Выходные характеристики транзистора

Выходные характеристики ВТ так же получают экспериментально с помощью схемы на рис. 2.2.3. Однако аргументом выбирают напряжение U_K, функцией — ток коллектора /_к, а параметром — ток базы /_Б.

Пример семейства выходных характеристик /_к(?/_к, /_Б) приведен на рис. 2.2.6.

Рис. 2.2.6. Пример семейства выходных характеристик I_K(U_K, /_Б) биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (МсгоСАР).

Основное свойство биполярного транзистора — большое влияние тока базы на ток коллектора. На рис. 2.2.6 видно, что при изменении тока базы на Д/_Б = 10 мкА (при постоянном напряжении на коллекторе 10 В) ток коллектора изменяется почти на Д/_к = 2мА. Отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при изменениях тока базы и постоянном напряжении между коллектором и эмиттером выражается коэффициентом передачи, но tokv h_2V Это важный параметр транзистора, в нашем примере при U_K= В h_2l = Д/_к/Д/_Б ~ 2 • 10−7(10 • Ю-⁶) = 200.

Анализ показывает, что значение h_2i зависит от режима транзистора. На рис. 2.2.7 для выбранного примера показана зависимость /г₂₁(/_Б, U_K) при значениях U_K = 0,5; 2,5; …; 15,5. Здесь ясно, что на начальном участке при малых токах базы параметр /?_2| быстро растет, достигает максимума, а потом плавно уменьшается. В справочниках приводятся постоянные значения /г₂₁ для типовых режимов работы БТ.

Другой важной характеристикой БТ является статическая переходная характеристика транзистора /_К(/_Б, /_к). На рис. 2.2.8 приведен пример семейства переходных характеристик при U_K = 0,5-И5,5 В с шагом 2 В.

Рис. 2.2.7. Зависимости параметра й₂₁(/_Б, U_K) в примере БТ (МлстоСАР).

Рис. 2.2.8. Пример семейства статических переходных характеристик

/_К(/_Б, U_K) БТ

На рис. 2.2.8 видно, что практически зависимости /_К(/_Б) можно считать линейными при значительном изменении напряжения U_K: /_к = h₂,/_Б.

Биполярные транзисторы имеют предельные эксплуатационные параметры, которые не должны быть превышены при подключении транзистора к источникам энергии:

здесь Р_к = U_KI_K — мощность коллекторного перехода. Так как /_к = P_K/U_K, то зависимость /_к(?/_к) при Р_к = Р_{к мак (}. соответствует гиперболической функции ^PK^J^UK-

Значения (2.2.2) определяют границы (пунктирная линия на рис. 2.2.9) заштрихованной области, доступной для работы выходных характеристик.

Рис. 2.2.9. Область допустимых значений токов и напряжений БТ на семействе выходных ВАХ (заштрихована)

Слева граница этой области при малых напряжениях (/_к образуется практически прямой линией ответвления семейства при возрастающем значении тока базы. Область левее этой границы недоступна при любых сочетаниях токов и напряжений БТ.

Упражнение 2.2.1.

Существует ли связь между входными и выходными ВАХ БТ с одной стороны, а также прямой и обратной ветвями ВАХ диода — с другой?

Варианты ответа:

• 1) не существует;
• 2) существует. Входная ВАХ БТ аналогична обратной ветви диода, а выходная — прямой ветви диода;
• 3) существует. Входная ВАХ БТ аналогична прямой ветви диода, а выходная — обратной ветви диода.

Линейная схема замещения БТ. Рассмотренные экспериментальные вольтамперпые характеристики позволяют описать свойства транзисторов двумя функциями:

Для малых приращений аргументов Д/_Б и AU_K отсюда следует:

Если режим работы транзистора выбран таким, что производные можно принять постоянными, то уравнения будут линейными.

В теории линейных четырехполюсников (см. учебник [1, параграф 2.171) эта система уравнений описывает соотношения между токами и напряжениями в следующей схеме (рис. 2.2.10).

Рис. 2.2.10. К представлению БТ линейным четырехполюсником.

Рассмотренные ранее и другие /г-параметры транзистора позволяют записать уравнения для приращений токов и напряжений транзистора:

Здесь /?, = AU_B/AI_B при AU_K = О (U_K = const) — входное сопротивление биполярного транзистора, Ом; h_i2 = AU_B/AU_K при А1_В = О (I_B = const) — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению (близок к нулю); /?₂₁ = Д/_к/Д/_Б при ДU_K = 0 (t/_K = const) — коэффициент усиления по току; h_n = AI_K/AU_K при Д/_Б = О (/_Б = const) — выходная проводимость БТ, См.

Система уравнений с h-параметрами транзистора позволяет составить его схему замещения для приращений токов и напряжений (рис. 2.2.11).

Рис. 2.2.11. Схема замещения транзистора для приращений токов.

и напряжений В этой схеме замещения цепь базы на основе уравнения (2.2.5) представлена последовательным соединением резистивного элемента с сопротивлением h_n и зависимого источника напряжения (/г₁₂Д[/_к), управляемого напряжением Д U_K.

Цепь коллектора на основе уравнения (2.2.6) представлена параллельным соединением зависимого источника тока (/г₂₁ Д/_в), управляемого током Д/_Б, и резистивного элемента с сопротивлением 1 /h₂₂.

Для переменных составляющих токов и напряжений транзистора в линейном режиме обычно применяют упрощенную схему замещения (рис. 2.2.12). В этой схеме в базовой цепи ввиду малости параметра h_{2 исключен зависимый источник напряжения (Л₁₂Д<�У_К) и в коллекторной цепи изменено направление стрелки выходного напряжения AU_K, так как это соответствует случаю, когда к транзистору подключают приемник энергии.

Рис. 2.2.12. Схема замещения биполярного транзистора с общим эмиттером для переменных токов в линейном режиме.

Параметр h_2l транзистора уменьшается при увеличении частоты тока базы. Максимальное значение h_2x на частоте/= 0 — /г₂₁(0) 1. В паспорте транзистора определена граничная частота /, на которой й₂i (/*rp) 1, т. е.

усиление отсутствует. Это свойство можно учитывать с помощью зависимости h_2x(J) или, проще, включением в схему между полюсами К (коллектор) и Э (эмиттер) емкостного элемента С_к. В этом же элементе учитывается выходная емкость между коллектором и эмиттером.

Если h_2l > 1, то Д/_к > Д/_Б и транзистор усиливает ток, преобразуя энергию источника постоянного напряжения U_K в энергию источника тока Д/_к ~ /г₂₁ Д/_Б.

Рассмотренные усилительные свойства транзистора позволяют в общем виде сформулировать принципы построения усилительных уст;

Рис. 2.2.13. Структурная схема усилителя напряжения

ройств (рис. 2.2.13). Имеется источник сигнала в виде источника напряжения. Энергия сигнала недостаточна, и ее надо увеличить, сохранив форму зависимости от времени. Такое преобразование называется усилением сигнала.

Составляется электрическая цепь из источника энергии в виде источника постоянного напряжения, приемника сигнала в виде резистивного элемента и транзистора (полюсы — эмиттер и коллектор), выполняющего роль управляющего элемента — регулятора тока источника (коллектора). Источник сигнала создает своим напряжением управляющий ток (переменный ток базы транзистора), который изменяет ток коллектора.

Приемник сигнала имеет постоянное сопротивление. Изменение тока коллектора приводит к изменению напряжения на приемнике. На приемнике создается переменное напряжение, подобное напряжению источника сигнала.