Схемы включения транзисторов

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора
(рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв > ΔU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k ≈ ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э – I_к << I_к (I_k ≈ I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ > ΔU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ(рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при
U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр
I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = αI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ(рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а)относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ В этом случае

U_кб = U_кэ – U_бэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 – α) I_э – I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен: I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 – α) I_э. Когда

(1 – α) I_э = I_кбо,

ток базы равен нулю:

I_б = 0.

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 – α) I_э > I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредставляет собой зависимости I_к = f(U_кэ) при заданном параметре I_б (см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Для увеличения I_б необходимо увеличивать |U_бэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_б = 0 («обрыв» базы), то

I_к = I_кэо = (β + 1) I_кбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_к = I_кбо, если задать отрицательный ток (I_б = -I_кбо)_. Выходная характеристика с параметром I_б = -I_кбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h_22э ~ βh_22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U_кзколлекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты α и β увеличиваются.

Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.

H-параметры транзистора

Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.

В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i₁) и выходное напряжение (u₂), а зависимыми являются: входное напряжение (u₁) и выходной ток (i₂). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:

.

Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:

(4.1)

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

–	входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
–	коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

H-параметры измеряются в различных единицах: h₁₁ измеряется в Омах, h₂₂ – в Сименсах, h₂₁ и h₁₂ – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h₁₂u₂ учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u₂, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h₂₁i₁ учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h - параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов

h11э		h11б
h12э		h12б
h21э		h21б
h22э		h22б

 

Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h_21э широко используется обозначение b, а в схеме с ОБ – вместо обозначения h_21б обозначение a. Так как в в схеме с ОБ направление тока i_к противоположно базовому направлению тока i₂ исходного четырехполюсника, то h_21б < 0.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:

DU₁ = h₁₁DI₁ + h₁₂DU₂;

DI₂ = h₂₁DI₁ + h₂₂DU₂.

На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 – по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) – значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.