Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Режимы насыщения и отсечки используются при использовании транзисторов в ключевом режиме в дискретных устройствах, а также в электронных преобразователях энергии.

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора^[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

При использовании транзисторов в составе усилительных устройств применяют разные варианты включения. Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рисунке 2.19. Эта схема является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 2.19 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

Услительные свойства транзистора характеризует статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

при U_к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению k_u равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменных напряжений. Входным является переменное напряжение u_б-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное может достигать сотен вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E₂). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности может быть равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°, т. е. является инвертором.

К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например,в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.20.

Рис. 2.20. Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше еденицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

при u_к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ и может быть от десятков до сотен. Усиление по мощности равно усилению по напряжению. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. При усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ, также частотные свойства гораздо лучше, чем в схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 2.21. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

Рис. 2.21. Схема включения транзистора с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным–- потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки и сотни килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника,на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1, а на выходе напряжение u2 и ток i2. Для транзисторов чаще всего используются h–параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Схема активного четырехполюсника приведена на рисунке 2.22.

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1 при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2 при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1 при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2 при I_m1 = 0.

Рис. 2.22. Схема транзистора в виде активного четырехполюсника.

Учитывая, что транзистор является нелинейным элементом для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические выходные и входные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.
Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис.2.23).

Рис. 2.23.Эквивалентная схема включения транзистора с ОЭ (а), входные характеристики (б), выходные характеристики (в).

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы β

h_21э= β = ΔI_к /ΔI_б, U_кэ= const.

Величина β лежит в интервале значений β =10…1000.

Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора

h _11э = ΔU_бэ /Δ I_б, U_кэ=const

и выходная дифференциальная проводимость

h_22э = Δ I_к /ΔU_кэ, I_б= const

Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10^{- 4} -10 ^-5 Сим.

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =f₁(I_б) при заданном напряженииU_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.2.23 б). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимостьU_бэ =f₁(I_б) соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода, включенного в прямом направлении. ПриU_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 считается зависимость I_к =f₂(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 напряжения U_бэи U_кэнаправлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.