4.8. Биполярные транзисторы

Различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК), показанные на рис. 4.55.

Рис. 4.55. Основные схемы включения транзисторов

На практике чаще всего используются два семейства ВАХ транзисторов — входные и выходные. Входные характеристики определяют зависимость входного тока (базы или эмиттера в зависимости от способа включения транзистора) от напряжения между базой и эмиттером при фиксированных значениях напряжения на коллекторе. Выходные характеристики определяют зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных значениях тока базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора).

Входные характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам диодов:

ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер. При повышении и понижении температуры входные характеристики смещаются в сторону меньших и больших входных напряжений соответственно. Напряжение между базой и эмиттером для кремниевых транзисторов уменьшается примерно на 2 мВ при увеличении температуры на каждый градус Цельсия.

Особенностью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база U«6. При больших напряжениях U^s происходит пробой коллекторного перехода. При увеличении температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока 1„„.

У транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток коллектора более сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем коллекторном напряжении, чем для включения транзистора по схеме с ОБ. При повышении температуры выходные характеристики значительно смещаются в сторону больших токов, их наклон сильно увеличивается.

ВАХ транзисторов и диодов снимаются на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов — характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов.

Входные и выходные характеристики транзисторов используются для расчета цепей смещения и стабилизации режима, расчета конечных состояний ключевых схем (режима отсечки, насыщения).

В библиотеку EWB включено достаточно большое количество импортных биполярных транзисторов, отечественные аналоги которых можно найти в [11, 15]. В некоторых случаях может оказаться более удобным самостоятельно создать отдельную библиотеку отечественных транзисторов, используя команду Model из меню Circuit.

В состав параметров транзисторов включены следующие (см. рис. 4.56, в квадратных скобках приведены обозначения параметров, принятые в EWB 5.0):

1. Обратный ток коллекторного перехода, A (Saturation current Is [IS]);

2. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ Hzi, (Forward current gain coefficient BF [BF]);

3. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ при инверсном включении транзистора (эмиттер и коллектор меняются местами) (Reverse current gain coefficient BE [BR]);

4. Объемное сопротивление базы. Ом (Base ohmic resistance rb [RB]);

5. Объемное сопротивление коллектора, Ом (Collector ohmic resistance re [RC]);

6. Объемное сопротивление эмиттера, Ом (Emitter ohmic resistance re [RE]);

7. Емкость эмиттерного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias B-E junction capacitance Ce [CJE]);

8. Емкость коллекторного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias C-E junction capacitance Cc [CJC]);

9. Емкость коллектор-подложка, Ф (Substrate capacitance Cs [CJS]);

10. Время переноса заряда через базу, с (Forward transit time tF [TF]);

11. Время переноса заряда через базу в инверсном включении, с (Revers transit tR [TR]);

12. Коэффициент плавности эмиттерного перехода (B-E junction grading coefficient me [ME]);

13. Коэффициент плавности коллекторного перехода (В-С junction grading coefficient me [MC]);

14. Напряжение Эрли, близкое к параметру U„ „„, В (Early voltage VA [VA]);

15. Обратный ток эмиттерного перехода, A (Base-Emitter Leakage Saturation Current Ise [ISE]);

16. Ток начала спада усиления по току, близкое к параметру 1кща«, A (Forward Beta High-Current Knee-Point Ikf [IKF]);

17. Коэффициент неидеальности эмиттерного перехода (Base-Emitter Leakage Emission Coefficient Ne [NE]).

18. Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор, В (В-С junction potential pc[VJC]).

19. Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер, В (В-Е junction potential ре [VJE]).

