Схемы включения транзисторов

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора
(рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв > ΔU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k ≈ ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э – I_к << I_к (I_k ≈ I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ > ΔU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ(рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при
U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр
I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = αI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ(рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а)относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ В этом случае

U_кб = U_кэ – U_бэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 – α) I_э – I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен: I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 – α) I_э. Когда

(1 – α) I_э = I_кбо,

ток базы равен нулю:

I_б = 0.

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 – α) I_э > I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредставляет собой зависимости I_к = f(U_кэ) при заданном параметре I_б (см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Для увеличения I_б необходимо увеличивать |U_бэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_б = 0 («обрыв» базы), то

I_к = I_кэо = (β + 1) I_кбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_к = I_кбо, если задать отрицательный ток (I_б = -I_кбо)_. Выходная характеристика с параметром I_б = -I_кбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h_22э ~ βh_22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U_кзколлекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты α и β увеличиваются.

Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.