Шарапов А.В. Аналоговая схемотехника

Подождите немного. Документ загружается.

КБ

снижается энергетический барьер в эмиттерном переходе, усиливается

инжекция электронов из области эмиттера в область базы и встречная инжек-

ция дырок и ток эмиттера возрастает. Поэтому входные характеристики при

больших напряжениях

КБ

смещены влево.

Выходные ВАХ транзистора в схеме с общей базой – зависимость тока

коллектора

от напряжения U

КБ

при различных токах эмиттера – показаны

на рис. 3.2,

б. При положительном напряжении на коллекторе ток I

слабо за-

висит от

КБ

и изменяется пропорционально изменению тока эмиттера I

Однако при

= 0 ток коллектора I

К0

≠ 0. Его называют тепловым (обратным)

током перехода база-коллектор.

При перемене полярности напряжения

КБ

транзистор насыщается, ток

коллектора перестает зависеть от тока эмиттера, уменьшается до нуля и уже

при долях вольта меняет направление. Такая зависимость тока

обусловлена

тем, что в

n-p-n-транзисторе при U

КБ

> 0 через переход база-коллектор дви-

жутся только электроны, инжектируемые эмиттером в базу и попадающие на

коллектор под влиянием поля коллекторного перехода. При смене полярно-

сти коллекторного напряжения появляется встречный поток носителей.

Вследствие этого ток коллектора резко уменьшается. Равенство

= 0 означа-

ет, что составляющая тока коллектора, обусловленная движением носителей

заряда из области эмиттера, равна составляющей, обусловленной движением

носителей заряда из области коллектора.

Небольшое увеличение коллекторного и эмиттерного токов транзисто-

ра при увеличении напряжения коллектора

КБ

обусловлено зависимостью

эффективной толщины слоя базы от

КБ

. При увеличении обратного напря-

жения на коллекторном переходе толщина запирающего слоя увеличивается,

примерно на столько же уменьшается эффективная толщина слоя базы, и все

большая часть электронов, инжектируемых эмиттером, попадает в ускоряю-

щее поле коллекторного перехода.

ЭБ

КБ

= 0

КБ

> 0

Рис. 3.2 – ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой

а)

КБ

= 0

Э1

> 0

Э2

Э1

Э3

Э2

Э4

Э3

Э5

Э4

б)

К0

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны между

собой соотношениями:

БКЭ

III

, (3.1)

ЭК

α II

, (3.2)

где

α – статический коэффициент передачи тока эмиттера (α достигает 0,99 и

более, т.е. очень близок к единице).

На рис. 3.3,

а показаны входные характеристики биполярного транзистора

в схеме с общим эмиттером – зависимость тока базы

от напряжения U

БЭ

При

КЭ

< U

БЭ

(обычно эта ВАХ приводится при U

КЭ

= 0) транзистор

переходит в режим насыщения, когда в прямом направлении смещены оба

перехода, поэтому при том же напряжении

БЭ

базовый ток увеличивается,

так как через базу текут токи обоих переходов. При

КЭ

> U

БЭ

коллекторный

переход смещен в обратном направлении и напряжение на нем практически

не влияет на прямой ток перехода база-эмиттер. Эти обстоятельства позволя-

ют на семействе входных ВАХ приводить только две характеристики: одну

при

КЭ

= 0, другую при U

КЭ

, равном одному, двум или пяти вольтам.

Выходные ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

показаны на рис. 3.3,

б. Общий характер этих зависимостей аналогичен ха-

рактеру обратной ветви ВАХ диода, так как большая часть напряжения

КЭ

падает на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении. Од-

нако, в отличие от выходных характеристик схемы с общей базой, выходные

характеристики схемы ОЭ имеют значительно больший наклон, то есть на-

блюдается большая зависимость выходного тока от выходного напряжения.

Так как управляющим током в схеме с общим эмиттером является ток ба-

зы, уравнение (3.2), связывающее токи транзистора, удобно представить в виде:

(

)

КБЭК

αα IIII

= . (3.3)

КЭ

БЭ

КЭ

=2В

КЭ0

Линия граничного режима

Область активного

ежима

Область насы

ения

Б2

Б1

Б5

Б4

…

Б1

Б4

Рис. 3.3 – ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

а)

б)

Выразив из этого уравнения ток коллектора через ток базы, получим:

ББК

α1

III ⋅













−

== . (3.4)

Здесь

β – статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмит-

тером. Чем ближе коэффициент

α к единице, тем больше коэффициент β. Ти-

повые значения

β – от нескольких десятков до ста и более.

