Как найти выходное сопротивление транзистора

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

1. Книги / руководства / серии статей
2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.

Предисловие

Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие «блок». Например, источник питания, собранный по этой схеме:

состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.

В красном блоке мы получаем постоянное напряжение, а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:

Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.

Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

— Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?

Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника Микроконтроллеры  и конструкторы, типа Arduino, добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое резистор. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления?  А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева — это вход блока, справа — выход.

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U_вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение U_вых (или не появится, если блок является конечным).

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U_вх), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока I_вх.

Теперь самое интересное… От чего зависит I_вх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти?  А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.

Как измерить входное сопротивление

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1)Замерить напряжение U_вх, подаваемое на этот блок

2)Замерить силу тока I_вх, которую потребляет наш блок

3) По закону Ома найти входное сопротивление R_вх.

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Мы  с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как U_R

Из всего этого получаем…

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R_вх=1 МегаОм, а резистор взяли  R=1 КилоОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

В результате получается цепь:

 Высчитываем силу тока в цепи в Амперах

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:

Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также  очень большого номинала.  В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Измерение входного сопротивления на практике

Ну все, запарка прошла ;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:

А на деле вот так:

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Получаем:

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление». Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

И как только  подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Разница напряжения,  то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС (Е).

Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был)  говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (E_{эквивалентное}) и с каким-то внутренним сопротивлением (R_{эквивалентное}).

E_экв  — эквивалентный источник ЭДС

R_экв  — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить R_вых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания I_кз.

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически  — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Измерение выходного сопротивления на практике

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U_R=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило U_r=E-U_R=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

Заключение

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль. В этом мы убедимся, когда начнем рассматривать статью по согласованию узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.

Кафедра
радиоэлектроники

Практикум по
полупроводниковой

электронике

Работа №5

СОСТАВНОЙ
ТРАНЗИСТОР

СОСТАВНОЙ
ТРАНЗИСТОР

Цель работы:
Исследование
основных параметров составного
транзистора, включенного по схеме с
общим эмиттером, определение коэффициента
передачи тока, входного и выходного
сопротивления и предельной частоты
усиления.

Рис.1 Схема составного
транзистора (а) и включенного по схеме
с общим эмиттером (б)

В полупроводниковой
электронике для повышения коэффициента
передачи и входного сопротивления
усилителей часто применяют определенную
комбинацию, состоящую из двух или
большего числа транзисторов (Рис. 1а) и
называемую составным транзистором.
Такой комплекс можно рассматривать как
отдельный транзистор, поскольку
характеристики составного и одиночного
транзистора качественно одинаковы.
Количественные параметры определяются
параметрами одиночных транзисторов.

Коэффициент передачи тока.

Составной транзистор
чаще всего применяют, чтобы получить
наибольший коэффициент передачи тока
в схеме с общим эмиттером. Покажем, что
составной транзистор имеет коэффициент
передачи тока больший, чем каждый из
одиночных транзисторов. Токи коллектора,
эмиттера и базы составного транзистора
(Рис.1б) обозначим, соответственно
I_К,I_Э,I_Б.
Ток коллектора I_К
выразим через ток базы I_Б:

I_K=I_K1
+ I_К2=₁I_Б1+₂I_Э1=₁I_Б1+(₁+1)₂I_Б1=(₁+₁₂+₂)I_Б
(1)

Коэффициент
передачи тока транзистора по определению:

_=I_K/I_Б=₁₂+₁+₂
(2)

Поскольку величина

всегда больше единицы, коэффициент_
можно считать равным произведению
коэффициентов передачи тока отдельных
транзисторов:

_=₁₂

(3)

Формула (3) показывает,
что при использовании транзисторов с
малым коэффициентом передачи тока
усиление составного транзистора будет
весьма большим. Однако следует иметь в
виду, что оба они однотипны, но работают
не в одинаковых условиях. Если оба они
однотипны и ток коллектора I_K2
равен номинальной величине, то первый
транзистор будет работать при токе
коллектора приблизительно в ₁
раз меньше номинального. Как известно,
коэффициент передачи тока 
мал при малых токах коллектора и составной
транзистор может не дать ожидаемого
коэффициента _.
Поэтому применение составного транзистора
наиболее эффективно в случае, если
транзистор Т₂
более сильноточный, чем транзисторТ₁.
В работе составной транзистор применятся
в схеме стабилизатора напряжения, что
позволяет снизить выходное сопротивление
схемы и повысить коэффициент стабилизации.

Входное сопротивление.

Найдем входное
сопротивление транзистора, полагая,
что на выходе осуществляется короткое
замыкание по переменному току. При этом
не будем учитывать внутреннюю обратную
связь в транзисторах. Эквивалентная
схема транзистора для такого случая
показана на рис.2.

Рис.2. Эквивалентная
схема составного транзистора при
коротком замыкании на выходе.

Составим уравнение
для входного контура этой схемы:

U_вх=I_Б1r_Б1+I_Э1r_Э1+I_Б2r_Б2+I_Э2r_Э2=I_Б1r_Б2+r_Э1(₁+1)+I_Б2r_Б2+r_Э2(₂+1)
(4)

Заметим, что
выражения в квадратных скобках есть
входные сопротивления транзисторов:

r_вх1=r_Б1+r_Э1(₁+1);
r_вх2=r_Б2+r_Э2(₂+1)
(5)

Если учесть, что
ток I_Б2
=I_Э1
=I_Б1
(₁+1),
уравнение (4) примет вид:

U_вх=I_Б1
r_вх1
+ r_вх2
(₁+1)
(6)

Входное сопротивление составного транзистора

r_вх
=U_вх
/I_Б1
= r_вх1
+ r_вх2
(₁
+1) (7)

Уравнение (7)
показывает, что входное сопротивление
составного транзистора больше входных
сопротивлений отдельных транзисторов.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление
транзистора, r_вых
зависит от величины сопротивления
генератора, включенного на входе. Найдем
выходное сопротивление при холостом
ходе на входе (сопротивление генератора
много больше входного сопротивления
транзистора).Эквивалентная схема
составного транзистора приведена на
рис.3.

