5.2. Статический режим работы бт

5.2.1. Схемы включения бт и основные токовые соотношения

Транзистор имеет три внешних вывода, поэтому возможны три варианта подачи смещений: схема с общим эмиттером (СОЭ), схема с общим коллектором (СОК) и схема с общей базой (СОБ) (рис. 5.5). Название схемы определяет тот вывод транзистора, который является общим для двух источников питания, т.е. одновременно подключен к двум источникам.

При начертании схем использовался единый методический принцип. Общий электрод расположен внизу, управляющий (входной) вывод – слева, а выходной – справа. Во всех схемах входной источник смещения подключен параллельно к одному переходу транзистора. Отличительная особенность схем СОЭ и СОК – подключение выходного источника к двум переходам между эмиттерным и коллекторным выводами. Кроме того, в схеме СОК, в отличие от двух предыдущих схем, на входе включен коллекторный переход.

В связи с этим в активном режиме работы для этой схемы Е_Э , в то время как для предыдущих схем , . Направления токов соответствуют активному режиму. Транзистор при этом рассматривается как «токовый узел», а определяющим элементом служит направление стрелки эмиттера. Очевидно, что принцип действия БТ не зависит от схемы включения, поэтому токовые соотношения справедливы для трех вариантов схем. Однако основным в каждой схеме является уравнение, связывающее входной и выходной токи.

Для схемы с общей базой (ОБ) взаимосвязь является основным уравнением. В частном случае разомкнутой эмиттерной цепи ток эмиттера , а в цепи коллектора протекает неуправляемая компонента , т.е. обратный ток коллекторного перехода

.

Два последних обозначения являются стандартными. При этом две первые буквы определяют внешние выводы, в которых протекает этот ток, а третья – состояние третьего (эмиттерного) вывода: обрыв цепи. Включение в эмиттерную цепь источника прямого смещения увеличивает коллекторный ток на величину управляемой компоненты , т.е.

.

Здесь - статический коэффициент передачи эмиттерного тока в режиме большого сигнала (коэффициент передачи по постоянному току, интегральный коэффициент передачи). Этот параметр определяется следующим выражением:

(5.5)

и формально равен отношению управляемой компоненты коллекторного тока к току эмиттера. Физически он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллекторного перехода и экстрагируются им. Условие малых рекомбинационных потерь в базе дает величину .

Дополнительное уравнение для базового тока получаем с учетом перераспределения интегральных токов в транзисторе

,

откуда

,

или, подставляя соотношение

,

имеем

.

Н аправления интегральных токов и контуры протекания их составляющих показаны на рис. 5.6. Активный режим работы обеспечивается выбором полярности источников смещения Е_Э и Е_К. Прямое смещение эмиттерного перехода соответствует совпадению типов проводимости областей р-эмиттера и n-базы и соответствующих выводов эмиттерного источника Е_Э (р – positiv, n – negativ), т.е. выполняется правило «своего знака». Обратное смещение коллекторного перехода задает обратные условия при следующих полярностях источника питания: на р-коллекторе – минус (negativ), а на n-базе – плюс (positiv). Для задания направлений смещения перехода можно воспользоваться также токовым принципом. По стрелке эмиттера указывается направление тока (входящий ток). Тогда токи и являются выходящими. Условные контурные токи, создаваемые источниками смещения, должны совпадать по направлению с соответствующими токами эмиттера и коллектора. Эти токи показаны на рис. 5.6 пунктиром.

В отличие от интегральных токов их компоненты протекают по соответствующим замкнутым контурам: во входном контуре – ток , в выходном – обратный ток перехода , а во внешнем контуре – ток . При этом составляющие токов в базовом выводе направлены навстречу друг к другу, а в коллекторном - совпадают. Суммирование компонент токов с учетом их направлений определяют интегральные токи , что соответствует выражениям (5.2),(5.4).

Режиму отсечки соответствует рис. 5.7. В этой схеме эмиттерный источник задает обратное смещение на эмиттерном переходе, тогда инжекционная компонента эмиттерного тока обращается в нуль. Учитывая малые геометрические размеры эмиттерного перехода в сравнении с коллекторным, можно пренебречь обратным током эмиттерного перехода . Тогда токовое условие режима отсечки соответствует нулевому значению эмиттерного тока . В схеме протекает только обратный ток коллекторного перехода (см. рис. 5.7), поэтому в режиме отсечки имеем следующие соотношения:

Отрицательный знак базового тока свидетельствует о том, что эта компонента направлена навстречу интегральному току базы (см. рис. 5.7).

Режим насыщения показан на рис. 5.8. Оба перехода открыты, так как для источников смещения выполнено правило «своего знака». В структуре возникает явление встречной инжекции внутрь базовой области как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора. Поэтому с увеличением прямого смещения Е_К общий коллекторный ток резко уменьшается и в дальнейшем меняет свое направление. В этом случае инжекционный ток со стороны коллектора превышает эмиттерный инжекционный ток.

С хема с общим эмиттером (ОЭ) для активного режима работы приведена на рис. 5.9. В соответствии с токовым принципом направления условных контурных токов (пунктир), задаваемых источниками смещения, совпадают с соответствующими токами базы и коллектора. Это служит необходимым условием реализации активного режима. Однако состояние коллекторного перехода зависит не только от полярности источников Е_Б и Е_К, но и от соотношения их величин. Действительно, напряжение на коллекторном переходе

будет определяться полярностью коллекторного источника, если . Только при выполнении этого неравенства смещение на коллекторном переходе будет обратным.

Основное токовое соотношение для этой схемы определяется взаимосвязью . Используя уравнение

,

путем подстановки

находим

.

Введем обозначение

, (5.6)

тогда

.

Основное уравнение схемы принимает следующий вид:

, (5.7)

где . (5.8)

Статический коэффициент передачи базового тока, как следует из уравнения (5.7),

. (5.9)

Значениям соответствует диапазон изменения , как следует из их взаимосвязи в уравнении (5.6).

Р ежиму отсечки соответствует схема, приведенная на рис. 5.10. Отличие от активного режима (см. рис. 5.9) заключается в изменении полярности базового источника, что приводит к закрытому состоянию эмиттерного перехода. Токи в схеме с ОЭ не отличаются от соответствующих токов в схеме с ОБ:

Контур для обратного тока перехода указан на рис. 5.10.

Режиму насыщения формально соответствует схема, приведенная на рис. 5.9. Однако, чтобы открыть коллекторный переход, нужно только уменьшить величину коллекторного смещения Е_К<Е_Б без изменения его полярности. Тогда источником, определяющим состояние коллекторного перехода, будет больший по величине источник Е_Б, который обеспечит прямое смещение. Динамика изменения коллекторного тока будет аналогична схеме с ОБ из-за процесса встречной инжекции.