Характеристики биполярного транзистора
Транзистор как нелинейный элемент описывается вольтамперными характеристиками. Характеристики транзистора зависят от схемы включения. Так как схема включения транзистора с общим эмиттером встречается наиболее часто, то и рассмотрим характеристики n-p-n транзистора для этой схемы включения. Для p-n-p транзистора знаки напряжений и токов следует изменить на противоположные. Различают три характеристики транзистора:
- входная, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер Iб(Uбэ) (Рис.4.3);
- передаточная, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер Iк(Uбэ) (Рис.4.4);
- семейство выходных характеристик, зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном значении тока баз Iк(Uкэ) (Рис.4.5).
На рисунках показаны характеристики кремниевого транзистора.
Из характеристик транзистора видно:
1) Заметный ток базы и коллектора транзистора протекает, когда напряжение база-эмиттер достигает величины примерно 0,6 В.
2) Малое изменение напряжения Uбэ относительно напряжения 0,6 В вызывает относительно большое изменение токов базы и коллектора.
3) Коллекторный ток мало изменяется после достижения Uкэ определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.
Передаточная характеристика транзистора имеет вид экспоненциальной функции
, (4.1)
где Iкот – теоретический обратный ток коллектора транзистора.
Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. Рабочая точка транзистора определяется постоянными значениями напряжений база-эмиттер UбэА, коллектор-эмиттер UкэА, тока коллектора IкА. При малых изменениях напряжений нелинейные характеристики транзисторов можно заменить касательной в рабочей точке. Изменение тангенса угла наклона касательной означает изменения дифференциального параметра (параметра малого сигнала) транзистора. Напомним, что дифференциальные параметры определяют зависимости между изменениями токов и напряжений транзистора.
Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление
. (4.2)
Изменение коллекторного тока от Iк в зависимости от Uбэ характеризуется крутизной S:
.
Эту величину можно определить из формулы, продифференцировав (4.1) по Uбэ:
.
Зависимость коллекторного тока от напряжения Uкэ характеризуется выходным сопротивлением
.
Сопротивление rкэ может быть рассчитано по формуле
,
где UЭ – напряжение Эрли, величина которого зависит от типа транзистора и для n-p-n транзистора равно 30 – 150 В, для p-n-p транзистора – 30 – 75 В. Для расчетов схем с n-p-n транзисторами UЭ = 100 В.
Коллекторный ток пропорционален току базы. Отношение тока коллектора к току базы В = Iк / Iб называется статическим или интегральным коэффициентом усиления транзистора. Для многих практических случаев его можно считать постоянным. Однако в действительности его величина зависит от тока коллектора (рис.4.6).
Для характеристики изменения тока коллектора от изменения тока базы в рабочей точке транзистора вводят дифференциальный коэффициент усиления по току, который определяется из выражения
.
Во многих практических случаях статический и динамический коэффициенты усиления по току транзистора можно считать равными.
Выражая ток базы через ток коллектора в формуле (4.2) определения сопротивления rбэ получим формулы для расчета входного сопротивления
.