Лекция 14. Схема замещения биполярного транзистора в физических параметрах

Представление транзистора схемой замещения (эквивалентной схемой) необходимо для проведения расчетов цепей с транзисторами. Особый интерес представляет схема замещения в физических параметрах, в которой все ее элементы связаны с внутренними (физическими) параметрами транзистора.

Ниже рассматриваются схемы замещения транзисторов ОБ и ОЭ для переменных составляющих токов и напряжений применительно к расчету схем с транзисторами, работающими в усилительном режиме, в частности усилительных каскадов. Такие схемы замещения справедливы для линейных участков входных и выходных характеристик транзистора, при которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Рис. 4.10. Схема замещения транзистора в физических параметрах, включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

Т-образная схема замещения транзистора ОБ показана на рис. 4.10, а. По аналогии со структурой транзистора (см. рис. 4.5), она представляет собой сочетание двух контуров: левого, относящегося к входной цепи (эмиттер — база), и правого, относящегося к выходной цепи (коллектор — база). Общим для обоих контуров является цепь базы с сопротивлением rб.

Охарактеризуем элементы, входящие в схему замещения.

1. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении). Это сопротивление определяется выражением

rэ = dUэ / dIэ, Uкб = const (4.13)

Сопротивление rэ позволяет учесть связь между напряжением на эмиттерном переходе иэ и проходящим через него током iэ. Объемное сопротивление эмиттерной области является низкоомным, поэтому оно, как и сопротивление вывода эмиттера, в схеме замещения не учитывается. Величина rэ зависит от постоянной составляющей тока эмиттера Iэ и связана с ней соотношением

rэ = φТ / Iэ = 0,025 / Iэ.

Числовое значение rэ лежит в пределах от единиц до десятков ом.

2. Объемное сопротивление базы rб. Оно определяется в направлении прохождения базового тока в слое базы от границы с эмиттерным переходом. Базовый слой является сравнительно высокоомным и обычно rб > rэ. Числовое значение rб зависит от типа транзистора и составляет 100—400 Ом.

3. Эквивалентный источник тока αiэ. Он учитывает транзитную составляющую приращения эмиттерного тока, проходящую через область базы в коллектор.

4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении). Это сопротивление определяется выражением

rк(б) = dUкб / dIк, Iэ = const. (4.15)

Сопротивление rк(б), как было показано, учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения Uкб вследствие эффекта модуляции базы. Значение rк(б) лежит в пределах 0,5—1 мОм.

5. Источник напряжения εuкб во входной цепи. Он определяет напряжение внутренней положительной обратной связи и отражает влияние эффекта модуляции базы на входную цепь транзистора, в частности изменение входного напряжения под действием изменения коллекторного напряжения. Числовое значение коэффициента обратной связи ε сравнительно мало (10–4—10–3), поэтому источник напряжения εuкб в схему замещения часто не вводят.

6. Емкости Сэ(б), Ск(б) эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них, так же как емкость одиночного p-n-перехода, равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода.

Величина барьерной емкости зависит от напряжения смещения p-n-перехода, в частности при прямом смещении барьерная емкость больше, чем при обратном. Следовательно, барьерная емкость эмиттерного перехода больше, чем коллекторного перехода.

В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной области объемного заряда p-n-перехода, диффузионная емкость характеризует изменение заряда в базе, вызванное изменением напряжения на переходе. Изменение заряда в базе под действием напряжения на эмиттерном переходе связано с инжекцией носителей заряда в базе, а под действием напряжения на коллекторном переходе — с эффектом модуляции базы. Для того чтобы заряд в базе изменился на одну и ту же величину, изменение напряжения на коллекторном переходе должно быть большим, чем изменение напряжения на эмиттерном переходе.

Величины емкостей Сэ(б) и Ск(б) зависят от типа транзистора. Так, у высокочастотных транзисторов они существенно меньше, чем у низкочастотных. Для ориентировочной оценки укажем, что емкость Сэ(б), определяемая преимущественно диффузионной емкостью, составляет сотни пикофарад, а емкость Ск(б), определяемая в основном барьерной емкостью, — десятки пикофарад.

Несмотря на указанное различие в величинах эмиттерной и коллекторной емкостей, влияние емкости Ск(б) на работу транзистора в области повышенных частот проявляется сильнее, чем влияние емкости Сэ(б). Это связано с тем, что емкость Сэ(б) зашунтирована малым сопротивлением rэ, а емкость Ск(б) —большим сопротивлением rк(б). Поэтому емкость Ск(б) приходится учитывать в схеме замещения при частотах, составляющих десятки килогерц, а емкость Сэ(б) — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (десятки герц и единицы килогерц) емкости переходов не учитывают и в схему замещения не включают.

7. Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока, более точно характеризующий величину α для малых приращений этого тока. Он выражается соотношением

α = dIк / dIэ, Uкб = const. (4.16)

Величину коэффициента α в области средних частот принимают неизменной. С переходом в область повышенных частот, при которых начинает сказываться время прохождения дырок через базу, коллекторный и базовый токи отличаются по фазе от эмиттерного тока, а коэффициент α уменьшается. При повышенных частотах коэффициент передачи тока становится комплексной величиной (α = α0 + jα(ω)), модуль и аргумент которой следует рассчитывать для соответствующей частоты. О частотных свойствах транзистора судят по так называемой граничной частоте fα, при которой модуль коэффициента передачи тока |α| уменьшается в √2 раз. Частота fα входит в число основных параметров транзистора.

Т-образная схема замещения транзистора ОЭ приведена на рис. 4.10, б. Сопротивления rэ, rб имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме ОБ. Источник напряжения, учитывающий обратную связь, в схеме замещения не показан ввиду малого значения коэффициента обратной связи. Поскольку входным током в схеме ОЭ является ток базы транзистора, в выходную цепь схемы замещения включен источник тока βiб. Направления токов, так же как и для схемы ОБ, подчиняются условию iэ = iк + iб.

Сопротивление rк(э) = rк(б) / (1 + β), как указывалось, учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения икэ вследствие эффекта модуляции базы. Так как исходным в схеме ОЭ является ток базы, который в 1 + β раз меньше тока эмиттера, то при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ в 1 + β раз уменьшается не только активное, но и емкостное сопротивление коллекторного перехода. Это означает, что в схеме ОЭ Ск(э) = (1 + β) Ск(б). Увеличение емкости Ск(э) приводит к еще большему ее влиянию в области повышенных частот, чем Сэ(э) = Сэ(б). В связи с этим емкость Сэ(э) в схеме ОЭ обычно не учитывают.

Дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме ОЭ β = dIк / dIб, Uкэ = const, является также частотно-зависимым. Если граничную частоту fβ в схеме ОЭ определять, как и в схеме ОБ, по снижению коэффициента передачи тока в √2 раз, то

fβ = fα / (1+ β), (4.17)

т.е. частотные свойства транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ.