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.
|
