22368

Схемы включения и характеристики биполярных транзисторов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Схемы включения БТ. Эквивалентные схемы БТ. Эквивалентные схемы БТ. Схемы включения БТ и их показатели.

Русский

2013-08-04

465.5 KB

116 чел.

Лекция 4

Содержание лекции

Статические характеристики транзисторов. Система h-параметров биполярных транзисторов (БТ). Схемы включения БТ. Эквивалентные схемы БТ. Эквивалентные схемы БТ. Усилительные свойства БТ. Схемы включения БТ и их показатели.

4.Схемы включения и характеристики биполярных транзисторов

4.1. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний содержит две цепи (рис.4.1): входную и выходную. Входная цепь является управляющей; в нее последовательно с источником питания Е1 включается источник слабых электрических колебаний Uвх~, которые надо усилить. Электрические колебания, подаваемые во входную цепь,

Рис. 4.1. Обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний

называют управляющим, или усиливаемым, сигналом. В выходную цепь последовательно с источником Е2 включается нагрузка RH, на которой надо получить усиленный сигнал. Таким образом, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник.

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один – входной, другой – выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами. В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи – Uвх и Iвх, в выходной – Uвых и Iвых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга.

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей величине. Для того чтобы одну из электрических величин можно было поддерживать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания; нагрузку и источник усиливаемых колебаний (сигнала) не включают.

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называют статическими. Совокупность характеристик, снятых при разных значениях этой постоянной величины, представляет собой семейство статических характеристик.

Наибольшее значение при применении биполярных транзисторов имеют два вида характеристик – входные и выходные.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:

Iвх = f (Uвх) при Uвых = const.

Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:

Iвых = f (Uвых) при Iвх = const.

Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем ОБ и ОЭ. На практике наибольшее распространение получила схема ОЭ, поэтому рассмотрим ее более подробно.

Принципиальная схема установки приведена на рис.4.2. В ее состав входят два источника питания с регулируемым от 0 до некоторого максимального значения выходным напряжением 1, микроамперметр 2 и миллиамперметр 3 для измерения токов базы и коллектора, вольтметры 4, 5 для измерения напряжений Uбэ и Uкэ. Балластный резистор 6 служит для ограничения тока базы исследуемого транзистора 7.

В этой схеме входным током является ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк, входное напряжение создается между базой и эмиттером Uбэ, а выходное – между коллектором и эмиттером Uкэ. Таким образом, входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер:

Iб = f (Uбэ) при Uкэ = const.

Рис.4.2. Схема установки для снятия статических характеристик биполярного транзистора

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер при постоянном токе базы:

Iк = f (Uкэ) при Iб = const.

Примерный вид семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора приведен на рис.4.3 и 4.4.

На рис.4.3 изображено семейство из двух входных характеристик, снятых при различных напряжениях на коллекторе (Uкэ1< Uкэ2). Даже при значительно отличающихся коллекторных напряжениях входные характеристики качественно одинаковы и незначительно смещаются вправо с ростом Uкэ. Это говорит о наличии слабой связи между входными и выходными цепями биполярного транзистора.

Начальный круто восходящий участок каждой из выходных характеристик биполярного транзистора (рис. 4.4) является нерабочим. Это участок малого напряжения Uкэ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5...1,5 В. При малых значениях Uкэ, соизмеримых с величиной Uбэ, следует учитывать, что напряжение Uкэ равно сумме напряжений на коллекторном Uкб и эмиттерном Uбэ переходах. Отсюда напряжение на коллекторном переходе Uкб = Uкэ Uбэ. При Uкэ < Uбэ из меньшего вычитается большее, т.е. знак Uкэ Uбэ меняется на противоположный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность Uкб соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе, то при Uкэ < Uбэ она соответствует прямому напряжению. Наибольшее значение прямого напряжения Uкб на коллекторном переходе получается при Uкэ = 0, когда Uкб = Uбэ. По мере роста Uкэ это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при Uкэ = Uбэ.

Прямое напряжение на коллекторном переходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллекторном переходе приводит к увеличению экстракции этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора.

При Uкэ > Uбэ полярность Uкб изменяется на обратную для коллекторного перехода. Изменение напряжения Uкэ на этом участке характеристик мало влияет на величину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого.

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою коллекторного перехода.

Кроме рассмотренных семейств характеристик для некоторых практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.

Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Рис. 4.3. Семейство входных вольтамперных характеристик биполярного транзистора

Характеристикой прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы с ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора.

Рис.4.4. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора

Рабочая область БТ (рис.4.5) определяется по его выходным характеристикам и ограничена:

  •  сверху – Iкmax – максимально-допустимым током коллектора;
  •  справа–сверху – Pkmax – максимально-допустимой мощностью рассеяния на  коллекторе (иногда эта линия дана в справочнике; если таковой нет, то ее можно построить по нескольким точкам, используя зависимость  ;
  •  справа – Ukmax – максимально – допустимым напряжении на переходе коллектор – эмиттер;
  •  снизу – Iбmin – минимально – допустимый ток базы (чтобы избежать значительных нелинейных искажений, обусловленных большими нелинейностями начальных участков входных характеристик;
  •  слева – кривой, для которой (малыми значениями напряжения на коллекторе, при которых они становятся меньше значений напряжения на базе и транзистор переходит в режим насыщения).

Выход за указанные границы приводит к выходу из строя БТ или недопустимым режимам его

работы.

Рис.4.5.Определение рабочей области транзистора (для схемы с ОЭ)

 

4.2. Система h-параметров биполярных транзисторов

Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров.

Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины.

h-параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U1 = Uбэ, входным током I1 = Iб, выходным напряжением U2 = Uкэ и выходным током I2 = Iк могут быть выражены системой двух уравнений:

ΔU1 = h11ΔI1 + h12ΔU2,

ΔI2 = h21ΔI1 + h22ΔU2,

где h11э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h12э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току); h21э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h22э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе.

h11э = ΔUбэ / ΔIб при Uкэ = const; h12э = ΔUбэ / Uкэ при Iб = const;

h21э = ΔIк / ΔIб при Uкэ = const; h22э = ΔIк / Uкэ при Iб = const.

Индекс «э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h-параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора: параметры h11 и h12 – по входным (рис. 4.6, а, б), параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 4.6, в, г).

Рис.4.6.Определение h-параметров по входным и выходным характеристикам

4.2. Схемы включения биполярных транзисторов

Как отмечалось выше, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических

колебаний представляет собой четырехполюсник; из трех его электродов один – входной, другой – выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода, и в зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 4.7, 4.8 и 4.9, соответственно).

На всех схемах кроме источников питания Еэ, Еб и Ек присутствует источник сигнала ~Uвх (источник переменного тока), включенный последовательно с источником Еэ или Еб, причем Ек >> Еэ или Еб, а амплитуда ~Uвх < Еб или Еэ. Рассмотрим работу каждой из схем в качестве усилителя сигнала ~Uвх.

4.2.1. Схема с общей базой

В схеме (рис. 4.7) к эмиттеру транзистора относительно общей базы приложены напряжения ~Uвх и Еэ. При положительном полупериоде ~Uвх напряжение Uэб = Еэ – Uвх, т. е.

напряжение Uэб уменьшается. Это вызовет уменьшение Iэ, а следовательно, и Iк, что приведет к уменьшению падения напряжения на Rн, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) увеличится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~Uвх выходное напряжение будет уменьшаться. Таким образом, в схеме ОБ входной и выходной сигналы синфазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 0).

Входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. С учетом соотношения Iэ = Iк +Iб можно сказать, что Iвх > Iвых (с учетом малого значения IБ можно считать Iвх . Iвых). Таким образом, в схеме ОБ усиления тока не происходит.

При малых напряжениях во входной цепи возникают токи значительной величины. Это возможно, если входное сопротивление схемы ОБ низкое.

Рис.4.7.Схема включения БТ с ОБ

Выходной ток, практически равный входному, протекает через большое сопротивление нагрузки Rн, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОБ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОБ.

4.2.2. Схема с общим эмиттером

В схеме (рис. 4.8) к базе транзистора относительно общего эмиттера приложены напряжения ~Uвх и Еб. При положительном полупериоде ~Uвх напряжение Uбэ = Еб + Uвх, т. е. напряжение Uбэ увеличивается. Это вызовет увеличение Iб, а следовательно, Iэ и Iк, что приведет к увеличению падения напряжения на Rн, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) уменьшится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~Uвх выходное напряжение будет увеличиваться. Таким образом, в схеме ОЭ входной и выходной сигналы парафазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 180°).

Рис.4.8.Схема включения БТ с ОЭ

Входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Так как Iб << Iк, можно сказать, что Iвх << Iвых. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление тока.

При малых напряжениях во входной цепи токи также малы. Это говорит о том, что входное сопротивление схемы ОЭ значительно выше, чем у схемы ОБ.

Выходной ток протекает через большое сопротивление нагрузки RH, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОЭ (при этом оно ниже, чем у схемы ОБ).

Одновременное усиление напряжения и тока обеспечивает максимальный коэффициент усиления мощности по сравнению с другими схемами. Поскольку величины входного и выходного сопротивлений имеют приемлемые для большинства случаев значения, схема ОЭ получила наибольшее распространение при построении различных радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах.

4.2.3. Схема с общим коллектором

В схеме (рис. 4.9) к следует рассматривать взаимное действие ЕБ, Ек и ~Uвх на переход база эмиттер. При положительном полупериоде ~UBX напряжение Uбэ = Еб + Uвх, т.е. напряжение Uбэ увеличивается. Это вызовет увеличение Iб, а следовательно, Iэ и Iк, что приведет к увеличению падения напряжения на Rн, при этом выходное напряжение (теперь это напряжение на эмиттере) также увеличится.

