Статичні і динамічні характеристики схем включення

Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.

Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на вході і виході транзистора. Ці характеристики використовуються в розрахунках параметрів оптимальних режимів його роботи. Можливі різні комбінації струмів і напруг в залежностях, але практично використовуються тільки вхідні і вихідні статичні характеристики для двох основних схем включення – із спільною базою і із спільним емітером.

Для схем із спільною базою вхідні статичні характеристики – це залежність струму емітера І _Е від напруги між емітером і базою U _ЕБ при незмінній напрузі між колектором і базою U _КБ: І _Е = f (U _ЕБ) при U _КБ = const. Показана залежність аналогічна вольт-амперній характеристиці прямо включеного p-n переходу. Напруга U _КБ мало впливає на струм емітера, оскільки вона зосереджена на колекторному переході і майже не впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Тому в довідниках для даного типу транзистора наводиться лише дві вхідні характеристики – одну для U _КБ = 0 В, і другу, зняту при U _КБ ¹ 0 В, наприклад при U _КБ = –5 В.

Робота транзистора, при якій і на емітерний, і на колекторний переходи подані зворотні напруги відповідає режиму відсікання.

Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільною базою складаються із залежностей струму колектора І _К від напруги між колектором і базою U _КБ при незмінних значення емітерного струму І _Е: І _К = j (U _КБ) при І _Е = const.

Графіки колекторного струму І _К аналогічні вольт-амперній характеристиці зворотно включеного p-n переходу. При робочій полярності напруги U _КБ , коли колекторний перехід включений в зворотному напрямку[11], вихідні характеристики уявляють собою майже прямі лінії з невеликим відхилом від горизонталі. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв зарядів, які проникають із емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму в основному визначається величиною струму емітера і незначно залежить від напруги U _КБ, прикладеної до колекторного переходу.

При вхідному струмі І _Е = 0 і U _КБ > 0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис, що відповідає звичайній характеристиці зворотного струму p-n переходу. Струм І _{КБ 0}, що визначається такою характеристикою, є некерованим і є одним з параметрів транзистора. Із збільшенням струму І _Е колекторний струм збільшується на D І _К = a І _Е – І _{КБ 0}, що і відображує сімейство графіків.

Невеликий нахил характеристик пояснюється впливом напруги U _КБ на ширину бази: при збільшенні напруги база звужується за рахунок розширення колекторного переходу, послаблюється рекомбінація в базовому шарі і дещо зростає коефіцієнт передачі струму a, що і зумовлює деяке збільшення струму колектора І _К = a І _Е + І _{КБ 0} при І _Е = const. Нахил характеристик круто зростав би при наближенні U _КБ до напруги пробою p-n переходу.

При зміні полярності напруги U _КБ струм І _К різко зменшується і досягає нуля при значеннях U _КБ близько десятих долей вольта. В цьому випадку колекторний перехід працює в прямому напрямку, струм через цей перехід різко збільшується і проходить в напрямку, зворотному нормальному робочому струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Відповідні ділянки характеристик на рисунку показані пунктирними лініями, вони не є робочими і звичайно на графіках не наводяться.

Робота транзистора, при якому емітерний перехід включений в прямому напрямку (U _ЕБ < 0), а колекторний – в зворотному (U _КБ > 0), відповідає активному (підсилюючому) режиму, а коли обидва переходи виявляються прямо включеними (U _ЕБ < 0, U _КБ < 0) – режиму насичення.

Вхідні статичні характеристики для схеми із спільним емітером є графіками залежності струму бази І _Б від напруги U _БЕ при незмінному значенні U _КЕ: І _Б = f (U _БЕ) при U _КЕ = const.

Якщо коло колектора розімкнене (І _К = 0), крива проходить через початок координат.

З ростом напруги U _КЕ струм І _Б зменшується, оскільки при збільшенні U _КЕ зростає напруга, що прикладається до колекторного переходу в зворотному напрямку, майже всі носії швидко втягуються в колектор і ймовірність їх рекомбінації в базі зменшується.

При U _КЕ = 0 (колектор і емітер замкнені на коротко) і U _БЕ > 0 обидва переходи з’єднані паралельно і приєднані до джерела в прямому напрямку.

При збільшені напруги на колекторі U _КЕ характеристики зміщуються вправо і вниз, тобто струм І _Б зменшується. Це пояснюється звуженням ширини бази, що супроводжується ослабленням рекомбінації носіїв. Зміщення графіків вниз при малих напругах (U _КБ < 1 В) відбувається тому, що обидва переходи включені зустрічно і базовий струм стає рівним різниці струмів: І _Б = І _Е – І _К. При подальшому збільшенні напруги U _КЕ зсув вхідних характеристик незначний, і вони практично співпадають. Тому в довідниках звичайно наводяться одна-дві криві.

Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільним емітером складаються із залежностей струму колектора І _К від напруги між колектором і емітером при фіксованому струмі бази: І _К = f (U _КЕ) при І _Б = const.

