Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В

Аналогично, применяют три основные схемы включения полевых транзисторов в усилительные каскады (схемы ОИ,ОС,ОЗ). Принципы усиления колебаний во всех каскадах, например на биполярных транзисторах, одинаковы, но свойства схем различны.

Для удобства сравнения важнейшие параметры основных схем включения биполярных транзисторов сведены в табл.1, где Ki, Ku, Kp - коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, соответственно; Rвх и Rвых - входное и выходное сопротивления схемы.

2.2.5. Физические процессы в усилительном каскаде

На рис. 2.41 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n.

Рис. 2.41

149

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

iк.упр=αiэ,

где α – коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рис. 2.41), называемый еще начальным током коллектора. Он не управляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

iк=αiэ+iк0.

Во многих случаях iк0«iэ и можно считать, что iк≈αiэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы следует, что при iэ=0 ток iк=iк0.

Преобразуем выражение так чтобы выразить зависимость тока от iк от тока iб. Заменим iэ суммой iк+iб:

iк=α(iк+iб)+iк0.

Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим

Обозначим

150

и напишем окончательное выражение

iк=βiб+iк-э0

Здесь β-коэффициент передачи тока базы и состовляет несколько десятков. Наример, если α=0,95, то

а если α=0,99, т.е. увеличился на 0,04, то

т.е. β увеличился в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения α приводят к большим изменения β. Коэффициет β, так же как и α, относится к важным параметрам транзистора. Если известен β, то можно определить α по форуле

.

1

Следует заметить, что коэффицитент α не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера α изменяется сравнительно мало.

Коэффициент β изменяется в зависимсти от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент α. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент β максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба

151

n – p-перехода) в том случае, если iб=0, т.е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения iк=βiб+iк-э0 при iб=0 получаем iк=iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк-э0=iк0/(1-α), и, зная, что α/(1-α)=β, нетрудно найти iк-э0=(β+1)iк0. А так как β»1, то

iк-э0≈βiк0.

Сравнительно большой ток iк-э0 объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. В следствии этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения Uк-э ток iк-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если напряжение Uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения Uк-э, действующая на коллекторном переходе, увеличивает ток iэ и равный ему ток iк, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшается, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т.д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток iк-э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рис. 2.42). Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки Rн и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора.

Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода rк0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению rк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

152