Коэффициент
инжекции:
Рассмотрим
более подробно выражение для коэффициента
переноса, для этого проанализируем
компоненты эмиттерного тока как показано
на диаграмме.
Диаграмма:
Для
анализа коэффициента инжекции γ заменим
приращение токов dJэ,
dJк на
их значения Jэ,
Jк.
Выразим эмиттерный ток Jэ как
сумму электронной Jэn и дырочной
Jэp компонент
Jэ =
Jэp +
Jэn.
Воспользуемся ранее полученными
выражениями для компонент тока Jэp и
Jэn:
Получаем
для коэффициента инжекции
Из
полученного соотношения следует, что
для эффективной работы биполярного
транзистора p-n-p типа ток эмиттера
Jэ должен
быть в основном дырочным (Jэp).
По этой причине эмиттер биполярного
транзистора должен быть легирован
существенно сильнее по отношению к
уровню легирования базы (NАЭ>>NДБ).
Коэффициент
переноса:
Коэффициент
передачи эмиттерного тока α характеризует
изменение коллекторного тока Iк при
вызвавшем его изменении эмиттерного
тока Iэ.
Ток
коллектора обусловлен дырками, дошедшими
от эмиттерного перехода до коллекторного.
Поэтому важна доля дырок, дошедших до
коллекторного перехода и нерекомбинировавших
в базе и доля дырочного тока в эмиттерном
токе.
(5.9)
Зависимость
коэффициента инжекции γ от параметров
биполярного транзистора была получена
ранее. Рассмотрим зависимость коэффициента
переноса κ от параметров биполярного
транзистора.
Из
уравнения непрерывности
(5.10)
следует,
что в стационарном режиме
(5.11)
Решение
дифференциального уравнения (5.11) в общем
виде будет иметь следующий вид:
(5.12)
Запишем
граничные условия для (4.11) исходя из
того, что задан эмиттерный ток Jэр =
γ · Jэ и
коллекторное напряжение Uк.
(5.13)
(5.14)
Найдем
коэффициенты А1 и
А2.
Продифференцировав
уравнение в решении (5.12) по x получаем
с
учетом граничных условий (5.13) имеем
(5.15а)
с
учетом граничных условий (1.15а) имеем
(5.15б)
Решая
совместно уравнения (4.15), находим
коэффициенты A1 и
A2.
Затем подставляем A1 и
A2 в
уравнение (4.12) и получаем следующее
выражение для распределения концентрации
инжектированных дырок рn(х)
по базе биполярного транзистора
(5.16)
Последний
сомножитель в квадратных скобках
уравнения (5.16) всегда меньше единицы.
Наконец,
разложив гиперболический синус sh(x) и
гиперболический косинус ch(х) в ряд при
условии x < W << Lр,
получаем закон распределения дырок
рn(х)
по базе биполярного транзистора в первом
приближении
(5.17)
Выражение
(5.17) показывает, что в первом приближении
распределение дырок рn(х)
по толщине базы линейно. Этот вывод
понятен и по физическим соображениям.
Поскольку ток в базовой области
диффузионный и примерно постоянен по
ширине базы (так как рекомбинация мала),
поэтому постоянен градиент концентрации
дырок dp/dx ≈ const.
Так
как коэффициент переноса
то
Для
того, чтобы точно определить коллекторный
ток Jк,
продифференцируем уравнение (5.16) для
концентрации дырок р(х) и рассчитаем
это выражение при х = W. Тогда
(5.18)
Умножив
(5.18) на qDS, получаем с учетом того, что
гиперболический 
стремится
к единице,
(5.19)
Следовательно,
коэффициент переноса κ имеет вид:
(5.20)
Уравнение
(5.20) является очень важным соотношением
для биполярных транзисторов и по этой
причине называется фундаментальным
уравнением теории транзисторов.
Разлагая
гиперболический косинус ch(x) в ряд при
условии, что x < W, и используя первый
член в этом разложении, получаем:
(5.21)
Полагая
значение W = 0,2L, получаем:
Таким
образом, значение коэффициента переноса
κ будет составлять величину, близкую к
единице (отличие не более 2%) при условии,
что ширина базы биполярного транзистора
W по крайней мере в 5 раз меньше, чем
диффузионная длина.
Поскольку
коэффициент передачи α определяется
произведением коэффициентов инжекции
γ и переноса κ как α = γ·κ, то у сплавных
транзисторов, где ширина базы составляет
W = 10÷20 мкм, в коэффициенте передачи α
главную роль играет коэффициент переноса
κ. У диффузионных транзисторов ширина
базы равняется W = (1÷2) мкм и главную роль
в коэффициенте передачи α играет
коэффициент инжекции γ.
Коэффициент
передачи тока:
Входные
характеристики транзистора в схеме с
общим эмиттером представляют собой
зависимость тока базы от напряжения 
при
;
Ток
коллектора равен: Iк= Iкбо + h21БIэ
Исключив
ток эмиттера, получим:
Iк=
Iкбо / (1+ h21Б) – h21Б / (1+ h21Б)*IБ (5.4)
Первый
член называется обратным током коллектор
– эмиттер при токе базы =0, т. е. разомкнутой
базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким
образом:
Iкэо
= Iкбо / (1+ h21Б) (5.5)
Так
как коофичент h21Б отрицателен, а по
абсолютной величине очень близок к
единице и может достигать 0,980 — 0,995, ток
Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.
Множитель
при втором члене в уравнении (5.4) является
коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ
в режиме больших сигналов:
h21Э
=- h21Б /(1+ h21Б) (5.6)
Выразим
коофицент h21Б через токи Iк, Iэ, и IкБо:
h21Б
=-( Iк – IкБо )/ Iэ (5.7)
Подставив
это выражение в уравнение (5.6), получим:
h21Э
=( Iк – IкБо)/( IБ + IкБо) (5.8)
Когда
ток коллектора Iк велик по сравнению с
током IкБо,
h21Э
H Iк / IБ (5.9)
В
реальном транзисторе добавляются токи
утечки и термотоки переходов, поэтому
обратный ток базы закрытого транзистора
(5.10)
Входные
характеристики транзистора показаны
на рис. 5-5. При обратном напряжении базы
и коллектора, т. е. в закрытом
транзисторе, согласно выражению (5.10),
ток базы 
является
в основном собственным током коллекторного
перехода
.
Поэтому при уменьшении обратного
напряжения базы до нуля ток базы
сохраняет свою величину:
.
При
подаче прямого напряжения на базу
открывается эмиттерный переход и в цепи
базы появляется рекомбинационная
составляющая тока 
.
Ток базы в этом режиме в соответствии
с выражением
;
при увеличении прямого напряжения он
уменьшается вначале до нуля, а затем
изменяет направление и возрастает
почти экспоненциально.
Когда
на коллектор подано большое обратное
напряжение, оно оказывает незначительное
влияние на неимоверно входные
характеристики транзистора. Как
видно из рис. 5-5, при увеличении обратного
напряжения коллектора входная
характеристика лишь слегка смещается
вниз, что объясняется увеличением тока
поверхностной проводимости коллекторного
перехода и термотока.
При
напряжении коллектора, истинно равном
нулю, ток во, в самом деле, входной цепи
значительно возрастает по сравнению с
весьма рабочим режимом ,потому что
действительно прямой ток базы в, в
действительности, данном случае проходит
через два параллельно включенных
перехода- коллекторный и эмиттерный. В
сильно целом уравнение (5.12) достаточно
точно описывает неимоверно входные
характеристики транзистора в схеме
с очень общим эмиттером, но для кремниевых
транзисторов лучшее совпадение
получается, если
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Частотные свойства биполярных транзисторов
Зависимость значения коэффициента передачи тока транзистора от частоты для
каскадов с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).
