Выходные характеристики биполярного транзистора с общим эмиттером

Биполярный транзистор (БПТ) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, применяющийся для усиления и генерации электрических сигналов, имеющий три и более выводов. Биполярные транзисторы строятся на основе структур p-n-p или n-p-n. Процессы в данных структурах проходят одинаково.

Рис. 7. Структура(а) и обозначение БПТ(б)

Центральная область структуры называется базой, две другие области являющиеся источниками зарядов и приемниками называются эмиттер и коллектор соответственно.

В основном рабочем режиме, который носит название – Активный, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, что означает что к переходу эмиттер база прикладывается прямое напряжение, а переход коллектор-база смещен в обратном.

Основной схемой включения БПТ считают схему. Где общим электродом для входной и выходной цепи является электрод эмиттера.

Для анализа усилительных свойств транзистора применяются семейства входных и выходных характеристик. Для схемы с общим эмиттером (ОЭ) входными будут являться зависимости при (рис.8 а), а выходными – при (рис 8. б).

Рис. 8. Входные (а) и выходные характеристики (б) БПТ

Наклон характеристик в активном режиме обусловлен модуляцией ширины базы коллекторным напряжением. С ростом обратного напряжения на коллекторе увеличивается ширина ОПЗ коллекторного перехода и уменьшается ширина базы, вследствие чего рекомбинация дырок в базе становится меньше и коллекторный ток возрастает.

В схеме с общим эмиттером помимо большого усиления по напряжению происходит значительное усиление по току и, как следствие, по мощности.

К параметрам транзистора отвечающим за усиление электрического сигнала относят статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером , при и α – коэффициент усиления по току для схемы с общей базой, при . Данные коэффициенты связанны между собой зависимостью .

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 5635 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Характеристики биполярного транзистора в основном нелинейные и выражаются сложными формулами, неудобными на практике. Поэтому проще и нагляднее использовать графики зависимости параметров транзистора между собой . Так же удобнее изображать измеренные показания параметров конкретного транзистора графическим способом.

Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки.
Эти характеристики будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОЭ можно использовать схему как на рис.1 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

На рис.2 , для сравнения, показаны входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ германиевого и кремневого транзисторов. Они выражают (при определенном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ ) зависимость базового тока Iб от приложенного между базой и эмиттером напряжением Uбэ . По форме они нелинейны и похожи на характеристики диодов, т.к. эмиттерный переход транзистора можно представить в виде диода включенным в прямом направлении.
Для каждого типа транзисторов при увеличении коллекторного напряжения характеристики немного смещаются в сторону увеличения базового напряжения, но на практике это увеличение не учитывается.
Из графиков еще видно , что в схеме с ОЭ базо-эмиттерное напряжение в германиевых транзисторах не превышает 0,4В, а в кремниевых – 0,8В. При превышении этих входных напряжений токи, проходящие через транзистор, могут стать недопустимо большими, которые приведут к пробою транзистора.

Так как входная характеристика биполярного транзистора нелинейна, значит и входное сопротивление, зависящее от входного напряжения и тока, тоже нелинейно.
Для примера определим базовый и коллекторный токи транзистора МП42Б с коэффициентом усиления β=50 ( рис.3 ) в разных точках характеристики.
В точке А базовый ток Iб=0,02mA и тогда коллекторный ток равен
Iк=β•Iб=50•0.02=1mA.
Можно наоборот определить на графике по известному коллекторному току Iк=13mA базовое напряжение Uэб . Базовый ток при таком Iк равен:
Iб=Iк/β=13/50=0,26mA.
Значит Uэб=0,25В ( точка В ).
На этой же характеристике так же можно найти входное сопротивление транзистора для постоянного и переменного (дифференциально динамического) токов.
Сопротивление по постоянному току относится к постоянной составляющей сигнала, а по переменному току – к переменной составляющей сигнала. Входное сопротивление по переменному току имеет существенное значение для согласования между собой транзисторных каскадов.
Сопротивление по постоянному току определяется по закону Ома:
R_=U/I .
В точке А на графике оно будет равно:
Rвх_= Uбэ/Iб = 0,1/ 0,02•10ˉ³ = 5 кОм.
Таким же образом находим сопротивление в точке Б – Rвх_= 1,6 кОм, и в точке В – Rвх_= 1 кОм.
Сопротивление по переменному току находим тоже по закону Ома, но в только в дифференциальной форме:
Rвх

