Схема замещения транзистора для режима большого сигнала (ОБ). Область применимости
Схема замещения БТ для режима большого сигнала применима для расчета режима по постоянному току. При расчете режимов транзисторных каскадов на постоянном токе, когда требуется выбирать положение рабочей точки, характеризующей токи транзистора и падения напряжения на нем (режим большого сигнала), используют эквивалентные схемы транзистора для постоянного тока (рисунок 15).
Рисунок 15 – Упрощенная эквивалентная схема p-n-p транзистора, включенного по схеме с общей базой
Схема с общей базой
Рисунок 5 – Схемы включения БТ с ОБ: а) p-n-p, б) n-p-n
Напряжения на электродах для схемы с ОБ на p-n-p транзисторе: на эмиттерном электроде +0,7 (кремний) или +0,35 (германий) на базе нулевое напряжение (если база заземлена), на коллекторном электроде -10В. Соотношение напряжений на электродах остается постоянным в независимости от типа транзистора и его включения. Меняется только полярность напряжения. При этом следует помнить, что эмиттерный переход должен быть открыт, а коллекторный закрыт.
Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях параметра UКБ – напряжения на коллекторном переходе (рис. 6). При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ р-n-перехода. С ростом обратного напряжения UКБ (UКБ < 0, для р-n-р-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области происходит смещение характеристики вверх; IЭ растет при выбранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (IЭ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ. Следует заметить, что при UКБ < 0 и UЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении UЭБ .
Связь небольших приращений тока ∆IЭ и напряжения ∆UЭБ при UКБ = const в любой точке характеристики учитывается дифференциальным параметром, называемым входным сопротивлением:
Цифры в индексе означают, что оба приращения относятся к входной цепи, а буква указывает на схему включения с ОБ. Влияние изменения UКБ на IЭ учитывается дифференциальным параметром – коэффициентом обратной передачи:
Названия дифференциальных параметров взяты из теории четырехполюсников.
Рисунок 6 – Семейство входных и выходных ВАХ схемы с ОБ
Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рис. 6,б).
Выходная характеристика р-n-р-транзистора при IЭ = 0 и обратном напряжении (UКБ <0) подобна обратной ветви р-n-перехода (диода). При этом IК = IКБО, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор-база.
При IЭ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 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 IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требуется для получения IК = 0.
Область в первом квадранте на рис. 6,б. где UКБ < 0 (обратное) и параметр IЭ > 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой IК = α IЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра Iэ. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока можно считать постоянным, не зависящим от значения UКБ. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте | UКБ | 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.
Наклон выходных характеристик, вызванный эффектом Эрли, учитывается дифференциальным параметрам – выходной проводимостью
Связь приращений коллекторного ∆IК и эмиттерного ∆IЭ токов характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера h21Б, который обычно мало отличается от интегрального коэффициента α:
Схема с общим эмиттером
В схеме с общим эмиттером (ОЭ) источники напряжения база-эмиттер Uбэ и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ включены относительно общей точки, с которой соединен эмиттер. Схемы включения с ОЭ представлены на рисунке 7 для транзистора n-p-n (а) и для транзистора p-n-p-типов (б). Полярности обоих источников и величины напряжений Uбэ и Uкэ должны обеспечивать нормальный активный режим.
Рисунок 7 - Схемы включения с общим эмиттером биполярных транзисторов: а – типа n-p-n; б – типа p-n-p
Входными величинами являются ток базы Iб и напряжение между базой и эмиттером Uбэ, выходными – ток коллектора Iк и напряжение Uкэ. Для отпирания эмиттерного перехода напряжение база-эмиттер должно быть прямым: для n-p-n-транзистора – положительным, для p-n-p-транзистора– отрицательным.
Для обратного смещения коллекторного перехода напряжение коллектор-эмиттер должно иметь такую же полярность, как и напряжение база-эмиттер, к тому же величина Uкэ должна быть не меньше Uбэ. Одинаковая полярность напряжений Uбэ и Uкэ – это достоинство схемы с ОЭ, позволяющее использовать для питания схемы один источник, в отличие от схемы с ОБ, в которой требуются два разнополярных напряжения Uэб и Uкб.
Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости IБ=f(UБЭ), причем параметром является напряжение UКЭ (рис. 8,а). Для р-n-р-транзистора отрицательное напряжение UБЭ (UБЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода так как UЭБ = – UБЭ > 0. Если при этом UКЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: UКБ = UКЭ + UЭБ = UЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при UКЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения UЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (UКБ = UЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.
Рисунок 8 – Семейство входных и выходных ВАХ БТ в схеме с ОЭ
Вторая характеристика на рис. 8,а относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение UКЭ должно быть в р-n-р-транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение UЭБ. В этом случае UКБ = UКЭ + UЭБ = UКЭ – UБЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения IБ = (1 – α)IЭ – IКБО. При малом напряжении UБЭ инжекция носителей практически отсутствует (IЭ = 0) и ток IБ = – IКБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе UЭБ = – UБЭ вызывает рост IЭ и величины (1 – α)IЭ. Когда (1 – α)IЭ = IКБО. Ток IБ = 0.
При дальнейшем росте UБЭ (1 – α)IЭ > IКБО и IБ меняет направление и становится положительным (IБ > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.
Влияние UКЭ на IБ в НАР можно объяснить тем, что рост | UКЭ | означает рост | UКБ | и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики вниз).
Как и в схеме с ОБ, для входных характеристик используются дифференциальные параметры: входное сопротивление
коэффициент обратной передачи
Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости IК = f(UКЭ) при заданном параметре IБ (рис. 8,б).
Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях | UКЭ |, превышающих | UБЭ |. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение UБЭ, а входной ток IБ. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока IБ. Для увеличения IБ необходимо увеличивать | UБЭ | следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений (точки В, В′, В").
Если параметр IБ = 0 («обрыв» базы), то в соответствии с IК = IКЭО = (β + 1)IКБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = IКБО, если задать отрицательный ток IБ = – IКБО. Выходная характеристика с параметром IБ = – IКБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром IБ = 0.
Связи приращений величин в семействе выходных характеристик представляются дифференциальными параметрами:
выходной проводимостью
дифференциальным коэффициентом передачи тока базы
Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h22Э ≈ βh22Б). Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение UКЭ, а следовательно и UКБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения UБЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора ∆IК, т.е. увеличение выходной проводимости h22Э (в схеме с ОБ ток IЭ при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).
Схема с общим коллектором
Рисунок 9 – Схема включения БТ с общим коллектором
Для схемы включения транзистора с ОК обычно справочные данные, в том числе по ВАХ, не приводятся. Входными переменными являются базовый ток iБ и напряжение uБК , выходные – ток эмиттера и напряжение эмиттер - коллектор. Входные ВАХ по форме мало отличаются от входных ВАХ схемы ОЭ, но диапазон изменения входного напряжения здесь практически такой же, как диапазон изменения выходного напряжения (см.рис.3.8,а, где пунктиром показана входная ВАХ транзистора с ОЭ). Поскольку выходное напряжение здесь отличается от выходного напряжения транзистора ОЭ на относительно малую величину uБЭ , то и выходные ВАХ мало отличаются от ВАХ транзистора ОЭ, лишь для того же входного тока выходной ток несколько выше, поскольку iЭ = iК + iБ и iБ << iК (см.рис.3.8,б).
Рисунок 9 - Семейство входных и выходных ВАХ БТ в схеме с ОК
Коэффициент передачи тока в этой схеме включения транзистора равен
Выходное напряжение чуть меньше выходного, так как 
. Поэтому схемы с использованием транзистора с ОК называют повторителями напряжения или эмиттерными повторителями, поскольку нагрузка обычно подключаются к эмиттеру. Для анализа схем с ОК достаточно иметь ВАХ или параметры транзисторов с ОБ или ОЭ.
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом, происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала.
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Рисунок 10 – Схемы включения БТ с ОБ (а), с ОЭ (б), с ОК (в)