4.1.3.   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 – ба
за».

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

Подпись:  

Рис. 4.6. Схема замещения транзистора
(rб – сопротивление базового слоя)
(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 ОЭ представляе