Характеристика при

= 0 выходит из начала координат и имеет вид

обратной ветви ВАХ диода. Этот режим работы транзистора равнозначен его

работе с оборванной базой. Условие

= 0 соответствует равенству нулю ре-

зультирующего тока базы, складывающегося из тока источника

БЭ

и проти-

воположного ему по направлению обратного тока перехода база-коллектор

К0

. При этом в транзисторе от коллектора к эмиттеру протекает ток I

КЭ0

, на-

зываемый

сквозным. Этот ток больше, чем I

К0

КЭ0

= I

К0

+ βI

К0

= (β +1)I

К0

. (3.5)

Это объясняется тем, что часть напряжения источника

КЭ

приложена к

эмиттерному переходу в прямом направлении. Вследствие этого возрастает

ток эмиттера и почти на столько же возрастает ток коллектора. При высоких

температурах и использовании германиевых транзисторов с высоким

β обрыв

базы в работающей схеме может привести к выходу транзистора из строя из-

за чрезмерно большого сквозного тока.

Если

> 0, выходные характеристики расположены выше, чем при I

= 0,

и тем выше, чем больше ток

На выходных характеристиках схемы с ОЭ

четко видны две области. Справа от линии граничного режима – активная об-

ласть, где эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллектор-

ный – в обратном. Слева от линии граничного режима находится область на-

сыщения, где оба перехода смещены в прямом направлении. Необходимо об-

ратить внимание на то, что в этой схеме напряжение на переходе коллектор-

база равно разности напряжений коллектор-эмиттер и база-эмиттер, т.е.

КБ

= U

КЭ

– U

БЭ

, поэтому насыщение транзистора наступает при положительном

напряжении

КЭ

В электронных схемах на электроды транзистора подают постоянные

питающие напряжения, задавая таким образом положение рабочей точки на

его ВАХ. Если при этом на усилительный элемент поступает еще и перемен-

ное напряжение

− входной сигнал, то по отношению к этому сигналу он ведет

себя как активный четырехполюсник. При малых амплитудах сигнала этот

четырехполюсник можно считать линейным и представить одной из линей-

ных эквивалентных схем. Все параметры рассматриваемых эквивалентных

схем

− дифференциальные, т.е. определены для приращений токов и напря-

жений. Обычно такие схемы называют малосигнальными схемами замещения

усилительных элементов, подчеркивая этим, что они справедливы только для

режима малого сигнала.

Исходя из принципа работы биполярного транзистора, можно постро-

ить физические эквивалентные схемы замещения. На рис. 3.4 показана экви-

валентная Т-образная

схема биполярного

транзистора, вклю-

ченного по схеме с

общей базой (ОБ). В

схеме имеются две

базовые точки: точка

Б, соответствующая

внешнему выводу

базы, и воображае-

мая точка Б

, нахо-

дящаяся внутри объ-

емной области базы.

Положительное на-

правление тока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения

=∆I

(приращения токов и напряжений обозначены строчными буквами)

может быть любым.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

ЭЭ

, (3.6)

где

I − постоянная составляющая тока эмиттера, мА ;

− температурный потенциал, при комнатной температуре примерно

равный 26 мВ.

Другие параметры представленной схемы имеют следующий физиче-

ский смысл:

– омическое сопротивление области базы (30…70 Ом для транзи-

сторов малой и средней мощности, 5…30 Ом для транзисторов повы-

шенной и высокой мощности);

KБ

r =

= (1−3) МОм – дифференциальное сопротивление кол-

лекторного перехода;

− емкость эмиттерного перехода;

− емкость коллекторного перехода.

Для биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмитте-

ром, малосигнальная Т-образная эквивалентная схема имеет вид рис. 3.5. Па-

раметры схемы

, r

, С

имеют те же значения, что и в схеме с общей базой, а

∗

С и

∗

r изменяются. Сопротивление

(

)

β1

КК

∗

rr , а емкость

(

)

β1

КК

∗

СС .

Это обусловлено тем, что управляющим током стал ток базы.

Рис. 3.4 – Т-образная эквивалентная схема

транзистора для схемы с ОБ

ЭБ

КБ

В данном учебном пособии мы не делаем различия в обозначении инте-

гральных и дифференциальных величин коэффициентов передачи токов базы

и эмиттера. В первом приближении они равны, хотя более строго в расчетах

по постоянному току надо использовать интегральные, а по переменному то-

ку – дифференциальные величины

α и β.

