69018

Статичні характеристики біполярних транзисторів

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Статичні характеристики біполярних транзисторів Вольтамперні характеристики БД Для розрахунку електричних ланцюгів що містять транзистори необхідно знати залежності між струмами і напругами на їх входах та виходах. Вхідна статична характеристика це залежність вхідного струму від...

Украинкский

2014-09-28

290 KB

23 чел.

8

9. Статичні характеристики біполярних транзисторів

  1.  Вольт-амперні характеристики БД

Для розрахунку електричних ланцюгів, що містять транзистори, необхідно знати залежності між струмами і напругами на їх входах та виходах.

Ці залежності є вольт-амперними характеристиками (ВАХ) транзистора. Вони можуть бути статичними і динамічними. Статичні характеристики визначаються при постійних напругах на електродах і за відсутності опору навантаження. Динамічні – при змінних напругах і за наявності опору навантаження.

Характеристики для різних схем підключення транзистора відрізняються.

Основними статичними характеристиками БТ є вхідні і вихідні.

Вхідна статична характеристика – це залежність вхідного струму від вхідної напруги , вихідна - залежність вихідного струму від вихідної напруги .

Полярності напруг на електродах залежать від типу структури транзистора (р-n-р або р-n-р). Незалежно від полярностей напруг графіки статичних характеристик найчастіше зображають у першому квадранті.

Статичні характеристики можуть бути розраховані, але частіше всього вони знімаються експериментально. Схему зняття ВАХ транзистора p-n-p зображено на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема зняття статичних характеристик БТ

  1.  Схеми підключення транзистора

Будь-який транзистор має три електроди, які утворюють вхідні і вихідні контури. При цьому один з електродів може бути спільним для вхідного і вихідного контура. В залежності від того, який з електродів буде спільним, розглядають три схеми підключення транзистора:

  •  зі спільною базою (СБ),
  •  зі спільним емітером (СЕ),
  •  зі спільним колектором (СК).

Транзистор з різним підключенням має різні параметри та ВАХ. Для їх знаходження транзистор розглядають як чотири полюсники (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Еквівалентна схема БТ

Порівнюють різні схеми підключення за двома параметрами:

- відношенням приросту вихідного струму ΔIвих до приросту вхідного струму ΔIвх

яке називають диференційним коефіцієнтом прямої передачі струму,

- відношенням приросту вхідної напруги ΔUвх до приросту вхідного струму ΔIвх,

яке називають вхідним опором.

  1.  
    Транзистор зі спільною базою

Схему підключення транзистора p-n-p в схемі зі СБ зображено на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схеми та структура БТ зі СБ:

а – схема електрична; б – схема еквівалентна; в – структура

Струм бази транзистора залежить від знака напруги UЕБ:

Вхідним струмом цієї схеми є струм IЕ, тому вона буде визначатися диференційним коефіцієнтом передачі струму емітера

Практичні значення коефіцієнту α лежать в межах 0,950,99.

Значення коефіцієнту α можна знайти за формулою

                                                                                              (9.1)

Для збільшення  α необхідно мати великий коефіцієнт інжекції емітера, малу товщину бази W і велику дифузійну довжину дірок в базі Lp, однак зі зменшенням товщини бази зменшується допустима напруга пробою.

Вхідний опір схеми зі СБ визначається за формулою

і оскільки , то вхідний опір транзистора зі СБ буде малим.

Низький вхідний опір схеми зі СБ є її суттєвим недоліком, оскільки він шунтує опір навантаження попереднього каскаду, що знижує його підсилення.

Схема зі СБ підсилює напругу і потужність.

Вихідні ВАХ

Вихідними ВАХ є залежності вихідного струму IК від вихідної напруги UКБ при постійному вхідному струмі IЕ

.

При підключенні БТ зі СБ струм колектора IК існує навіть при відсутності колекторної напруги UКБ, тому що частина дірок із бази потрапляють на колектор, утворюючи струм колектора IК. Якщо прикладати до колектора пряму напругу, то струм IК буде зменшуватись спочатку до нуля, а далі суттєво зростатиме. Це призводить до виходу транзистора з ладу. Тому пряма напруга на колекторі при підключенні зі СБ не повинна бути великою.

При зворотній напрузі UКБ колекторний струм від колекторної напруги залежить мало (рис.9.3), а буде визначатися струмом емітера IЕ. Тому вихідна характеристика БТ буде майже прямою лінією з невеликим нахилом до осі абсцис. Нахил пов’язан з ростом зворотнього струму колекторного переходу (IКБ0) і деяким збільшенням коефіцієнту переносу δ, визначеним зменшенням товщини бази.