Рис.4.9.Схема включения БТ с ОК

Это напряжение, появившееся под действием входного сигнала, приложено к переходу база-эмиттер в полярности, противоположной напряжению ~Uвх, поэтому оно будет вызывать уменьшение Iб и выходного напряжения. В результате такого взаимодействия входного и выходного сигналов входное сопротивление схемы ОК получается очень высоким, а выходное напряжение почти равно входному (реально незначительно меньше). Выходное сопротивление в схеме ОК получается очень низким. Перечислим основные свойства последней схемы.

В схеме ОК входной и выходной сигналы синфазны.

В схеме ОК усиления напряжения не происходит.

В схеме ОК происходит значительное усиление тока.

Входное сопротивление схемы ОК очень высокое.

Выходное сопротивление схемы ОК очень низкое.

Схема ОК носит второе название «эмиттерный повторитель» и используется, как правило, для согласования источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением и нагрузки с низким сопротивлением.

Отметим в заключение, что любая схема обеспечивает усиление мощности сигнала.

5.1.Эквивалентные схемы БТ

Для определения различных параметров БТ используют эквивалентные схемы, которые должны отражать реальные свойства замещаемых транзисторов. Рассмотрим широко распространенные Т-образные эквивалентные схемы.

При построении схем исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы и слой базы обладают сопротивлениями rЭ, rK, rБ. Простейшей эквивалентной схемой БТ служит цепь, показанная на рис.5.1. У БТ величина rЭ составляет десятки Ом, rБ – сотни Ом, rK – сотни кОм. При подключении ко входу этой схемы источника входного сигнала в нагрузке будет течь ток, намного меньший, чем ток в сопротивлении rЭ и в цепи базы, что не соответствует реальным условиям работы БТ. Мы знаем, что IК ≈αIЭ. Чтобы изменить распределение тока между ветвями схемы, подключаем в эквивалентной схеме параллельно rK генератор, вырабатывающий ток αIЭ (рис.5.2). Прохождение этого тока в выходной цепи соответствует реальным условиям работы с ОБ и позволяет отразить усилительные свойства БТ.

Упрощенная эквивалентная схема для каскада с ОЭ приведена на рис. 5.3. В этой схеме для отражения  усилительных свойств БТ в выходную цепь включен дополнительный генератор βIБ (рис.5.3). Для схемы с ОК вводим аналогичный генератор  βIБ (рис.5.4).

Рис.5.1.Простейшая эквивалентная Т-образная схема БТ

Рис.5.2.Эквивалентная Т-образная схема БТ (для схемы с ОБ)

Рис.5.3.Эквивалентная Т-образная схема БТ (для схемы с ОЭ)

Рис.5.4.Эквивалентная Т-образная схема БТ (для схемы с ОК)

Контрольные вопросы

  1.  Какие возможны схемы включения транзистора?
  2.  Как связаны переменные составляющие токов и напряжений в схеме включения транзистора с общей базой?
  3.  Какими статическими характеристиками принято определять свойства транзисторов?
  4.  Какими характеристическими параметрами связаны токи и напряжения на выходе транзистора?
  5.  Как измеряют h-параметры на низких частотах?

Pkmax

Ikmax

Ukэmax

Iбmin

VT

E1

E2

UВЫХ

RH

K

IБ

ЕИ=UВХ

+

+

VT

E1

E2

UВЫХ

RH

IK

IБ

IЭ

ЕИ=UВХ

+

+

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61622. Н. Рыленков «К родине» 20.92 KB
  Цель: формировать навыки словесного рисования; развивать внимание к образным средствам языка; учить умению выражать свои чувства по отношению к прочитанному.
61623. РАБОТА С «КАРТИННОЙ ГАЛЕРИЕЙ». АНДРЕЙ РУБЛЕВ «ТРОИЦА» 18.89 KB
  Цель: развивать умение работать в картиной; обогащать словарный запас детей; воспитывать любовь к литературе и искусству, чувство патриотизма. Оборудование: слайд картины, А. Рублева «Троица», диапроектор
61626. ВЫЧИТАНИЕ С ЗАНИМАНИЕМ ЕДИНИЦЫ ЧЕРЕЗ НЕСКОЛЬКО РАЗРЯДОВ ВИДА 30007-648 42.65 KB
  Складываем сотни 8 пишем под сотнями складываем единицы тысяч 2 пишем под единицами тысяч Что общего заметили у остальных выражений в уменьшаемом отсутствуют единицы некоторых разрядов.
61627. Уравнения. Учимся решать уравнения 25.62 KB
  Этапы урока Деятельность учителя Деятельность учащихся Теоретическое обоснование Молодцы А теперь посмотрим на эту таблицу: d 5 4 3 2 1 D5 11D Ребята объясните как изменятся сумма при изменении одного из слагаемых.
61628. Рисуем и измеряем. Продолжаем знакомство 31 KB
  Найдите там задание обозначенное галочкой. Физминутка А теперь берём наши книжки и открываем страницу 46 смотрим на первое задание. На доске буду вывешены фигуры которые нарисованы в книжке эти же фигурки будут у каждого ребёнка на парте...
61630. Умножение многозначного числа на однозначное 18.44 KB
  Цель: учить находить способы определения значений произведений, в которых один множитель – однозначное число, а второй – многозначное.