Простейшая модель транзистора

В простейшей модели транзистор представляется токовым узлом, в котором выполняется закон Кирхгофа: I_Э = I_Б + I_К. При этом I_К = f(I_Б), а именно: I_К = = ß I_Б, где ß – коэффициент усиления по току (соответствует параметру h_21Э). Коэффициент усиления ß зависит от типа транзистора и обычно лежит в диапазоне 10–300. Для простоты оценки работы схемы часто принимается среднее значение в этом диапазоне – ß = 100. Чем больше коэффициент ß , тем меньше ток базы I_Б, и, следовательно, для больших ß выполняется условие . Необходимо при этом иметь в виду, что с ростом ß растет уровень собственных шумов транзистора.

Таким образом, основное свойство транзистора (усиление) простейшая модель объясняет тем, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который, в свою очередь, берется от внешнего источника питания.

 

Рис. 3.2. Представление биполярного транзистора в виде токового узла

Для обеспечения активного режима n-p-n-транзистора, если на его эмиттер подано отрицательное напряжение, на базу надо подать положительный потенциал, а на коллектор – еще более положительный потенциал. И, наоборот, для обеспечения активного режима p-n-p-транзистора, если на его эмиттер подано положительное напряжение, на базу надо подать отрицательный потенциал, а на коллектор – еще более отрицательный потенциал.

 

 

Рис. 3.3. Относительные потенциалы активного режима в биполярном транзисторе

 

Поскольку для открывания p-n-перехода кремниевого транзистора достаточно между базой и эмиттером подать напряжение U_БЭ = 0, 6 В (для германиевых транзисторов это напряжение немного меньше и составляет около 0, 4 В), то напряжение на базе и эмиттере связано соотношениями: для n-p-n-транзистора – U_Б = U_Э + 0, 6 В, а для p-n-p-транзистора – U_Б = U_Э – 0, 6 В. Напряжение между базой и эмиттером U_БЭ не следует увеличивать более чем на 0, 6 В, так как возрастает ток через транзистор.

Отношение определяет коэффициент передачи эмиттерного тока. Коэффициенты ß и α взаимосвязаны. Так как I_Э = I_Б + I_К, а I_К = ß I_Б, то . Таким образом, при ß ≈ 10…300 α = 0, 9…0, 99.

 

Схемы включения транзистора и коэффициент передачи по току

Схема с общей базой (ОБ)

 

В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной цепью – цепь коллектора, следовательно, коэффициент передачи по току . Таким образом, схема с ОБ не усиливает по току.

 

Рис. 3.4. Схема включения транзистора с ОБ

 

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

 

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной цепью – цепь коллектора, следовательно, .

 

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с ОЭ

 

Схема с общим коллектором (ОК)

В схеме с ОК входной цепью является цепь базы, а выходной цепью – цепь эмиттера, следовательно, .

Таким образом, схема с ОК имеет наибольший коэффициент передачи по току. Если ß > > 1, то К_i ≈ ß .

 

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором

 

Схема с разделенной нагрузкой

В схеме с разделенной нагрузкой входной цепью является цепь базы, а выходной цепью – цепь коллектора с К_i = ß и цепь эмиттера с К_i = 1 + ß ≈ ß , где К_i – коэффициент передачи по току.

 

 

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с разделенной нагрузкой

Усиление по мощности

 

Так как и , то коэффициент передачи по мощности схемы определяется следующим выражением:

,

где К_U – коэффициент передачи по напряжению, R_ВЫХ – выходное сопротивление схемы, R_ВХ – входное сопротивление схемы.

Следовательно, .

Величина – крутизна входной характеристики транзистора, которая определяет основные усилительные свойства транзистора и характеризует то, насколько изменяется I_ВЫХ при изменении U_ВХ на один вольт. Если известна крутизна транзистора, то коэффициент передачи схемы по напряжению определяется выражением .

 

Виды характеристик транзисторов

 

Входные характеристики

Для схемы с общим эмиттером входной характеристикой называют зависимость тока базы I_Б от напряжения базы U_Б при заданном напряжении на коллекторе: I_Б = f (U_Б) при U_К = const.

 

 

Рис. 3.8. Пример входных характеристик транзистора

Выходные характеристики

 

Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора от напряжения коллектора при заданном токе базы: I_К = f(U_К) при I_Б = const.

 

Рис. 3.9. Пример выходных характеристик транзистора

Режим отсечки соответствует зоне, расположенной ниже кривой I_Б0. Через транзистор протекает неуправляемый обратный ток коллектора I_К0.

Режим насыщения соответствует зоне, расположенной выше кривой I_БН. Коллекторный ток, протекающий в этом режиме, не должен превышать I_Kmax. Область, расположенная между кривыми I_Б0 и I_БН, соответствует активному (усилительному) режиму. Справа от кривой Р_Кmax – область превышения максимально допустимой мощности рассеивания на коллекторе.