Параметры лю-

бой из рассмотренных

эквивалентных схем

могут быть определе-

ны либо расчетным,

либо эксперименталь-

ным путем. Однако

расчет не всегда обес-

печивает требуемую

точность, а экспери-

мент затруднен из-за

недоступности для ис-

следователя внутренней точки базы Б

. Поэтому часто заменяют физические

эквивалентные схемы более удобным на практике представлением транзисто-

ра в виде активного четырехполюсника.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в ви-

де активного четырехполюсника (рис. 3.6,

а), на входе которого действует на-

пряжение

и протекает ток i

, а на выходе − напряжение u

и ток i

. Для

транзисторов чаще всего используются

h-параметры.

Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с

параметрами, имеет вид:

(3.7)

Рис. 3.5 − Т-образная эквивалентная схема

транзистора для схемы с ОЭ

∗

БЭ

КЭ

∗

2221

1211

Рис. 3.6

− Транзистор, представленный в виде активного четырехполюсника

121

212

а)

б)

2221212

2121111

uhihi

uhihu

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

− входное сопротивление при коротком замыкании на выходе ;

− коэффициент ОС по напряжению при холостом ходе на входе;

− коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

− выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Как и при анализе физических эквивалентных схем, схемы замещения с

активным четырехполюсником справедливы только для малых приращений

токов и напряжений. Роль малых приращений могут играть малые гармони-

ческие токи и напряжения. Для переменных токов и напряжений все входные

и выходные величины, а следовательно, и

h-параметры − величины ком-

плексные, зависящие от частоты, и четырехполюсник можно представить эк-

вивалентной схемой (рис. 3.6,

б) в h-параметрах. Представление транзистора

в виде активного четырехполюсника справедливо для любой схемы включе-

ния. Для схемы с ОБ

h-параметрам приписывают индекс Б: h

11Б

, h

12Б

, h

21Б

22Б

. Для схемы с ОЭ h-параметры обозначаются через h

11Э

, h

12Э

, h

21Э

и h

22Э

Значения одноименных

h-параметров для различных схем включения

различаются. Из сравнения физических эквивалентных схем и эквивалентных

схем транзистора в

h-параметрах можно найти соотношения для расчета h-

параметров через параметры физических эквивалентных схем:

)α1(

БЭвхБ11Б

−

+== rrrh

;

)β1(

ЭБвхЭ11Э

rrrh

;

12Б

≈ ;

12Э

)β1(

≈ ;

21Б

≈h ; β

21Э

≈

h ;

22Б

≈ ;

22Э

)β1(1

≈≈

∗

. (3.8)

В практике приближенных расчетов часто пользуются упрощенными

эквивалентными схемами, не учитывающими внутреннюю обратную связь по

напряжению, полагая 0

12Б

≈h и 0

12Э

≈

h . Не учитывают обычно и влияние

емкости эмиттерного перехода С

, так как она всегда зашунтирована низко-

омным сопротивлением r

На высоких частотах учитывается зависимость от частоты коэффициен-

тов передачи по току α и β :

)

ωτ

)ω(α

)

ωτ

)ω(β

= , где

π2

τ = и

π2

τ = ,

− частота, на которой α падает на 3 дБ;

β1

− частота, на которой β падает на 3 дБ.

Параметры эквивалентной схемы транзистора могут быть определены

по его ВАХ.

По выходным характери-

стикам транзистора можно опре-

делить выходное сопротивление

транзистора

∗

r (h

22Э

) и коэффи-

циент передачи транзистора по

току h

21Э

Для определения диффе-

ренциального выходного сопро-

тивления транзистора в рабочей

точке

1 (рис. 3.7) проведем каса-

тельную

АВ к соответствующей

выходной характеристике через

рабочую точку и определим ее

на-

клон

()

9.3.

Б1Б

КЭ

22Э

∆

∗

По выходным характеристикам может быть также определен коэффи-

циент передачи транзистора по току h

21Э

, как отношение приращения коллек-

торного тока к вызвавшему его изменению тока базы. Если ток коллектора

транзистора в рабочей точке

1 равен I

К1

при токе базы I

Б1

, то, поднявшись по

линии U

КЭ

, найдем координаты точки 2 при токе базы I

Б2

и определим

21Э

как

()

03.1.

Б1Б2

К1К2

0КЭ

21Э

−

∆

Аналогично по входным харак-

теристикам может быть определено

входное сопротивление транзистора

(рис. 3.8). Для этого через рабочую

точку

3 проводится касательная CD

ко входной характеристике и h

11Э

рас-

считывается, исходя из наклона этой

касательной:

0КЭ

БЭ

Э11

∆

= . (3.11)

БЭ

∆

БЭ

∆

Рис. 3.8 − Определение входно-

го сопротивления транзистора

по его входной ха

акте

истике

КЭ

Б2

Б1

∆

КЭ

∆

К2

К1

Рис. 3.7

−

Определение параметров

транзистора по его выходным ВАХ

3.2 Полевые транзисторы

Полевыми или униполярными транзисторами называются полупровод-

никовые приборы, в которых регулирование тока производится изменением

проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпен-

дикулярного направлению тока. Ток полевого транзистора обусловлен пото-

ком основных носителей, протекающих по приповерхностному слою полу-

проводника. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда,

называют

истоком. Электрод, через который носители заряда уходят из ка-

нала, называют

стоком, управляющий электрод – затвором. От значения на-

пряжения, приложенного между затвором и истоком, зависит проводимость

канала, следовательно, и сила тока в нем.

Полевые транзисторы бывают двух типов: с управляющим p-n-

переходом и с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектри-

ком из двуокиси кремния SiO

. Последние чаще всего называются МОП- (ме-

талл-окисел-полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-

полупроводник).

В МОП-транзисторах электроды стока и истока располагаются по обе

стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Полупро-

водниковый канал может быть обеднен носителями заряда или обогащен ими.

При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводи-

мость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен но-

сителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора

в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если ка-

нал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с

дырочной проводимостью называются p-каналами. Таким образом, под об-

щим понятием «полевой транзистор» скрываются шесть разных видов тран-

зисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом с каналами

n-типа и p-типа и четыре типа транзисторов с изолированным затвором – с

каналами n-типа и p-типа, каждый из которых может иметь индуцированный

или встроенный канал.

Условные графические обозначения (УГО) этих типов транзисторов

приведены на рис. 3.9. Графическое обозначение транзистора содержит мак-

симальную информацию об его устройстве. Канал транзистора изображается

вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обознача-

ет индуцированный канал, а сплошная – встроенный. Исток и сток действу-

ют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым уг-

лом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление

которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается верти-

кальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду

истока.

Стандартный набор ВАХ полевых транзисторов отличается от набора

ВАХ биполярных транзисторов прежде всего потому, что у полевых транзи-

сторов отсутствуют входные токи, а значит, и входные характеристики.

Обычно для полевых транзисторов приводятся проходные (передаточные)

характеристики – зависимость тока стока от напряжения между затвором и

истоком при постоянном напряжении U

СИ

и семейство выходных характери-

стик – зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при

различных напряжениях между затвором и истоком.

На рис. 3.10 показаны передаточные характеристики транзисторов с ка-

налом n-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характе-

ристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней по-

ловине графика и, следовательно, имеют положительный ток стока I

, что со-

ответствует положительному напряжению между стоком и истоком U

СИ

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

с каналом n-тип

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

с каналом

-тип

Полевой транзистор с изолированным затвором

с встроенным каналом n-типа

Полевой транзистор с изолированным затвором

с встроенным каналом p-типа

Полевой транзистор с изолированным затвором

с индуцированным каналом n-типа

Полевой транзистор с изолированным затвором

с индуцированным каналом p-типа

Рис. 3.9 − УГО полевых транзисторов

Характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при

нулевом напряжении на затворе имеет максимальное значение тока, которое на-

зывается начальным I

Снач

. При увеличении запирающего напряжения ток стока

уменьшается и при напряжении отсечки U

отс

становится близким к нулю. Про-

ходные характеристики нелинейны и описываются выражением

отс

ЗИ

начСС













−=

II . (3.12)

Характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом при

нулевом напряжении на затворе имеет нулевой ток. Появление тока стока в

таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогово-

го значения U

пор

. Увеличение напряжения на затворе U

ЗИ

пор

приводит к

увеличению тока стока.

Характеристика МОП-транзистора со встроенным каналом при нулевом

напряжении на затворе имеет начальное значение тока I

С0

. Такие транзисторы

могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При

увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а

при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижа-

ется.

Характеристики транзисторов с каналом p-типа имеют такой же вид.

Различие лишь в полярности напряжений, прикладываемых к затвору и стоку.

Для n-канала напряжения положительные, для p-канала – отрицательные.

Выходные характеристики рассмотрим на примере полевого транзисто-

ра с управляющим p-n-переходом с каналом n-типа (рис. 3.11). На ВАХ

можно выделить две области:

линейную U

СИ

отс

– |U

ЗИ

| и насыщения U

СИ

отс

– |U

ЗИ

Снач

С0

пор

отс

Транзистор с управ-

ляющим p-n-переходом

МОП-транзистор со

вст

оенным каналом

МОП -

транзистор

с индуци-

рованным

налом

Рис. 3.10 − Передаточные характеристики полевых транзисторов