Реферат: Анализ и моделирование биполярных транзисторов
Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.
Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке
. Получается импульс тока коллектора
, очень близкий по значению к
. Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника
падает на
, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения
.
Хотя напряжение в точке
не изменило свой знак, но на самом коллекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка
действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор n-p-n и
, а напряжение на базе
. Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение
, т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,4 В.
Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх
практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора
(9.1)
Помимо ,
и
импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от
определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке
:
(9.2)
Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по значению несколько отличается от
.
Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения
(9.3)
Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.
Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.
Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.
Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если
составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длительности.
Для примера на рис. 9-2 показаны графики короткого импульса входного тока прямоугольной формы и импульса выходного тока при включении транзистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллекторного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени
(длительности фронта), составляющего заметную часть
. Такое постепенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время
+
является временем включения
. После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток
продолжается некоторое время
(время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение времени спада
. Время
+
есть время выключения
. В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и растянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, замедляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.
На рис. 9-2 показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.
Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).
10. Математическая модель биполярного транзистора.
Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математической модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току
соответствует эмиттерный ток
, в эквивалентную схему введен второй генератор тока
, где
- коэффициент передачи коллекторного тока.
Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или
) и собираемую (
или
):
,
(10.1)
Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная характеристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. Тогда:
,
(10.2)
где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора;
- тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.
Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора