Теория (стр. 7 из 16)

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 U_кб > 0): эмиттерный переход находится под прямым, а коллекторный - под обратным напряжением. Для активного режима формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при |U_к|>3j _t исчезают экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током I_кб0 и величиной 1-a, то эти выражения вообще упрощаются:

(2.13)

(2.14)

Режим двойной инжекции или насыщения (при U_кб < 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 DU_кэ частично падает на эмиттерном переходе, то есть вызывает приращение DU_бэ, 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: r_кп.оэ - сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; r_кп.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 (r_э, r_б, r_к, a); нельзя путать первичные параметры по переменной составляющей тока (r_э, r_б, r_к) с параметрами по постоянной составляющей тока (r_эо, r_бо, r_ко), 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).

2.6.1. Система h-параметров (смешанные или гибридные параметры)

Система h-параметров - это система низкочастотных малосигнальных параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется представлять в виде активного четырехполюсника (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Транзистор в виде активного четырехполюсника

Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсника, h-параметры измеряются в двух режимах:

а) режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается большая индуктивность);

б) режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе включается конденсатор большой емкости, при этом путь тока по постоянной составляющей сохраняется, а по переменной получается режим короткого замыкания.

1) h₁₁- сопротивление транзистора на входных зажимах по переменной

составляющей тока, Ом, определяется в режиме К.З. со стороны выхода;

2) h₂₂ - проводимость транзистора на выходных зажимах транзистора,
Сим (определяется в режиме Х.Х. со стороны входа)

На практике удобнее пользоваться выражением 1/h₂₂;

3) h₂₁- статический коэффициент передачи тока со входа на выход, определяется в режиме К.З. со стороны выхода

4) h₁₂- коэффициент внутренней обратной связи, показывает какая
часть выходного напряжения через элемент внутренней связи попадает на

вход (определяется в режиме Х,Х, со стороны входа):

Система h-параметров называется смешанной, или гибридной, потому что параметры имеют разные размерности.

Схема замещения транзистора в системе h-параметров представлена
на рис. 2.9.

а) активные свойства транзистора (с помощью генератора тока h₂₁I₁);

б) внутренняя обратная связь по напряжению в транзисторе (с помощью генератора напряжения на входе h₁₂U₂);

в) наличие входного сопротивления и выходной проводимости транзистора (h₁₁и h₂₂ соответственно).

Рис. 2.9. Схема замещения транзистора через систему h-параметров

Различают три основные причины зависимости коллекторного тока от температуры:

1) зависимость тока неосновных носителей I_кбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 ^оС у германиевых транзисторов и на каждые 7 ^оС у кремниевых;

2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения DU_бэ / DТ » - 2,5 мВ/^оС);

3) коэффициент передачи тока базы b (h₂₁) с повышением температуры увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток I_кбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ. Например, если при температуре 20 ^оС германиевый транзистор имел коэффициент передачи тока эмиттера h₂₁ = 50, ток коллектора I_к = 100 мА, ток неосновных носителей I_кбо = 10 мкА, то при изменении температуры с 20 ^оС до 70 ^оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока I_кбов 32 раза (1.5), то есть ток I_кбостанет равен 320 мкА, а ток коллектора
I_к = 100,32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при изменении температуры на +50 ^оС практически не нарушит работу транзистора.