Набор задаваемых параметров для биполярных транзисторов в EWB 5.0 заметно больше, чем в EWB 4.1 — они собраны в пяти окнах-закладках. Дополнительные параметры находятся в последних трех закладках, одна из которых показана на рис. 4.57. Эти параметры имеют следующее назначение:

NF — коэффициент неидеальности в нормальном режиме;

NR — коэффициент неидеальности в инверсном режиме;

IKR — ток начала спада коэффициента усиления тока в инверсном режиме, А;

NC — коэффициент неидеальности коллекторного перехода;

RBM — минимальное сопротивление базы при больших токах. Ом;

IRB — ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от разницы RB-RBM, А;

XTF — коэффициент, определяющий зависимость времени TF переноса зарядов через базу от напряжения коллектор-база;

VTF — напряжение коллектор-база, при котором начинает сказываться его влияние на TF,В;

ITF — ток коллектора, при котором начинается сказываться его влияние на TF, А;

PTF — дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора Г„=1/(2тгТГ), град.;

VJS — контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка. В;

MJS — коэффициент плавности перехода коллектор-подложка;

XCJC — коэффициент расщепления емкости база-коллектор;

FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенных переходов;

EG — ширина запрещенной зоны, эВ;

ХТВ — температурный коэффициент усиления тока в нормальном и инверсном режимах;

XTI — температурный коэффициент тока насыщения;

KF — коэффициент фликкер-шума;

AF — показатель степени в формуле для фликкер-шума;

TNOM — температура транзистора.

В программе EWB используется модель биполярного транзистора Гуммеля-Пуна, подробно проанализированная в [2].

Рассмотрим способы измерения основных характеристик биполярных транзисторов.

Вольтамперные характеристики. Наиболее распространенной и более простой моделью (по сравнению с моделью Гуммеля-Пуна) биполярного транзистора является модель Эберса-Молла [12]. Согласно этой модели статические входные и выходные ВАХ транзистора в схеме с ОБ описываются следующими выражениями:

(4.8)

(4.9)

где

— тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов; а, а'— коэффициенты передачи тока в схеме с ОБ для прямого и инверсного включения транзистора; Ui,i„ и,ь — напряжения на коллекторе и эмиттере относительно базы.

Схема для исследования ВАХ транзистора показана на рис. 4.58. Семейство входных ВАХ Ic f (Ueb) снимается при фиксированных значениях U^ путем изменения тока I, и измерения и,,ь. Семейство выходных ВАХ 1= f(Ui,i,) снимается при фиксированных значениях I. путем изменения напряжения U и измерения I.

Модуль коэффициента передачи тока ¦HzJ на высокой частоте может быть измерен с помощью схемы на рис. 4.59. Режим по постоянному току транзистора задается с помощью источника тока 1е (5 мА), в качестве источника входного синусоидального сигнала используется источник тока П (1 мА, при измерениях частота варьируется в пределах от единиц до десятков МГц), ток базы Ib и коллектора Ik измеряется амперметрами в режиме АС. Конденсатор Cb — блокировочный (так называемая развязка по высокой частоте). Модуль коэффициента передачи тока [Н21,¦=1к/1ь рассчитывается по показаниям амперметров. В частности, при частоте входного сигнала 1 МГц он равен, согласно показаниям амперметров (см. рис. 4.59), 953/47,8=19,94 (в диалоговом окне транзистора 2N2904A он установлен равным 20).

Контрольные вопросы и задания

Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.

-1. С помощью схемы на рис. 4.58 получите семейство входных характеристик при значениях 0, 5 и 10 В и семейство выходных характеристик при Iе=1, 5 и 10 мА. Проверьте справедливость утверждения, что при иЗ... 5 В влияние этого напряжения на входную характеристику ничтожно мало.

2. Путем сравнения расчетного значения тока коллектора по формуле (4.9) при заданном токе эмиттера 1 мА и результатов моделирования схемы на рис. 4.58 установите соответствие используемой в программе EWB модели транзистора модели Эберса-Молла.

3. С помощью схемы на рис. 4.59 постройте зависимость модуля коэффициента передачи тока в диапазоне частот 1— 50 МГц при фиксированных значениях 1е (5 и 10 мА) и Ii (1 и 5 мА).

4. Какие схемы включения транзисторов Вы знаете?

5. Перечислите малосигнальные параметры транзисторов.

6. Назовите параметры транзисторов для больших сигналов.

7. Охарактеризуйте параметры предельных режимов биполярных транзисторов.