В схемі із спільним емітером напруга, що прикладається до колекторного переходу дорівнює U _КЕ – U _БЕ, оскільки ці напруги між точками колектор–база виявляються включеними зустрічно. Тому при | U _КЕ | < | U _БЕ | напруга на колекторному переході відповідає прямій напрузі. Це зумовлює стрімке зростання струму на початковій ділянці – від U _КЕ = 0 до | U _КЕ | = | U _БЕ |. Далі, при | U _КЕ | > | U _БЕ | (аж до допустимого значення U _КЕ), крутизна характеристик зменшується, вони майже горизонтальні.

Положення кожної з вихідних характеристик залежить, головним чином, від струму бази (І _Б1 < I _Б2 < … < I _Б5).

На сімействі вихідних характеристик виділені три області, властиві трьом режимам роботи транзистора: режим відсічки (1), активний режим (підсилення) (2) і режим насичення (3). Графік, відповідний струму бази І _{КБ 0}, проходить через початок координат і при U _КЕ > 1 В визначає зону відсічки. Активна зона розташована між зонами відсічки, насичення і лінією, яка визначає І _К через допустиму потужність, що розсіюється колектором (наводиться в довідниках).

Статичні характеристики транзистора в схемі із спільним колектором подібні характеристикам транзистора в схемі із спільним емітером. Вхідним колом транзистора є базово-колекторний перехід, що має великий внутрішній опір, оскільки виявляється включеним в зворотному напрямку. Керуючим струмом є невеликий струм бази; вихідні струми (І _Е або І _К) відрізняються незначно.

Динамічними характеристикамитранзистора визначається режим роботи транзистора – динамічний режим, коли у вихідному колі є навантаження, а на вхід подається певний сигнал. Динамічний режим відрізняється від статичного сильним взаємним впливом параметрів транзистора і елементів схеми. В цьому режимі напруга джерела живлення Е _К (на рисунках для схем включення а, б, в – Е ₂) неперервно перерозподіляється між опором навантаження R _н і вихідними електродами транзистора у відповідності з виразом:

U _КЕ = Е _К – І _К R _н.

Наведений вираз є рівнянням динамічного режиму для вихідного кола. Зміна напруги на вході транзистора викликає відповідну зміну струму емітера, бази, а отже, і струму колектора І _К. Це призводить до зміни напруги на R _н, в результаті чого змінюється напруга U _КЕ.

Побудова динамічних характеристик здійснюється з метою вибору оптимального (найкращого) режиму роботи транзистора. Початковими є дані про вхідний сигнал і потужність, що споживається навантаженням, а також статичні вхідні і вихідні характеристики та параметри транзистора, що наводяться в довідниках.

Найчастіше використовуються вихідні і вхідні динамічні характеристики.

З рівняння динамічного режиму випливає рівняння:

І _К = (Е _К – U _КЕ ) / R _н = Е _К / R _н – U _КЕ / R _н.

Пряма лінія, що відповідає останньому рівнянню, називається навантажувальною прямою або лінією навантаження. Вона уявляє собою вихідну динамічну характеристику і будується на сімействі статичних вихідних характеристик за двома точками – А і В. Розташування лінії навантаження на статичних характеристиках однозначно визначається напругою джерела живлення Е _К і опором резистора R _н. В точці А І _К = 0, а U _КЕ = Е _К. Це відповідає закритому стану емітерного переходу транзистора. При цьому струм в опорі навантаження відсутній і падіння напруги на навантаженні дорівнює нулю. Отже, вся напруга джерела живлення Е _К виявляється прикладеною до ділянки колектор – емітер транзистора.

Точка перетину лінії навантаження із віссю струмів В є точка, для якої виконується умова І _К = Е _К / R _н, оскільки струм колектора у випадку повністю відкритого (або закороченого) транзистора обмежувався би тільки величиною опору R _н.

Всі проміжні точки лінії навантаження характеризують можливі напруги і струми у відповідних колах транзистора при подачі сигналу з урахуванням опору навантаження. Будь якому струму бази відповідає певне значення струму колектора і колекторної напруги. Так на рисунку показано, що струму бази І _Б2 відповідає напруга U _КЕ(І _Б2) та струм через навантаження І _К(І _Б2).

Вхідна динамічна характеристика уявляє собою залежність вхідного струму від вхідної напруги в динамічному режимі при незмінних напрузі живлення і опорі навантаження.

Вхідна динамічна характеристика будується по точкам перетину лінії навантаження із статичними вихідними характеристиками. Для кожної напруги на колекторі за вихідною динамічною характеристикою визначається відповідний струм бази. Потім на вхідних статичних характеристиках відмічаються точки (А, В, С), що відповідають знайденим значенням струмів бази. Лінія АВС, яка з’єднує точки, є вхідною динамічною характеристикою транзистора (штрихова лінія на вхідній статичній характеристиці).

Оскільки вхідні статичні характеристики розташовуються досить щільно, іноді для спрощення аналізу роботи і розрахунку параметрів схеми з транзистором вхідну динамічну характеристику не будують, а приймають за таку одну із вхідних статичних характеристик, що відповідає деякій напрузі на колекторі, відмінній від нуля.