Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)

Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi.

В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.

Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод).

Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки.

Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение.

Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания.

Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.

Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье «схема эмиттерной стабилизации».

Сейчас нас будут интересовать параметры усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером.

Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора RвхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения Uб от тока базы Iб) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора RвхОЭ зависит от тока базы Iб0 и определяется по следующей формуле:

      (1)

Как определить ΔUб0 и ΔIб0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления.

Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом.

Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

      (2)

где Iб — ток базы в рабочей точке;
Uбэ — напряжение базы в рабочей точке;
Is — обратный ток перехода эмиттер-база;
 — температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток Is, поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

      (3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

      (4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы rбб'.

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме.

Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3.

Элементы Rвых и h21×iвх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

      (5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером.

Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8.

В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).

Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление Rи будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление Rи при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

      (6)

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

Литература:

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

Коллекторная стабилизация
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

Эмиттерная стабилизация
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Схема с общей базой (каскад с общей базой)
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShlTrz/OB/

Схема с общим коллектором (каскад с общим коллектором)
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShlTrz/OK/

Схемы включения транзистора
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShlTrz/

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 … 2019

Предыдущие версии сайта: http://neic.nsk.su/~mavr

http://digital.sibsutis.ru/

Источник: https://DigTeh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

Биполярные транзисторы. For dummies

Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой.

Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК).

В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу.

Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его.

Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно.

Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

    Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

    Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

    ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

    Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно.

А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора.

Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора.

Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления.

Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала.

Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам.

Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется.

Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

  • транзисторы
  • биполярные транзисторы
  • электроника

Источник: https://habr.com/post/133136/

Лабораторная работа № 2 Исследование биполярного транзистора

Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Целью работыявляется изучение особенностейвольтамперных характеристик и параметровбиполярных транзисторов в различныхсхемах включения.

Краткиетеоретические сведения.

Биполярнымтранзистором называется трехэлектродныйприбор, основу которого составляетструктура из трех слоев полупроводникас чередующимися типами проводимости.

В каждом из слоев формируются невыпрямляющие(омические) контакты, посредством которыхтранзистор включается в электрическуюцепь.

Вывод от среднего слоя полупроводниковойструктуры называется базой транзистора,а выводы от крайних слоев – эмиттероми коллектором.

Взависимости от порядка чередованияслоев, различают биполярные транзисторыдвух типов – p-n-pи n-p-n.Структура таких транзисторов и ихусловные обозначения на электрическихсхемах приведены на рис. 2.1. В биполярномтранзисторе имеется два р-nперехода, один из которых (переходэмиттер – база) называется эмиттерным,а другой (переход база – коллектор) –коллекторным.

Рис.2.1. Структура и условные обозначениябиполярных транзисторов.

Транзисторявляется прибором, позволяющим усиливатьмощность поступающих в соответствующиецепи сигналов. Для работы в таком режимеэмиттерный переход с помощью источникапитания смещается в прямом направлении,а коллекторный переход – в обратном. Вэтом случае основные носители эмиттерногослоя будут вводиться (инжектироваться)в базовую область.

Далее эти носители,которые для базы являются неосновными,начнут вследствие диффузии перемещатьсяк запертому коллекторному переходу,где концентрация свободных носителейпрактически равна нулю.

Там они втянутся(экстрагируются) электрическим полемв область коллектора и будут двигатьсяк коллекторному выводу транзистора идалее по внешней цепи, вызывая протеканиев ней тока.

Впервом приближении ток, через эмиттерныйпереход ,должен быть равен току коллектора.Так как падение напряжения на открытомэмиттерном переходе составляет доливольта, а напряжение на запертомколлекторном переходе может достигатьдесятков и более вольт, то мощность,выделяемая в выходной (коллекторной)цепибудет больше мощности,затрачиваемой во входной цепи науправление коллекторным током.