= ∆U/∆I ,
где ∆U ) и ∆I ) – приращения напряжения и тока возле выбранной точки.
Для примера определим сопротивление по переменному току в точке Б ) ( рис.4 ). Задаем приращения (желтый треугольник на рисунке):
∆Uбэ = 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 0,16-0,06 = 0,1 mA.
Тогда сопротивление по переменному току равно:
Rвх

=0,05/0,1•10ˉ³ = 500 Ом
Аналогично вычислим сопротивление по переменному току в точке А – Rвх

= 4кОм, а в точке В – 400 Ом. Обычно в схеме с ОЭ это сопротивление бывает в пределах от 500 Ом до 5 кОм.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Выходные характеристики биполярного транзистора показывают зависимость коллекторного тока Iк ) от выходного напряжения Uэк ) при определенном базовом токе Iб .

На рис.5 приведено семейство выходных характеристик транзистора.
На графике видно, что выходные характеристики нелинейны, и что при увеличении напряжения Uэк от нуля до 0,4÷0,8 вольт коллекторный ток увеличивается быстро, а затем приращение уже мало и почти не зависит от величины Uэк , а зависит от базового тока. Отсюда можно сделать вывод: в основном базовый ток управляет коллекторным током.

По выходной характеристике транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
А для точки А ток базы при коллекторном напряжении Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

Так же по выходной характеристике этого транзистора можно найти выходные сопротивления для постоянного и переменного токов.
Сопротивление по постоянному току в точке Б будет равно:
Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
Сопротивление по переменному току при приращении:
∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
равно:
Rвых

= ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
Это cопротивление может достигать 50 кОм.

Статистические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОБ используют схему как на рис7 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики биполярного транзисторат с ОБ показывают, как зависит эмиттерный ток Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при выбранном напряжении Uкб ( рис.8 ) для транзисторов разной проводимости.
Сравнив с входной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ видим, что они похожи, но и имеют различия.
Это, во-первых, при увеличении коллекторного напряжения ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево, Во-вторых, ток эмиттера в этом случае намного больше чем базовый ток при включении с ОЭ и масштаб измерения по оси ординат уже не в микроамперах, а в милиамперах.
По входным характеристикам биполярного транзистора с ОБ можно определить такие же параметры как и с ОЭ: зависимость Iэ от Uэб , входные сопротивления Rвх_ и Rвх

.
По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем входные сопротивления в точке А :
∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
Rвх

= ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: входные сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

На рис.10 показано семейство выходных характеристик биполярного транзистора МП42Б которые выражают зависимость коллекторного тока Iк от выходного напряжения Uбк при определенном эмиттерном токе Iэ . Они чем то похожи на выходные характеристики с ОЭ, но имеют и большие различия.
Одним из отличий является то, что коллекторный ток протекает даже тогда, когда коллекторное напряжение равно нулю. Причина в наличии источника тока в цепи эмиттера.
Второе отличие – выходные характеристики в схеме с ОБ почти горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше чем при ОЭ и может достигать по переменному току до 2 МОм.

Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить коэффициенты усиления по току в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
.Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
β=∆Iк/∆Iб
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iб=30-20=10 μА.
β=0,8/10•10ˉ³= 80.
Коэффициент усиления по току с ОБ равен:
α=∆Iк/∆Iэ
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iэ=3-2=1 mA;
α=0,8/1=0,8.
Можно сделать вывод, что при включении транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.

Выходными характеристиками транзистора в схеме включения с общим эмиттером (рис.5) называются зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном значении тока базы. Формально выходные характеристики записываются в виде функционального уравненияОтличия вых. Хар-ик ОЭ от ОБ. Напряжение на коллекторном переходе становиться равным нулю при напряжении. Поддерживается постоянным ток базы Iб = (1−α )Iэ − Iко . Ток Iко неизменяется при увеличении напряжения на коллекторе, а коэффициент α при этом увеличивается. Следовательно, для поддержания токапостоянным значением необходимо несколько увеличить ток Iэ .

Таким образом, выходная характеристика в схеме с ОБ снимается при постоянном токе Iэ , а в схеме с ОЭ – при постепенно возрастающем токе Iэ.

Как и в схеме с ОБ, на семействе выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ различают четыре области, соответствующие различным режимам работы транзистора:

I – режим активного усиления (эмиттерный переход прямосмещенный, а коллекторный переход обратносмещенный) ; II – режим насыщения (оба перехода открыты); III – режим отсечки (оба перехода закрыты); IV – нерабочая область.

