книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

ляла бы прямую, а коллекторного — обратную ветвь характери­ стик диода.

Особенность транзистора по сравнению с такой конструкцией заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга.

Для того чтобы р—п—//-конструкция работала как транзи­ стор, необходимо, чтобы почти все инжектированные эмиттером дырки доходили до коллекторного перехода, т. е. ширина базы транзистора W должна быть тонкой. Ширина базы должна быть значительно меньше диффузионной дли­ ны электронов W<^Lp (для транзисторов

(рис. 3.2); инжектированные дырки диффундируют от эмиттера к коллектору. Сопротивление переходов транзистора при нор­ мальной работе выше, чем сопротивление объема, поэтому на­ пряжение батареи смещения оказывается приложенным главным образом к переходам и электрическое поле в базе транзистора невелико. Следовательно, током проводимости по сравнению

сдиффузионным можно пренебречь.

'Если увеличить прямое смещение эмиттерного перехода, то

концентрация дырок около эмиттера возрастает (кривая 1), а около коллектора останется по-прежнему равной нулю. При этом увеличится градиент концентрации и, следовательно, возра­ стет диффузионный ток дырок к коллектору. Общий заряд, на­ копленный в базе, изменится.

Если бы в базе не было рекомбинации, то все инжектирован­ ные дырки доходили бы до коллектора, и коллекторный ток был бы равен дырочной составляющей эмиттерного тока, которая фактически равна току эмиттера. Однако, поскольку дырки ре­

30

комбинируют в базе, к коллектору доходит только часть эмпттерного тока:

Коэффициент а называют коэффициентом передачи транзи­ стора по току, или иногда коэффициентом усиления по току; вто­ рое название не точное, так как а всегда меньше единицы.

Выражение (3.1) описывает семейство коллекторных харак­ теристик /к = /( Ок) или, как их часто называют, статические вы­ ходные характеристики транзистора. В качестве примера на

УфмА

МП40А, снятые в схеме с общей базой:

а—эмнттерные; б—коллекторные

рис. 3.3 показано семейство выходных характеристик транзи­ стора. Каждая выходная характеристика снималась при различ­ ных значениях тока эмиттера (/э является параметром). Коллек­ торный ток состоит из двух составляющих; неуправляемого тока коллекторного перехода /к0 и управляемого тока дырок, продиффундировавших через базу (а/э).

Зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттернсш переходе при различных значениях коллекторного напряжения представляет входную характеристику транзистора: /э=/(С/0.б) при UK в качестве параметра. На рис. 3.3, а показаны входные характеристики-для транзистора типа МП40А.

Как и следовало ожидать, входные характеристики имеют тот же вид, что и вольт-амперная характеристика р—«-перехода, включенного в прямом направлении; при изменении коллектор-

31

ного напряжения входная характеристика несколько смещается, т. е.' в транзисторе существует внутренняя обратная связь.

На графике, изображающем коллекторные характеристики (рис. 3.3,6), можно выделить три основные области, соответст­ вующие трем различным режимам работы транзистора.

I область — активный режим, соответствующий значениям Uк.б<0, и э.б>0. Этот режим является основным в усилительной технике. Для всей активной области характерно, что ток коллек­ тора пропорционален току эмиттера.

называется так, поскольку в ней электрод базы общий для вход­ ной и выходной цепей. Как видно из рис. 3.4, а, в схеме с ОБ ток эмиттера — входной, а ток коллектора— выходной. Однако при снятии статических характеристик, а также в схемах возможны

Іб~ІЭ---ІК^^ІЭ---(х/э= (1---а,)Ід.

В схеме ОЭ входным напряжением (7б.э является то же на­ пряжение, что и в схеме с ОБ, только с другим знаком. По­ скольку ток базы значительно меньше тока эмиттера, входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ значительно выше, чем' в схеме с ОБ.

Выходным током в rxeMe с ОЭ так же, как и в схеме с ОБ, является ток коллектора, а выходным напряжением — £/л.э.