 

Сквозные характеристики

Примером сквозной характеристики является зависимость тока коллектора от тока базы при неизменном напряжении коллектора: I_К = f(I_Б) при U_К = const.

Рис. 3.10. Пример сквозных характеристик транзистора

 

Наиболее часто используются входные и выходные характеристики транзистора, в частности для выбора рабочей точки (смещения) графическим методом.

Эмиттерный повторитель (ЭП)

ЭП обладает высоким входным сопротивлением R_ВХ и малым выходным сопротивлением R_ВЫХ и поэтому используется для согласования источника сигнала и нагрузки. Условие согласования для источников сигналов в виде напряжений – R_ИСТ < < R_Н. На практике принимают R_ИСТ ≤ 0, 1R_Н. При невыполнении этого условия ставят буферный элемент, например, ЭП, у которого R_ВХ и R_ВЫХ обеспечивают условие R_ИСТ ≤ 0, 1R_ВХ и R_ВЫХ ≤ 0, 1R_Н.

Рис. 3.11. Согласование источника сигнала и нагрузки при помощи ЭП

 

В ЭП коллектор транзистора непосредственно подключен к источнику питания. На базу подается напряжение смещения для задания активного режима. Выходной сигнал снимается с эмиттерного резистора. В зависимости от полярности транзистора и источника питания возможен ряд вариантов включения.

n-p-n-транзистор n-p-n-транзистор p-n-p-транзистор p-n-p-транзистор

питание +U_КК питание –U_ЭЭ питание –U_КК питание +U_ЭЭ

Рис. 3.12. Варианты подключения ЭП к источнику питания

 

Рассмотрим вариант ЭП на n-p-n-транзисторе и определим его R_ВХ, используя простейшую модель транзистора.

 

 

Рис. 3.13. К определению входного сопротивления ЭП

Так как транзистор – нелинейный элемент, рассматриваем малые приращения напряжений и токов, для которых можно использовать закон Ома. Пренебрегая падением напряжения на открытом эмиттерном переходе, считаем, что . Из простейшей модели транзистора следует: . Тогда входное сопротивление, определяемое приращением тока базы и напряжения базы: .

Таким образом, входное сопротивление ЭП, соответствующее сопротивлению со стороны базы транзистора, приблизительно в ß раз больше сопротивления, стоящего в эмиттере.

Смещение в ЭП

ЭП с двухполярным питанием

В схеме ЭП с двухполярным питанием возможно непосредственное подключение источника U_ВХ к базе транзистора. В этом случае напряжение смещения U_Б ≈ 0 будет подаваться через внутреннее сопротивление источника сигнала R_ИСТ. При этом R_ИСТ ≤ 0, 1ß R. Смещение U_Б ≈ 0 обеспечивает U_Э = − 0, 6 В, что практически соответствует условию симметричности изменения выходного сигнала в диапазоне амплитуд, ограничиваемом источниками питания.

Рис. 3.14. Вариант задания смещения в ЭП с двухполярным питанием
при непосредственном подключении к источнику сигнала

Если между каскадами требуется обеспечить развязку по постоянному току при помощи конденсатора, то необходимо предусмотреть задание U_Б ≈ 0 резистором, соединенным с корпусом, и выполнить условие согласования . В свою очередь, должно обеспечиваться условие R_ИСТ ≤ 0, 1R_Б.

 

Рис. 3.15. Вариант задания смещения в ЭП с двухполярным питанием
при развязке по постоянному току между каскадами

 

ЭП с однополярным питанием

Рассмотрим схему на рис. 3.16. В ней предпринята попытка задать смещение резистором R_Б, который образует делитель со входным сопротивлением транзистора при ß = 100.

На первый взгляд условие симметричности выполнено, однако смещение не будет стабильным, так как ß зависит от различных условий, например от температуры. Так, при изменении ß в два раза U_Б = 10 В, что может привести к ограничению входного сигнала сверху.

 

 

Рис. 3.16. Пример неправильного задания смещения в ЭП с однополярным питанием,
приводящего к ограничению сигнала при изменении ß

 

Для постоянного смещения используют делитель напряжения. Точное выполнение условия симметричности обеспечивается при U_Э = 0, 5U_КК, что определяет необходимое смещение U_Б = U_Э + 0, 6 В, задаваемое делителем R₁ < R₂, эквивалентное сопротивление которого R_ЭКВ = R₁║ R₂. В схеме необходимо обеспечить условия согласования R_ИСТ < < R_ЭКВ < < R_Б, что для практической реализации составляет R_ИСТ ≤ 0, 1R_ЭКВ ≤ 0, 1R_Б ≈ 0, 1ß R_Э.

 

Рис. 3.17. Пример задания стабильного смещения в ЭП при помощи делителя

Методика расчета ЭП

Рассмотрим схему ЭП на рис. 3.18. Пусть U_КК = 15 В, I_ОК = 1 мА – ток покоя транзистора. Диапазон рабочих частот ∆ f = 20 Гц – 20 кГц.

 

 

Рис. 3.18. К расчету ЭП

 

1. Определяем напряжение покоя в эмиттере, исходя из того, что сигнал на выходе должен быть симметричным: U_Э = 0, 5U_КК = 7, 5 В.

2. Определяем напряжение смещения: U_Б = U_Э + 0, 6 В = 8, 1 В.

3. Выбираем сопротивление R_Э, исходя из тока покоя I_ОК ≈ I_ОЭ ≈ 1 мА:

4. Выбираем сопротивления R₁ и R₂, обеспечивающие смещение и удовлетворяющие условию согласования R_ЭКВ ≤ 0, 1R_Б. Так как при ß = 100 , то R_ЭКВ = (R₁║ R₂) ≤ 0, 1R_Б = 75 к. Поскольку , то, если R₂ = 150 к, R₁ = 127 к. Выбираем R₁ = 130 к из нормированного ряда. В результате R_ЭКВ = (R₁║ R₂) = 70 к, а входное сопротивление схемы R_ВХ = (R_ЭКВ║ R_Б) = 64 к. Таким образом, данный ЭП обеспечивает работу с источником сигнала, имеющим R_ИСТ ≤ 0, 1R_ВХ ≈ 6 к.

5. Определяем С₁, исходя из эквивалентной схемы ФВЧ и f_Н. Так как , где R = (R_ЭКВ║ R_Б), то .

 

Рис. 3.19. К выбору переходного конденсатора

 

Емкость конденсатора С₁ должна быть в 3–5 раз больше рассчитанной емкости для обеспечения условия К(f)= 1, начиная с нижней граничной частоты f_Н. Поэтому выбираем С₁ = 5 мкФ. Аналогичным образом определяем С₂, исходя из того, что С₂ и сопротивление нагрузки R_Н также образуют ФВЧ с нижней граничной частотой f_Н.

 

Контрольные вопросы к лекции

1. В чем состоит суть простейшей модели транзистора?

2. Каковы основные схемы включения транзистора и их коэффициенты передачи по току?

3. Что определяет крутизна входной характеристики транзисторов?

4. Что определяют выходные характеристики транзисторов?

5. Каково назначение ЭП?

6. В чем заключается методика расчета ЭП?

ЛЕКЦИЯ 4

 

Ограничение сигналов в ЭП

ЭП с двухполярным питанием

Выходное напряжение U_ВЫХ = U_Э может изменяться от момента выхода транзистора из режима отсечки до его перехода в режим насыщения. В положительной полуплоскости 0 ≤ U_ВЫХ ≤ U_КК. В отрицательной полуплоскости для рассматриваемой схемы 0 ≤ U_ВЫХ ≤ –6 В. Это связано с тем, что при уменьшении входного напряжения и переходе в режим отсечки выходное напряжение определяется делителем R_Э, R_Н.

 

Подключение нагрузки к ЭП с двухполярным питанием

Ограничение выходного сигнала в ЭП

Эквивалентная схема эмиттерной цепи для режима отсечки при RЭ = 1 к и RЭ = 500 Ом

Рис. 4.1. К ограничению сигнала в ЭП с двухполярным питанием

 

Ограничение можно уменьшить за счет изменения сопротивления R_Э, однако в этом случае увеличивается ток через транзистор. Например, при R_Э = 500 Ом ток увеличивается в два раза при фиксированном U_Б (а значит, и U_Э), а уровень ограничения становится равным –8 В (см. эквивалентную схему эмиттерной цепи на рис. 4.1).

 

Непосредственное подключение нагрузки к ЭП
с однополярным питанием

При непосредственном подключении нагрузки к выходу ЭП в схеме с однополярным питанием ограничения нет. При фиксированном U_Б такое подключение нагрузки ведет к увеличению тока через транзистор, так как общее сопротивление в эмиттерной цепи уменьшается в результате параллельного включения R_Э и R_Н.

 

Рис. 4.2. Непосредственное подключение нагрузки к ЭП с однополярным питанием

.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Выбор рабочей точки биполярного транзистора и ознакомление с режимами усиления переменного напряжения классов A, B, AB и D
2. Исследование биполярного транзистора, включенного с общей базой
3. Ключ на КМОП – транзисторах с индуцированным каналом
4. Ключи на биполярных транзисторах
5. Общие сведения о транзисторах
6. Особенности устройств цифровых интегральных схем на биполярных транзисторах.
7. Простейшая модель функционирования капиталистического рынка.
8. Расчет автогенераторного мультивибратора на биполярных транзисторах
9. Режим транзистора и максимальная мощность УЧ.
10. Снятие статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом
11. Физические процессы. Режимы работы транзистора.