Первая выходная характеристика снимается при отрицательном токе базы (имеет место обрыв цепи эмиттера) и ток базы равен неуправляемому току коллекторного перехода (зав-сть 1 рис.5). В этом случае выходная характеристика аналогична обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода и величина тока коллектора соответствует зависимости и при значении≅ (0,1÷ 0,2)В второе слагаемое в скобках имеет очень малое значение, ток коллектора равен Iко и слабо изменяется в большом диапазоне изменения напряжения на коллекторе.

Вторая выходная характеристика транзистора (зав-сть 2 рис.5) соответствует току базы (обрыв цепи базы). В этом случае в цепи коллектор-эмиттер протекает сквозной ток транзистора I*ко , превышающий в (β+1) раз неуправляемый ток коллекторного перехода. Данная характеристика также начинается из начала координат и увеличивается по мере возрастания обратного тока перехода коллектор-база. При изменении напряжения на коллекторе изменяется коэффициент передачи по току транзистора в схеме включения с общим эмиттером из-за эффекта модуляции толщины базы. Увеличение тока базыприводит к росту тока коллектора в соответствии с выражением Iк =βIб +I*ко, и выходная характеристика идет выше и смещена вправо относительно начала координат.

Зав-сть 3 рис.5 снята при = 30мкА.

т.А Если ток базы > 0 , а Uкэ = 0 , то это равносильно короткому замыканию коллектора с эмиттером. КП и ЭП инжектируют дырки в Б. Iк имеет 2 составляющие: ток экстракции и инжекции, посколько Sкп>Sэп, то Iкинж.>Iкэкстр.(уч. АВ), а общий ток К Iк=Iкэкстр-Iкинж Iк0 |Uкб|=0, Iк=β*Iб3

Участок CD относится к режиму активного усиления, коллекторный переход получает обратное смещение и работает в режиме экстракции, а эмиттерный – в режиме инжекции. На участке CD ток коллектора равен Iк=βIб+(β+1)Iко и зависит от изменения напряжения Uкэ в виду наличия в транзисторе эффекта модуляции толщины базы, который с ростом U кэ проявляется в увеличении коэффициента передачи по току β.

С дальнейшим ростом тока базы (зависимости 4,5 при ,рис.5 ) выходные характеристики идут выше и правее от начала координат. Область насыщения сдвигается вправо: ↑Iб, значит, ↑Iэ=>|Uбэ|↑=>|Uкэ|↑

Область I: выходные хар-ки поднимаются вверх на величину ∆Iк=β*∆Iб

Влияние температурына выходные характеристики

На рис.6 приведены выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ для двух токов базы (=- Iко;= 0), снятые при двух различных температурах, а на рис.7 представлены выходные характеристики при токах базы больше нуля, снятые для двух значений температуры. При токе базы=-Iко (зависимость 1 рис.6) с ростом температуры неуправляемый ток коллекторного перехода возрастает по экспоненциальному закону. При токе базы= 0 ток коллектора определяется сквозным током транзистора Iк=Iкo*=(β+1)Iко. Влияние температуры проявляется в увеличении Iко и β. При токах базы> 0 (зав-ть 1, 7 рис.7 ) ток коллектора определяется уравнением Iк= βIб + (β+1)Iко. Выходные характеристики в схеме включения с ОЭ снимаются при фиксированных значениях тока базы Iб = (1−α )Iэ − Iко . С увеличением температуры экспоненциально увеличивается ток Iко , а также несколько увеличивается коэффициент α , а, следовательно, и β . Последнее обстоятельство приводит к тому, что с увеличением температуры увеличивается наклон выходных характеристик. Для поддержания тока базы постоянным приходится существенно увеличивать ток

Iэ , естественно, что при этом будет возрастать и ток коллектора Iк =αIэ + Iко .

Таким образом, выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером не термостабильны. Следует отметить, что транзисторы, выполненные на основе кремния, имеют меньшую зависимость характеристик от температуры, так как значение неуправляемого тока коллекторного перехода Iко у кремниевых транзисторов во много раз меньше, чем у германиевых.

20. Представление транзистора четырехполюсником в системе малосигнальных параметров. Системы Y-, Z- и H- параметров (системы уравнений, схемы замещения). Физическое содержание параметров и методы их определения.

Система считается малосигнальной, если амплитуда перемен. сост-х

, Ом

, Сим