 |
Краткие теоретические сведения .
|
|
|
|
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Снять статическиехарактеристики и определить основные параметры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, входным током служит ток базы, а выходным, как и в схеме с ОБ, ток коллектора. Процесс
|
|
управления током транзистора в схеме с ОЭ можно представить следующим образом: при увеличении тока базы, 
, растет положительный заряд дырок вбазе, но поскольку база должна остаться нейтральной, снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода, увеличивается диффузия дырок из базы вэмиттер и большой поток электронов проходит навстречу из эмиттера вбазу идалее вобласть коллектора, образуя токколлектора, Iк.
, а 
, тогда 
,
или 
, тогда 
.
, (1)
где 
- коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ;
— обратный ток коллекторного перехода в
схеме с ОЭ при 
.
Можно получить выражение для 
через токи:
, тогда 
,
. (2)
Поскольку коэффициент 
близок к единице, 
и может
в современных транзисторахдоходить до нескольких тысяч.
В соответствиис уравнением (1)ток коллектора состоит из управляемой составляющей 
, зависящей от входноготока, и неуправляемой
. Неуправляемаясоставляющая коллекторноготока в 
разбольше, чемвсхеме с ОБ.Причина заключается в том, чтоток 
является однойиз составляющих базового входноготока, усиливаемого
транзистором в раз при его включении с ОЭ.Это существенный недостаток схемыс ОЭ.Достоинство этойсхемы - этоее значительно боль-
шее входное сопротивление чемсхемы с ОБ. Приодинаковыхвходных
|
|
|
напряжениях, 
, входной токв схеме сОЭ значительноменьше чем в схемес ОБ, 
и 
будет значительно больше.
Коллекторный переход в активном режиме работы транзистора смещен в обратном направлении и при достаточно высоких значениях обратного напряжения 
в ОПЗ коллектора возможно лавинное умно жение носителей заряда. Вэтом случае
, (3)
все токи через переход умножаются в М раз, где
- коэффициент лавинного умножения
носителей заряда.
, (4)
где b=3 для p-Si и n-Ge, и b=5 для p-Ge и n-Si. При 
.
Коэффициент передачи тока эмиттера при наличии лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе равен
= 
= /1- 
n, (5)
где n=3 для n-p-n-Si и p-n-p-Ge, и n=5 для p-n-p-Si и n-p-n-Ge.
При некотором напряжении 
значение 
. Тогда из уравнения (5) можно найти значение 
:
тогда 
,
, (6)
где - коэффициент передачи тока базы при М=1.
С учетом лавинного умножения 
. При 
,
а 
. Физически это связано стем, что при ток, связанныйс лавинным умножением носителей заряда, полностью покрываетпотери электроновпри их инжекции и рекомбинации. При этом, если в транзисторе с ОЭ задан ток базы, , топри приближениинапряжения к ,ток коллектора 
. Поэтому напряжение практически является напряжениемпробоя транзисторав схеме с ОЭ, 
. Зависимости коэффициентов передачитока транзисторас учетом лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе от напряжения показаны па рис. 1.
|
|
|
Рис. 1. Зависимость коэффициентов передачи тока
транзистора с учетом лавинного умножения
носителей заряда в коллекторном переходе от
напряжения .
В соответствии с уравнениями Эберса-Молла
. (7)
Напряжения, приложенные к транзистору, включенному по схеме с ОЭ, связаны следующим образом: 
, => 
. Учитывая также, что 
получим:
или
. (8)
Это уравнение описывает входные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОЭ. При 
имеем 
, то есть это обычная ВАХ идеализированного диода, выходящая из начала координат. При 
и при постоянном напряжении 
ток базы уменьшается, то
есть характеристика сдвигается вправо и вниз. В реальном транзисторе при увеличении обратного напряжения 
ширина базы уменьшается (эффект Эрли), уменьшается и вероятность рекомбинации электронов в базе, а значит и ток базы, и характеристика дополнительно сдвигается
Рис. 2. Входные ВАХ реального транзистора в схеме с ОЭ.
вправо (рис.2). Если 
и 
(режим отсечки), то 
. При 
, то есть оба перехода смещены в прямом направлении и транзистор находится в режиме насыщения. Граница между активным режимом и режимом насыщения — это кривая, соответствующая условию 
, то есть 
(штриховая линия нарис.2).
Выходные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОЭ описываются уравнением:
, (9)
где 
.
Рассмотрим область, соответствующую границережима отсечки, а такжеобласть лавинного умножения носителей заряда. В этих областях ход характеристик зависит от условий работы эмиттерного перехода,
определяемых цепью базы.
Пустьцепь эмиттераразомкнута, 
. В этом случае, как ив схеме сОБ, 
ипробой коллекторного перехода наступает при 
.
Если разорванацепь базы,то и . При этомс ростом обратного напряжения коэффициент возрастаети характери с тика имеетнекоторый наклонк оси абсцисс. При некотором напряжении начинает сказыватьсялавинное умножениеносителей зарядав коллекторном переходеикоэффициент становится равным единице, а 
|
|
|
иток коллектора резко возрастаетпри 
.
Еслибаза соединена с эмиттеромчерез резистор 
, то на характеристике в области лавинногоумножения носителей заряда наблюдается участок с отрицательным дифференциальным со противлением (рис.3). Это объясняется следующими физическими процессами. Обратный ток коллекторного перехода 
, проходя через сопротивление , создает нанем падение напряжения 
, которое приложено плюсом к р-области, то есть смещает эмиттерный переход в прямом направлении.При небольших обратных напряжениях ток коллектора мал и напряжение, выделяемое на резисторе , невелико и эмиттерный переход практически закрыт. Поэтому основная часть тока проходит по резистору , а в цепи эмиттера проходит небольшой ток. Наличие небольшого тока эмиттера увеличивает ток коллектора до величины 
(так как 
, а 
). При увеличении обратного напряжения 
из-за лавинного умножения носителей заряда ток коллектора начинает возрастать и напряжение на резисторе и эмиттерном переходе увеличивается. Это сопровождается инжекцией электронов из эмиттера в базу и резким увеличением тока коллектора. В такой схеме существует положительная обратная связь и наступает лавинный пробой при некотором напряжении 
Чем больше значение , тем при меньшем токе коллектора эмиттерный переход открывается и тем меньше 
. Понижение потенциального барьера эмиттерного перехо-да и инжекция электронов из эмиттера в базу вызывает возникновение положительных составляющих базового тока: тока инжекции дырок из базы в эмиттер, 
, и тока рекомбинации, 
, которые направлены навстречупервоначальному току базы. Суммарный ток базы становится близок кнулю и выходная характеристикастремится к характеристике, снятой при 
, а в области лавинного пробоя наблюдается участокс отрицательным дифференциальным сопротивлением.
|
|
|
Если выводы базы и эмиттера замкнуть,то при обратном напряжении в цепи базы протекает ток 
. Поскольку база обладает омическимсопротивлением 
, этотслучай по физическим процессамблизоккпредыдущему и х арактеризуетсятоком в цепиколлектора 
инапряжением пробоя 
, так как 
очень мало.
Минимальное напряжение пробоя получается при обрыве цепи базы (). Поэтому транзисторы обычно запрещается использовать в режиме разомкнутой цепи базы. Особенно недопустим такой режим для мощных транзисторов, которые в этом случае пробиваются при самых
небольших напряжениях коллектора.
Рис. 3. Выходные ВАХ реального транзистора в схеме с ОЭ.
При положительном токе базы 
выходная ВАХ в соответствии с уравнением (9) смещается вверх на величину 
’ 
. Соответственно выше идутхарактеристики при больших токах базы 
”, ”’ и т.д. Характеристики имеют заметнобольший наклон чем выходныеВАХ в схеме с ОБ, таккак коэффициент 
сильней зависитот напряжения 
чем коэффициент 
. Пусть изменяется отнекоторого значения 
до 
, то есть приблизительно на 5%. Тогда 
, а 
, то есть изменяется более чем на 100%
Коэффициент также значительнозависит от тока эмиттера,а значит и оттока коллектора ирасстояниепо вертикалимежду характеристиками при одинаковых приращениях тока базы не остается постоянным, вначале оно возрастает,а затем уменьшается.
Выходные ВАХ транзистора с ОЭ не пересекают ось ординат и полностью расположены в первом квадранте координатной плоскости. Этоопределяется соотношением . При 
, а при 
напряжение 
становится положительным и транзистор переходит в режим насыщения. Чем больше ток базы, тем больше 
и 
сдвигается вправо. При 
и 
на коллекторе существует обратное напряжение 
порядка нескольких десятых вольта, то есть при положительных токах базы характеристики не выходят из начала координат. Используя уравнения Эберса-Молла можно найти, что
. Это напряжение должно иметь такую величину, чтобы
создаваемый им ток инжекции коллекторного перехода полностью компенсировал ток инжекции эмиттерного перехода, доходящий до коллекторного перехода, чтобы суммарный ток коллектора стал равен нулю. Для учета наклона характеристик к оси абсцисс в активном режиме в уравнение выходной ВАХ можно ввести дополнительное слагаемое:
(10)
где 
- усредненное дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ.
Рис. 4. Выборрабочего режима транзистора.
Семейство выходных ВАХ используетсядня выбора рабочего режима транзистора,когда в цепи коллекторавключается сопротивление нагрузки 
(рис.4). 
— уравнение нагрузочной характеристики. Это уравнение прямой линии,которую можно построитьпо двум точкам:
|
|
|
при 
, а при 
. При заданном токе 
’ точка
пересечения А линии нагрузки с соответствующей характеристикой 
есть рабочая точка, определяющая значения 
’ и ’ для выбранного режима транзистора, а также падение напряжения на нагрузке 
’.
Температурный дрейф характеристик в схеме с ОЭ можно оценить следующим образом. Уравнение выходной ВАХ: 
при =const. Изменение тока коллектора: 
.
Так как 
, то
.
Относительное изменение тока коллектора:
.
Поскольку 
,
то
. (11)
Как следует из выражения (11), температурный дрейф выходных характеристик в схеме с ОЭ в 
раз больше,чем в схеме с ОБ. Таким образом выходные ВАХ в схеме с ОЭотличаются сильной зависимостью от температуры. Это серьезный недостатоксхемы с ОЭ. Здесь необходимо применятьспециальные меры для температурной стабилизации рабочей точки в отличии от схемы с ОБ.
Входнойток в схеме с ОЭ — это ток базы, который состоит из двух составляющих:прямой 
и обратной 
. Увеличение температуры вызываетрост как прямого, так и обратного токов базы, поэтому входныехарактеристики в схеме с ОЭ пересекаются. Они имеют значительно меньший температурный дрейф, чем выходные характеристики. Всвязи с этим для температурнойстабилизации рабочей точки транзисторарекомендуется работатьпри постоянном напряжении 
. Зависимость ВАХ транзисторав схеме с ОЭ от температурыпоказана нарис.5.
При включении транзисторано схеме с ОЭ уравнения четырехполюсникаможнозаписать следующим образом:
|
|
Рис. 5. Зависимость ВАХ транзистора в схеме с ОЭ от температуры.
или 
, (12)
где 
и 
– малые амплитуды переменных составляющих токов и напряжений транзистора
Как и в схеме с ОБ, 
-параметры наиболее просто определить по статическим характеристикам транзистора, заменив частные производные токов и напряжений конечными малыми приращениями. Параметры 
и 
определяются по входным ВАХ, a 
и 
— по выходным (рис.6).
Порядок определения -параметров следующий:
1. Выбирается рабочая тока А(
, 
) и наносится на входные и выходные характеристики.
2. На входных ВАХ в окрестностях рабочей точки задается некоторое
приращение напряжения 
и определяется соответствующее ему приращение тока 
при постоянном напряжении . Тогда входное сопротивление транзистора
. , (5-50 кОм).
3. При постоянном токе базы 
задается приращение напряжения 
и определяется получившееся при этом приращение напряжения 
. Тогда коэффициентобратной связипо напряжению
, (10-4-10-3)
Рис. 6. Определение 
-параметров по статическим характеристикам.
4. На выходных ВАХ в окрестностях рабочей точки задается некоторое приращение тока коллектора 
и определяется соответствующее ему приращение напряжения 
при постоянном токе 
. Тогда выходная проводимость транзистора
, (10-6 – 10-4 См).
5. При постоянном напряжении 
задается приращение тока базы 
и определяется соответствующее ему приращение тока
коллектора 
. Тогда коэффициент передачи тока
, (10 - 1000).
Связь - параметров транзистора в схеме с ОБ с физическими параметрами можно приблизительно определить следующим образом:
 |
(13)
где 
и 
— дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, соответственно; 
— объемное сопротивление базы транзистора.
Поскольку транзистор-четырехполюсник, "черный ящик" с входом и выходом, один и тот же для любой схемы включения, то все его h-параметры связаны между собой:
(14)
Коэффициент передачи тока четырехполюсника для схемы с ОЭ 
, в отличии от 
, положителен, так как входной и выходной токи в
транзисторе с ОЭ, как и в четырехполюснике, направлены в разные стороны.
|
|
|