Рис.3. Эквивалентная
схема составного транзистора при
холостом ходе на входе.

Источник тока в
схеме отсутствует, так как входной ток
I_Б1
=0. При вычислениях для простоты будем
пренебрегать сопротивлением эмиттера

Ток коллектора,
как видно из рис.3 ,

I_K
=I_Б2
+₂I_Б2
+ U_K
/ r_K2
= I_Б2
(₂
+1) = U_K
/ r*_K2
, (8)

где r*_K2
=r_K(1-).

Ток базы транзистора
Т₂

I_Б2
= U_K
/ r*_K1
+ r_Э1
+ r_Б2
= U_K
/ r*_K1
(9)

Связь напряжения
и тока на выходе найдем из уравнений
(8,9)

I_K
= U_K
(₂+1)
/ r*_K1
+ 1 / r*_K2
(10)

Выходное сопротивление
составного транзистора в разомкнутом
виде

r_вых
= U_K
/ I_K
= r*_K2
r*_K1
/ (₂+1)
(11)

Если считать, что
выходные сопротивления составляющих
транзисторов равны

r_вых1
= r*_K1
и r_вых2
= r*_K2
,

то выходное
сопротивление составного транзистора
будет определяться соотношением

r_вых
= r_вых2
r
_вых1
/ (₂+1)
(11)

Таким образом,
выходное сопротивление составного
транзистора меньше выходных сопротивлений
отдельно взятых транзисторов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Две крайние области полупроводникового кристалла однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости, как показано на рис. 4.13. Поскольку ток в полупроводниковых транзисторах обусловлен двумя типами носителей зарядов, то транзисторы называются биполярными. Биполярные транзисторы бывают типа и типа.

Рис.4.13. Структура и обозначение биполярных транзисторов

Средняя область транзистора называется базой. Левая на рисунке область транзистора называется эмиттер, правая — коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом. Переход коллектор-база называется коллекторным переходом. Назначение эмиттера – инжекция подвижных носителей заряда, а коллектора – их экстракция.

На каждый переход можно подать как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

Режим отсечки. В этом режиме на оба перехода подано обратное напряжение.

Режим насыщения. В этом режиме на оба перехода подано прямое напряжение.

Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное напряжение.

Инверсный активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое напряжение.

Режим отсечки и насыщения характерен для транзисторов, работающих в ключевом режиме. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и ток через транзистор отсутствует. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и через транзистор проходит максимальный прямой ток. В режимах отсечки и насыщения работают транзисторы схем цифровой электроники.

Инверсный активный режим используется достаточно редко.

В активном режиме к эмиттерному переходу источник питания подключается в прямом направлении, а к коллекторному — в обратном, как показано на рис. 4.14. В активном режиме работают транзисторы усилителей электрических сигналов.

Рис. 4.14.Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника — источник — эмиттер — база- коллектор — минус источника . Ток базы Течет по цепи: плюс источника — эмиттер – база – минус источника . Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

. (4.25)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

, (4.26)

Величина которого для современных транзисторов составляет примерно .

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

. (4.27)

Связь между и дает следующее выражение:

. (4.28)

Поскольку , то .

В транзисторе к составляющей коллекторного тока, обусловленной потоком инжектируемых эмиттером дырок, прибавляется составляющая обратного (теплового) тока коллекторного перехода .

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

На основе биполярных транзисторов создают усилители электрических сигналов. Сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, намного больше сопротивления эмиттерного перехода. Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо согласовать сопротивление коллекторной нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Для этого сопротивление в цепи коллектора должно быть достаточно большим (в реальных схемах усилителей единицы килоом). При этом напряжение источника коллекторной батареи должно составлять единицы-десятки вольт. Если в цепь эмиттерного перехода включить источник переменного управляющего напряжения (источник сигнала), то через транзистор наряду с постоянными токами начнут протекать переменные составляющие токов базы ~, эмиттера ~ и коллектора ~, изменяющиеся по закону изменения управляющего напряжения. При этом мощность во входной цепи, затрачиваемая на управление эмиттерным переходом, будет равна:

~*~. (4.29)

Мощность переменного тока на выходе в коллекторной цепи будет равна:

~*~. (4.30)

Переменное напряжение на выходе в коллекторной цепи будет составлять при этом единицы вольт. А для эффективного управления эмиттерным переходом достаточны уровни управляющего напряжения равные нескольким значениям температурного потенциала . Кроме того, переменный ток коллектора в раз больше переменного тока базы. Таким образом, мощность переменного сигнала на выходе в коллекторной цепи значительно (в сотни — тысячи раз) превосходит мощность управляющего источника сигнала в цепи эмиттер-база. Усиление управляющего сигнала сводится к преобразованию постоянного тока источника коллекторной батареи в переменный ток, изменяющийся по закону напряжения, управляющего эмиттерным переходом.

4.5.1. Статические характеристики биполярных транзисторов.

