Электроника. Биполярный транзистор. Несимметричная p-n-p структура

1.

Электроника
Биполярный транзистор.
Несимметричная p-n-p структура

2.

Электроника
Cтруктура реального сплавного p-n-p транзистора

3.

Электроника

4.

Электроника

5.

Электроника
Идеализированная симметричная структура
P
N
К
P
Э
К
Б
P–N-P
Э
Б
К
N
Э
P
Рыбин Ю. К.
N
К
Б
N–P-N
Э
Б
На условных обозначениях стрелка всегда указывает направление от
области P к области N
Э - эмиттер
Б - база
К – коллектор
5

6.

Электроника
Транзистор как два встречно включенных диода

7.

Электроника
Основные режимы работы транзистора
1.Режим насыщения. Оба перехода открыты
2.Режим отсечки. Оба перехода закрыты.
3.Активный режим. Эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт.
4.Инверсный режим. Эмиттерный закрыт, коллекторный открыт.

8.

Активный режим. ОБ и ОЭ.
I E IC I B
Электроника
UBE>0 и UBC<0. Типовые значения для кремниевых транзисторов
UBE=0.6 0.7 В, UBC<-5 В
UCE
C
E
IE
+
IC
UEB
UCB
-
UBE>0 (UEB<0) и UBC<0 (UCB>0), U CE U CB U BE 5.6 В
+
IB
B
C
UCB
+
B
+
UCE U CB U BE UCB UCE U BE
IC
UCE
IB
-
UBE
IE
E
UBE>0 и UСE>0, но должно быть UВС<0, поэтому UСE>UBE.
тогда UСB>4.3 В

9.

Активный режим. ОК
UBE>0 и UBC<0. Типовые значения для кремниевых транзисторов
UBE=0.6 0.7 В, UBC<-5 В
I E IC I B
E
UEB
IE
-
B
UBС
UEC
IB
+
UBC<-5 В и UEC<0. Должно быть UBE=0.6 0.7 В.
Поэтому UEС<-5.6 В
IC
+
C
Коэффициент передачи эмиттерного тока и коэффициент усиления тока базы
IC I E , 0.95 0.999 1
IC
IC I B IC
I B I B
1
20 1000 1
1
1
I E IC I B

10.

Режим насыщения. ОБ и ОЭ.
I E IC I B
Электроника
UBE>0 и UBC>0. Типовые значения для кремниевых транзисторов
UBE=0.6 0.7 В, UBC =0.6 0.7 В, UСE 0
UCE
C
E
IE
IC
UEB
UCB
+
UBE>0 (UEB<0) и UBC>0 (UCB<0),
UCE UCB U BE 0В
+
IB
B
C
UCB
-
B
+
UCE UCB U BE UCB UCE U BE U BE
IC
UCE
IB
+
UBE
IE
E
UBE>0 и UСE 0

11.

Режим насыщения. ОК
UBE<0 и UBC<0. Типовые значения для кремниевых транзисторов
UBE=0.6 0.7 В, UBC =0.6 0.7 В, UСE 0
I E IC I B
E
UEB
IE
-
B
+
UBС
UEC
IB
+
IC
-
C
UBC>0 В и UEC 0.

12.

Режим отсечки. ОБ и ОЭ.
I E IC I B
UBE<0 и UBC<0.
UCE
C
E
IE
+
IC
+
UEB
UCB
-
UBE<0 (UEB>0) и UBC<0 (UCB>0),
-
IB
B
C
UCB
+
B
-
UCE U CB U BE UCB UCE U BE
IC
UCE
IB
-
UBE
IE
+
E
UBE<0 и UСE>0, UВС<0
Электроника

13.

Транзистор как четырехполюсник
ОЭ
Uвх=UBE, Uвых=UСE, Iвх=IB, Iвых=IС
Iвых
Iвх
C
Uвх
Uвых
B
E

14.

ОК
Iвых
Iвх
E
Uвх
Uвых
B
C
Uвх=UBС, Uвых=UEС, Iвх=IB, Iвых=IE

15.