Онлайн калькулятор зависимости коэффициента передачи тока от частоты
Частотные свойства транзистора – это набор характеристик, которые определяют диапазон частот входных сигналов,
в пределах которого прибор тем или иным образом выполняет присущие ему функции по усилению или преобразованию этих сигналов.
Для биполярных транзисторов для определения частотных характеристик принято использовать (среди прочих) частотную зависимость коэффициентов
передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ.
Обозначаются эти коэффициенты, как правило: h21б (можно встретить α – альфа) и
h21э (или β – бета).
Параметр коэффициента передачи транзистора h21б (включённого по схеме с ОБ), как правило, в перечне справочных
характеристик не приводится, но его всегда можно рассчитать, исходя из следующего соотношения:
α = β/(1 + β).
Значение этого параметра всегда будет меньше 1, т. к. мы помним, что схема ОБ обладает усилением по напряжению, но не усиливает ток.
Но дело в данном случае не в этом, а в том, что если мы поочерёдно подставим в эту формулу два значения β (т. е. h21э),
например 100 и 50 (разница в 50%), то легко убедимся, что изменение α (т. е. h21б) составляет всего 1%.
А с учётом того, что для каскада с ОБ, как мы помним:
Ku ≈ Rк x α/Rэ, то и зависимость его усиления
по напряжению от β транзистора будет значительно снижена. А потому и частотные свойства по отношению к ОЭ у него
окажутся более предпочтительными, так как β транзистора существенно зависит от частоты, а Ku каскада ОЭ – от
β. Поясним сказанное рисунком.
Рис.1 Зависимость коэффициентов передачи тока транзисторов от частоты
Здесь β0 (h21э) и α0 (h21б) – это коэффициенты передачи
тока транзисторов в схемах ОЭ и ОБ по постоянному току.
fh21э и fh21б – это предельные частоты коэффициентов
передачи тока (для схем ОЭ и ОБ). Они представляют собой частоты, на которой коэффициенты передачи снижаются в 1,41 раза (на 3 дБ)
от максимального значения.
fт – это граничная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора,
при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером становится равным единице.
Величину коэффициента передачи тока транзисторов в зависимости от рабочей частоты для схемы ОЭ можно определить по следующей формуле:
, где:
h21э0 – это статический коэффициент передачи тока транзистора для схемы ОЭ
(является паспортной характеристикой),
F – это рабочая частота, на которой определяется β,
fh21э – это предельная частота коэффициента передачи тока для схемы ОЭ.
fh21э связана с граничной частотой fт (которая также
является паспортной характеристикой) простым соотношением:
fh21э ≈ fТ/ β0.
Теперь, после того как мы собрали все данные, можно рассчитать величину коэффициента передачи тока транзистора β
на реальной частоте.
А далее, подставив полученное значение в формулу
α = β/(1 + β), также получить и значение коэффициента передачи и для схемы ОБ.
Сдобрим пройденный материал онлайн калькулятором.
РАСЧЁТ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ТРАНЗИСТОРА ОТ ЧАСТОТЫ
h21э0 транзистора |
|
|
Граничная частота усиления транзистора fт (МГц) |
|
|
Рабочая частота F (МГц) |
|
| |
|
| β транзистора на рабочей частоте |
|
| α транзистора на рабочей частоте |
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор, определение и типы
Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).
Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:
- n-p-n;
- p-n-p.
Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.
Области использования биполярных транзисторов:
- в линейных стабилизаторах напряжения;
- в усилительных каскадах электронных схем;
- в генераторных устройствах;
- в качестве ключевого элемента;
- в качестве элемента логических схем;
- и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.
Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.
Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.
Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора
Классификация биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:
- рабочая частота;
- рассеиваемая мощность;
- структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
- и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.