Одна характеристика від іншої відрізняється вхідним струмом IЕ. Таким чином, вихідний струм IК визначається вхідним струмом IЕ і мало залежить від вихідної напруги UКБ.

Рис. 9.3. Вихідні ВАХ БТ зі СБ

Висновок: в схемі зі СБ струм IК мало залежить від напруги UКБ, а в основному визначається струмом IЕ., тобто, вихідний струм визначається значенням вхідного.

Температурний дрейф вихідних характеристик є невеликим(рис. 9.4.). Це пояснює залежність

IК=αIЕ+IКБ0,

Диференційний коефіцієнт передачі струму емітера α слабо залежить від температури. Зворотній струм колектора IКБ0 змінюється швидко з ростом температури, але він малий порівняно зі струмом IК і мало впливає на залежність вихідних характеристик від температури.

Рис. 9.5. Вплив температури на вихідні ВАХ БТ зі СБ

Висновок: малий температурний дрейф вихідних харатеристик транзистора в схемі зі СБ пояснюється слабкою залежністю коефіцієнту передачі струму емітера α від температури і відносно малим зворотнім струмом колектора IКБ0.

Вхідні ВАХ

Вхідними характеристиками транзистора у схемі зі СБ є залежності струму емітера IЕ від емітерної напруги UЕБ при постійних значеннях колекторної напруги

.

Для зняття цих характеристик змінюють пряму напругу UЕБ і вимірюють струм IЕ при постійних значеннях напруги UКБ.

Нижче всіх характеристик проходить характеристика при напрузі UКБ=0. Це пов’язано з тим, що при відсутності колекторної напруги струм емітера буде проходити через емітерний перехід і базу (рис. 9.6), оскільки колекторний перехід закритий (внутрішній опір джерела колекторної напруги дорівнює 0).

Рис. 9.5. Еквівалентна схема транзистора зі СБ при UКБ=0

Це означає, що вхідна характеристика схеми зі СБ при UКБ=0 аналогічна ВАХ p-n переходу діода (рис. 9.6.).

Рис. 9.6.Вхідні ВАХ БТ зі СБ:

а – германієвий транзистор; б – силіцієвий транзистор

Зміна напруги UКБ слабо впливає на струм IЕ, тому вхідні характеристики, зняті при UКБ≠0, майже збігаються.

При нульових і малих прямих і зворотніх напругах UЕБ емітерний перехід є закритим. При цьому буде існувати малий зворотній струм IЕБ0.

Температурний дрейф вхідних характеристик значний: з ростом температури при прямих напругах UЕБ струм IЕ збільшується і характеристики зміщуються вліво, при зворотніх напругах UЕБ зворотній струм IЕБ0 також збільшується.

Рис. 9.8. Вплив температури на вхідні ВАХ БТ зі СБ

Висновок: у схемі зі СБ температура найбільше впливає на вхідні характеристики.

Вхідні характеристики силіцієвих транзисторів зміщені від початку координат в бік прямих напург на 0,6...0,7 В(рис. 9.6.), германієвих – на 0,2 – 0,4 В.

  1.  Транзистор зі спільним емітером

Схему підключення p-n-p транзистора з СЕ наведено на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Схеми та структура БТ зі СЕ:

а – схема електрична; б – схема еквівалентна; в – структура

Струм бази транзистора залежить від знака напруги UЕБ:

Вхідним струмом цієї схеми є струм IБ, тому вона визначається диференційним коефіцієнтом передачі струму бази

,

Така схема підсилює струм і потужність.

Знайдемо зв’язок між коефіцієнтами передачі струму в схемі зі СЕ (β) і СБ (α).

Звідси

Тоді з формули (9.1) можна записати

Таким чином, коефіцієнт β збільшується зі зменшенням товщини бази w, однак при цьому зменшується допустима напруга колектора.

Вхідний опір транзистора зі СЕ визначається за формулою

і оскільки , то

що є перевагою схнм з СЕ.

До недоліків схеми зі СЕ відноситься низька, порівняно зі схемою зі СБ, температурна стабільність. Доведемо це.

Як відомо для схеми зі СБ

Iвих=h21Iвх+I0                        (9.2)

Ця формула дає звязок між вхідним і вихідним струмом транзистора для схеми зі СБ.

