Характеристики БТ

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт - амперными характеристиками (ВАХ). Очевидно, что ВАХ прямо смещенного эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а ВАХ обратно смещенного коллекторного перехода – при обратном токе. Однако прежде, чем рассматривать их закономерности, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор – «токовый» прибор, т.к. основные процессы определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора связаны друг с другом функционально, то для полной характеристики БТ необходимо иметь не отдельные характеристики, а их семейства - семейства входных и выходных ВАХ. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ БТ.

Различают три схемы включения БТ: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В этих схемах один из электродов является общей точкой входа и выхода схемы. Во избежание ошибок при этом необходимо помнить, что под входом и выходом понимают точки, между которыми действуют входные и выходные переменные напряжения. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению. Подразделять схемы по тому, какой электрод является общей точкой входной и выходной цепей, также не следует, т.к. в одной из схем эти цепи совмещены в одну цепь и все ее точки являются общими.

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эта схема, изображенная на рис. 5.3, является наиболее распространенной, т.к. обладает наибольшим усилением по мощности, поэтому ее необходимо рассмотреть наиболее подробно. Схема характеризуется следующими параметрами.

Коэффициент усиления по току k_i представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменных токов:

k_i = I_{m ВЫХ} / I_{m ВХ} = I_{m K} / I_{m Б} . (5.12)

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то k_i составляет десятки единиц.

Усилительные свойства характеризуются статическим коэффициентом усиления по току (или коэффициентом передачи тока), обозначаемым b. Поскольку он должен характеризовать только свойство самого транзистора, то его определяют в режиме без нагрузки (R_Н = 0), т.е. при постоянном напряжении U_КЭ:

b = Di_К / Di_Б, при u_КЭ = const. (5.13)

Коэффициент b имеет порядок десятков и даже сотен, а реальный коэффициент усиления по току k_i всегда меньше b, т.к. при включении нагрузки R_Н ток i_к уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению k_u равен отношению амплитудных (или действующих) значений выходного и входного переменных напряжений:

k_u = U_{m ВЫХ} / U_{m ВХ} = U_{m КЭ} / U_{m БЭ}. (5.14)

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжения источника Е_КЭ достигает единиц вольт и больше. Поэтому k_u имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности k_Р получается равным сотням, тысячам или даже десяткам тысяч. Он представляет собой отношение выходной мощности к входной:

k_Р = Р_ВЫХ / Р_ВХ = I_{m ВЫХ} U_{m ВЫХ} / (I_{m ВХ} U_{m ВХ}) = k_i k_u. (5.15)

Важной величиной, характеризующей транзистор, является его входное сопротивление R_ВХ:

R_ВХ = U_{m ВХ} / I_{m ВХ} = U_{m БЭ} / I_{m Б}, (5.16)

которое составляет от сотен Ом до единиц кОм. Это вытекает из того, что при U_{m БЭ} , равном десятым долям вольта, базовый ток транзисторов малой и средней мощностей может быть до десятых долей мА.

На рис. 5.3,б приведены входные характеристики i_Б = f (u_БЭ) при постоянных значениях выходных напряжениях. При
U_КЭ = 0 характеристики исходят из начала координат, т.к. если все напряжения равны нулю, то и ток равен нулю.

То, что U_КЭ = 0 эквивалентно замыканию накоротко эмиттера и коллектора. При увеличении напряжения u_БЭ оба перехода прямо смещаются, и ток базы становится равным сумме токов коллекторного и эмиттерного переходов (рис. 5.3,а).

По мере увеличения u_БЭ ток базы увеличивается, характеристика при этом аналогична характеристике для прямого тока транзистора.

При u_КЭ > 0 характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых значениях u_БЭ становится отрицательным. Это объясняет рис. 5.4,б, на котором показана схема при u_БЭ = 0. При этом источник U_КЭ кроме начального тока эмиттера i_ЭН создает в цепи базы ток i_{Б ОБР} с обратным направлением. Ток коллектора формирует эти два тока:
i_{К Н} = i_{Э Н} + i_{Б ОБР}.

Если теперь включить источник u_БЭ и постепенно увеличивать его напряжение, то он будет действовать в цепи базы навстречу U_КЭ.

Поэтому ток i_{Б ОБР} уменьшается и при некотором значении u_БЭ, когда действия U_БЭ и U_КЭ уравновесятся, станет равным нулю.

А при дальнейшем увеличении напряжения U_БЭ он изменяет направление и становится составляющим тока эмиттера.

Уменьшение тока базы при повышении U_КЭ происходит еще и вследствие явления модуляции толщины базы. Чем выше U_КЭ, тем больше напряжение на коллекторном переходе. А толщина базы пропорционально уменьшается. При этом рекомбинация в базе снижается, следовательно, несколько увеличивается i_К и уменьшается i_Б. Однако изменение напряжения u_КЭ мало влияет на ток i_Б, поэтому все входные характеристики близко расположены друг к другу и в справочниках обычно приводится одна – чаще при U_КЭ = 0.

На рис. 5.3,в приведено семейство выходных характеристик
i_К = f (u_КЭ) при различных постоянных значениях тока базы i_Б = const. Первая ветвь для i_Б = 0 выходит из начала координат, соответствует разомкнутой цепи базы и аналогичны обратной ветви тока диода, но изображенной в первой четверти координатной плоскости. При этом через транзистор от эмиттера к коллектору протекает сквозной ток I_{К 0}^*. При увеличении значений тока базы характеристики располагаются выше. Увеличение тока i_Б означает. Что за счет повышения напряжения U_БЭ соответственно увеличивается ток эмиттера, частью которого является ток базы i_Б. Следовательно, пропорционально возрастает и ток коллектора.

Выходные характеристики показывают. Что при увеличении U_КЭ от нуля до небольших значений (порядка десятых долей вольта) ток коллектора i_К резко возрастает, а дальнейшее его увеличение уже оказывает сравнительно малое влияние на ток i_К, и характеристики имеют более пологий вид. При повышении напряжения u_КЭ вследствие уменьшения толщины базы уменьшается ток базы, а т.к. характеристики снимаются при условии i_Б = const, то для поддержания его прежнего значения необходимо увеличивать напряжение u_БЭ. За счет этого несколько возрастает i_Э, а следовательно, и ток коллектора. При увеличении u_КЭ увеличивается и та его часть, которая приложена в виде прямого напряжения к эмиттерному переходу. В результате также возрастают токи i_Э и i_К.

Характеристики показывают, что чем больше токи i_К, тем раньше, т.е. при меньших значениях u_КЭ, наступает электрический пробой.

Рассмотрим вопрос усиления с помощью транзистора и сдвига фазы выходного напряжения на 180° относительно входного. На рис. 5.5, а изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е₁, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а, следовательно, входное сопротивление получается сравнительно небольшим. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е₂. В эту цепь включена нагрузка R_Н, с которой снимается усиленное выходное напряжение. Работа каскада происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы
(рис. 5.5,б). Напряжение источника Е₂ делится между сопротивлением нагрузки R_Н и внутренним сопротивлением транзистора r₀, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление в основном определяется сопротивлением коллекторного перехода r_{К 0} для постоянного тока. В действительности к сопротивлению r_{К 0} еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода и n- и р-областей, но этими незначительно малыми сопротивлениями можно пренебречь.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Это вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода r_{К 0} постоянному току. Тогда напряжение источника Е₂ будет распределяться между R_Н и r_{К 0}. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е₂.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада на числовом примере. Пусть питающие напряжения равны
Е₁ = 0,2 В и Е₂ = 12 В, сопротивление нагрузки R_Н = 4 кОм, сопротивление транзистора при отсутствии колебаний на входе также равно r₀ = 4 кОм, т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет
i_K = E₂ / (R_Н + r₀) = 12 : 8 =
= 1,5 mA.

