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

35398. Програмування арифметичних дій 43.5 KB
  Мета: Навчитися резервувати і ініціалізувати память під програми на асемблері.
35399. Тема: Програмування арифметичних дій множення і розподіл. 53.5 KB
  Індивідуальне завдання Скласти програму яка знайде приватне чисел 99 і 9. Множення двійкових чисел без знаку. Для множення чисел без знаку призначена команда mul сомножитель_1 Розташування операндів і результату при множенні. Перший співмножник Другий співмножник Результат Байт L 16 бітів в АХ: L молодша частина результату; АН старша частина результату Слово АХ 32 біти в парі DX:X: АХ молодша частина результату; DX старша частина результату Подвійне слово ЕАХ 64 біти в парі EDX:EX: ЕАХ молодша частина результату; EDX ...
35401. Тема: Програмування арифметичних виразів. 443 KB
  Розташування операндів і результату при множенні. Перший співмножник Другий співмножник Результат Байт L 16 бітів в АХ: L молодша частина результату; АН старша частина результату Слово АХ 32 біти в парі DX:X: АХ молодша частина результату; DX старша частина результату Подвійне слово ЕАХ 64 біти в парі EDX:EX: ЕАХ молодша частина результату; EDX старша частина результату Розподіл чисел із знаком і помилки що виникають в результаті розподіли Для розподілу чисел із знаком призначена команда idiv дільник Для цієї команди...
35403. СОЦИАЛЬНЫЕ И ЛИЧНОСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЖЕНЩИН, ПЛАНИРУЮЩИХ ПРЕРЫВАНИЕ БЕРЕМЕННОСТИ 519.5 KB
  Проблема абортов стоит на особом месте в нашей стране, в связи с социально-демографическими условиями. Эффективность мер принимаемых государством по охране репродуктивного здоровья женщин и здоровья населения в целом оценивается с учетом динамики, количества проведенных абортов.
35404. Теоретическая механика, краткий курс 8.07 MB
  В теоретической механике изучается одна из форм движения материи – механическое движение, состоящее в том, что тело с течением времени изменяет свое положение в пространстве по отношению к другим телам. Механическим называют тот вид взаимодействия тел, в результате которого происходит изменение их движения или изменение их формы (деформация).
35406. Тема: Управління процесом завантаження ОС. 85.5 KB
  Мета: Навчитися створювати завантажувальну дискету різними способами; навчитися використовувати її у разі аварійної ситуації в роботі ПК. Використовуючи можливості Windows створіть системну дискету для аварійного завантаження ПК у разі неполадок в її роботі. Які файли при цьому скопіюються на дискету Створіть завантажувальну системну дискету командою formt з командного рядка MS – DOS. Які файли при цьому скопіюються на дискету formt[ :] [ q] [ fs файловая_система] Тип файловой системы которая будет создана на диске: FT...