Статические характеристики для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, т. е. IK=f(U к.а) при различных токах базы и /б= = f(Uб.э) при различных напряжениях ІІК.э показаны на рис. 3.5.

Из рис. 3. 5 видно, что расстояние между коллекторными ха­ рактеристиками неодинаковое, несмотря на то, что приращение базового тока составляет 200 мкА. Это объясняется тем, что

32

коэффициент передачи транзистора по току не остается постоян­ ным и падает с увеличением коллекторного тока. Поэтому в об­ ласти больших токов характеристики располагаются более густо.

жиме насыщения напряжение Uб.э — отрицательное и по абсо­ лютной величине больше, чем С/к.б.

§ 3. 2. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

При анализе транзисторных схем часто удобно транзистор заменить эквивалентной схемой, обладающей теми • же свойст­ вами, что и транзистор, т. е. таким же входным и выходным со­ противлением, коэффициентом передачи напряжения и тока с входа на выход и с выхода на вход. Усилительные свойства транзистора в эквивалентной схеме характеризуют с помощью генератора тока или напряжения, включенного в выходную цепь транзистора, величина сигнала которого зависит от входного тока транзистора.

Параметры элементов эквивалентной схемы рассчитывают по результатам измерений, которые выполнены при переменном сиг-

пале в определенной рабочей точке, заданной постоянными сме­ щениями на эмиттерный и коллекторный переходы. Обычно измерения проводят при сигналах, малых по сравнению со сме­ щением, поданным во входную или выходную цепь транзистора. Поэтому параметры транзистора (а следовательно, и его эквива­ лентной схемы), измеренные таким образом, называют малосиг­ нальными.

гвх,0м

линейные, параметры эквивалентной схемы зависят от положе­ ния рабочей точки.

Для примера рассмотрим, как определяется входное сопро­ тивление транзистора по его вольт-амперной характеристике. Входное сопротивление транзистора равно котангенсу угла между касательной ко входной характеристике, проведенной в рабочей точке, и осью напряжений (рис. 3.6).

Как видно из рис. 3. 6, с изменением положения рабочей точки изменяется и угол а, т. е. входное сопротивление. На рис. 3. 7 показана зависимость входного сопротивления транзистора от тока эмиттера, рассчитанная по этой характеристике. Пользо­ ваться параметрами транзистора при расчете схем можно, только в той рабочей точке, в которой они определены. Для дру­ гой рабочей точки нужно либо определить их заново, либо ввести поправку.

Внастоящее время существует несколько систем параметров

исоответствующих нм эквивалентных схем. Вид эквивалентной схемы зависит от частоты, для которой она используется. Чем выше рабочая частота, тем сложнее эквивалентная схема.

34

Рассмотрим основные эквивалентные схемы транзистора на низких частотах, на которых реактивными составляющими токов

втранзисторе можно пренебречь.

Вобщем случае транзистор можно представить в виде актив­ ного нелинейного четырехполюсника (рис. 3.8). Его можно оха­ рактеризовать семейством нелинейных статических характери­

Рис. 3. 8. Схема замещения транзистора четырехполюсником

две другие. Различные системы параметров и соответствующие им эквивалентные схемы отличаются тем, что в них за независи­ мые переменные взяты различные величины. Например, за не­ зависимые переменные можно взять токи /1 и /2. Тогда напря­ жения U1 и U2 можно выразить через токи І\ и /2. Формально эту связь между напряжениями и токами можно записать в еле-, дующем виде:

(3.2)

и* = / ( л , /*).

Входные и выходные напряжения являются функциями входных и выходных токов.

Если транзистор работает при малых переменных сигналах,

Здесь гц, гі2, г2ь г22 — коэффициенты пропорциональности. Они имеют размерность сопротивлений. Эти коэффициенты можно

из измерений на переменном сигнале в данной рабочей точке.

т.е. при условии холостого хода во входной цепи п т. д. Уравнениям (3.3) соответствует эквивалентная схема, пока­

транзистора протекает ток /2, то во входной цепи возникнет на­ пряжение /'12/2- Сопротивление г2і называют переходным сопро­ тивлением, оно характеризует усилительные свойства транзи­ стора.

Приведенная схема справедлива для любого включения тран­ зистора (ОБ, ОЭ и ОК), но величины сопротивлений в каждом из

в виде двух схем замещения: П-образпой и Т-образной.

36

можно придать определенный физический смысл, связанный с процессами в транзисторе:

г3—■дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, оно обычно составляет десятки Ом;

/'б — сопротивление базы, соответствующее сопротивлению тонкого слоя полупроводникового материала, из которого выпол­ нена базовая область и обычно составляет несколько сотен Ом; г,; — дифференциальное сопротивление коллекторного пере­ хода, смещенного в обратном направлении, оно составляет сотни тысяч Ом. Генератор тока а4 характеризует усилительные свой­ ства транзистора; величина тока, который он отдает, зависит от тока эмиттера. Поэтому, если в выходную цепь транзистора под­ ключить нагрузочное сопротивление Ru, большее, чем входное сопротивление транзистора RBX, то падение напряжения на нем аіаЙн будет больше входного напряжения и такой каскад будет

обладать усилительными свойствами.

Особенность физических параметров в том, что они характери­ зуют сам транзистор и их величина не зависит от схемы включе­ ния. Уравнения Кирхгофа для эквивалентной схемы (рис. 3. 10) запишутся так:

где /--параметры измерены также в схеме ОБ. Формулы (3. 5) могут быть использованы для определения физических парамет­ ров.

Если в качестве независимых переменных принять напряже­ ния на входе и выходе транзистора, то при рассмотрении транзи­ стора как линейного четырехполюсника получим уравнения

^*2= & 12^2 HҤ22^2> J

37

в которых коэффициенты пропорциональности имеют размер­ ность проводимости.

£ГП= — при п2 = 0-входная проводимость транзистора при

условии короткого замыкания по переменному сигналу на вы­ ходе;

жиме холостого хода, а вторые в режиме короткого замыкания. Существенным недостатком ^-параметров при их измерении является трудность осуществления режима короткого замыкания по переменному сигналу на входе из-за малого входного сопро­ тивления транзистора. Недостаток /--параметров при их измере­ нии заключается в трудности осуществления холостого хода на выходе транзистора из-за его большого сопротивления перемен*

ному сигналу.

От недостатков, присущих г- и ^-параметрам, свободна си­ стема гибридных или //-параметров. Гибридными эти параметры называются потому, что в этой системе используются как сопро­ тивления, так и проводимости. Это связано с тем, что в качестве независимых переменных в этой системе выбраны входной ток и выходное напряжение, что очень удобно при измерении пара­ метров транзистора. Выражения для входного тока н выходного напряжения можно записать следующим образом:

h

направлении при коротком замыкании на выходе, т. е. когда со­ противление нагрузки равно нулю;

33

Л22= — при /j = 0 — выходная проводимость транзистора при ^2

холостом ходе во входной цепи.

На рис. 3.11 показана эквивалентная схема, соответствующая Л-параметрам. Величины Л-параметров так же, как г и ^-пара­ метров, зависят от схемы включения транзистора. Сама же экви­ валентная схема транзистора при переходе от одного включения транзистора к другому не изменяется.

Между Л-параметрамн и физическими параметрами транзи­ стора существует следующая связь:

составлении эквивалентных схем предполагалось, что частота сигнала достаточно низкая и зависимостью параметров от ча­ стоты можно пренебречь. В общем случае все параметры зависят от частоты и являются комплексными величинами. Поэтому на высоких частотах системам r-, g-, Л-параметров соответствуют системы Z-, у-, /г-параметров.

Между всеми системами параметров в различных включениях транзистора существует вполне определенная связь и при необ­ ходимости можно переходить от одних параметров к другим.

§ 3. 3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Транзистор, как и любой другой электронный прибор, харак­ теризуется параметрами предельных режимов, превышение кото­ рых, как правило, приводит к нарушению нормальной работы прибора и выходу его из строя.

Одним из основных предельных параметров транзистора является максимальная мощность, рассеиваемая прибором

39