Знайдемо аналогічні вирази, що характеризують зв’язок вихідного струму IК з вхідним IБ для схеми зі СЕ.

Для цього запишемо вираз (9.2)  з урахуванням співвідношення

IК=αIК+IКБ                                            

Тоді

IК(1- α)= αIБ+ IКБ0

,

де позначено                                                                    (9.3)

При IБ=0 IК= IКБ0, тому струм IКЕ0 називають початковим колекторним струмом в схемі зі СЕ.

З формули (9.3) випливає, що при α = 0,95...0,99 струм IКЕ0 в десятки разів більший за струм IКБ0, тому він при температурній зміні  α зміниться більше, ніж IКБ0. Це зменшує температурну стабільність БТ з СЕ.

Вихідні ВАХ

Вихідні характеристики транзистора в схемі зі СЕ є залежністю струму колектора IК від вихідної напруги UКЕ при різних струмах бази IБ (рис. 9.10.).

Відомо, що струм IК буде визначатися не напругою UКЕ, а напругою на колекторному переході UКП (рис. 9.9 в).

UКП (БК)=UБЕ-UКЕ

При малих напругах UКЕ (до UКЕ< UБЕ) напруга UКП є виявляється прямою З ростом напруги UКЕ струм IК буде різко зростати. При UКЕ= UБЕ   UКП=0, перехід починає закриватися і при UКЕ>UБЕ напруга UКП стає зворотньою і ріст струму IК майже припиняється. Характеристики будуть йти більш полого (майже паралельно осі абсцис).

Рис. 9.10. Вихідні ВАХ БТ зі СЕ

Висновок: в схемі зі СЕ струм колектора IК в робочій області слабо залежить від колекторної напруги UКЕ, а в основному визначається струмом бази IБ. На відміну від електронних ламп транзистори управляються струмом.

У зв’язку з цим цікавою була б залежність струму колектора від струму бази , яка б дозволила відразу знаходити коефіцієнт підсилення транзистора за струмом. Ця характеристика рідко наводиться у довідниках, проте вона є наочною.

Завдання на самопідготовку: використовуючи відомі статичні характеристики транзистора в схемі зі СЕ, побудувати залежність  при UКЕ=const.

З ростом температури характеристики зміщуються вверх і збільшується їх нахил (рис. 9.11). Це змінює режим транзистора.

Рис. 9.11. Вплив температури на вихідні ВАХ БТ зі СЕ

Вхідні ВАХ

Це залежність . З ростом прямої напруги UБЕ струм бази буде збільшуватись за експоненційним законом.

Рис. 9.12. Вхідні ВАХ БТ зі СЕ

При напрузі UКЕ=0 колекторний перехід є відкритим і струм бази IБ буде проходити через два паралельно підключених переходи (КП і ЕП), що зменшує опір струму бази, тому характеристика, що відповідає напрузі UКЕ=0 проходить вище інших.

Запитання: чому при UКЕ0 вхідні характеристики транзистора проходять нижче, ніж при UКЕ=0 ?

Відповідь: з ростом напруги UКЕ

  •  збільшується ширина КП, а отже зменшується товщина бази, що зменшує вірогідність рекомбінації носіїв заряду в базі, а з нею і струм бази IБ;
  •  зростає струм IКБ0, який зменшує струм бази.

Найближча до характеристики UКЕ=0 на графіку (рис. 9.11) наведена характеристика для UКЕ (визначається з вихідних характеристик).

Характеристики, зняті при UКЕ>UКЕ проходять близько до характеристики UКЕ=UКЕ. Це повязано з малим впливом колекторної напруги на базовий струм. Тому в довідниках окрім характеристики при UКЕ=0 наводиться  характеристика  при UКЕ>UКЕ.

З ростом температури збільшується як прямий, так і зворотній струми бази (рис. 9.13).

Рис. 9.13. Вплив температури на вхідні ВАХ БТ зі СЕ

Висновок: температура на статичні характеристики в схемі зі СЕ має суттєвий вплив.

Транзистор зі спільним колектором

Схему з СК наведено на рис. 9.14. Тому схему ще називають емітерним повторювачем.

Рис. 9.14 Схема зі СК

Вхідним струмом схеми з СК є струм бази, а вихідним – струм емітера. Обидва вони проходять через емітер, який є спільним.