Напряжение Е₂ разделится пополам, и напряжения на R_Н и на r₀ будут по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает на до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создает на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5 × 4 = 10 В, а падение напряжения на сопротивлении r₀ транзистора уменьшится до 12 – 10 = 2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2 : 2,5 = 0,8 кОм. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – 0,1 В, произойдет обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет рано 0,2 – 0,1 = 0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшаются до 0,5 мА. На резисторе R_Н падение напряжения уменьшится до 0,5 × 4 = 2 В, а на сопротивлении r₀ оно возрастет до 10 В; следовательно. Это сопротивление увеличилось до 10 : 0,5 = 20 кОм. Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления r₀ от 0,8 до 20 кОм, при этом размах напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе составляет 8 В (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения. Этот числовой пример является приближенным, т.к. в действительности зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны на временных диаграммах, на рис. 5.6. Этим графикам соответствуют следующие уравнения. Входное напряжение
u_ВХ = U_{m ВХ} sin wt; напряжение на участке база – эмиттер
u_БЭ = U_{БЭ 0} + U_{m БЭ} sin wt, где U_{m БЭ} = U_{m ВХ}; ток коллектора
i_K = I_{K 0} + I_{m K} sin wt. Аналогично выражается напряжение на нагрузке:
u_R = U_{R 0} + U_{m R} sin wt, где U_{m R} = U_{m ВЫХ} = U_{m КЭ} = I_{m K}R_Н и U_{R 0} = I_{K 0}R_Н. Напряжение на выходе u_ВЫХ = u_КЭ = U_{КЭ 0} - U_{m КЭ} sin wt, где U_{КЭ 0} = Е₂ - U_{R 0}.

Каскад по схеме с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжениями имеется фазовый сдвиг 180°. Для доказательства необходимо рассмотреть работу схемы на рис. 5.5. На нем знаки постоянных потенциалов указаны в кружках для отличия от знаков переменных потенциалов. От постоянного тока коллектора на резисторе нагрузки получается падение напряжения со знаком «минус» на верхнем по схеме конце. Пусть на вход транзистора (на базу) поступает положительная волна напряжения, как показано на
рис. 5.5. Это напряжение складывается с напряжением Е₁, и напряжение на эмиттерном переходе U_БЭ увеличивается. В результате возрастает ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора. Тогда увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т.е. дополнительно к постоянному напряжению на R_Н появляется еще и переменное напряжение с той же полярностью. Таким образом, на выходе получается отрицательная полуволна переменного напряжения.

Достоинством схемы ОЭ является удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатками данной схемы по сравнению со схемой ОБ являются худшие частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ значительно зависит от температуры. Вопросы частотной и температурной зависимостей будут рассмотрены ниже.

Схема с общей базой (ОБ)

Хотя эта схема (рис. 5.7) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же она находит применение, т.к. по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ.

Схема с ОБ характеризуется следующими параметрами.

Коэффициент усиления по току:

k_i = I _{m К} / I _{m Э} » 1, (5.17)

т.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы с ОБ обозначается a и определяется для режима без нагрузки (R_Н = 0), т.е. при постоянстве напряжения коллектор – база:

a = Di _К / Di _Э при u_{К Б} = const. (5.18)

Коэффициент a всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току k_i для каскада с ОБ всегда немного меньше, т.к. при включении R_Н ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

k_u = U_{m КБ} / U_{m ЭБ}, (5.19)

он получается таким же, как и в схеме с ОЭ, т.е. составляет десятки и сотни.

Действительно, если в схемах с ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то ток коллектора будет практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также получаютяс одинаковыми. Поскольку коэффициент усиления по мощности k_Р равен произведению:

k_Р = k_i k_u, (5.20)
а k_i »1, то k_p примерно равен k_u, т.е. составляет десятки и сотни.

Входное сопротивление для схемы с ОБ:

R_ВХ = U_{m ЭБ} / I_{m Э}, (5.21)
оно получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ. Это видно из того, что ток I_{m Э} в десятки раз больше тока I_{m Б}, входное сопротивление для схемы с ОБ получается равным всего лишь десяткам, а у более мощных транзисторов даже единицам ом. Такое малое сопротивление является существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление получается до сотен килоом.

Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями отсутствует, т.е.е фаза напряжения при усилении не изменяется. На рис. 5.7,б показана полярность отрицательной полуволны входного напряжения, под влиянием которой возрастают токи i_Э и i_К и увеличивается радение напряжения на резисторе нагрузки, т.е. отрицательная полуволна выходного напряжения.

Следует отметить, что каскад по схеме с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме с ОЭ.

Входными характеристиками БТ, включенного по схеме с ОБ является зависимость i _Э = f (u_ЭБ) при u_КБ = const, обратите внимание, что они аналогичны характеристикам для прямого тока диода, поскольку ток эмиттера является именно таким током (рис. 5.7,а). При u _КБ = 0 характеристика идет из начала координат. А при u_КБ > 0 характеристика проходит немного выше, т.е. возникает ток эмиттера, и при u _ЭБ = 0 протекает небольшой начальный ток i_{Э Н}. Условие u _ЭБ = 0 соответствует короткому замыканию эмиттера и базы. Характеристики для различных u_КБ расположены очень близко друг к другу, и в справочниках обычно приводится только одна характеристика для некоторого значения u_КБ. Малое влияние напряжения u_КБ на ток эмиттера объясняется тем, что поле, создаваемое напряжением u_КБ, сосредоточено в коллекторном переходе. Но все же с увеличением u_КБ ток эмиттера несколько возрастает, что объясняется влиянием поперечного сопротивления базы.

Из схемы на рис. 5.7 б видно, что при U_БЭ = u_ЭБ = 0 обратный ток базы i_{Б ОБР} создает на сопротивлении r_б0 некоторое напряжение, которое является прямым для эмиттерного перехода. Поэтому возникает ток i_{Э Н}, и, как видно из рис. 5.7 б, i_{Э Н} + i_{Б ОБР} = i_{К Н}. С увеличением u_КБ несколько увеличивается ток i_{Б ОБР}, следовательно возрастают напряжение на r_б0 и ток i_{Э Н}. Если же от источника U_БЭ подано такое напряжение, что ток i_Б изменит свое направление, то он будет, как обычно, составлять часть тока эмиттера (рис. 5.7 а). В этом случае на сопротивлении r_б0 ток i_Б создает напряжение, которое действует навстречу напряжению U_БЭ, т.е. уменьшает u_ЭБ. С увеличением u_КБ уменьшается толщина базы, а вследствие этого уменьшаются ток i_Б и напряжение на сопротивлении r_б0. В результате возрастает напряжение u_ЭБ и ток эмиттера также растет.

На рис. 5.8,а приведено семейство выходных характеристик
i_К = f (u_КБ) при i_Э = const для различных его значений. При i_Э = 0 характеристика проходит через начало координат, т.к. при i_Э = 0 и u_КБ = 0 ток коллектора i_К = 0. Эта характеристика является характеристикой обычного p-n перехода. Условие i_Э = 0 соответствует разомкнутой цепи эмиттера, а это означает, что включен только коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. В этом случае протекает начальный ток i_{К 0}.

При некотором значении u_КБ начинается электрический пробой коллекторного перехода и ток коллектора резко возрастает.

Выходные характеристики для различных значений i_Э представляют собой практически прямые линии, имеющие небольшой наклон, что означает малое влияние напряжения u_КБ на ток коллектора. Действительно, для увеличения тока i_К необходимо увеличить ток эмиттера, чтобы из эмиттера в базу инжектировалось больше носителей. Но если i_Э = const, то при возрастании u_КБ коллекторный ток увеличивается главным образом за счет за счет уменьшения толщины базы, в результате чего в базе снижается рекомбинация инжектированных носителей с основными носителями базы. Следовательно, большее количество инжектированных носителей достигает коллектора, ток i_К увеличивается, а ток базы уменьшается.

Особенностью выходных характеристик является то, что при u_КБ = 0 и при i_Э > 0 ток коллектора имеет довольно большое значение – почти такой же, как и при u_КБ > 0. Это объясняется тем, что благодаря сопротивлению базы r_б0 в данном случае на коллекторном переходе имеется некоторое напряжение. Оно представляет собой напряжение, созданное на r_б0 током базы (рис. 5.8,б). У многих транзисторов выходные характеристики имеют вид прямых линий начиная от u_КБ = 0. Зависимость между токами i_К и i_Э является почти линейной. Поэтому выходные характеристики при одинаковом изменении тока i_Э располагают на одинаковом расстоянии друг от друга. Чем больше токи, тем быстрее, т.е. при более низких значениях u_КБ, происходит электрический пробой.

На рис. 5.8,а штриховыми линиями показано, что при перемене знака напряжения u_КБ уже при небольших его значениях ток коллектора резко уменьшается, а затем изменяет свое направление и быстро возрастает. Такое явление объясняется тем, что при этом напряжение u_КБ будет являться прямым для коллекторного перехода. При увеличении его значения на десятые доли вольта сначала компенсируется то небольшое напряжение, которое создано за счет падения напряжения от тока i_Б на сопротивлении базы. Затем напряжение на коллекторном переходе становится прямым и ток i_К резко возрастает в обратном направлении.

Достоинства схемы с ОБ:обладает меньшими искажениями, меньшей частотной и температурной зависимостью по сравнению со схемой с ОЭ. Недостаток: обладает очень малым значением входного сопротивления.

Схема с общим коллектором (ОК)

В этой схеме, приведенной на рис. 5.9, коллектор является общей точкой входа и выхода. Особенность этой схемы в том, что выходное напряжение полностью передается на вход в фазе с входным, т.е. присутствует глубокая положительная обратная связь.

Из схемы не трудно увидеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер и выходного напряжения:

u _ВХ = u _бэ + u _ВЫХ. (5.22)

Характеристики, присущие схеме с ОК:

1) коэффициент усиления по току:

k_i = I_{m э} / I_{m б}= ( I_{m к} + I_{m б} ) / I_{m б}=I_{m к} / I_{m б}+ 1, (5.23)

составляет несколько десятков;

2) коэффициент усиления по напряжению:

k _u =U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m вых} / (U_{m бэ}+ U_{m вых}), (5.24)

составляет k _u » 1 (но всегда меньше единицы), т.к. U_{m бэ} равно не более десятых долей вольта, U_{m вых} – единицы вольт и U_{m бэ}<<U_{m вых}. Необходимо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, но каскад в целом не дает усиления. Поскольку фаза выходного напряжения совпадает по фазе с входным и усиление по напряжению отсутствует, то схему с ОК еще называют эмиттерным повторителем (R_н включается в цепь эмиттера);

3) коэффициент усиления по мощности

k _p= k _i k _u » k _i , (5.25)

т.к. k _u » 1, то k _p составляет несколько десятков.

4) входное сопротивление

R _вх = (U_{m бэ} + U_{m вых}) / I_{m б}, (5.26)

составляет десятки килоом. Отношение U_{m бэ} / I_{m б} есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое достигает единиц колоом. А так как U_{m вых} в десятки раз больше U_{m бэ}, то R_вх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим и обычно составляет единицы килоом или сотни ом.

Достоинством схемы ОК является высокое входное сопротивление.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между u_ВЫХ и u_ВХ нет. Пусть, например, в данный момент. Подается положительная полуволна u_ВХ, как показано на рис. 5.9. Тогда увеличивается напряжение u_БЭ и возрастает ток эмиттера, который увеличит падение напряжения на резисторе нагрузки. Следовательно, на выходе получится положительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно и называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в цепь эмиттера (по отношению к корпусу).

Сравнительный анализ различных схем включения БТ

Сравнительный анализ важнейших свойств трех схем включения биполярных транзисторов для удобства сведен в таблицу

Таблица 1