Робочий режим біполярного транзистора

При роботі транзисторів (біполярних, польових) та електронних ламп у реальних пристроях в ланцюгу їх електродів зазвичай включають не тільки джерела постійної напруги, але і джерела сигналів, що підлягають перетворенню, а також резистори, обмотки трансформаторів, котушки індуктивності, коливальні контури або інші елементи, звані навантаженням.

Сигнали, які перетворюються в радіотехнічних схемах на транзисторах, можуть мати різну форму (гармонічні, імпульсні, складним чином модульовані та ін), а також відрізнятися за частотою.

Одним із найважливіших застосувань транзисторів є посилення малого змінного сигналу. Під терміном «малий сигнал» розуміють таку, наприклад, синусоїдальну напругу u=um∙sin(ωt), амплітудаumякого досить мала, так що в межах зміни напруги малого сигналу статичні характеристики приладу можна вважати (без великої похибки) лінійними, а сам транзистор розглядати як лінійний чотириполюсник.

При використанні транзистора для посилення він може бути включений будь-яким із трьох способів: із загальною базою, із загальним емітером, із загальним колектором.

Робочий режим транзистора, включеного за схемою із загальною базою

Рис 1. Спрощена схема підсилювача на транзисторі, включеному за схемою із загальною базою

У вхідний ланцюг включена батарея постійної напруги ЕЕ, яка дає постійний струм емітера IЕ(0), а також джерело сигналу uвх=uэ=uеm∙sin(ωt). У ланцюга колектора включено джерело постійної напруги Ек, що живить колектор через резистор RК, що служить навантаженням у вихідний ланцюга, на якій виділяється посилена напруга.

За відсутності вхідного сигналу на прямозміщеному емітерному переході дієпостійна напруга Ее, яка задає постійний струм емітера IЕ(0) у вхідному ланцюзі та постійний струм колектора IК(0) у вихідному ланцюзі. Струм IК(0), протікаючи через активне навантаження (резистор Rк) зверху вниз, створює на ній постійне падіння напруги UR0= IК(0)∙RК вказаної на рис. 1 полярності. Напругу на колекторному переході UК0 можна визначити, записавши для вихідного ланцюга закон Кірхгофа:

Якщо до вхідних затискачів схеми докласти змінну напругу uвх=uе=uеm∙sin(ωt), то миттєва напруга на емітерному переході UЕ=EЕ±uвх буде змінюватися (висота потенційного бар'єру в переході зменшується, якщо позитивна напівхвиля вхідного сигналу, або збільшується, негативна напівхвиля вхідного сигналу) і відповідно змінюватимуться струми вхідного та вихідного ланцюга. Протікаючи через резистор RK, пульсуючий струм IK створює на ньому напруга UR, що змінюється в часі, значить, змінюється в часі UK=EK-IK∙RK (при позитивному напівперіоді напруги uвх напруга на резисторі UR зростає, а напруга між колектором і базою UK зменшується; при зменшенні IK напруга (UK зростає).

Якщо транзистор працює з навантаженням у вихідний ланцюга, зміна напруги на вході викликає зміну напруги на виході (у наведеному прикладі зміна UЕ на емітерному переході викликає зміну напруги UK колекторного переходу).

Такий режим роботи транзистора при напругах, що одночасно змінюються, на електродах називається робочим (динамічним). У такому режимі всі струми в транзисторі є функціями напруг, що одночасно змінюються між електродами.

На відміну від статичного режиму в цьому режимі стан системи (транзистора, лампи) залежить не тільки від напруги, що додається до її електродів в даний момент часу, алеі від частоти, амплітуди та форми цих напруг.

Ця особливість пояснюється тим, що за час прольоту носіїв заряду (інжектованих носіїв від емітера до колектора в транзисторі, електронів від катода до анода в лампі) прикладені напруги встигають змінитися, тому об'ємна щільність заряду, конвекційний струм у кожному перерізі системи визначаються інтегральною дією додатків напруг за час прольоту, а не миттєвими напругами в даний момент часу.

Якщо час руху інжектованих з емітера в базу носіїв заряду τ від емітера до колектора порівняно з періодом сигналу Т, що посилюється, то закон зміни концентрації інжектованих неосновних зарядів в базі не буде описуватися кривою, монотонно спадаючою від емітера до колектора. Припустимо, наприклад, що у якийсь час полярність змінного напруги сигналу така, що висота потенційного бар'єру емітер-база зменшилася, тобто. потік носіїв заряду, інжектованих з емітера до бази, збільшився. Якщо протягом половини періоду інжектовані носії заряду встигнуть пройти лише частину відстані від емітера до колектора, то крива зміни концентрації інжектованих носіїв у основі досягне максимуму десь у середині бази, т.к. в цей момент бар'єр емітер-база збільшиться і кількість носіїв заряду, що інжектуються, значно зменшиться (рис. 2б). Внаслідок цього в основі поряд з дифузійним рухом інжектованих носіїв у прямому напрямку виникне дифузійний рух інжектованих носіїв заряду у зворотному напрямку. Колекторний струм зменшиться (не всі носії заряду дійшли до колектора), отже, впаде коефіцієнт передачі струму емітера α.