Вреальных транзисторных структурахчасть инжектированных эмиттеромносителей в процессе диффузии черезобласть базы успевает рекомбинироватьс основными носителями базовой области.В связи с этим ток коллектора будетменьше эмиттерного. Отношение этихвеличин называется коэффициентомпередачи коллекторного тока:

, (2.1),

аразность — базовым током.

Усилительныесвойства транзистора тем выше, чем ближек единице. Для реализации данного условиятолщину базы транзистора, делаютмаленькой. С этой же целью (для перехватавсех продиффундировавших через базуносителей) площадь коллекторногоперехода выполняется большей, чемплощадь эмиттерного.

Из-затакой асимметрии, а также по ряду другихпричин, параметры транзистора в инверсномвключении, когда выводы коллектора иэмиттера меняются местами, существенноотличаются от параметров транзисторав нормальном (прямом) включении. Вчастности, .

Дляработы транзистора требуются источникипитания входной и выходной цепей.

Взависимости от того, какой из электродовсоединен с общей точкой данных источников,различают три основные схемы включениятранзистора (рис. 2.2).

Они называются:схема с общей базой (ОБ), с общим эмиттером(ОЭ) и общим коллектором (ОК). Параметрыи усилительные свойства транзистораопределенным образом связаны со схемойего включения.

Рис.2.2. Схемы включения биполярного n-p-nтранзистора.

Наприведенном рисунке представлены схемывключения транзистора n-p-nтипа. При использовании второйразновидности биполярных транзисторовполярность источников питания должнабыть изменена на противоположную.

Связьтоков и напряжений во входной цепитранзистора при его включении с ОБ,называемая входной характеристикой,представлена на рисунке 2.3.

Если выходколлектора отсоединен от соответствующегоисточника питания, то в этом случаеработает лишь переход эмиттер-база,представляющий собой аналог обычногополупроводникового диода.

Его вольтампернаяхарактеристика, здесь это зависимостьотбудет иметь стандартный для диода вид.

Рис.2.3. Входные характеристики транзисторапри включении по схеме с общей базой.

Когдавыводы коллектора и базы замкнутынакоротко, то из-за наличия внутреннегозапирающего поля коллекторного p-nперехода, ток через него будет отличенот нуля. Но суммарный ток, потребляемыйот источника ,останется таким же, как и при разомкнутойколлекторной цепи. Это связано с тем,что .

Теоретически данная ситуация должнасохраняться и при отличном от нулянапряжении,так как ток коллектора, протекающийчерез данный источник, задается тем жесамым напряжением.Однако реальная входная характеристикадляпойдет левее предыдущей (рис. 2.

3), то естьпри том же напряженииток через эмиттерный переход станетнемного больше.

Это объясняется тем,что cростом напряжения питания увеличиваетсятолщина коллекторного переходаобедненного носителями, соответственноуменьшается толщина базы, возрастаетградиент концентрации инжектируемыхносителей и увеличивается интенсивностьдиффузии, приводящая к росту эмиттерноготока.

Сдругой стороны, уменьшение толщины базыприводит к снижению тока рекомбинациии является одной из причин возрастаниякоэффициента с увеличением(рис. 2.4).

Рис.2.4. Зависимость коэффициента передачиэмиттерного тока от напряжения коллектор– база.

Зависимостьтолщины базы от напряжения на коллекторномпереходе называется эффектом Эрли илиэффектом модуляции толщины базы.

Теоретически, при некотором, достаточнобольшом, напряжении возможно смыкание коллекторного иэмиттерногоp-nпереходов – прокол базы и выходтранзистора из строя вследствие резкоговозрастания протекающих через неготоков.

Однако пробой по данной причинереально наблюдается только у транзисторовс очень тонкой базой. Для большинстваобычных транзисторов пробой происходитв области коллектора и его механизманалогичен соответствующему механизмуу полупроводниковых диодов.

Зависимостьтока коллектора транзистора от напряжениямежду коллектором и базой называетсявыходной характеристикой. Обычносовместно строится несколько такихзависимостей, снятых при разных значенияхтока эмиттера. При этом получают такназываемое семейство выходныххарактеристик, примерный вид которогоприведен на рис. 2.5.

Рис.2.5. Семейство выходных характеристиктранзистора при включении по схеме собщей базой.

Если ток эмиттераравен нулю, то через запертый переходколлектор – база протекает лишь небольшойобратный ток .С увеличением эмиттерного тока возрастаети ток коллектора. В связи со слабойзависимостью коэффициента передачиот напряжения, ток коллектора такжепрактически не зависит от разностипотенциалов между коллектором и базой,поэтому выходные характеристики приидут практически горизонтально.

Врежиме отсечки оба p-nперехода транзистора заперты, и черезколлекторную цепь протекает лишьнеуправляемый обратный ток.

В режиме насыщения (область характеристиклевее оси )переходы база-эмиттер и база–коллекторнаходятся под прямым напряжением и токэмиттера сильно зависит от отпирающейразности потенциалов между коллектороми базой.

Это связано с тем, что приоткрывании коллекторного перехода онперестает экстрагировать инжектированныеэмиттером носители, а в дальнейшем исам начинает их инжектировать в областьбазы. При этом коллекторный ток изменитсвое направление на противоположное.

Вактивном режиме эмиттерный переходоткрыт, коллекторный заперт, и при слабойзависимости тока коллектора от напряжениядействует соотношение

. (2.2)

Изнего следует, что ток коллектора долженменяться пропорционально изменениямэмиттерного тока. Однако реально этоусловие не выполняется, что связано сзависимостью от тока эмиттера коэффициентапередачи .График такой зависимости приведен нарис. 2.6.

Рис.2.6. Зависимость коэффициента передачитока коллектора от эмиттерного тока транзистора в схемес общей базой.

Прималых токах эмиттера (единицы микроампер)разность концентраций носителей вблизиколлекторного и эмиттерного переходовтакже мала, и нет условий для их быстрогопереноса через область базы. Большинствоинжектированных эмиттером электроновуспевают рекомбинировать с дыркамибазы и не доходят до коллектора, поэтомув данной ситуации и.

Прибольших токах эмиттера в области базысоздается значительная концентрациянеосновных носителей, и эффективностьэмиттера (коэффициент инжекции) падает,из-за чего будут уменьшаться коэффициентпередачи и ток коллектора.

Изхарактеристик транзистора (рис. 2.3, рис.2.

5) следует, что он является нелинейнымэлементом, то есть зависимости токовот напряжений не описываются линейнымифункциями, а соответствующие графикине являются отрезками прямых линий.

Однако при работе транзистора в активномрежиме и малых изменениях токов инапряжений, пропорциональная (линейная)зависимость между входными и выходнымивоздействиями сохраняется.

Вэтом случае, в режиме так называемогомалого сигнала, когда ,,,транзистор можно представить в виденекоторой эквивалентной схемы, состоящейтолько из линейных элементов: резисторов,генераторов тока источников э.д.с.,конденсаторов и т.п. При соответствующемвыборе их параметров такая схема будетдостаточно хорошо описывать (имитировать)поведение транзистора при усилениималых сигналов.

Существуетнесколько разновидностей эквивалентныхсхем,наиболее употребительной из которыхявляется Т-образная.Ее упрощенный вариант приведен на рис.2.7. При построении эквивалентных схемпостоянные токи и напряжения, задающиережим работы транзистора, не учитываются,но параметры элементов схемы от нихзависят На рис. 2.

7 резисторы и(дифференциальные сопротивления эмиттераи базы) отражают не только наличиефизических сопротивлений слоевполупроводника, а– не только сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода, нои учитывают роль физических процессовпри его работе.

В частности введениеотражает зависимостьотвследствие эффекта модуляции толщиныбазы.

Рис.2.7. Упрощенная Т-образная схема транзисторапри включении с ОБ.

Генератортока учитывает эффект передачи в коллекторнуюцепь части входного, эмиттерного тока,а введение конденсаторапозволяет отразить наличие барьернойемкости запертого коллекторного переходаи ее влияние на работу транзистора привысоких частотах входных сигналов.

Параметрыэквивалентной схемы транзистора могутбыть рассчитаны, исходя из данных о егогеометрии, режиме работы и свойствахполупроводниковых материалов, из которыхтранзистор изготовлен.

Однако прямоеэкспериментальное их определениеневозможно, так как границы разделаслоев полупроводника недоступны дляподключения измерительных приборов.

Всвязи с этим вводится так называемаясистема измеряемых параметров транзистора(h– параметры),которые характеризуют свойстватранзистора как некоторого четырехполюсника.

Связь между входнымии выходными токами и напряжениями назажимах такого четырехполюсникаопределяется в общем случае системойиз двух уравнений. Выбрав в качественезависимых переменных изменениявходного тока и выходного напряжения,можно записать:

(2.3)

Коэффициентыэтой системы определяются из соотношений(2.4) по результатам экспериментальныхизмерений соответствующих токов инапряжений в схеме. При этом задаютсяприращения одной из независимых величин,а вторая сохраняет неизменное значение:

(2.4)

Междуh– параметрами и номиналамиэлементов Т-образной эквивалентнойсхемы транзистора существует определеннаясвязь, в частности:

(2.5)

Таким образом,экспериментально определив совокупностьhпараметров и используясоотношения (2.5), можно рассчитатьпараметры элементов эквивалентнойсхемы транзистора, приведенной на рис.2.7.

При высокой частотевходного сигнала часть тока коллекторабудет замыкаться через конденсатор и не достигнет выходной цепи. Такимобразом, с ростом частоты выходной токсхемы будет уменьшаться при неизменнойвеличине входного. Данный факт можноинтерпретировать как снижение коэффициентапередачи токас частотой.

Реальной причинойснижения с увеличением частоты являетсяинерционность физических процессов,протекающих при работе транзистора. Витоге зависимостьот частоты имеет вид, представленныйна рис. 2.8.

Для оценки исравнения частотных свойств транзисторовпри их включении с общей базой используютсяследующие параметры: – частота, на которой коэффициентпередачи тока падает враз;– частота, на которой коэффициентпередачистановится равным 0,5;– частота, на которой коэффициентусиления по мощности становится равнымединице.

Рис.2.8. Зависимость коэффициента передачитока от частоты для схемы с общей базой.

Привключении транзистора по схеме с общимэмиттером (рис. 2.2) его входные и выходныехарактеристики имеют вид, приведенныйна рис. 2.9 и 2.10.

Рис.2.9. Входные характеристики транзисторапри включении по схеме с общим эмиттером.

Рис.2.10. Семейство выходных характеристиктранзисторапри включении по схеме с общим эмиттером.

Вотличие от входной характеристики схемыс общей базой (рис. 2.3), соответствующаяхарактеристика транзистора при включениис общим эмиттером при увеличениинапряжения смещается вправо. Выходные характеристикиначинаются с нулевого значения напряженияи имеют больший наклон по сравнению саналогичными характеристиками схемыс ОБ.

Приток коллектора также будет нулевым, аток базы будет равен току эмиттера (рис.2.11). Смещение вправо входной характеристикив схеме с ОЭ объясняется тем, что с ростомнапряжениячасть базового тока ответвляется вколлекторную цепь, то есть при том жепотенциале базы ее ток уменьшается.

Рис.2.11. Схема распределения токов в биполярномтранзисторе.

Как и для схемыОБ, при включении транзистора с общимэмиттером справедливо соотношение ,причем.Вследствие того, что управляющим(входным) при этом является базовый ток,а выходным – коллекторный, их отношение,называемое,будет много больше аналогичного отношениядля схемы с общей базой, где.Связь между данными коэффициентами дляодного и того же транзистора имеетвид:, (2.6)

атоки в схеме с общим эмиттером описываютсявыражениями: (2.7)

Ток – это ток, протекающий по цепи коллекторапри нулевом токе базы. Он связан саналогичным током(схема с ОБ) следующим образом:

. (2.8)

Этообъясняется тем, что при заземлениивывода базы, через ее электрод иколлекторный переход будет протекатьобратный ток коллектора .Для обеспечения нулевого базового тока,от внешнего источника потребуетсязадать ток, равный,но протекающий в противоположнуюсторону, что вызовет появление вколлекторной цепи тока враз большего.

Зависимостикоэффициента усиления по току от напряженияи токааналогичны соответствующим зависимостям(рис. 2.4 и рис. 2.6), но проявляются болеесущественно.

ЭквивалентнаяТ-образная схема транзистора при еговключении с общим эмиттером приведенана рис. 2.12. Параметры эквивалентных схемс ОБ и ОЭ связаны между собой следующимобразом:

(2.9)

Уменьшениеи увеличениепри переходе к схеме с общим эмиттеромобъясняется действием внутреннейобратной связи.

Рис.2.12. Упрощенная Т-образная эквивалентнаясхема транзистора при включении с общимэмиттером.

Как и для схемы сОБ, параметры элементов эквивалентнойсхемы транзистора при его включении сОЭ можно экспериментально определитькосвенным методом из соотношений,аналогичных (2.5), произведя измерениясоответствующих – параметров:

(2.10)

(2.11)

Между значениямиh– параметров длярассмотренных способов включениятранзистора, имеется определеннаявзаимосвязь:

(2.12)

Сростом частоты коэффициент усиленияпо току будет уменьшаться, как это показано нарис. 2.13.

Рис. 2.13. Зависимостькоэффициента усиления по току от частоты для схемы с общим эмиттером.

Для оценки частотныхсвойств транзистора при включении посхеме с ОЭ используются следующиепараметры: – частота, на которой коэффициентусиленияпадает враз по сравнению с его величиной нанулевой частоте,;– частота, на которой,она совпадает со значениемдля схемы с ОБ, так как при;– предельная частота генерации иличастота, на которой коэффициент усиленияпо мощности в схеме с ОЭ превращаетсяв единицу. В справочниках часто приводитсязначение модуля коэффициента усиленияпо токуили величинына конкретной частоте.В данном диапазоне коэффициент усиленияпо току с ростом частоты меняется такимобразом, что зная эти величины, граничнуючастоту можно рассчитать по формуле:.

Описаниелабораторной установки.

Установкадля проведения лабораторной работы №2«Исследование биполярного транзистора»состоит из лабораторного и измерительногостендов со встроенными источникамитоков и напряжений. Внешний вид переднихпанелей стендов приведен на рис 2.14. ирис. 1.8.

Лабораторный стенд содержитрегулируемый источник питания сдиапазоном изменения выходного напряженияВи ограничением выходного тока на уровне150мА. Тумблер включения источника, ручкарегулировки напряжения и выходныегнезда расположены в правой частистенда.

В данной лабораторной работеисследуются характеристики транзисторовVT1и VT2типа КТ819А.

Длязадания токов базы и эмиттера имеютсясоответствующие дискретно регулируемыеисточники токов, выходы которыхприсоединены к гнездам на панели стенда,помеченных символами и .Регулировка токов осуществляетсяпереключателями: тока базы в пределахмАс шагом 0,001мА; тока эмиттера – в пределахмАс шагом 1мА.

Общий вывод источников токасоединен с клеммой «–» источникапитания. Кроме этого, в состав макетавходят цепочкии,используемые при исследовании частотныхсвойств транзисторов. Включениелабораторного стенда производитсятумблером «Вкл.».

О функционированииисточника питания свидетельствуетсвечение зеленого светодиода.

Порядокпроведения лабораторной работы.

1.Домашняя подготовка.

Входе домашней подготовки необходимо,пользуясь справочниками, определить изаписать в рабочую тетрадь основныепараметры транзисторов, исследуемых входе данной работы.

Зарисовать врабочую тетрадь все схемы для проведенияизмерений и соответствующие таблицыдля записи результатов исследований.

Источник: https://studfile.net/preview/2902051/page:3/

Biz-books
Добавить комментарий