Біполярний транзистор як активний чотирьохполюсник

Статичні ВАХ використовуються при розрахунках електронних схем із великими рівнями вхідних сигналів. Якщо рівень вхідного сигналу малий і транзистор працює на лінійній ділянці ВАХ (робота у режимі малого сигналу), його можна подати як активний лінійний елемент (чо­тириполюсник), зображений на рис. 2.17.

Величини , є вхідними, a , - вихідними. При аналізі роботи чотири­полюсника два параметри вибирають­ся як незалежні змінні, а два інші є їх лінійними функціями. У зв'язку з цим ро­боту чотириполюсника можна охарак­теризувати шістьма системами ліній-

них рівнянь, кожна з яких складається з двох рівнянь.

Найчастіше використовується система рівнянь, у якій незалежними змінними величинами є вхідний струм та вихідна напруга :

(2.12)

Із системи рівнянь (2.12) можна знайти повні диференціали функцій та :

(2.13)

Якщо замінити диференціали функцій незначними приростами амплі­тудних значень струмів (di = ) та напруг (du = U) і ввести нові позна­чення для частинних похідних, то система рівнянь (2.13) матиме вигляд:

(2.14)

Значення коефіцієнтів h знаходять при створенні режимів холостого ходу на вході чотириполюсника і короткого замикання на виході за змінною складовою струму.

Із режиму Х.Х. на вході, коли , = 0, , = 0 , можуть бути визна­чені:

- коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою;

- вихідна провідність транзистора.

Із режиму К.З. на виході, коли U₂ = 0, можна визначити:

- вхідний опір транзистора;

- коефіцієнт передачі за струмом.

Система рівнянь (2.14) називається системою h-параметрів. Зна­чення h-параметрів наводяться у довідникових матеріалах на транзис­тори. Залежно від схеми вмикання транзистора h-параметри мають різні значення. Тому вони позначаються відповідною літерою в індексі (наприклад, для схеми з СЕ - , з СБ - , з СК - і т.п.).

Перевагою системи h-параметрів є порівняна простота безпосеред­нього вимірювання значень коефіцієнтів h (для отримання їх експери­ментальних значень).

Так, режим Х.Х. на вході транзистора (за змінним струмом) здійсню­ється вмиканням у вхідне коло транзистора дроселя з великою індуктивністю ( ), а ре­жим К.З. - шляхом вми­кання паралельно вихідно­му колу транзистора кон­денсатора великої ємності ( ).

Схема заміщення тран­зистора за h-параметрами зображена на рис. 2.18.

При розрахунках також використовується фізична Т-подібна мо­дель транзистора.

На рис. 2.19 зображена така модель для схеми з СЕ.

Тут прийняті наступні по­значення:

- об'ємний опір бази транзистора;

- прямий опір емітерного переходу;

- зворотний опір ко­лекторного переходу;

коефіцієнт передачі за струмом.

Існує зв'язок між фізичними та Л-параметрами. Так, для схеми з СЕ маємо

(2.15)

(2.16)

(2.17)

(2.18)

При розрахунках пристроїв на біполярних транзисторах h-параметри використовуються як основні.

2.4.4. Основні режими роботи біполярного транзистора

Незалежно від схеми вмикання біполярного транзистора він може працювати у трьох основних режимах, що визначаються полярністю напруги на емітерному U_E та колекторному U_K переходах:

• режим відтинання (U_E< 0, U_K< 0);

• активний режим (U_E>0, U_K< 0);

• режим насичення Ф_Е> 0, U_K> 0).

У режимі насичення, який настає при великому відпірному вхідно­му сигналі, колекторний та емітерний переходи зміщені у прямому напрямку, транзистор повністю увімкнений і його струм тобто залежить тільки від опору навантаження R_H та зовнішньої напруги Ц₁ (вихідний опір транзистора знижується до дуже малої величини).

У режимі відтинання, що настає з поданням до вхідного кола тран­зистора сигналу, який забезпечує повне запирання приладу, обидва пере­ходи зміщені у зворотному напрямі (закритий стан транзистора). При цьому у вихідному колі протікає струм, що є зворотним струмом емі-терного та колекторного переходів, а опір транзистора високий.

Активний режим є проміжним. У ньому емітерний перехід зміще­ний у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

Транзистор у цьому режимі працює як підсилювач сигналу: пропор­ційним змінам вхідного сигналу тут відповідають пропорційні зміни ви­хідного.

Режим роботи, у якому транзистор тривалий час знаходиться в режи­мах відтинання або насичення, називається ключовим режимом.

Розглянемо наведені вище режими роботи транзистора на прикладі його вмикання за схемою з СЕ, зображеною на рис. 2.20. Тут:

де Rp R_K - базове та колекторне на­ вантаження, U_KE - напруга між колек­тором та емітером, Е_к - напруга джерела живлення.