При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки напряжение на коллекторном переходе меняется с изменением коллекторного тока за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки. В этом случае ток коллектора становится функцией двух одновременно меняющихся факторов. Ток коллектора зависит от напряжения на коллекторе и от тока базы:

(4.31)

В свою очередь ток базы зависит от потенциала базы относительно эмиттера и от напряжения на коллекторе:

(4.32)

Зависимость токов транзистора от двух меняющихся факторов значительно затрудняет анализ. Поэтому вначале рассмотрим работу транзистора в статическом режиме, то есть при отсутствии сопротивления нагрузки в цепи коллектора. В этом случае напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах будут постоянными при изменении токов в транзисторе. При этом свойства транзистора можно характеризовать графическими зависимостями токов, называемых статическими характеристиками.

В зависимости от того, какой из электродов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения биполярного транзистора, показанные на рис.4.15: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК).

а б в

Рис. 4.15. Схемы включения биполярного транзистора:

А — с общим эмиттером; Б – С общей базой; В – с общим коллектором.

В транзисторах между собой связаны четыре величины: входные и выходные токи и входные и выходные напряжения. При этом для каждой схемы включения транзистора можно представить два семейства статических вольтамперных характеристик – входные и выходные. Входные статические характеристики представляют собой зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:

при . (4.33)

Выходные статические характеристики — это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном напряжении:

при (4.34)

Для каждой их трех схем включения существуют свои семейства характеристик. Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольтамперной характеристикой диода. Действительно, входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, работающему при прямом напряжении смещения на переходе. Поэтому они аналогичны характеристикам, представляющим зависимость прямого тока диода от напряжения. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении смещения.

Для снятия статических характеристик в любой схеме включения транзистора необходимо иметь регулируемые источники постоянного напряжения для изменения напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах, два вольтметра и два миллиамперметра для измерения изменений входного и выходного напряжений и токов.

Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой представляют собой зависимости тока эмиттера от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

при . (4.35)

На рис. 4.16 представлены три входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, при разных напряжениях на коллекторе относительно базы.

Характеристика при 0В представляет собой обычную характеристику перехода, включенного в прямом направлении.

Рис. 4.16. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

С увеличением отрицательных напряжений на коллекторном переходе увеличивается ширина запорного слоя, а толщина базы становится меньше, что ускоряет прохождение дырок эмиттера через базу в область коллектора, поэтому ток эмиттера несколько увеличивается и характеристики располагаются левее. Это так называемый эффект модуляции толщины базы. По входным характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора как отношение приращения напряжения к приращению тока, взяв две точки на одной из характеристик:

при . (4.36)

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ мало и составляет единицы-десятки Ом, потому что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и малые изменения напряжения на нем вызывают большие изменения тока эмиттера.

Выходные статические характеристики транзистора (рис.4.17), включенного по схеме с общей базой, представляют собой зависимости

при . (4.37)

Рис. 4.17. Выходные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

Характеристика, снятая при 0, представляет собой характеристику перехода, включенного в обратном направлении. Ток коллектора при этом вызван неосновными носителями. Выходные характеристики имеют очень малый наклон и почти параллельны горизонтальной оси. Это объясняется тем, что дырки эмиттера достигают коллектора за счет диффузии и ускоряющее поле коллектора мало влияет на величину коллекторного тока. Уже при напряжениях, близких к нулю, ток коллектора достигает величины насыщения и затем мало меняется. Выходное сопротивление транзистора можно найти по выходным характеристикам:

при (4.38)

Выходное сопротивление в схеме с общей базой велико и может составлять сотни килом — единицы мегом.

Коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой можно рассчитать по выходным статическим характеристикам:

при . (4.39)

Поскольку , схема с общей базой не усиливает по току.

Статические входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости

при . (4.40)

Входные статические характеристики транзистора представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Из характеристик видно, что с увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе увеличивается ток базы, поскольку с увеличением прямого напряжения увеличивается количество дырок, переходящих из эмиттера в базу, и увеличивается вероятность рекомбинации.

Изменение напряжения на коллекторе относительно эмиттера также влияет на величину тока базы. С увеличением отрицательного напряжения на коллекторе ток базы уменьшается. Это вызвано эффектом модуляции толщины базы. При этом характеристики смещаются немного вправо.

По входным статическим характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора:

при . (4.41)

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером мало и составляет сотни ом – единицы килоом.

Выходные статические характеристики транзистора в схеме ОЭ представляют собой зависимости

при . (4.42)

Семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 4.19. При токе базы равном нулю через транзистор протекает обратный ток неосновных носителей. С увеличением тока базы пропорционально увеличивается ток коллектора.

Рис. 4.19. Выходные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме с ОЭ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база, равно , так как между точками коллектор-база эти напряжения включены навстречу друг другу. Поэтому при коллекторный переход смещается в прямом направлении и через транзистор протекает большой прямой ток. Это соответствует режиму насыщения транзистора, так как при этом оба перехода смещены в прямом направлении. На участке крутизна характеристик становится небольшой и выходное сопротивление увеличивается. Этот участок характеристик соответствует активному режиму работы транзистора. По выходным характеристикам выходное сопротивление транзистора равно:

при . (4.43)

Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ составляет единицы-десятки килоом.

По выходным статическим характеристикам можно рассчитать коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ :

при . (4.44)

Схема с ОЭ отличается большим усилением по току, то есть небольшие приращения тока базы на входе вызывают большие приращения тока коллектора на выходе. Вместе с тем, схема с ОЭ обладает усилением по напряжению, так как благодаря большому выходному сопротивлению в цепь коллектора можно включать достаточно большое сопротивление, падение напряжения на котором будет значительно больше напряжения, поданного на вход.

Схема с общим коллектором имеет много общего со схемой с ОЭ. В этих схемах управляющим током является ток базы, а выходные токи И Различаются мало. Поэтому семейство выходных характеристик схемы с ОК такое же, как семейство выходных характеристик схемы с ОЭ, если в них заменить ток коллектора током эмиттера.

Входное семейство характеристик схемы с ОК по сравнению с семейством характеристик схемы с ОЭ будет сдвинуто вправо на величину напряжения на коллекторном переходе.

4.5.2. Параметры и свойства биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы управляются током при изменении напряжения на эмиттерном переходе. Поэтому они отличаются не очень большой величиной входного сопротивления. В схеме с ОБ величина входного сопротивления составляет единицы-десятки Ом, в схеме с ОЭ – сотни Ом — единицы килоом. Малое входное сопротивление нагружает источники сигналов.

Важными параметрами транзисторов, которые обязательно приводят в паспортных данных, являются максимальное напряжение на коллекторе и допустимая мощность рассеяния. Так как токи коллекторного и эмиттерного переходов примерно одинаковы, то выделяемая на переходе мощность определяется падением напряжения на переходе. Максимальная мощность будет выделяться на коллекторном переходе. Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, ограничена допустимой температурой переходов, так как при протекании тока в транзисторе выделяется тепло. Максимальная допустимая температура коллекторного перехода для германиевых транзисторов , а для кремниевых транзисторов — . Для отвода тепла корпус мощных транзисторов крепят на специальных металлических радиаторах с большой поверхностью охлаждения. Радиаторы изготавливают из металлов с большой теплопроводностью — алюминий, медь. В качестве радиатора часто используют шасси прибора. Следует иметь в виду, что в мощных транзисторах для улучшения теплоотвода коллектор имеет тепловой контакт с корпусом транзистора. В этом случае корпус транзистора необходимо отделить от шасси или радиатора изолирующей прокладкой.

Максимально допустимое напряжение на коллекторе – это предельное значение напряжения на коллекторном переходе, при превышении которого происходит пробой перехода и транзистор выходит из строя. Рабочее напряжение на коллекторе должно быть равно или меньше максимально допустимого значения.

Биполярные транзисторы разных типов различаются по своим частотным свойствам. Частотные свойства биполярных транзисторов зависят от нескольких факторов. На высоких частотах время перехода носителей тока через область базы становится соизмеримым с периодом высокочастотного электрического сигнала. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи эмиттерного тока и заметному сдвигу по фазе между токами эмиттера и коллектора.

Другой причиной, ограничивающей частотные возможности транзисторов, являются паразитные емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Величина этих емкостей небольшая – единицы – десятки пикофарад. Емкость эмиттерного перехода в схеме усилителя подключена параллельно источнику входного сигнала, а емкость коллекторного перехода – параллельно нагрузке. С изменением частоты изменяется емкостное сопротивление. Емкость коллекторного перехода шунтирует сопротивление нагрузки, уменьшая сопротивление нагрузки и, следовательно, уменьшая усиление каскада.

Частотные свойства транзисторов зависят также и от подвижности носителей тока. Подвижность – это скорость, приобретаемая носителем тока в электрическом поле с напряженностью 1В/см. Подвижность электронов в два раза выше подвижности дырок, поэтому транзисторы типа имеют примерно в два раза более высокую граничную частоту по сравнению с транзисторами типа с такой же толщиной базы. В кремниевых транзисторах подвижность носителей тока меньше, чем в германиевых.

Для оценки частотных свойств транзисторов вводится такой параметр, как граничная частота коэффициента усиления тока в схеме с ОЭ. Это такая частота, на которой модуль коэффициента усиления по току становится равным 1. Граничные частоты современных биполярных транзисторов составляют единицы гигагерц.

Характеристики транзистора подвержены влиянию температуры. При увеличении температуры электронам валентной зоны полупроводника сообщается дополнительная энергия и увеличивается количество электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого увеличивается количество как основных, так и неосновных носителей тока. Кроме того, с увеличением температуры увеличивается подвижность носителей тока. Особенно сильно влияет повышение температуры на обратный ток коллекторного перехода. Температурная зависимость этого тока выражается формулой:

, (4.45)

Где :И — обратный ток при температуре и ;

– температурный коэффициент, величина которого для разных транзисторов принимает значения от 0,06 до 0,1.

Если принять 0,1, то из последнего выражения следует, что обратный ток увеличится в 2,7 раза при изменении температуры на .

При одной и той же температуре ток кремниевых транзисторов значительно меньше, чем у германиевых, так как запрещенная зона кремния шире, чем у германия и для ее преодоления требуется больше энергии. С ростом температуры увеличиваются токи эмиттера, базы и коллектора, поэтому входные и выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ смещаются вверх.

4.5.3. Схемы задания режима работы транзистора по постоянному току.

Транзистор в схеме усилителя напряжения должен работать в активном режиме. Для обеспечения активного режима необходимо подать определенные постоянные напряжения для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и коллекторного перехода – в обратном направлении. При этом через транзистор начинают протекать постоянные составляющие токов базы, эмиттера и коллектора. При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала к постоянным составляющим токов добавляются переменные составляющие, повторяющие форму входного сигнала. Чтобы выделить на выходе усиленный сигнал, в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки. Небольшие изменения напряжения сигнала на входе вызывают приращения токов базы, эмиттера и коллектора и значительные изменения переменного напряжения на выходе каскада. В схеме с ОЭ коллекторный ток получит приращение . Поскольку 1, то переменная составляющая приращения тока коллектора намного больше переменной составляющей приращения тока базы. Так как величина сопротивления коллекторной нагрузки составляет единицы килом, то на сопротивлении нагрузки выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход. При этом форма усиленного сигнала в коллекторной цепи должна совпадать с формой сигнала на входе. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость между выходным и входным напряжениями сигнала. Линейную зависимость между ними можно обеспечить выбором уровня постоянного напряжения на эмиттерном переходе. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на эмиттерном и коллекторном переходах при отсутствии сигнала, называется рабочей точкой. Постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный переход для выбора рабочей точки, называется напряжением смещения. Чтобы обеспечить совпадение формы выходного напряжения с формой входного сигнала, рабочую точку необходимо выбирать на середине линейного участка входной характеристики.

Для подачи смещения на эмиттерный переход не нужен отдельный источник напряжения – наиболее экономично использовать для этого источник напряжения коллекторной цепи. Различают два способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением.

Рассмотрим простейший усилительный каскад на транзисторе P—N—P типа в активном режиме в схеме с общим эмиттером, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Схема задания напряжения смещения фиксированным током

В активном режиме на эмиттерный переход надо подать прямое напряжение смещения, а на коллекторный – обратное. Если принять потенциал базы за нулевой, то для создания активного режима необходимо подать положительное напряжение на эмиттер, и отрицательное — на коллектор. Такой режим может обеспечить схема с фиксированным током базы. Через резистор База подсоединена к отрицательному полюсу коллекторной батареи. При отсутствии напряжения сигнала по цепи земля — эмиттерный переход — сопротивление — минус протекает постоянный ток базы . Величина этого тока выбирается в зависимости от необходимого положения рабочей точки. Рабочая точка на входной характеристике задается соответствующим выбором постоянных напряжений смещения на базе относительно эмиттера и напряжения . Напряжение смещения на базе равно:

. (4.46)

По входной статической характеристике можно выбрать положение рабочей точки на линейном участке и соответствующие рабочей точке напряжения и . При этом можно определить величину резистора в цепи базы:

. (4.47)

Недостатком такого способа задания смещения является нестабильность режима работы при изменении температуры и смене транзисторов.

Смещение на эмиттерный переход можно задать также фиксированным напряжением. Схема задания смещения фиксированным напряжением представлена на рис. 4.21. В этой схеме напряжение смещения на эмиттерный переход задается делителем напряжения +Из резисторов , В цепи базы.

Рис. 4.21. Схема задания смещения фиксированным напряжением.

Для устранения влияния тока базы на напряжение смещения необходимо выбрать резисторы делителя так, чтобы ток делителя был в несколько раз больше тока базы при максимальном сигнале. Это условие ограничивает величину резисторов, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы. Величина напряжения смещения на базе относительно эмиттера при этом определяется следующим выражением:

. (4.49)

Существенным недостатком рассмотренных схем задания напряжения смещения является нестабильность положения рабочей точки при изменении температуры. С увеличением температуры концентрация основных и неосновных носителей тока увеличивается, так как большее число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Эти процессы приводят к тому, что с увеличением температуры изменяется положение и крутизна выходных статических характеристик. Для уменьшения влияния температурных изменений применяют специальные методы температурной стабилизации. Так как с увеличением температуры ток коллектора увеличивается, то в схемах температурной стабилизации воздействуют на цепи смещения так, чтобы с увеличением температуры ток коллектора автоматически уменьшался. Один из методов температурной стабилизации рабочей точки реализован в схеме, представленной на рис. 3.22.

Рис. 4.22. Схема с температурной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме температурная стабилизация рабочей точки осуществляется за счет падения напряжения на резисторе . Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, равное . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, равно алгебраической сумме напряжений на резисторах и :

. (4.49)

Напряжение, снимаемое с резистора , подается на эмиттерный переход в прямом направлении. Напряжение с резистора Подается на эмиттерный переход в обратном направлении.

При отсутствии входного переменного сигнала в схеме устанавливаются определенные постоянные напряжения на базе, эмиттере и коллекторе и протекают постоянные токи , и . Повышение температуры вызывает увеличение тока эмиттера на величину , тока коллектора на величину и тока базы на величину . Приращения токов вызовут соответствующие изменения напряжений на базе, эмиттере и коллекторе транзистора. Поскольку ток базы получает очень малое приращение по сравнению с приращением тока эмиттера, то изменение тока базы мало скажется на величине напряжения на базе. В то же время изменение тока эмиттера приведет к увеличению падения напряжения на резисторе . Поскольку это напряжение к эмиттерному переходу приложено в обратном направлении, то его увеличение вызовет уменьшение напряжения смещения и уменьшение эмиттерного тока, что вернет рабочую точку в исходное положение. Чтобы не ухудшать усилительные свойства каскада

Для переменного сигнала резистор зашунтировали конденсатором , величина которого выбирается из условия:

, (4.50)

Где — самая низкая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Цепочка — называется цепочкой температурной стабилизации. Стабилизирующее действие этой цепочки увеличивается с увеличением и уменьшением резисторов и В цепи базы. Эта схема является наиболее эффективной стабилизирующей схемой.

4.5.4. Работа транзистора в режиме малого сигнала

Схема с общим эмиттером.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим отдельно каждую из трех схем включения транзистора, когда к входу подключен генератор гармонического сигнала. Схема с общим эмиттером на транзисторе типа представлена на рис. 4.23. Напряжение на коллекторе каскада по постоянному току равно:

. (4.51)

При подключении к входу каскада генератора сигналов к постоянным составляющим токов добавляются соответствующие переменные составляющие токов.

Рис. 4.23. Схема с ОЭ в динамическом режиме

Направление переменных составляющих токов по отношению к направлению постоянных составляющих будет зависеть от полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного сигнала эмиттерный и коллекторный токи увеличиваются, так как входной сигнал смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом они будут совпадать по направлению с постоянными составляющими токов. При отрицательной полярности входного сигнала переменные составляющие токов будут противоположны направлению постоянных составляющих и токи транзистора будут уменьшаться. С учетом этого переменное напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе по отношению к входному сигналу. Таким образом, схема с ОЭ поворачивает фазу входного сигнала на 180.

Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току и по напряжению. Коэффициент усиления тока базы для разных транзисторов составляет десятки-сотни раз. Такого же порядка и коэффициент усиления переменного напряжения сигнала. Коэффициент усиления входного сигнала по мощности может составлять десятки тысяч раз.

В динамическом режиме изменение переменного напряжения на эмиттерном переходе вызывает соответствующее изменение переменного напряжения на коллекторном переходе. Для снятия динамической характеристики в цепь коллектора включается соответствующее сопротивление нагрузки. Из уравнения (3.49) найдем зависимость :

. (4.52)

Это уравнение прямой с угловым коэффициентом

Выходную динамическую характеристику строят на семействе выходных статических характеристик, исходя из заданных значений и , как показано на рис.4.24.

Рис. 4.24. Динамическая характеристика каскада по схеме с ОЭ

По оси напряжений откладывают отрезок, равный , а по оси токов — отрезок, равный , и через эти точки проводят прямую, которая представляет динамическую характеристику каскада. Динамическая характеристика называется нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в процессе изменения уровня входного сигнала.

Схема с общей базой.

На рис. 4.25 представлена схема с общей базой.

Рис. 4.25. Каскад по схеме с общей базой

В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки . Смещение на эмиттерный переход подается фиксированным напряжением от источника коллекторной батареи с помощью резисторного делителя , . Конденсатор обеспечивает нулевой потенциал базы по переменному току. Величина конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление удовлетворяло условию:

, (4.53)

Где — самая низкая частота в спектре усиливаемых сигналов.

Если к входу каскада подключить генератор гармонического сигнал, то при положительной полуволне сигнала ток через транзистор будет увеличиваться, так как эмиттерный переход смещается при этом в прямом направлении, а при отрицательной полуволне – уменьшаться, так как переменная составляющая тока будет противоположна по направлению постоянной составляющей тока. Напряжение на коллекторной нагрузке в схеме с ОБ будет совпадать по фазе с напряжением входного сигнала.

Коэффициент усиления по току схемы с ОБ меньше 1, так как входным током является ток эмиттера, а выходным током – ток коллектора. Коэффициент усиления по напряжению может составлять сотни — тысячи раз.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рис. 4.26. К входу подключен генератор гармонического сигнала. Сопротивление нагрузки в этой схеме включено в цепь эмиттера. Потенциал коллектора по переменной составляющей равен нулю.

Рис. 4.26. Схема с общим коллектором

Выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки , оказывается подключенным к эмиттерному переходу последовательно с напряжением сигнала, поданным на вход. При положительной полуволне сигнала на входе (плюс на базе, а минус на эмиттере), выходное напряжение приложено так, что плюс его на эмиттере, а минус — на базе. Это значит, что напряжение сигнала на входе и выходное напряжение включены навстречу друг другу и результирующее напряжение равно разности этих напряжений. Чтобы подать необходимое напряжение сигнала на эмиттерный переход, необходимо скомпенсировать выходное напряжение. Поэтому входное напряжение должно быть больше выходного напряжения. Напряжение на входе схемы с ОК равно:

. (4.54)

Так как , то коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по току в этой схеме равен:

(4.55)

Схема с ОК дает незначительное увеличение коэффициента усиления по току по сравнению со схемой с ОЭ. Коэффициент усиления по мощности немного меньше коэффициента усиления по току.

Выясним фазовые соотношения между входным и выходным сигналом. Положительная полуволна сигнала на входе вызывает увеличение тока через транзистор и увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, а отрицательная полуволна – уменьшение тока и уменьшение напряжения на выходе. В этой схеме потенциал эмиттера с небольшой разницей отслеживает потенциал базы. Схема с ОК не инвертирует фазу входного сигнала. Схему с ОК называют еще эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе повторяет входное напряжение по величине и по фазе.

Особенностью схемы с ОК является большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Входное напряжение больше выходного напряжения, а входной ток значительно меньше выходного тока. Поэтому:

(4.56)

Величина Может составлять сотни ом единицы килоом, поэтому входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки – сотни килоом.

Выходное напряжение приложено к эмиттерному переходу и небольшое изменение выходного напряжения вызывает большие изменения тока эмиттера. Поэтому Может составлять десятки- сотни Ом. Большое значение входного сопротивления и малое значение выходного сопротивления обусловлены в схеме с ОК тем, что часть энергии выходного сигнала в виде переменного напряжения с выхода схемы поступает обратно на вход схемы в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе. Выходное напряжение последовательно включено по отношению к напряжению на входе. Это соответствует наличию в этой схеме 100% последовательной отрицательной обратной связи по напряжению. Как будет показано дальше, отрицательная последовательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление каскада.

Большое значение И малое значение Позволяют использовать схему с ОК в качестве согласующего звена между одним каскадом с высоким выходным сопротивлением и другим каскадом с малым входным сопротивлением.

От редакции РЛ

Издательство Наука и Техника предложило для ознакомления несколько глав из только что вышедшей книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Сегодня Радиолоцман предлагает вниманию читателей первую главу.

Аннотация издательства Наука и Техника

Книга является путеводителем для радиолюбителя и начинающего разработчика в мир создания электронных схем на полупроводниковых элементах. Глубина рассмотрения сочетается с предельной доступностью, использованием наиболее простых и «прозрачных» методов синтеза схем и их анализа. Выдержан принцип пошагового рассмотрения – от простого к сложному. Радиолюбителям эта уникальная книга поможет перейти от слепого копирования схем к созданию собственных конструкций. Создаются и сравниваются аналогичные конструкции на различной элементной базе. Содержится интересный разбор частых заблуждений и ошибок, много полезного материала из практики разработчиков электронных схем. Книга предназначена для радиолюбителей и начинающих разработчиков. В ряде случаев книга будет полезна профессиональным разработчикам и студентам радиотехнических специальностей: изложение ведется на достаточно серьезном уровне.

1.1 Транзисторы и их модели

Характеристики транзисторов

Начало промышленного выпуска плоскостных полупроводниковых триодов приходится на середину 50-х годов прошлого века. Тогдашним радиоинженерам, привыкшим работать с электронными лампами, новый усилительный прибор казался как бы «ухудшенной радиолампой».

Дело в том, что и принципы построения схемных конфигураций, и методы расчетов – по инерции оставались пронизанными «ламповым подходом», предполагавшим относительно надежное знание характеристик активного прибора. Вы и сами наверняка встречали в литературе методики расчетов транзисторных каскадов, связанные с отысканием рабочих точек на кривых, построением к ним касательных, и прочим подобным… В этой книге ничего такого не будет.

Плохо то, что кривые оказываются недостоверными, характеристики – нестабильными, в итоге весь расчет – блефом.

Если вы в них всмотритесь, то убедитесь, что все они похожи как две капли воды. Вполне достаточно иметь представление о типичной характеристике биполярного транзистора. Ей-то мы сейчас и займемся. Не забывая, что характеристику нельзя рассматривать как «точную».

Секрет состоит в непревзойденных свойствах обычного (так называемого биполярного) транзистора. А именно: характерные его сопротивления оказываются либо значительно меньше, либо значительно больше типичных величин пассивных сопротивлений схемы.

Это дает возможность использовать очень простые, но достаточно адекватные модели активных приборов. Эффективность применения таких моделей связана с особым подходом к расчету, когда анализ схемы проводят не со входа, а с выхода, ориентируясь на «конечный результат».

Совершенно верно. Точно так же, как в вашем примере, использование таких моделей предполагает построение схемных конфигураций, основные параметры которых мало зависят от характеристик активных элементов.

Этому же способствует отказ от привычки «экономить» транзисторы (как когда-то лампы).

Верно. Ну а количество активных элементов на кристалле интегральной схемы, как вы понимаете, вообще не имеет существенного значения.

Биполярный транзистор

Перед нами важнейшие характеристики типичного маломощного кремниевого транзистора: характеристика прямой передачи (рис. 1.1) и семейство выходных характеристик – при заданном токе эмиттера (рис. 1.2) и при заданном напряжении база-эмиттер (рис. 1.3). Отметим главное.

Рис. 1.3.	При UКЭ, близком к нулю, усилительные свойства теряются

При тех значениях тока коллектора I_К, которые являются допустимыми для конкретного прибора, напряжение между базой и эмиттером транзистора (а оно-то и служит управляющим) почти всегда должно находиться в пределах 0..6…0.7 В.

Крутизна прямой передачи биполярного транзистора S = ΔI_К / ΔU_БЭ очень велика (десятки и сотни мА/В), это хорошо видно по рис. 1.1. 

Выходное сопротивление транзистора (см. рис 1.2) при заданном эмиттерном токе – ΔU_КБ / ΔI_К  очень велико – не менее 1 МОм.

Усилительные свойства транзистора сохраняются при снижении напряжения между коллектором и базой I_КБ до нуля (и даже чуть ниже – см. рис. 1.2).

Токи коллектора и эмиттера практически равны между собой. Точнее, они различаются на малую величину тока базы:

причем отношение I_К / I_Б представляет собой известный параметр транзистора – коэффициент передачи тока, обозначаемый h_21Э (можно также встретить и вариант обозначения β).

Крутизна прямой передачи

С достаточной степенью точности крутизна биполярного транзистора определяется током коллектора:

(I_К в миллиамперах, S – в миллиамперах на вольт). Фигурирующий здесь коэффициент 40 – это величина, обратная так называемому термическому потенциалу φ_Т, пропорциональному абсолютной температуре. И она потребует поправок, если температура кристалла отличается от «нормальной», при которой φ_Т = 25 мВ.

Вообще-то (1.2) является дифференциальным уравнением, из которого следует, что характеристика прямой передачи (зависимость I_К от U_БЭ) является экспоненциальной функцией. И это действительно верно для не слишком больших токов.

При токах I_К, близких к предельно допустимым для транзисторов данного типа, формула (1.2) дает завышенные значения. Причина – дополнительное падение напряжения от базового тока на омическом сопротивлении базы.

«Линейный участок» или иллюзия?

Не правда ли, кривые, наподобие изображенной на рис. 1.1, дают видимость наличия ясно выраженных участков: с большей кривизной (левее) и почти линей-ного (справа)?

Вот отсюда – ошибочные советы по «правильному выбору рабочей точки», при котором надо судить по визуально оцениваемой форме кривых.

Но достаточно изменить масштаб графика по оси токов, и прежняя экспонента просто сдвинется вправо или влево. Это сразу обнаружит иллюзорность выделения в характеристике транзистора специфических участков или каких-либо особых точек (например, «с максимальной кривизной – для лучшего детекти-рования»).

Такие вопросы решаются не столь легкомысленно, а на более серьезной основе, и мы это увидим в последующих главах.

Коэффициент передачи тока базы

Статическое значение параметра h_21Э, контролируемое на низких частотах, играет немалую роль при расчете схем. Завод-изготовитель, даже для нормальной температуры, дает на величину h_21Э весьма большой допуск (убедитесь в этом, заглянув в справочник).

Вот чтобы не оказаться в ситуации, когда спроектированная схема неработоспособна с некоторыми экземплярами транзисторов (вполне исправными!), расчет ведут всегда, ориентируясь на наихудшее для данного случая значение коэффициента передачи тока h_21Э (для выбранного типа прибора и классификационной группы).

Почему же? Смотря по содержанию расчета. Бывает и обратное.

Коэффициент передачи тока h_21Э зависит от величины коллекторного тока, но меньше, чем крутизна. Для маломощных транзисторов этот параметр чаще всего имеет максимум в диапазоне токов 5…20 мА, но заметный спад его начинается лишь при I_К менее 0.5…1 мА. Поэтому не сделает большой ошибки тот, кто будет ориентироваться на значение h_21Э, взятое из паспортных данных (приведенных, конечно, для определенного I_К, может быть, вовсе не того, на которое производится расчет).

Германиевые транзисторы

Все, сказанное выше о кремниевых приборах, по большей части относится и к германиевым.

Так и есть – по ряду причин (которые станут ясны в свое время). Пока следует лишь указать, что усилительный режим германиевых транзисторов соответствует меньшим напряжениям U_БЭ (0.15…0.2 В).

Полевые транзисторы

Они, в отличие от биполярных, во многом напоминают электронные лампы. Не обладая высокой крутизной, они в некоторых случаях являются удачным дополнением биполярных приборов, если надо, например, обеспечить высокое входное сопротивление каскада. Ведь ток затвора полевого транзистора практически равен нулю.

На рис. 1.4 представлена типичная характеристика прямой передачи транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа (2П302А). Рабочая область напряжений на затворе в усилительном режиме простирается от напряжения отсечки U_ОТС, при котором ток стока падает практически до нуля, до примерно +0.5 В (большее напряжение U_ЗИ подавать нельзя: открывается переход затвор-канал и работа транзистора нарушается).

Подобную же характеристику имеет и полевой МДП (или МОП, в зарубежной литературе – MOSFET) транзистор со встроенным каналом n-типа (например, 2П305А). Только в этом случае она продолжается также и в область положительных напряжений на затворе – ведь здесь затвор полностью изолирован от канала.

Рис. 1.4. Полевой транзистор «с обеднением» при нулевом напряжении на входе открыт

Рис. 1.5. Транзистор «с обогащением» открывается при напряжении, превышающем пороговое

Транзисторы, которые при U_ЗИ = 0 открыты, относят к приборам «с обеднением». А на рис. 1.5 изображена стоко-затворная характеристика транзистора «с обогащением» – полевого МОП прибора (2П304А). Он имеет индуцированный канал p-типа, который открыт лишь тогда, когда напряжение затвор-исток превышает по абсолютной величине пороговое U_ПОР, на графике это примерно 3.7 В. Данные о пороговых напряжениях (и напряжениях отсечки) всегда можно найти в паспортах на полевые приборы.

Ранее мы видели, что биполярный транзистор сохраняет усилительные свойства при снижении напряжения между коллектором и эмиттером до десятых долей вольта. В противоположность им, полевые приборы требуют для эффективной работы в усилитель-ных каскадах определенного напряжения на стоке:

Проследите по стоковой вольтамперной характеристике (рис. 1.6), что при несоблюдении этого условия рабочая точка оказывается на участке характеристики, где крутизна и выходное сопротивление резко падают.

Рис. 1.6.	На крутом участке характеристики усилительные свойства полевого транзистора падают

Крутизна полевого транзистора

В паспорте на полевой транзистор вы найдете значение крутизны прямой передачи

S = ΔI_С / ΔU_ЗИ,

гарантированное заводом-изготовителем для определенного тока стока (например, для I_С = 10 мА).

Несложно дать оценку крутизны, зная, что она изменяется пропорционально квадратному корню из тока: ведь характеристика прямой передачи здесь – парабола. Пусть при I_С = 10 мА крутизна составляет 5 мА/В. Тогда для I_С = 2 мА получаем – сколько?

Радиолюбитель:

Думаю, что посчитать можно так: .

Верно. Иногда для аналогичных расчетов удобнее бывает учитывать, что от напряжения затвор-исток крутизна зависит линейно, снижаясь до нуля при напряжении отсечки.

Увы, такова специфика вольтамперных характеристик и параметров полевых приборов. Эту разницу мы почувствуем немедленно: стоит лишь обратиться к анализу задачи стабилизации режима активного прибора.

Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»

Продолжение читайте здесь