Диференційний коефіцієнт прямої передачі струму транзистора зі СК буде

В схемі зі СК значення коефіцієнту прямої предачі струму і вхідного опору порівняно великі. Ця схема, головним чином, застосовується для узгодження опорів між окремими каскадами підсилювача або між виходом підсилювача і низькоомним навантаженням.

PAGE  1


UКБ
=0

UКБ≠0

UЕБ, В

б

UЕБ, В

а

IЕ, мA

IЕ, мA

UКБ

UЕБ

-

+

Е

Б

20°С

20°С

70°С

70°С

IЕ

IЕ′′

UКБ

IЕ=0

IК

IЕ′′

IЕ′′′

IЕ′′′′

IЕ′′′′′

UКБ пр, В пряма

UКБ звор , В звор.

   IК

mA

- IКБ0  при зворотній напрузі UЕБ

(1-α)IЕ- IКБ0при прямій напрузі UЕБ

IБ={

UКБ=0

UКБ≠0

Uвих

Uвх

Iвих

Iвх

+EКЕ

-EКЕ

mA

mV

IК0

IЕБ0

+EБЕ

-EБЕ

μA

0,6-0,7

IЕ

UЕБ

+80°C

+5°C

-20°C

- IКБ0  при зворотній напрузі UЕБ

(1-α)IЕ- IКБ0при прямій напрузі UЕБ

IБ={

IБ<0

IБ′′=0

IБ′′′

IБ′′′′

IБ′′′′′′

IБ′′′′′

IК0

IК

UКЕ

КП відкр.

КП закр.

IК

UКЕ

IБ1

IБ2

IБ1

IБ2

20°С

60°С

IБЕ0

UКЕ=0

UКЕ≠0

UБЕ

UБЕ

UКЕ

 V

IБ

20°С

IБ

50°С

-IЕБ0

IЕ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9558. Упражнения для тренировки речевого дыхания 15.59 KB
  Упражнения для тренировки речевого дыхания Для речи обычного физиологического дыхания не хватает. Речь и чтение вслух требуют большего количества воздуха, постоянного дыхательного запаса, экономного расходования его и своевременного возобновления. В...
9559. Строение и функции голосового отдела речевого аппарата 12.62 KB
  Строение и функции голосового отдела речевого аппарата. Речевой аппарат состоит из двух отделов: центрального и периферического. К центральному отделу относиться головной мозг с его корой подкорковых узлами, проводящими путями и ядрами соответствующ...
9560. Механизм голосообразования 12.87 KB
  Механизм голосообразования Голос - это совокупность разнообразных по своим характеристикам звуков, возникающих в результате колебания эластических голосовых складок. Звук голоса - колебания частиц воздуха, распространяющихся в виде волн сгущения и р...
9561. Особенности произношения имен и отчеств 118.56 KB
  Особенности произношения имен и отчеств Сочетание имени и отчества употребляется в различных ситуациях как в письменной,так и устной речи.Многие русские имена и отчества имеют варианты произношения,которые желательно учитывать в то...
9562. Способы подачи голоса (Атака звука) 26.5 KB
  Способы подачи голоса (Атака звука). Большое значение для качества голоса имеет способ его подачи - атака звука. Различают три вида атаки: твердую, мягкую и придыхательную. Твердая атака - голосовая щель плотно замыкается перед началом звука...
9563. Интонация как сложное акустическое явление 14.5 KB
  Интонация как сложное акустическое явление Интонация – сложное явление. Она включает в себя четыре акустических компонента: тон голоса, интенсивность или силу звучания, его длительность и тембр. Тон голоса - высота гласных, сонорных и звон...
9564. Логическая пауза и логическое ударение 17.55 KB
  Логическая пауза и логическое ударение. Каждое предложение звучащей речи делится по смыслу на части, состоящие из нескольких слов или даже из одного слова. Такие смысловые группы внутри предложения называются речевыми тактами, или синтагмами (речевы...
9565. Национальная Экономика 74 KB
  Национальная Экономика. Национальная Экономика- это сложная взаимосвязанная система, охватывающая весь социально- экономический комплекс страны на региональном и национальном уровнях. Для характеристики национальной экономики используется функ...
9566. Макроэкономическое равновесие. Совокупный спрос и факторы его определяющие 68.5 KB
  Макроэкономическое равновесие. Совокупный спрос и факторы его определяющие. Совокупный спрос представляет собой сумму всех расходов на конечные товары и услуги, произведенные в экономике. Отражает связь между объемом совокупного выпуска, на который...