Рівняння (2.21) характеризує зв'язок вихідної напруги з вхідним стру­мом і називається динамічною вихідною характеристикою тран­зистора або лінією навантаження.

На сім'ї вихідних статичних характеристик побудуємо лінію наван­таження, як показано на рис. 2.21. Для цього розглянемо режими холос­того ходу (Х.Х.) та короткого замикання (К.З.).

Для режиму Х.Х.: якщо

Для режиму К.З.: якщо

Коли робоча точка лежить у межах відрізка аб, транзистор працює у активному (підсилювальному) режимі, де змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного.

Якщо робочу точку намагатися задати нижче точки б, транзистор переходить до режиму відтинанння, якому відповідає власне точка б (транзистор тут відтинає протікання струму у силовому колі).

Якщо ж робочу точку задавати вище точки а - транзистор знахо­диться в режимі насичення, якому і відповідає точка а.

Взагалі режимом насичення називають такий режим, коли подаль­шому збільшенню вхідної дії не відповідає збільшення вихідної реакції, що досягла деякого значення.

У режимі насичення через транзистор протікає струм

(2.22)

Для того щоб транзистор увійшов до режиму насичення, необхідно забезпечити струм бази не менший за

Ступінь насичення характеризується коефіцієнтом насичення

У активному режимі

До основних параметрів біполярних транзисторів належать:

- максимально допустимий струм колектора що в основному ви­значається перетином виводів від кристалу НП, становить (0,01+100) А;

- допустима робоча напруга що визначається напругою лавин­ного пробою колекторного переходу, становить (20+1000) В;

- коефіцієнт передачі струму

- допустима потужність на колекторі то маємо транзистор малої потужності, якщо - середньої потужності, якщо - великої потужності), за її перевищення кристал розплавиться.

Складені транзистори

Для значного підвищення коефіцієнта підсилення за струмом застосо­вують комбінації з двох і більше транзисторів, з'єднаних так, що у цілому конструкція, як і одиночний транзистор, має три зовнішніх виводи і нази­вається складеним транзистором.

Схема складеного транзистора, виконаного на транзисторах одного типу провідності, наведена на рис. 2.22,а. її ще називають схемою Дарлінгтона.

Тут вхідний струм є струмом бази першого транзистора. Після підси­лення останнім у разів він подається у базу другого транзистора, яким підсилюється ще в разів. У результаті загальний коефіцієнт підсилення за струмом становить

Таку схему широко застосовують як у дискретному виконанні, так і в інтегральному. На рис. 2.22,б, наприклад, наведено еквівалентну схе­му потужного транзистора КТ829, що має 750.

Тут резистори R₁ і R₂ забезпечують відведення від бази зворотного струму колекторних переходів, а діод VD захищає структуру від дії зворотної напруги.

Схема складеного транзистора, вико­наного на транзисторах різного типу про­відності - схема Шиклаї, наведена на рис. 2.23. її особливістю є те, що тип про­відності конструкції в цілому визначається типом провідності першого транзистора. Так, у даному разі ми маємо еквівалент транзистора п-р-п типу (незважаючи на те, що на виході встановлено транзистор VT2 р-п-р типу - його емітер є колекто­ром, а колектор - емітером складеного транзистора).

Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор або двобазовий діод - це НП при­лад з одним р-п переходом. Його схематична конструкція і ВАХ наве­дені на рис. 2.24.

Шар р-типу має назву емітера, а зони монокристала по обидва боки емітера, що мають електронну провідність, називаються базами. Зазви­чай, довжина нижньої бази Б₂ набагато менша, ніж довжина верхньої бази Б₁ Якщо до контактів базових зон підімкнути зовнішню напругу із зазначеною на рис. 2.24 полярністю, то через обидві бази протікатиме невеликий струм - так званий струм зміщення.

Оскільки ділянка між базовими електродами має лінійний опір, то спад напруги на базових зонах пропорційний їх довжині. Напруга на емітерному переході зумовлюється різницею потенціалів емітера та базової зони Б₂ Якщо потенціал емітера не перевищує потенціалу бази Б₂ то емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку і через ньо­го протікає невеликий зворотний струм. При зміщенні емітерного пе­реходу у прямому напрямку емітерний струм зростає, і при певному його значенні І_Е0 починається лавиноподібне зменшення опору бази Б₂ за рахунок проникнення носіїв заряду через р-п перехід. Наслідком цього є зниження напруги емітера за одночасного зростання емітерного стру­му - ділянка негативного опору на вхідній ВАХ (тут негативним змінам напруги відповідають позитивні зміни струму). При змінах зовнішньої міжбазової напруги U_ББ ВАХ зсувається, не змінюючи форми, як пока­зано на рис. 2.24,б.

Наявність ділянки з негативним опором дозволяє використовувати одноперехідний транзистор у електронних ключах, генераторах, релей­них схемах і т. ін. Донедавна вони якнайширше використовувались у пристроях генерування імпульсів керування тиристорами, які ми роз­глянемо нижче.