Рабочий режим биполярного транзистора

КРАСНОЯРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рабочий режим биполярного

транзистора 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 2003

Рабочий режим биполярного транзистора 
 

  При работе транзисторов (биполярных, полевых) и электронных ламп в реальных устройствах в цепи их электродов обычно включают не только источники постоянных напряжений, но и источники сигналов, подлежащих преобразованию, а также резисторы, обмотки трансформаторов, катушки индуктивности, колебательные контуры или другие элементы, называемые нагрузкой.

  Сигналы, преобразуемые в радиотехнических схемах на транзисторах, могут иметь  различную форму (гармонические, импульсные, сложным образом модулированные и др.), а также отличаться по частоте.

  Одним из важнейших применений транзисторов является усиление малого переменного сигнала. Под термином «малый сигнал» понимают такое, например, синусоидальное напряжение u=u_m∙sin(ωt), амплитуда u_m которого достаточно мала, так что в пределах изменения напряжения малого сигнала статические характеристики прибора можно считать (без большой погрешности) линейными, а сам транзистор рассматривать как линейный четырёхполюсник.

  При использовании транзистора для  усиления он может быть включен любым  из трех способов: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.  

  Рабочий режим транзистора, включенного по схеме с общей базой

Рис 1. Упрощенная схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с общей базой 

  Во  входную цепь включена батарея постоянного  напряжения Е_Э, которая дает постоянный ток эмиттера I_Э(0), а также источник усиливаемого сигнала u_вх=u_э=u_эm∙sin(ωt). В цепи коллектора включен источник постоянного напряжения Е_к, питающий коллектор через резистор R_К, служащий нагрузкой в выходной цепи, на которой выделяется усиленное напряжение.

  При отсутствии входного сигнала на прямосмещенном эмиттерном переходе действует постоянное напряжение Еэ, которое задает постоянный ток эмиттера I_Э(0) во входной цепи и постоянный ток коллектора I_К(0) в выходной цепи. Ток I_К(0), протекая через активную нагрузку (резистор R_к) сверху вниз, создает на ней постоянное падение напряжения U_R0= I_К(0)∙R_К указанной на рис. 1 полярности. Напряжение на коллекторном переходе U_К0 можно определить, записав для выходной цепи закон Кирхгофа: 
 

  E_K=I_K(0) ∙R_K+U_K0,

  U_K0=E_K-I_K(0) ∙R_K

  Если  к входным зажимам схемы приложить  переменное напряжение u_вх=u_э=u_эm∙sin(ωt), то мгновенное напряжение на эмиттерном переходе U_Э=E_Э± u_вх будет изменяться (высота потенциального барьера в переходе уменьшается, если положительная полуволна входного сигнала, или увеличивается, если отрицательная полуволна входного сигнала) и соответственно будут изменяться токи входной и выходной цепи. Протекая через резистор R_K, пульсирующий ток I_K создает на нем изменяющееся во времени напряжение U_R, значит, изменяется во времени U_K=E_K-I_K∙R_K (при положительном полупериоде  напряжения u_вх напряжение на резисторе U_R возрастает, а напряжение между коллектором и базой U_K уменьшается; при уменьшении I_K напряжение  U_K растет).

  Если  транзистор работает с нагрузкой в выходной цепи, изменение напряжения на входе вызывает изменение напряжения на выходе (в приведенном примере изменение U_Э на эмиттерном переходе вызывает изменение напряжения U_K на коллекторном переходе).

  Такой режим работы транзистора при одновременно изменяющихся напряжениях на электродах называется рабочим (динамическим). В таком режиме все токи в транзисторе являются функциями одновременно изменяющихся напряжений между электродами.

  В отличие от статического режима в  этом режиме состояние системы (транзистора, лампы) зависит не только от напряжения, приложенного к ее электродам в данный момент времени, но и от частоты, амплитуды и формы этих напряжений.

  Эта особенность объясняется тем, что  за время пролета носителей заряда (инжектированных носителей от эмиттера к коллектору в транзисторе, электронов от катода к аноду в лампе) τ  приложенные напряжения успевают измениться, поэтому объемная плотность заряда, конвекционный ток в каждом сечении системы определяются интегральным действием приложенных напряжений за время пролета, а не мгновенными напряжениями в данный момент времени.

  Если  время движения инжектированных  из эмиттера в базу носителей заряда τ от эмиттера к коллектору сравнимо с периодом усиливаемого сигнала Т, то закон изменения концентрации инжектированных неосновных зарядов в базе не будет описываться кривой, монотонно убывающей от эмиттера к коллектору. Предположим, например, что в какой-то момент времени полярность переменного напряжения сигнала такова, что высота потенциального барьера эмиттер-база уменьшилась, т.е. поток носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу, увеличился. Если в течение половины периода инжектированные носители заряда успеют пройти только часть расстояния от эмиттера до коллектора, то кривая изменения концентрации инжектированных носителей в базе достигнет максимума где-то в середине базы, т.к. в этот момент барьер эмиттер-база увеличится и число инжектируемых носителей заряда значительно уменьшится (рис. 2б). Вследствие этого в базе наряду с диффузионным движением инжектированных носителей в прямом направлении возникнет диффузионное движение инжектированных носителей заряда в обратном направлении. Коллекторный ток уменьшится (не все носители заряда дошли до коллектора), следовательно, упадет и коэффициент передачи тока эмиттера α.  
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.2. Распределение концентрации инжектированных дырок в базе по ее толщине:

  а) при увеличении напряжения на эмиттерном переходе,

  б) при уменьшении напряжения на эмиттерном переходе 

  Таким образом, при увеличении концентрации инжектированных носителей заряда в базе нужно время на накопление их (рис.2а), при уменьшении концентрации дырок на границе перехода надо время на рассасывание тех дырок, которые были инжектированы ранее при бόльших напряжениях (рис.2б).

  Частотная зависимость свойств транзисторов обусловлена также влиянием емкостей переходов и распределенного  сопротивления базы, но главным образом – влиянием времени пролета носителей от эмиттера к коллектору.

  Инерционность процессов в базе приводит также к фазовому сдвигу между I_K и I_Э, следовательно, α и другие параметры транзистора становятся комплексными величинами, зависящими от частоты.

  В транзисторах ухудшение усилительных свойств наступает на значительно  более низких частотах, чем в электронных лампах. В электронных лампах только в ультракоротковолновом диапазоне волн следует принимать во внимание время пролета электронов (τ от 10^-8 до 10^-10 сек), а в транзисторах этот эффект может проявиться уже на частотах порядка десятков килогерц.

  Если  имеем дело с относительно медленными изменениями приложенных напряжений, когда за время пролета электронов через систему (транзистор, лампа) приложенные  напряжения остаются практически постоянными (τ<<Т ), то состояние системы однозначно определяется мгновенными значениями напряжений, приложенных к электродам, и не зависит от их частоты, формы и амплитуды, то есть в каждый данный момент времени состояние системы подчиняется законам, справедливым для статического режима.

  Режим работы при медленных изменениях приложенных напряжений называется квазистатическим. Распределения избыточных концентраций в каждый момент времени в этом режиме зависят лишь от мгновенных значений приложенных напряжений, поэтому при расчете токов, протекающих во внешних цепях, используются статические характеристики.

  Работа  транзистора в схеме усилителя  может быть проанализирована с помощью  статических характеристик.

  Рассмотрим  метод графического расчета токов  во внешних цепях транзистора, работающего в квазистатическом режиме, где параметры прибора еще не зависят от частоты, на примере схемы (рис.1). Порядок расчета может быть следующим. Разобьем его на несколько этапов. 

I. Определение рабочей области поля выходных характеристик 

  Область дозволенных режимов работы выбирается из условий:

• не превышать предельно-допустимых параметров транзистора;
• не допускать больших нелинейных искажений сигнала.

  Ограничительными  линиями на поле выходных характеристик  являются линии максимальной мощности P_Kmax, максимального коллекторного напряжения U_Kmax, максимального коллекторного тока I_Kmax .

  Максимальная  мощность P_Kmax , которую допустимо рассеивать в приборе, ограничивается допустимой температурой перехода  t_Пmax и указывается в справочниках при температуре +20⁰С.

  Строго  говоря, мощность P_max представляет суммарную мощность, которую можно рассеивать в обоих переходах. В большинстве случаев мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе P_K , значительно превосходит мощность, рассеиваемую в эмиттерном переходе, в этом случае P_max» P_Kmax .

  Линия    (1) описывается уравнением

  I_K∙U_K= P_Kmax .

  Задаваясь значениями U_K  , можно для них определить максимально-допустимый ток, исходя из P_Kmax

  то  есть граница области допустимых значений тока коллектора представляет гиперболу (рис. 3).