Основные схемы включения биполярного транзистора
Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:
- схема с общим эмиттером;
- схема с общей базой;
- эмиттерный повторитель.
Рисунок BJT.2 — Основные способы включения биполярного транзистора: а — схема с общим эмиттером; б — схема с общей базой; в — эмиттерный повторитель
Схема с общим эмиттером
Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер IB (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер IC (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером hFE:
Еще hFE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.
Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.
Рисунок BJT.3 — Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером
Схема с общей базой
Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).
Рисунок BJT.4 — Схема включения биполярного транзистора с общей базой
Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера IE коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:
Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:
1
где hFE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.
Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы Rin, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода
где:
VBE – напряжение база-эмиттер
Соответственно ток базы мал и равен:
Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.
Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель
Усиление достигается только по току:
Соответственно входное сопротивление повторителя равно:
где:
hFE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;
Rload – сопротивление нагрузки.
В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):
Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора
Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению hFE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).
Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики
Основные параметры биполярного транзистора
- Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) VCEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
- Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) VCBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
- Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) IC – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
- Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) VEBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
- Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) ICEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
- Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) IBL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
- Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) hFE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
- Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) VCE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
- Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) VBE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
- Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) fT – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
- Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) CCBO – емкость коллекторного перехода.
- Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) CEBO – емкость эмиттерного перехода.
- Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
- Время задержки включения (Delay Time) td — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
- Время задержки выключения (Storage Time) ts — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
- Время включения (Rise Time) tr — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
- Время включения (Fall Time) tf — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
- Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) PD – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
- Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
- Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
- Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.
Комплементарность транзисторов
В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.
| n-p-n | p-n-p |
|---|---|
| КТ3102 | КТ3107 |
| 2N3904 | 2N3906 |
| BC237 (238,239) | BC307 (308,309) |
| 2N4401 | 2N4403 |
| 2N2222A | 2N2907 (* почти) |
| 2N6016 | 2N6015 |
| 2N6014 | 2N6013 |
| BC556 (557, 558, 559, 560) |
BC546 (547,548, 549, 550) |
Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].
Измерение коэффициента усиления по току
Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения hFE.
Составной транзистор
Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.
Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи
В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.
Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.
Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.
Расчет схемы Дарлингтона
- Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
- Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока hFE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
- В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
- В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
- Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток эмиттера первого транзистора:
Отсюда:
Проводим ряд преобразований:
где:
hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;
hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;
VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Расчет схемы Шиклаи
- Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
- В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
- В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
- Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.
Выведем выражение для расчета:
Сопротивление резистора следует из выражения:
Ток коллектора первого транзистора:
Отсюда:
где:
hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;
hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;
VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;
R – сопротивление резистора;
IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);
IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).
Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:
Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.
Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.
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_{б}), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). 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_{б} = f(U_{бэ}), medspace при medspace U_{кэ} = 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_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} 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_{к} = f(U_{кэ}), medspace при medspace I_{б} = 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_{кэ} (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:
Двигаемся дальше 👍
На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. 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_{б} = 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_{FE}) 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_{КБО} (I_{CBO}) — обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера. |
| I_{ЭБО} (I_{EBO}) — обратный ток эмиттера — ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора. |
| I_{КЭО} (I_{CEO}) — аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер — ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы. |
| U_{БЭ} (V_{BE}) — напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора. |
| U_{КБ medspace проб} (V_{(BR) CBO}) — напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847: |
| U_{ЭБ medspace проб} (V_{(BR) EBO}) — напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора. |
| U_{КЭ medspace проб} (V_{(BR) CES}) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы. |
| Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер — U_{КЭ medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ medspace нас} (V_{BEsat}). |
| Конечно же, важнейший параметр — статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером — h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения. |
| f_{гр} (f_{T}) — 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_{К} (I_{C}) — максимально допустимый постоянный ток коллектора. |
На этом и заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, всем спасибо за внимание, подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи.