ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 3 страница

Схема с ОБ.

Для малых изменений напряжений и токов транзистора в активном режиме (прямое смещение эмиттерного и обратное коллекторного переходов), применяется эквивалентная схема построенная на основе модели Молла-Эберса с учётом свойств реального транзистора.

Отличия от модели Молла-Эберса.

1)_Исключён генератор тока α_I · I₂ и коллекторный диод, т.к. коллекторный переход может быть смещён только в обратном направлении(нет инжекции из коллектора в базу). 2)_Эмиттерный и коллекторный диоды заменёны их дифференциальными сопротивлениями r_э и r_к - соответственно. 3)_Учтены объёмное сопротивление области базы , а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов С_э и С_к - соответственно. Так как степень легирования коллекторной и эмиттерной областей на несколько порядков выше, чем у базы, объёмными сопротивлениями областей эмиттера и коллектора пренебрегаем по сравнению с объёмным сопротивлением базы. 4)_Учтён эффект модуляции толщины базы, включением последовательно с эмиттерным переходом генератора напряжения μ_эк·U_кб , отражающим влияние изменения коллекторного напряжения на эмиттерное напряжение.

При работе транзистора на высоких частотах, из-за инерционности процесса диффузии заряда в базе, коллекторный ток отстаёт по фазе от эмиттерного. Поэтому коэффициент передачи эмиттерного тока в общем случае является комплексной величиной , где - модуль коеффициента передачи тока эмиттере, а - фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. - коэффициент передачи на низкой частоте (500Гц).

Параметры эквивалентной схемы.

Сопротивление эмиттерного перехода может быть определено дифференцированием выражения эмиттерного тока из модели Молла-Эберса. , при условиях: , , . - напряжение на эмиттерном переходе между точками Э и Б’.

Сопротивление коллекторного перехода обусловлено эффектом модуляции толщины базы . Считая, что весь коллекторный переход сосредоточен в области базы , где - ширина коллекторного перехода, можно определить

. Например при: -для германия, получим .

Существенно, что как r_э , так и r_к обратно пропорциональны току эмиттера.

С учётом сопротивления r_к ток коллектора можно представить в виде:

Коэффициент обратной связи по напряжению можно определить исходя из линейности

распределения инжектированного в базу заряда. Т.к. , а также учитывая, что . Дифференцируя p по U=U_эб’, получим . Приравнивая и подставляя , получим . При приведённых выше, значениях параметров для определения r_к , . Знак (-) означает, что изменение коллекторного напряжения противодействует изменению эмиттерного напряжения.

Схема с ОЭ.

Здесь сопротивление в 1+β раз меньше сопротивления r_к , а ёмкость в 1+β раз больше ёмкости С_к в схеме с общим эмиттером.

Так как коэфффициент передачи тока в общем случае является комплексной функцией частоты, то и величины r_к и С_к также зависят от частоты, однако для относительно медленных изменений входного напряжения (тока), этой зависимостью можно пренебречь.

Поскольку внутренняя точка базы недоступна для измерения параметров транзистора, их измеряют на выводах транзистора, представляя его как линейный четырёхполюсник. В справочной литературе как правило приводятся статические h – параметры.

Малосигнальные статические h-параметры транзисторов.

Параметры транзистора, рассматриваемого как линейный четырёхполюсник, для каждой из трёх схем включения могут быть определены по ВАХ. Наибольшее распространение имеют h-параметры для схемы с ОБ и ОЭ.

Для схемы с общей базой.

Входное сопротивление транзистора:

, при .

Коэффициент обратной связи по напряжению:

, при .

Коэффициент прямой передачи по току:

, при .

Выходная проводимость транзистора:

, при .

Аналогично для схемы с общим эмиттером.

Входное сопротивление транзистора:

, при .

Коэффициент обратной связи по напряжению:

, при .

Коэффициент прямой передачи по току

, при .

Выходная проводимость транзистора

, при .

Сравнительная оценка h-параметров для схем с ОБ и ОЭ

Так как в разных схемах включения транзистора токи эмиттера, коллектора и базы, а также напряжения связаны между собой, то можно определить связь между

h-параметрами для схем с ОБ и ОЭ.

Параметры эквивалентной схемы можно выразить через h – параметры:

ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ УСИЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ С МАЛОЙ АМПЛИТУДОЙ.

Схема с ОБ.

Определяем коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности и входное сопротивление по отношению к источнику сигнала . При этом считаем, что частота (спектр) входного сигнала достаточно низкая, чтобы можно было пренебречь ёмкостным сопротивлением коллекторного перехода, а также зависимостью коэффициента передачи тока от частоты. Считаем также .

Пусть , тогда полный ток эмиттера , где ,

а - входное сопротивление усилителя переменному току. Полагая, что амплитуды достаточно малы, их можно заменить приращениями, тогда .

Тогда амплитуда тока эмиттера или . Первое слагаемое есть падение переменной составляющей напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, а второе – переменная составляющая входного напряжения усилителя .

Полное напряжение или учитывая, что

. Или . Первые три слагаемых правой части есть постоянная составляющая напряжения , а последнее его переменная составляющая с амплитудой , где -полное сопротивление нагрузки с учётом дифференциального сопротивления коллекторного перехода.

Коэффициент усиления по напряжению: .

Сопротивлением r_к можно пренебречь, если R_н<<r_к тогда . Заметим, что выходное колебание совпадает по фазе с входным, т.е. схема с ОБ не меняет фазы входного колебания.

Амплитуда коллекторного(выходного) тока

Коэффициент усиления по току: , при .

Фаза выходного тока совпадает с фазой входного.

Коэффициент усиления по мощности: .

Схема с ОЭ.

При тех же условиях, что и для схемы с ОБ, определим для переменных составляющих схемы с ОЭ входное сопротивление и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Пусть , тогда полный ток базы , где ,

а - входное сопротивление усилителя переменному току. Полагая, что амплитуды достаточно малы, их можно заменить приращениями, тогда .

Следовательно - схема с ОЭ меньше нагружает источник сигнала.

Тогда амплитуда тока базы или . Первое слагаемое есть падение переменной составляющей напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, а второе – переменная составляющая входного напряжения усилителя .

Полное напряжение или учитывая, что

. Или

Первые три слагаемых правой части есть постоянная составляющая напряжения , а последнее, его переменная составляющая с амплитудой , где -полное сопротивление нагрузки с учётом дифференциального сопротивления коллектора .

Коэффициент усиления по напряжению:

.

Т.к. , то в схеме с ОЭ пренебрегать сопротивлением по отношению к удаётся значительно реже, чем в схеме с ОБ.

Амплитуда коллекторного(выходного) тока .

Коэффициент усиления по току: .

Коэффициент усиления по мощности:

.

Схема с общим коллектором ОК.

Входное сопротивление усилителя:

Коэффициент усиления по току:

.

Коэффициент передачи по напряжению:

.

Коэффициент усиления по мощности: .

Сравнительная оценка трёх схем включения транзистора:

ОБ
ОЭ
ОК

Частотные свойства биполярных транзисторов:

Вследствие инерционности процессов диффузии носителей заряда в базе, при работе транзистора на высоких частотах, коллекторный ток отстаёт по фазе от эмиттерного тока. Тогда на высоких частотах

коэффициент передачи тока является комплексной величиной и может быть представлен в виде: , где -модуль коэффициента передачи тока, а - фазовый сдвиг между коллекторным током и током эмиттера.

Граничной частотой транзистора называется такая частота ω = ω_α , при которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера , где - коэффициент передачи при постоянном токе или на очень низких часотах (обычно до 500Гц).

Граничная частота определяется выражением ,где w_б - ширина базы, а

D – коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в базе транзистора соответствующей проводимости (D_p – для p – n – p или D_n – для n – p – n транзистора) .

Коэффициент передачи тока базы зависит от частоты значительно сильнее, чем .

Так как ток , для низких частот фазы всех токов совпадают.

С повышением частоты ток коллектора начинает отставать от тока эмиттера.

Отсюда видно, что небольшой сдвиг по фазе между током коллектора и эмттера приводит к существенному возрастанию тока базы, даже если модуль тока коллектора уменьшается незначительно. Поэтому модуль коэффициента спадает с ростом частоты значительно быстрее, чем . Здесь - граничная частота коэффицента передачи тока базы, - коэффициент передачи на постоянном токе.

Величина называется площадью усиления транзистора и не зависит от схемы включения (ОБ или ОЭ).

При частотах , тогда произведение есть величина постоянная. Частота, на которой называется предельной частотой усиления тока и именно этот параметр чаще всего приводится в справочной литературе как .

Переходная характеристика транзистора может быть получена обратным преобразованием Фурье от . Если ток эмиттера представляет собой единичный перепад в момент времени t = 0,то в первом приближении ток коллектора будет нарастать по экспоненте с постянной времени . Более точные исследования показывают, что ток коллектора задержан по отношению к току

эмиттера на время , где - время диффузии заряда в базе.

Влияние ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов на частотные свойства транзистора.

Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода значительно больше суммарной барьерной и диффузионной ёмкости коллекторного перехода. Однако, так как параллельно эмиттерной ёмкостивключено довольно низкое дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода , её влияние на частотные свойства транзистора сводится в основном к шунтированию источника входного сигнала (см. эквивалентную схему реального транзистора). Так как для заряда этой ёмкости требуется время инжекция инжекция из эмиттера в базу происходит с задержкой. Поэтому эмиттерная ёмкость вносит дополнительную задержку коллекторного тока. При малом внутреннем сопротивлении источника входного сигнала влиянием этой ёмкости можно пренебречь.

Значительно большее влияние на частотные свойства транзистора оказывает коллекторная ёмкость, т.к. во первых: часть тока ответвляется в эту ёмкость минуя электрод коллектора (см. эквивалентную схему реального транзистора). Следовательно .

Во вторых: часть выходного напряжения через эту ёмкость и сопротивление попадает на вход транзистора, обусловливая нежелательную обратную связь. Влияние коллекторной ёмкости принято учитывать постоянной времени цепи базы .

Очевидно, что для улчшения частотных свойств транзистора необходимо уменьшать . Пояснить!!!

Импульсный режим работы биполярного транзистора (Транзисторный ключ):

Транзисторный ключ это устройство для замыкания и размыкания электрических цепей. Чаще всего в импульсной и цифровой технике используется транзисторный ключ с общим эмиттером. В отличие от рассмотренного выше режима работы транзистора при малых изменениях напряжений и токов (т.е. активного режима) здесь транзистор работает во всех трёх режимах. Из области отсечки через активный режим он переходит в область насыщения, а по истечении требуемого времени обратно в режим отсечки.

В режиме отсечки (т.А) все токи транзистора минимальные. Эмиттерный переход смещён в обратном направлении и ток базы равен обратному току коллекторного перехода .

Напряжение на коллекторе максимально .

В этом состоянии ключ заперт, т.е. ток коллектора минимален.

При включении прямого входного напряжения появляется скачок входного (базового) тока, однако коллекторный ток появится не сразу(см. переходную характеристику ).

Через время задержки определяемое временем диффузии заряда в базе коллекторный ток начнет нарастать примерно по экспоненциальному закону в течение времени . Транзистор переходит в активный режим и рабочая точка перемещается через точку С (активная область) в точку В-областьнасыщения). Этот режим работы транзистора характеризуется максимальным током коллектора и минимальным напряжением между коллектором и эмиттером которое часто называют остаточным напряжением или напряжением насыщения. Напряжение становится отрицательным по отношению к коллектору, что для n-p-n транзистора означает прямое смещение коллекторного перехода. Теперь в базу инжектируются носители заряда не только из эмиттера, но и из коллектора, чтоприводит к насыщению базыизбыточным зарядом.

Минимальный ток базы, соответствущий точке В . С целью более надёжного отпирания ключа ток базы в режиме насыщения может быть значительно больше .

Степенью насыщения транзистора называют отношение .

В таком состоянии транзистор может находиться сколь угодно долго, пока не изменится полярность входного напряжения. Базовый ток при этом меняет направление на противоположное и значительно превышает стационарное значение , т.к. происходит экстракция избыточного заряда базы через эмиттерный переход.

В момент обратного переключения коллекторный ток претерпевает незначительный скачок, обусловленный изменением полярности напряжения на объёмном сопротивлении базы, начинается рассасывание избыточного заряда через коллекторный и эмиттерный переходы. В течение времени , пока избыточная концентрация на границе коллекторного перехода снижается до нуля, коллекторный ток остаётся практически неизменным, далее он спадает к значению , в течение времени , до тех пор пока существует избыточный заряд, накопленный в базе.