Максимальному току коллектора соответствует
максимальный ток базы Iб max.
Дальнейшее увеличение тока базы не приведет
к увеличению тока коллектора, т.к. транзистор
полностью открыт, падение напряжения
на нем близко к нулю и он не определяет
ток коллектора.
Принято говорить, что он находится в
состоянии насыщения. Это состояние характеризуется
коэффициентом насыщения.
Коэффициент насыщения характеризует
превышение реального базового тока над
требуемым. Он равен отношению Iб/Iб max. Его величина всегда больше единицы.
Чем сильнее будет насыщен транзистор,
тем меньше будет напряжение коллектор–эмиттер
и тем меньше будут тепловые потери в транзисторе.
Однако чрезмерное насыщение чревато
большой неприятностью – в таком состоянии
база транзистора накапливает большое
количество неосновных носителей, которые
задерживают выключение транзистора,
когда прекращается ток базы.
При выключении транзистора в цепь базы
подается отрицательное напряжение, в
результате чего ток базы меняет свое
направление и становится равным Iб выкл.
Пока происходит рассасывание неосновных
носителей в базе, токи коллектора и базы
не меняют своего значения, а транзистор
находится в открытом состоянии.
Это время называется временем рассасывания
tрас. После окончания процесса рассасывания
происходит спад отрицательного тока
базы и спад протекавшего через транзистор
тока коллектора – время спада tсп.
Время выключения транзистора tвыкл равно:
tвыкл= tрас+ tсп.
(3.2)
Минимальное время выключения
получается, если в базу транзистора до
момента выключения подавался ток пограничного
режима насыщения Iб≤Iб max.
Для объяснения ключевого режима
работы используют выходные характеристики.
А и В - возможные рабочие точки. В
точке А транзистор выключен (или ключ
разомкнут), в точке В транзистор включен
(ключ замкнут). Чтобы получить точку В,
необходимо обеспечить соответствующий
ток базы.
В точке А:
Uкэ=Uп-Rк×Iко; Iк=Iко.
В точке В:
Uкэ»0,1В; Iк=(Uп-Uкэ)/Rк.
В расчетах обычно пренебрегают
величинами Iко»0, Uбэ»0,6В и Uкэ»0,1В. Обычно в открытом состоянии
транзистора ток Iк задан. Требуемый ток
базы Iб=Iк/h21Э обеспечивается
базовой цепью
Iб =(Uб-Uбэ)/Rб.
Uбэ»0,6В, тогда
Rб=(Uб-0,6)/Iб;
Iк=(Uп-Uкэ)/Rк; Uкэ»0,1В.
Т. к. h21Э может меняться
от значений Iк, от температуры, от времени,
то ток базы Iб приходится
задавать с запасом. При расчете Iб исходят из
величины h21Эmin/(1,5...2).
Число 1,5... 2 - это коэффициент насыщения.
Работу транзистора в точках
А и В принято характеризовать следующими
терминами:
точка А - состояние отсечки
(отсечен ток коллектора);
точка В - состояние насыщения (транзистор
открыт полностью).
Переход из состояния в состояние
происходит скачком.
3.2 Усилительный режим работы
транзистора
Рассмотрим мощность, выделяемую
на транзисторе в двух возможных режимах:
ключевом и усилительном. Нагрузочная
прямая определяет возможные рабочие
точки транзистора. В ключевом режиме
мощность, выделяемая на транзисторе,
соответствует точке А или В, т.е. всегда
меньше максимальной возможной мощности.
В усилительном режиме, когда возможно
существование любых рабочих точек на
нагрузочной прямой, мощность Pк может
принимать и максимальное значение.
В усилительном режиме в общем
случае входной сигнал может быть знакопеременным,
например, синусоидальным. Переход база-эмиттер
является диодным p-n переходом. Чтобы входная
цепь транзистора могла работать с сигналом
переменного тока, необходимо переход
база-эмиттер сместить в прямом направлении,
т.е. задать в базовой цепи рабочую точку
по постоянному току. Относительно этого
постоянного тока можно подавать в базовую
цепь сигнал переменного тока, который
будет усиливаться. Постоянный ток смещения
базы будет определять постоянную составляющую
тока коллектора в соответствии с соотношением
Iк=Iб×h21Э. В усилительном
режиме возможные рабочие точки находятся
на нагрузочной прямой между точками А¢ и В¢. Ток смещения должен выводить
рабочую точку коллектора транзистора
по постоянному току на середину отрезка
А¢ В¢, чтобы напряжение на коллекторе
могло изменяться от этой середины как
в сторону источника питания, так и в сторону
общей точки.
3.3 Способы задания
рабочей точки по постоянному току в усилительном
режиме
Для задания рабочей точки по
постоянному току необходимо в базу транзистора
подать ток смещения. При этом необходимо
обеспечить стабильность рабочей точки
коллектора транзистора по постоянному
току, т.е. исключить ее смещение при изменении
параметров базовой цепи, при изменении
температуры и с течением времени.
Обычно рабочая точка по постоянному
току соответствует максимальной мощности
Pк (т.е. максимальному нагреву транзистора).
4 Усилительные свойства
биполярных транзисторов
4.1Усиление тока
Обычно зависимость тока коллектора
от тока эмиттера выражается через коэффициент
усиления по току, который обозначается
буквой а («альфа»). Этот коэффициент определяется
как отношение приращения тока коллектора
Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера
Iэ, а именно
(4.1)
За счёт близкого расположения
переходов и вследствие совершенной технологии
производства величина а современных
плоскостных транзисторов обычно находится
в пределах от 0,9 до 0,997.
Одному и тому же приращению
тока эмиттера будут соответствовать
различные значения вызванного им приращения
тока коллектора в зависимости от выбора
исходной рабочей точки на характеристике.
Это говорит о том, что величина коэффициента
а зависит от напряжения на коллекторе
и тока эмиттера.
При малых напряжениях коллектора
коэффициент а растёт с увеличением напряжения.
Это объясняется в основном тем, что при
малых напряжениях носители зарядов базы
вяло втягиваются в коллектор, но чем больше
напряжение на коллекторе, тем энергичнее
происходит втягивание. Нак5онец, при напряжении
около 2 – 3 в практически все носители
зарядов, оказывающиеся вблизи коллекторного
перехода, попадают на коллектор. Поэтому
дальнейший рост тока коллектора по мере
увеличения напряжения на нём практически
прекращается, а ток базы несколько уменьшается.
При напряжении, близком к максимально
допустимому для данного типа транзистора
( обычно 15 – 60 в, иногда более), вновь наблюдается
заметный рост величины коэффициента
а, которая может достичь единицы и более.
Но такой режим работы практически не
используется и обычно не рекомендуется,
так как резко возрастает опасность выхода
из строя транзистора.
Зависимость величины коэффициента
а от режима работы транзистора вызывает
необходимость проведения измерений при
относительно небольших приращениях тока
эмиттера. Обычно в таких случаях величина
приращения Iэ не превышает 5 – 10 % исходного
значения тока эмиттера Iэ:
Iэ < (0,05 – 0,1)Iэ.
Зная приращение тока эмиттера
Iэ и величину коэффициента а, можно определить
связанное с этим приращение тока базы
Iб.
Действительно ток базы Iб =
Iэ – Iк. Если выразить ток Iк через Iэ, как
Iк = аIк, то получим: Iб = Iэ – аIэ
= Iэ (1-а). Отсюда следует:
(4.2)
Учитывая, что величина величина
весьма близка к единице, из последнего
выражения можно сделать вывод: изменение
тока эмиттера в
раз больше связанного с ним изменения
тока базы.
Например, если
, то
;
(4.3)
если
, то
.
(4.4)
Таким образом, изменяя величину
тока базы, можно управлять током эмиттера
и, следовательно, током коллектора.
Усиление транзистора по току
зависит от схемы включения транзистора.
В зависимости от того, какой
из трёх электродов транзистора является
общим для цепей двух других, различаются
три основные схемы (способа) включения:
с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ)
и общим коллектором (ОК). Кроме трёх основных,
есть ещё четвёртая, комбинированная,
схема включения, называемая схемой с
разделённой нагрузкой. В схеме с разделённой
частью нагрузки включена в цепь коллектора
(как в схеме ОЭ), а другая часть – в цепь
эмиттера (как в схеме ОК).
В схеме с общей базой входным
электродом является эмиттер, выходным
коллектор. В соответствии с этим входным
параметром является ток эмиттера Iэ, выходным
– ток коллектора Iк, а коэффициент усиления
по току Кi для схемы с общей базой, как
это было показано выше, равен:
(4.5)
В схеме с общим эмиттером входным
электродом является база, выходным –
коллектор. Это значит, что входным параметром
является ток базы Iб, выходным – ток коллектора
Iк, а коэффициент усиления по току для
схемы с общим эмиттером равен:
(4.6)
Обычно коэффициент усиления
по току для схемы с общим эмиттером обозначается
буквой
:
(4.7)
Так как ток базы в большинстве
случаев в десятки – сотни раз меньше
тока коллектора, то величина коэффициента
усиления должна быть много больше единицы.
Действительно, после подстановки значений
в формулу для
получается:
В этом большие преимущества схемы
с общим эмиттером по сравнению со схемами
с общей базой, усиление по току который
не превышает единицы.
В схемах с общим коллектором
входным электродом служит база, выходным
– эмиттер. В соответствии с этим входным
параметром является ток базы Iб, выходным
– ток эмиттера Iэ. Коэффициент усиления
по току Кi для этой схемы включения равен:
(4.8)
то есть усиление по току для
этой схемы включения примерно равно усилению
по току схемы с общим эмиттером.
В схеме с разделённой нагрузкой
входным электродом является база, выходными
– эмиттер и коллектор. Следовательно,
входным параметром является ток базы
Iб, выходными параметрами – токи эмиттера
и коллектора, Iэ и Iк. Коэффициент усиления
тока для эмиттерной цени равен
, а для коллекторной -
, то есть в среднем можно считать,
что для обеих выходных цепей
4.2 Усиление мощности
Когда говорится об усилительных
свойствах того или иного прибора, то обычно
имеется в виду в первую очередь усиление
по мощности. Количественной оценкой усилительных
свойств является коэффициент усиления
по мощности Кр, показывающий, во сколько
раз выходная мощность Рвых больше мощности,
введённой во входную цепь прибора Рвх
(4.9)
Мощность может выражаться
через квадрат тока или напряжения. В первом
случае
вых;
вх
Следовательно,
(4.10)
где Кi – коэффициент усиления
по току.
Во втором случае
следовательно,
Где
- коэффициент усиления по напряжению.
В том случае, когда известна
величина Кр, а требуется найти усиление
по напряжению, можно воспользоваться
производной формулой:
(4.11)
Последняя формула часто используется
для оценки усиления различных каскадов
на транзисторах.
Поскольку величина Кр не зависит
от того, через какие именно величины U
и I её находили, то можно приравнивать
между собой
(4.12)
отсюда следует:
.
(4.13)
Таким образом, зная коэффициент
усиления по току Кi, а также величины входного
и выходного сопротивлений, можно определить
усиление по напряжению или мощности.
В ряде случаев расчёт усиления
по напряжению целесообразно производить
по формуле:
(4.14)
где
- крутизна входной характеристики
транзистора, определяющая усилительные
свойства прибора. Крутизна входной характеристики,
называемая просто крутизной S, имеет размерность
ток/напряжение, то есть а/в или ма/в и характеризует,
насколько изменяется выходной ток усилительного
прибора в амперах или миллиамперах при
изменении входного напряжения на один
вольт. В этом определение крутизны характеристики
транзистора практически не отличается
от известного определения крутизны характеристики
электронных ламп.
Основное достоинство последней
формулы записи усиления напряжения в
простоте её написания и применения, поскольку
отпадает необходимость в предварительных
громоздких расчётах коэффициента усиления
тока и входного сопротивления. Используя
некоторые приближённые выражения для
определения величины S, можно быстро и
с достаточной точностью рассчитать усилительные
возможности самых разнообразных транзисторных
устройств.