Реферат: Теория

Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным (ЭП), а между базой и коллектором - коллекторным (КП). Каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении, то есть переходы равноправны и режим работы транзистора будет зависеть от способа его включения. В соответствии с этим различают четыре способа включения или четыре режима работы транзистора.

Рис. 2.1. Структура и схемное изображение транзистора n-p-n-типа

Рис. 2.2. Структура и схемное изображение транзистора p-n-p-типа

2.2. Способы включения биполярного транзистора

1. Активный (или режим усиления, рис. 2.3, а) - нормальное включение, при котором на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. В активном режиме коэффициент передачи тока эмиттера . В таком режиме работают линейные усилители.

2. Инверсный (рис. 2.3, б). На эмиттерный переход подается обратное напряжение, а на коллекторный - прямое. В этом режиме коэффициент передачи тока коллектора заметно меньше коэффициента передачи тока эмиттера при нормальном включении

3. Режим насыщения (рис. 2.3, в). На обоих переходах действуют прямые напряжения, и таким образом транзистор работает в режиме двойной инжекции (в базу поступают носители и из эмиттера, и из коллектора).

4. Режим отсечки (рис. 2.3, г). На обоих переходах действуют обратные напряжения, транзистор заперт и через переходы текут лишь токи неосновных носителей.

		в)                                                                          г)

Рис. 2.3. Способы включения транзистора: а - нормальное;  б - инверсное; в -  двойной инжекции; г -  отсечки

 Режимы насыщения и отсечки используются в ключевом режиме.

Наиболее распространенным является активный режим (рис. 2.3, а), когда на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный - обратное напряжения. При этом через переходы текут примерно одинаковые токи, но эмиттерный ток течет через прямосмещенный переход с малым сопротивлением и под действием малого напряжения (доли вольта), а коллекторный ток - через обратносмещенный переход с большим сопротивлением и под действием большого напряжения (десятки, сотни вольт). Этот факт и создает принципиальную возможность использования транзистора в качестве усилителя электрических колебаний (преобразователя мощности). Разделение электронных усилителей на усилители напряжения, тока, мощности чисто условное и это связано с тем, что в ряде случаев основными показателями служат не входная и выходная мощности, а ток или напряжение на входе и выходе усилителя.

2.3. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три схемы включения биполярных транзисторов: с общей

базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Электрод, который будет общим для входной и выходной цепей усилителя, определяет название схемы включения транзистора.

В схеме включения транзистора с ОБ (рис. 2.4, а) входным током будет ток эмиттера, а выходным - ток коллектора, следовательно, усиления тока в такой схеме не происходит. Передача тока эмиттера в цепь коллектора оценивается статическим коэффициентом передачи тока эмиттера «a»:

                          (a = 0,96-0,99).                      (2.1)

Рис. 2.4. Схемы включения транзистора:  а -  с ОБ; б -  с ОЭ; в -  с ОК

Уже то, что транзистор при таком включении не дает усиления по току, является показателем низкого входного сопротивления схемы с ОБ.

Схемы включения транзистора с ОЭ и с ОК (рис. 2.4, б, в) - это схемы с базовым управлением: выходной ток следует за всеми изменениями входного базового тока. В схеме с ОЭ выходным током является ток коллектора, а в схеме с ОК - ток эмиттера. Во всех схемах включения (ОБ, ОЭ, ОК) источники постоянного напряжения обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току , то есть необходимые начальные значения напряжений и токов. При отсутствии на входе источников переменного сигнала режим, в котором находится транзистор, принято называть режимом покоя, а токи и напряжения - параметрами покоя ( токи покоя, напряжения покоя).

Усилительные свойства транзистора по току в схемах с ОЭ и с ОК оцениваются с помощью интегрального коэффициента передачи тока
базы b :

                                                               (2.2)

                                                         (2.3)

Таким образом, усиление по току у транзистора в схеме с ОК лучше, чем в схемах с ОБ и ОЭ.

При проектировании транзисторных усилителей преимущество отдается графоаналитическому методу расчета. Такой метод расчета осуществляется по статическим ВАХ транзистора. Для анализа статических характеристик транзистора используется математическая модель транзистора - модель Молла-Эберса, которую несложно получить, используя его физическую модель (рис. 2.5).

2.4. Физическая и математическая модели транзистора

(модель Молла-Эберса)

Биполярный транзистор - это два встречно включенных взаимодействующих электронно-дырочных p-n-перехода, на основании чего его можно представить в виде физической модели (рис. 2.5) - модели Молла-Эберса.

Рис. 2.5.  Физическая модель биполярного транзистора

Модель Молла-Эберса характеризует только активную область транзистора: она представлена диодами без учета пассивных участков базы и коллектора. Кроме того, в модели хорошо просматривается принципиальная равноправность переходов, другими словами, обратимость транзистора, которая лучше всего проявляется в режиме двойной инжекции.В режиме двойной инжекции оба перехода работают одновременно в режиме инжекции и в режиме экстракции.

ВАХ эмиттерного и коллекторного прямосмещенных p-n-переходов описывается уравнениями:

для эмиттерного перехода

                                                               (2.4)

для коллекторного перехода

                                                               (2.5)

где: I1 - ток, инжектируемый в базу из эмиттера; I2 - ток, инжектируемый в базу из коллектора; Iэо, Iко - тепловые токи (именно тепловые, а не обратные токи переходов, которые в случае кремния намного превышают тепловые. На практике тепловые токи каждого перехода принято измерять, обрывая цепь второго перехода).

Из физической модели транзистора (рис. 2.5) следует:

                                                                   (2.6)

                                                                    (2.7)

где: an -  коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении транзистора (aN= 0,96-0,99); ai -  коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора (ai = 0,5-0,7); aNI1 - ток экстракции через коллекторный переход ( ток носителей, собираемых коллекторным переходом из базы, впрыснутых туда эмиттером); aiI2  - ток  экстракции через эмиттерный переход (ток носителей, собираемых эмиттерным переходом из базы, впрыснутых туда коллектором), этот ток значительно меньше тока " aNI1".

Подставляя значения токов I1 и I2 из (2.4) и (2.5) в (2.6) и (2.7), получаем уравнения, описывающие статические характеристики транзистора:

                                                (2.8)

                                             (2.9)

                 (2.10)

Уравнения (2.8), (2.9), (2.10) называются формулами Молла-Эберса; это и есть математическая модель транзистора, которая лежит в основе анализа его статических режимов.

Примечание. В справочной литературе по транзисторам очень часто статические входные и выходные характеристики даются в разных режимах, что затрудняет работу с ними. В этом случае, используя модель Молла-Эберса, можно перестроить характеристики для конкретного режима.

2.5. Статические ВАХ биполярного транзистора

Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора (рис. 2.6, а, б) зависит от схемы его включения (этот факт также хорошо отражает полученная общая математическая модель (2.8), (2.9), (2.10). Оба семейства ВАХ получаются довольно просто из математической модели Молла-Эберса. Поскольку транзистор работает в режиме заданных токов, семейство входных и выходных ВАХ можно представить выражениями:

                                         (2.11)

                                       (2.12)

На выходных ВАХ (рис. 2.6, б) видны два резко различных режима работы транзистора - активный (первый квадрант) и режим двойной инжекции (второй квадрант).

Рис. 2.6. Статические ВАХ n-p-n- транзистора в схеме с ОБ: а -  входные; б - выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Нормальный активный режим (при Uкб > 0): эмиттерный переход находится под прямым, а коллекторный - под обратным напряжением. Для активного режима формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при |Uк|>3j t исчезают экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током Iкб0 и величиной 1-a, то эти выражения вообще упрощаются:

                                                                (2.13)

                                                                   (2.14)

Режим двойной инжекции или насыщения (при Uкб < 0): эмиттерный и коллекторный переходы находятся под прямым напряжением. Для режима двойной инжекции характерен спад коллекторного тока при неизменном токе эмиттера. Это - результат встречной инжекции со стороны коллектора.

Семейство входных ВАХ представляет узкий пучок характеристик, что свидетельствует о слабом влиянии коллекторного напряжения на входное напряжение. Наклон выходных коллекторных характеристик также показывает слабую зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.

Тем не менее эта зависимость есть и объяснить ее можно с помощью эффекта Эрли.

Влияние эффекта Эрли на ход входных ВАХ заключается в следующем. Изменение коллекторного напряжения  приводит к изменению ширины базы. Поскольку ток эмиттера , а значит и градиент концентрации носителей заданы, изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации носителей, а это связано с изменением  напряжения на эмиттерном переходе.

Влияние эффекта Эрли на наклон выходных коллекторных характеристик объясняется влиянием коллекторного напряжения на ширину запрещенной зоны, а следовательно, и на сопротивление коллекторного перехода, и на коллекторный ток. Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода обусловлено эффектом Эрли, поэтому полное выражение для коллекторного тока с учетом эффекта Эрли будет

                                                             (2.15)

Наклон коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ
(рис. 2.7, б) выражен сильнее, нежели в схеме с ОБ. Это говорит о том, что сопротивление коллекторного перехода и напряжение пробоя у транзистора в схеме с ОЭ будут значительно меньше, чем в схеме с ОБ. Эту особенность можно объяснить тем, что приращение DUкэ  частично падает на эмиттерном переходе, то есть вызывает приращение DUбэ, что неизбежно повлечет за собой увеличение эмиттерного тока и дополнительное приращение коллекторного тока.

Рис. 2.7. Статические ВАХ n-p-n-транзистора в схеме с ОЭ: а - входные; б - выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Сопротивление коллекторного перехода в предпробойной области уменьшается в 1+b раз, наклон ВАХ быстро возрастает и пробой перехода наступает значительно раньше, чем в схеме с ОБ

где: rкп.оэ - сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rкп.об - сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОБ.

 Принципиальные отличия схем включения транзисторов с ОБ и с ОЭ.

       1. У транзистора в схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но усиле-

ние по напряжению в этой схеме лучше, чем в схеме с ОЭ.

       2. Схема на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является лучшим усилителем мощности, так как в ней происходит усиление и по току и по напряжению.

       3. У транзистора в схеме с ОБ хуже согласующие свойства, чем
в схеме с ОЭ.

4. Сопротивление коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в схеме с ОЭ в (1+b) раз., следовательно, напряжение пробоя коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в
схеме с ОЭ.

5. Температурные и частотные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ.

6. У транзистора в схеме с ОБ слабее, чем в схеме с ОЭ, выражен эффект Эрли (влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток и на входное напряжение более заметно в схеме с ОЭ.

2.6. Статические параметры транзистора по переменному току

Все параметры транзистора по переменной оставляющей тока можно выделить в две группы.

1-я  группа - первичные (rэ, rб, rк, a); нельзя путать первичные параметры по переменной составляющей тока (rэ, rб, rк) с параметрами по постоянной составляющей тока (rэо, rбо, rко), так как первые из них учитывают еще и нелинейные свойства транзистора. Определить их можно из Т-образных схем замещения транзистора по переменному току.

2-я группа - вторичные (формальные).

Во вторую группу входят четыре системы параметров:

1) система h-параметров (смешанные или гибридные параметры);

2) система Y(q)-параметров (параметры проводимости);

3) система Z (r)-параметров (параметры сопротивлений);

4) система S (s)-параметров (параметры СВЧ-диапазона).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9