2 Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора
В общем случае параметры биполярного транзистора определяются его входными и выходными характеристиками.
Входные характеристики: IВХ = f(UВХ) при UВЫХ = соnst.
Выходные характеристики: IВЫХ = f(UВЫХ) при IВХ = соnst.
В приложении к конкретной схеме включения транзистора эти характеристики видоизменяются. Например, для схемы с ОЭ они имеют следующую форму записи:
— входные характеристики: IБ = f(UБЭ) при UКЭ = соnst;
— выходные характеристики: IК = f(UКЭ) при IБ = соnst.
На основе входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) БПТ иногда строятся, так называемые, производные семейства характеристик:
— характеристика передачи по току — IК =f(IБ) при UКЭ = соnst (схема с ОЭ);
— характеристика обратной связи по напряжению – UБЭ = f(UКЭ) при IБ = соnst (для схемы с ОЭ).
Входные ВАХ БПТ малой мощности изображены на рисунке 2.1а. Эти кривые подобны ВАХ полупроводникового диода. Входным параметром является напряжение между базой и эмиттером UБЭ, выходным – ток базы IБ.
Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ представлено на рисунке 2.1 б. Штриховой линией (справа) обозначена область лавинного пробоя переходящая в тепловой. Очевидно, что и входные и выходные характеристики БПТ являются нелинейными. Граница перехода кривых тока коллектора на пологий участок определяет активный режим работы транзистора, левей расположен участок, где открываются оба p – n — перехода и наступает режим насыщения. Левая пунктирная кривая показывает начало выхода транзистора на активный режим (UБК = 0). Режим отсечки соответствует области токов базы IБ в области нулевых значений (нижняя пунктирная кривая). Рабочей считается область, расположенная между штриховыми линиями.
Особенностью входных характеристик в схеме ОЭ является различный характер зависимости тока базы от величины приложенного коллекторного напряжения IБ = f(UКЭ). Входным током в схеме ОЭ является ток рекомбинации в базе IБ . При UКЭ = 0 на коллекторном переходе действует небольшое внутреннее запирающее поле. При этом запорный (обедненный носителями заряда) слой коллекторного перехода распространен на некоторую глубину в сторону базы. Рекомбинация происходит в активной области, не занятой запорным слоем. При увеличении UКЭ запорный слой расширяется за счет слаболегированной базы (так называемый эффект Эрли), активная область которой сужается и число рекомбинировавших пар уменьшается, следовательно, уменьшается ток базы, что можно увидеть на входной характеристике (см. рисунок 2.1 а). Этот процесс называется модуляцией (изменением) ширины базы. Эффект модуляции имеет место для выходных напряжений в пределах UКЭ 35 В.
4.2.2. Вольтамперные характеристики
Вид ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n – переходом , как и любого транзистора , зависит от способа включения транзистора к источникам питания . Различают схемы включения с общим истоком ( ОИ ), общим стоком ( ОС ) и общим затвором (0З).
Наиболее часто применяются схемы с ОИ. Поэтому в справочниках обычно даются характеристики и параметры именно для этого способа включения. На рис. 4.5 показано семейство выходных ВАХ транзистора с ОИ.
На рисунке показаны области, в которых транзистор работает в различных режимах: омическая область соответствует начальному линейному участку ВАХ при малых напряжениях сток-исток, область насыщения, где ток стока мало зависит от напряжения сток-исток и увеличивается лишь с увеличением напряжения затвор — исток, режим отсечки, в которой ток стока определяется обратным током p–n -перехода, и, наконец, область пробоя. Обычно транзисторы с управляющим p–n -переходом в усилительных схемах работают при отрицательных напряжениях на затворе, ток затвора при этом равен нулю. Поэтому входные ВАХ как правило не приводятся. В справочниках может быть приведено семейство так называемых сток — затворных ВАХ (или проходных характеристик) — зависимости тока стока от напряжения затвор-исток (см.рис.4.5).
Эти характеристики позволяют правильно выбрать рабочую точку и диапазон изменения входного напряжения транзистора.
© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.
Что такое семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора
Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная проводимость — 10 — 4 -10 -5
Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ (см. рис.1.6).
Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U бэ от входного тока I б , U бэ = ¦ 1 (I б ) при заданном напряжении U кэ . Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.6 б). При U кэ =0 тепловой ток I к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость U бэ = ¦ 1 (I б ) соответствует ВАХ эмиттерного р- n –перехода , включенного в прямом направлении . При U кэ > 0 в цепи коллектора появляется ток-I к0 , направленный навстречу току I б . Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I б = I к0 , приложив соответствующее напряжение U бэ . Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.
Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I к = ¦ 2 (U кэ ) при заданном токе I б ( рис.1.6в). Если U бэ =0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора I к0 = — I б ) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При U кэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжение U бэ и U кэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.
На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы I б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U бэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е к . Напряжение коллектора U кэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока I к служит миллиамперметр РА2.
При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R к связь между коллекторным током I к и напряжением на коллекторе U к выражается уравнением нагрузочной характеристики:
I к =(Е к — U к )/R к
Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат Е к / R к и Е к соответственно.
Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I б .
1.2. Методика графического определения H–параметров транзистора
Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I бА , U кэА ), в которой требуется найти параметры.
Параметры h 11э и h 12э находят по входной характеристики U бэ = ¦ 1 (I б )| Uкэ=const .
Определим h 11э для заданной рабочей точки А (I бА , U кэА ). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А 1 и А 2 (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними D U бэ и D I б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:
h 11э =( D U бэ / D I б )| Uкэ=const .
Приращения D U бэ и D I б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.
Графическое определение параметра h 12э = D U бэ / D U кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных D U кэ > 0 практически сливается в одну (рис.1.8.).
Параметры h 22э и h 21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I к = ¦ 1 (U кэ ) (рис.1.9).
Параметр h 21э = ( D I к / D I б ) | Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (I бА , U кэА ). Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А 1 и А 2 вблизи рабочей точки А при постоянном U кэ =U кэ0 . Приращение тока базы D I б следует брать, как D I б =I б2 – I б1 , где I б2 и I б1 определены как токи базы в точках А 2 и А 1 . Этому приращению D I б соответствует приращение коллекторного тока D I к = I к2 – I к1 , где I к2 и I к1 .определены в точках точках А 2 и А 1 . Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h 21э = ( D I к / D I б ) )| Uкэ=const .
Параметр h 22э =( D I к / D U кэ ) ½ Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точке А (I бА , U кэА ), при постоянном токе базы I б . Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А * 1 и А * 2 . Для этих точек определяют D U * кэ | Iб = IбА =U к2 – U к1 – приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока D I * к = I * к2 – I * к1 . При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I б =I бА .
Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I бА .
2. Задания на теоретические расчеты
2.1. Ознакомиться со схемами включения биполярного транзистора, с методикой исследования и снятия статических вольт-амперных характеристик с ОБ и ОЭ; с методикой графического определения h–параметров транзистора.
2.2. Рассчитать по формуле (15) и построить нагрузочную характеристику I к = ¦ 3 (U кэ ) биполярного транзистора для следующих исходных данных R к =1кОм, 3кОм; Е к =10B ;
3. Задания на экспериментальное исследование и порядок их выполнения
Задание 1. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольметра) .
1.1. Снять входную ВАХ – I э =F(U эб )| Uкб=const . Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).
1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U эб . Данные занести в табл.1.
При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I э , I б ) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.
По результатам измерений построить графики.
1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I к =F(U кб )| Iэ=const . Данные занести в табл.2.
По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.
Задание 2. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольметра).
2.1. Снять входную ВАХ –I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.2). Данные занести в таблицу аналогичную табл.1. Измерения проводить при Iб=0; 0.01; 0.05; 0.1мА, при Uкэ=0 и +15В.
По результатам измерений построить графики.
2.2 Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кэ )| Iб=const . Данные занести в таблицу аналогичную табл.2.
По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.
Задание 3. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа).
3.1. Снять входную ВАХ – I э =F(U эб )| Uкб=const I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.
3.2. Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кб )| Iэ=const . Собрать схему (рис.3.4).
Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.
Задание 4. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с Оэ (с помощью осциллографа) .
4.1. Снять входную ВАХ – I б =F(U бэ )| Uкэ=const . Собрать схему (рис.3.5). Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.
4.2. Снять семейство выходных ВАХ – I к =F(U кэ )| Iб=const . Собрать схему 3.6. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.
Задание 5 Исследование частотных характеристик передаточных параметров транзистора a ( j w ), b ( j w )
5.1. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a ( w )= I m к /I m э | Iэо=const , .
Рис.3.7.
5.1.1. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора включенного по схеме с ОБ на высокой с помощью амперметров приведена на рис.3.7. Все амперметры поставить в режим измерения переменного тока (режим АС)
Для измерения зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a ( w )= I m к /I m э | I эо= const , составить соответствующую таблицу и по ней нарисовать график зависимости a ( w ). Определить f a — граничную частоту транзистора включенного по схеме с ОБ.
5.1.2. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОБ, на высокой с помощью измерителя диаграмм Боде, приведена на рис.3.8. Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение АЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить α 0 и f α . Результаты измерений записать в отчет.
5.2. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ j a ( w ) =( j Im к — j Im э ) . Измеритель Боде поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний.
Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Измерить запаздывание по фазе на частоте f a .
5.3. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ b ( w )=I m к /I m б | I эо= const , .с помощью измерителя диаграмм Бодэ.
Собрать схему (рис.3.9). Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране изображение АЧХ, удобное для снятия показаний.
5.4. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ j b ( w ) a ( w )=I к m /I э m | I эо= const , . Схема измерения приведена на рис.3.9. Измеритель поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить β 0 и f β . Результаты измерений записать в отчет.
Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Определить запаздывание по фазе на частоте f b . На рис.3.10 приведены АЧХ и ФЧХ .
Задание 6. Исследовать зависимости усилительных и частотных свойств транзистора включенного по схеме с ОБ от тока эмиттера — a = F ( I эо ) , f a = F ( I эо ) .
Собрать схему (рис.3.11). Добиться удобного изображения АЧХ. Величину a и f a = измерять с помощью измерителя АЧХ. Величину a можно измерить с помощью вольтметра.
Результаты измерений занести в табл. 3.
Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.
Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная, так что без лишних слов переходим к делу. Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:
А вот так — для p-n-p:
Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность. Входными величинами являются напряжение база-эмиттер ( U_ <бэ>) и ток базы ( I_ ), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер ( U_ ) и ток коллектора ( I_ ). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора — это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.
Характеристики биполярного транзистора.
Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:
I_ = f(U_), \medspace при \medspace U_ = const
В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_ <кэ>):
Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_ = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_ ветвь будет смещаться вправо. Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной. Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.
I_ = f(U_), \medspace при \medspace I_ = const
Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:
Видим, что при небольших значениях U_ <кэ>коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_ <кэ>(зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора. Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:
Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину. Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано. Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_ (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:
I_к = \beta I_б
Двигаемся дальше �� На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_ <кэ>уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_ . И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ \medspace нас>напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении. В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы. Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора. И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_ = 0 . Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки. Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_ ) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:
Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.
Основные параметры биполярных транзисторов.
Пробежимся по параметрам биполярных транзисторов и обозначим, какие предельные значения они могут принимать.
| I_ ( I_ ) — обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера. |
| I_ ( I_ ) — обратный ток эмиттера — ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора. |
| I_ ( I_ ) — аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер — ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы. |
| U_ ( V_ ) — напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора. |
| U_ ( V_ ) — напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847: |
| U_ ( V_ ) — напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора. |
| U_ ( V_ ) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы. |
| Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер — U_ ( V_ ) и U_ ( V_ ). |
| Конечно же, важнейший параметр — статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером — h_ ( h_ ). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения. |
| f_ ( f_ ) — граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента. |
| И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим — I_ ( I_ ) — максимально допустимый постоянный ток коллектора. |
На этом и заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, всем спасибо за внимание, подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи.