Классификация рабочих областей биполярного
Транзистора
Рабочие области БТ принято классифицировать по сочетанию режимов эмиттерного и коллекторного переходов. Если оба перехода закрыты, то БТ находится в области отсечки (т.е. отсутствие управляемых токов через его выводы). Если открыт эмиттерный переход, а коллекторный закрыт (для основных носителей базы и коллектора), то БТ находится в активной области. Если коллекторный переход открыт, а эмиттерный закрыт, то БТ работает в инверсной области. Если открыты оба перехода, то БТ находится в области насыщения.
Расположение этих областей в плоскости входного и выходного напряжений инжекционной модели Эберса-Молла показано на рис.6.
Рис.6. Расположение рабочих областей БТ в плоскости входного и выходного напряжений инжекционной модели Эберса-Молла
Основная рабочая область для усилителей малых сигналов – активная. Ее расположение на рис.6 определяется неравенствами
, 
, (1.15)
а ее границы отмечены на рис.1.6 штриховкой.
Расположение рабочих областей БТ в плоскости входного и выходного напряжений передаточной модели Эберса-Молла показано на рис.7.
Рис.7. Расположение рабочих областей БТ в плоскости входного и выходного напряжений передаточной модели Эберса-Молла
В соответствии с (1.13) условие открывания коллекторного перехода для этой модели записывается в виде
|
|
|
. (1.16)
Поэтому расположение активной области в плоскости 
определяется неравенствами
, 
. (1.17)
В активной области токи, зависящие от выходных напряжений обеих моделей БТ, пренебрежимо малы и уравнения (1.10), (1.11) для входного и выходного токов передаточной модели могут быть с высокой точностью заменены вытекающими из (1.10), (1.11) уравнениями:
, (1.18)
. (1.19)
При этом с хорошей точностью выполняется равенство:
, (1.20)
объясняющее широко используемое название для β*=h21Э – статический коэффициент усиления тока базы в схеме с общим эмиттером.
На рис.8 показана упрощенная передаточная модель Эберса-Молла для БТ n - p - n типа работающего в активной области.
Рис.8. Передаточная модель Эберса-Молла для БТ n- p- n типа, работающего в активной области
|
|
|
Эта модель описывается уравнениями (1.18), (1.19). Генераторы пренебрежимо малых и не зависящих от 
и 
токов насыщения, соответствующих вторым слагаемым формул (1.10), (1.11) на схеме рис.8 не показаны.
Статические характеристики биполярного транзистора при
Включении его по схеме с общим эмиттером
Под статическими вольтамперными характеристиками БТ, включенного по схеме с общим эмиттером, понимают зависимости выходного 
и входного 
токов от входного 
и выходного напряжений. Зависимость 
при фиксированном значении будем называть далее проходной характеристикой. Набор таких зависимостей при нескольких значениях представляет собой семейство проходных характеристик. Зависимость 
при 
называется выходной характеристикой БТ. Набору из нескольких таких зависимостей, построенных при различных значениях , соответствует семейство выходных характеристик.
Кроме проходных и выходных характеристик при расчетах цепей с БТ необходимо использовать зависимости 
при 
, называемые входными характеристиками.
Для одномерной теоретической модели (ОТМ), в которой вместо реального входного напряжения задается напряжение на базо-эмиттерном переходе, статические характеристики определяются уравнениями (1.10), (1.11), (1.13).
|
|
|
На рис.9 показана проходная характеристика ОТМ, БТ, работающего в активной области (рис.9,а) и семейство выходных характеристик (рис.9,б). Параметром этого семейства является напряжение 
.
Рис.9. Проходная (а) и выходные характеристики БТ, построенные с использованием модели Эберса-Молла при фиксированных значениях напряжения на эмиттерном переходе (б)
Проходная характеристика ОТМ БТ практически не изменяется с изменением напряжения 
, пока БТ находится в активной области, т.е. при
. (1.21)
В этой области она определяется уравнением (1.19). Граница между активной областью и областью насыщения соответствует знаку равенства в выражении (1.21) и в соответствии с (1.19) уравнение этой границы в плоскости выходных характеристик имеет вид:
. (1.22)
Эта граничная линия показана на рис.1.15,б штриховой линией. Из сравнения (1.22) с (1.18) видно, что она представляет собой перенесенную в плоскость 
проходную характеристику.
|
|
|
В области насыщения с уменьшением 
ток коллектора уменьшается.
В справочниках обычно приводятся выходные характеристик БТ, снимаемые при постоянных значениях тока базы. Такие характеристики значительно легче получить экспериментально, поскольку контролировать с требуемой точностью ток базы при снятии выходных характеристик значительно проще, чем 
.
Зависимости 
при 
нетрудно получить из уравнений (1.10), (1.11), (1.13). Графики этих зависимостей для транзистора с теми же параметрами модели Эберса-Молла, при которых построены характеристики рис.9, показаны на рис.1.10.
Рис.1.10. Семейство выходных характеристик БТ, построенных с использованием модели Эберса-Молла при фиксированных значениях тока базы
В активной области эти характеристики совпадают с показанными на рис.9,а при условии, что ток 
и напряжение . соответствуют одному и тому же 
. В области насыщения ток 
при фиксированном убывает с уменьшением 
быстрее, чем при фиксированном , кроме того, напряжение , при котором начинает уменьшаться ток коллектора, немного больше, чем при фиксированном 
.
При смене полярности напряжения транзистор сначала переходит в часть области насыщения, где преобладает вклад инжекции через коллекторный переход в ток , и ток меняет направление, а затем переходит в инверсную область.
В данном пособии будут рассматриваться, в основном режимы БТ, в которых 
. Соответственно, будут использоваться части выходных характеристик рис.1.10, расположенные в первом квадрате плоскости 
.
Статические характеристики реальных БТ отличаются от построенных по модели Эберса-Молла по нескольким причинам.
Во-первых, с увеличением в активной области ток будет возрастать и зависимости , как при 
, так и при 
= const, будут иметь небольшой положительный наклон. Обусловленная этим механизмом зависимость от была объяснена Дж.М.Эрли в 1952 году и ее называют эффектом Эрли. Эффект Эрли проявляется тем больше, чем больше ток коллектора.
Из соотношений, описывающих изменение 
с изменением под влиянием эффекта Эрли, следует, что семейство выходных характеристик БТ n - p - n типа в активной области может с приемлемой для практики точностью аппроксимироваться пучком прямых линий, выходящих из точки на оси абсцисс с координатой 
. Эта аппроксимация показана на рис.1.11 и параметр 
называют напряжением Эрли или потенциалом Эрли.
Рис.1.11. К аппроксимации семейства выходных характеристик БТ в активной области с использованием потенциала Эрли
Уравнение прямых, аппроксимирующих выходные характеристики БТ в активной области с учетом эффекта Эрли, можно представить в виде
. (1.23)
Во-вторых, при построении модели Эберса-Молла предполагалось, что напряжения 
, 
приложены к границам p - n переходов. В реальных транзисторах точки подключения внешних напряжений 
, 
и 
отделены от границ p - n переходов участками, имеющими конечные омические сопротивления (см. рис.1). Обозначим сопротивления, включенные последовательно в цепи базы, эмиттера и коллектора, соответственно 
, а напряжения, приложенные к границам p - n переходов 
, 
и 
. При этом в уравнениях Эберса-Молла заменим напряжение на напряжение , напряжение 
, а на напряжение 
, а напряжение 
на напряжение .
Чтобы учесть влияние сопротивлений 
и 
на реальную проходную характеристику БТ, работающего в активной области, запишем выражение для напряжения между реальными выводами базы и эмиттера
.
Учитывая (1.20), перепишем это выражение в виде:
. (1.24)
Из (1.24) видно, что проходная характеристика реального транзистора 
при 
может быть получена из проходной характеристики модели Эберса-Молла рис.9,а, если для каждого значения тока увеличить напряжение 
на величину, соответствующую второму слагаемому в формуле (1.24). Такая характеристика показана на рис.1.12,а сплошной линией. Сравнивая эту характеристику с характеристикой модели Эберса-Молла (штриховая линия на рис.1.12,а), видим, что учет влияния и приводит к уменьшению тока при заданном значении 
и снижению крутизны проходной характеристики.
Рис.1.12. Проходная (а – сплошная линия) и выходные (б) характеристики БТ, построенные с учетом влияния , и 
и эффекта Эрли
Семейство выходных характеристик, построенных с учетом падения напряжения на сопротивлениях и и влияния эффекта Эрли, показано на рис.1.12,б. При их построении учтено равенство, связывающее напряжение на внешних выводах коллектора и эмиттера 
с напряжением между границами переходов 
.
. (1.25)
Уравнение границы между активной областью и областью насыщения в плоскости 
получается из уравнений (1.22), (1.25). Из них следует, что каждому значению 
соответствует значение , превышающее напряжение 
, получаемое из (1.22), на величину, определяемую вторым слагаемым в (1.25). Как правило, положение граничной линии при построении выходных характеристик можно приближенно оценивать, перенося проходную характеристику в плоскость выходных.
Входная характеристика модели БТ 
, работающего в активной области, построенная при допущении о том, что 
, в соответствии с равенством (1.20) повторяет проходную характеристику 
в ином масштабе:
. (1.26)
В реальных БТ статический коэффициент усиления по току базы 
является функцией тока коллектора.
Пример такой функции
(1.27)
показан на рис.1.13.
Рис.1.13. Пример типовой зависимости статического коэффициента усиления БТ по току в схеме с общим эмиттером от тока коллектора
При анализе функциональных узлов на БТ часто необходимо прогнозировать влияние изменений температуры окружающей среды на работу этих узлов. Рассмотрим здесь, как изменяются статические характеристики БТ с изменением температуры при работе БТ в активной области.
Проходная характеристика модели Эберса-Молла описывается уравнением (1.19). В этом уравнении при анализе влияния температуры следует воспользоваться равенством
, (1.28)
поскольку при всех рабочих температурах α ≈ 1, а зависимость 
аналогична зависимости тока насыщения p - n- перехода от температуры
(1.29)
Здесь 
= 290 К - опорная температура, 
и 
= 25 мВ – соответственно ток насыщения эмиттерного перехода и тепловой потенциал при опорной температуре, 
- ширина запрещенной зоны материала, на основе которого реализован эмиттерный переход. (Для переходов на основе кремния = 1,08 В).
Для учета влияния температуры на проходную характеристику перепишем (1.19) в виде:
, (1.30)
где 
рассчитывается по формуле (1.29).
Для учета влияния температуры на входную характеристику БТ необходимо принять во внимание зависимость коэффициента усиления по току β от температуры. В справочных данных обычно приводятся нормированные зависимости 
, на которые следует ориентироваться при учете зависимости 
в моделях транзистора. Пример зависимости 
показан на рис.1.14.
Рис.1.14. Пример зависимости нормированного статического коэффициента усиления тока базы от температуры
На рис.1.15 показаны примеры проходных, выходных и входных характеристик БТ, работающего в активной области, построенных при трех значениях рабочих температур. При построении этих характеристик предполагалось, что зависимость 
соответствует зависимости 
, показанной на рис.1.14, причем 
=290 К и 
= 50.
Рис.1.15. Проходные (а), выходные (б) и входные характеристики (в) биполярного транзистора при трех значениях рабочей температуры
Рабочий режим БТ для малого сигнала оценивается по нескольким параметрам. В частности, крутизна по переходу 
рассчитывается по формуле (в описании лаб.работы S):
,
Ток коллектора в этой формуле равен постоянному току в рабочей точке.
Выходное сопротивление БТ в заданной рабочей точке, лежащей в активной области можно найти по известной выходной характеристике 
, пользуясь определением (в описании лаб.работы Ri)
,
где 
и 
- напряжения, определяющие ток в рабочей точке.
[1] Ebers J.J., Moll J.L. Large Signal Behavior of Junction Transistors // Proc.IRE,v.42, N 12, 1954. P.1761-1772
* В справочниках по БТ эта величина обозначается Bст (или h21Э). Обозначение b используется для описания моделей БТ.
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 560; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!