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
(11.6)
( имеет величину от нескольких Ом до десятков Ом);
3) обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении
(U KБ < 0) (11.7)
( имеет величину от несколько нА до десятков мА);
4) объемное сопротивление базы r Б1 (от десятков до сотен Ом);
5) коэффициент внутренней обратной связи по напряжению
( = 10-3¸10-4);
6) выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного р-п- перехода
, (11.8)
( может иметь величину в пределах от долей до сотен мкСм);
7) максимально допустимый ток коллектора, I К.макс (от сотен мА до десятков А);
8) напряжение насыщения коллектор - эмиттер, U КЭ.нас(от десятых долей вольт до одного вольта);
9) наибольшая мощность рассеяния коллектором, Р К.макс (от одного мВт до десятков Вт);
10) емкость коллекторного перехода С К (от долей пФ до десятков пФ);
11) тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом,
RT = D T/P K.макс, (11.9)
где D T - перепад температур между коллекторным переходом и корпусом;
12) предельная частота коэффициента передачи тока, или (частота, на которой коэффициент передачи тока h 21 уменьшается до 0,7 своего статического значения, или ); иногда, вместо предельной, задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ (f грили wгр), при которой h 21Э ® 1;
13) максимальная частота генерации,
,
при которой транзистор еще может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице).