Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

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 (Uэб) и коллекторе (Uкб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔUкв > ΔUзв), но не обеспечивает усиления тока (ΔIk ≈ ΔIз) 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 (Uбэ) и коллекторе (Uкэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

Iб = Iэ – Iк << Iк (Ik ≈ Iэ),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк >> ΔIб) и напряжения (ΔUкэ > ΔUэб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (Uбэ) и эмиттере (Uкэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как Iб << Iэ, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк >> ΔIб), 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

IЭ = f(Uэб)

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

При Uкб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения Uкб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) 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, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при Uкб < 0 и Uэб = 0 существует небольшой ток эмиттера Iэо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

Iк = f(Uкб)

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

Выходная характеристика транзистора при Iэ = 0 и обратном напряжении (Uкб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. 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 доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже 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 (см. рис. 4.4, а), где Uкб < 0 (обратное) и параметр
Iэ > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение Uэб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

Iк = αIэ + Iкбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра Iэ.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |Uкб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе 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.

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

Uкб = Uэб > 0.

Поэтому входная характеристика при Uкэ = 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 Uэб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (Uкб = Uэб) 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 Uкэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (Uкэ < 0) и по модулю превышать напряжение Uбэ В этом случае

Uкб = Uкэ – Uбэ < 0.

 
 

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

Iб = (1 – α) Iэ – Iкбо.

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

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

(1 – α) Iэ = Iкбо,

ток базы равен нулю:

Iб = 0.

При дальнейшем росте напряжения Uбэ величина

(1 – α) Iэ > Iкбо

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

Влияние Uкэ на Iб в НAP 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 незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредставляет собой зависимости Iк = f(Uкэ) при заданном параметре Iб (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 |Uкэ|, превышающих |Uбэ|. Для увеличения Iб необходимо увеличивать |Uбэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

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

Iк = Iкэо = (β + 1) Iкбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) Iк = 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.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h22э ~ βh22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения Uкзколлекторный 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.

H-параметры транзистора

Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.

В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i1) и выходное напряжение (u2), а зависимыми являются: входное напряжение (u1) и выходной ток (i2). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:

.

Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:

(4.1)

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

  входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
  коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
  коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
  выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

H-параметры измеряются в различных единицах: h11 измеряется в Омах, h22 – в Сименсах, h21 и h12 – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h12u2 учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u2, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h21i1 учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов

       
h11э h11б
h1 h12б
h21э h21б
h22э h22б

 


Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h21э широко используется обозначение b, а в схеме с ОБ – вместо обозначения h21б обозначение a. Так как в в схеме с ОБ направление тока iк противоположно базовому направлению тока i2 исходного четырехполюсника, то h21б < 0.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:

DU1 = h11DI1 + h12DU2;

DI2 = h21DI1 + h22DU2.


На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 – по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) – значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.