ОБ
Iвх
Uвх
C
E
B
Iвых
Uвых
Uвх=UEB, Uвых=UСB, Iвх=IE, Iвых=IC

16.

Модель Эберса-Молла
UCE
IE
UEB
+
C
IB
UCE UCB U BE
+
E
UCB
IC
I E IC I B
-
B
AN , I N , I , AN
I E IC I B
I D , N I S , N exp U BE U T 1 , I D , I I S , I exp U BC U T 1 , U T T
I C AN I S , N exp U BE U T 1 I S , I exp U BC U T 1
I E I S , N exp U BE U T 1 AI I S , I exp U BC U T 1
AN I S , N AI I S , I I S
I B 1 AN I S , N exp U BE U T 1 1 AI I S , I exp U BC U T 1

17.

В активном режиме
exp U BE U T 1, exp U BC U T 1
IC I S exp U BE UT
1
IE
I S exp U BE U T
AN
1 AN
IB
I S exp U BE U T BN I S exp U BE U T
AN
AN
IC
BN
1 AN I B
N
N
,
1
1 N
1
Коэффициент усиления тока базы
IC AN I E N I E I E
IC I E 1 1 0.95 0.999 1
Коэффициент передачи тока эмиттера

18.

ОБ
IC 0.1 UBC
j
IC 0.62 UBC
j
I s 1 10
0.1
IC 0.635 UBC
j
AN 0.998
IC 0.646 UBC
j
AI 0.7
IC 0.655 UBC
j
0.05
I sN
IC 0.66 UBC
j
12
I sI
1
0
1
2
3
Is
AN
Is
AI
UBC
j
0.2
1.002 10
0.15
IE UBE 10
1.001 10
IE UBE 0
IE UBE 0 IE UBE 10
0.1
1 10
9.99 10
0.05
9.98 10
0
0.2
0.4
UBE
0.6
0.8
12
12
12
13
13
0
0.2
0.4
UBE
0.6
0.8

19.

ОБ. Переход от аргументов UBE и UBC к аргументам IB и UBC
I B 1 AN I S , N exp U BE U T 1 1 AI I S , I exp U BC U T 1
UBE IB UBC
IC IB UBC
U
IB IsI AI 1 exp BC 1
UT
UT ln 1
IsN AN 1
UBC
I IsI
IsI exp
1 AN B
1 AN
1 AN
UT
AN
1 AI AN
1 AI AN

20.

IC 0.1 UBC
j
IC 0.62 UBC
j
0.1
IC 0.635 UBC
j
IC 0.646 UBC
j
IC 0.655 UBC
j
0.05
IC 0.66 UBC
j
1
0
1
2
3
UBC
j
ICÎÁ
2.5 10 4 U
BCj
ICÎÁ
2 10 4 U
BCj
ICÎÁ
IB=250мкА
IB=200мкА
0.1
1.5 10 4 U
BCj
IB=150мкА
4
ICÎÁ 1. 10 UBC
j
ICÎÁ
0.5 10 4 U
BCj
ICÎÁ
0 UBC
j
IB=100мкА
0.05
IB=50мкА
1
0
1
2
UBC
j
3

21.

ОЭ
C
I1 C 0.635 UCE 0.1
I1 C 0.646 UCE
I1 C 0.655 UCE
0.05
I1 C 0.66 UCE
UCB
I1 C 0.1 UCE
IC
+
B
+
UCE
IB
-
UBE
IE
E
0
1
2
3
UCE
3 10
2 10
I1 B U'BE 1.35 10
I1 B U'BE 0
1 10
6
6
U CB U CE U BE
U BC U CE U BE
6
0
1 10
0.1
0.2
6
U' BE
0.3
0.4

22.

ОE. Переход от аргументов UBE и UCE к аргументам IB и UCE
I B 1 AN I S , N exp U BE U T 1 1 AI I S , I exp U CE U BE U T 1
UBE IB UCE
I.C I.B U.CE
IB IsI IsN AI IsI AN IsN
UT ln
U
U
CE
CE
I
A
I
I
exp
A
I
exp
sN N sN sI
I sI
UT
UT
U.CE
I.sN I.sI 1 A.I A.N A.N I.B I.sI I.sN 1 A.I A.N I.B exp
U
.T
U.CE
I.sN 1 A.N I.sI 1 A.I exp
U.T

23.

I1 C 0.635 UCE 0.1
I1 C 0.646 UCE
I1 C 0.655 UCE
0.05
I1 C 0.66 UCE
I1 C 0.1 UCE
0
1
2
3
UCE
ICÎÅ 2.5 10
ICÎÅ 2 10
4
ICÎÅ 1.5 10
ICÎÅ 1 10
4
UCE
IB=200мкА
4
4
IB=250мкА
UCE
UCE
0.1
IB=150мкА
UCE
IB=100мкА
4
ICÎÅ 0.5 10 UCE 0.05
IB=50мкА
ICÎÅ 0 UCE
0
1
2
UCE
3

24.

ОC
E
U BE U BC U EC
I E I S , N exp U BC U EC U T 1 AI I S , I exp U BC U T 1
UEB
UBС
I2 E U'EC 2.5
I2 E U'EC 1.5
I2 E U'EC .8
I2 E U'EC 0
I2 E U'EC 0.4
1 10
+
IC
C
3
3
0
1 10
UEC
IB
+
3
I2 E U'EC 3.1
2 10
-
B
3 10
IE
1
2
3
U'EC
3
4

25.

ОK. Переход от аргументов UBC и UEC к аргументам IB и UEC
I B 1 AN I S , N exp U BC U EC U T 1 1 AI I S , I exp U BC U T 1
U.BC U.EC I.B
I.E U.EC I.B
U
U
.EC
.EC
I.sI A.I I.sI I.sN exp U A.N I.sN exp U
.T
.T
I.B I.sI I.sN A.I I.sI A.N I.sN
U.T ln
U.EC
I.sI I.sN 1 A.I A.N A.I I.B I.sN I.sI 1 A.I A.N I.B exp
U.T
U.EC
I.sI 1 A.I I.sN 1 A.N exp
U.T
3 10
IE U' EC 5 10
6
IE U' EC 4 10
6
IE U' EC 3 10
6
3
3 10
2 10
3
2 10
I'B 1 U'BC
I'B 0 U'BC
6
IE U' EC 2 10
IE U' EC 10
IE U' EC 0
6
1 10
3
1 10
6
6
6
0
1 10
0
1
2
U'EC
3
0.1
0.2
6
4
U'BC
0.3
0.4

26.

Статический режим. Рабочая точка транзистора.
C
UCB
IC
+
B
+
UCE
IB
-
UBE
IE
E
Постоянные величины I E , IC , I B ,U BE ,U BC ,UCE рабочая точка
Однако независимыми являются только четыре.
I E IC I B
UCE UCB U BE
Какие зависимы, а какие независимы зависит от схемы включения. Обычно рабочую
точку задают двумя входными величинами и двумя выходными. Так в схеме с ОЭ
рабочая точка задается.
IC , I B ,U BE ,UCE

27.

Пример определение РТ в схеме с ОЭ
При нулевых сигнальных токах I e I a 0 получим
U B1 I1 R1 U BE , U B 2 I 2 R2 U CE
I1
U U CE
U B1 U BE
, I2 B2
,
R1
R1
I1 I B U BE ,U CE и I 2 I С U BE ,U CE . Таким образом
получим два уравнения с двумя неизвестными
I B U BE ,U CE
U U СE
U B1 U BE
, I C U BE , U CE B 2
R1
R2
Для модели Эберса-Молла
1 AN I S , N exp U BE
U T 1 1 AI I S , I exp U CE U BE U T 1
AN I S , N exp U BE U T 1 I S , I exp U CE U BE U T 1
U B 2 U BE
R2
U B1 U BE
,
R1

28.

Графическое определение РТ в схеме с ОЭ

29.

Графическое определение РТ в схеме с ОЭ по модели Эберса-Молла
2 10
f1 U'' BE
IB U' BE 1.5
1 10
4
4
0
1 10
0.5
1
1.5
4
U' BE U'' BE
0.176
I.C 0.66 U.CE
I.C 0.65 U.CE
f2 U.CE
0.15
I.CÎÅ 2.5 10
I.C 0.67 U.CE 0.15
0.1
4
U.CE
I.CÎÅ 1.68 10
4
I.CÎÅ 1 10
U.CE
4
U.CE
0.05
f2 U.CE
0.05
0
0.1
0
0
0
1
2
U.CE
3
3
0
0
1
2
U.CE
3
3

30.

Ux1 0.65
Ux2 1.39
Given
Ux1 1 I exp Ux2 Ux1 1
AN I sN exp
sI
T
T
UB2 Ux2
R2
exp Ux1 1 1 A I exp Ux2 Ux1 1
1
A
I
N sN I sI
T
T
0.651
Find( Ux1 Ux2)
1.306
UB1 Ux1
R1

31.

31
Рабочая область транзисторов
Pдоп I CдопU CEдоп I Cдоп
IC(мA)
5
50 мкА
IСmax
4
40 мкА
3
30 мкА
2
20 мкА
1
Iб=10мкА
UСEmax
0
-5
-10
-15
- 20
UCE (В)
Область выходных характеристик транзистора с ОЭ, в пределах
которой можно выбирать рабочую точку.
Pдоп
U CEдоп

32.

Транспортная модель
Токи в модели
I B,N
IS
exp U BE U T 1 ,
BN
I B,I
IS
exp U BC U T 1
BI
IT N I B , N I I B , I
I S exp U BE U T exp U BC U T
По первому закону Кирхгофа
IB
IS
I
exp U BE U T 1 + S exp U BC U T 1
BN
BI
1
I С I S exp U BE U T 1
BI
1
I E I S 1
BN
1
exp
U
U
BC T
B
I
1
exp U BE U T exp U BC U T
B
N
Эти уравнения сводятся к
уравнениям Эберса-Молла,
если учесть соотношения
BN , I
AN , I
1 AN , I

33.

Транспортная модель для нормального режима
IB
IS
exp U BE U T
BN
I С I S exp U BE U T
1
I E I S 1
BN
exp U BE U T

34.

Резистивный каскад с обратной связью по току. Анализ
RC
R1
I1
I2
R2
R1
RC
IC
IB
E
IE
RE
E
I1
IB
IC
E
I2
R2
RE
Питание цепи базы и цепи CE

35.

Расчет параметров рабочей точки в активном режиме по цепи питания CE
E U RC U CE U RE
E I C RC U CE I E RE I C RC U CE 1I C RE
I K RC 1 RE U KЭ I C RC RE U CE
E U СE
I C U CE , U BE I C U CE , I B
RC RE
I I C U CE ,U BE =I C U CE , I B - ВАХ транзистора в схеме с ОЕ
E U
I нвых U
- ВАХ нагрузки
RK RЭ
Неоднозначность в выборе RE устраняется при
помощи соотношения и уточняется для
конкретного транзистора
RC 1 10 RE

36.

IС(мA)
50
50 мкА
40
40 мкА
30
30 мкА
20
20 мкА
10
IB= 10 мкА
0
5
10
15
20
E = 20В
RС=4кОм
RE=1кОм
UСE (В)

37.

37
Эквивалентная схема питания базовой цепи
RC
R1
E
I1
IB
I2
R2
IC
RC
I1 I 2 I B
RB
I1 R1 I 2 R2 E
E
I 2 R2 U BE U RE 0
E
EB
RE
RE
I 2 R1 R2 I B R1 E
U BE U RE
I2
R2
U BE U RE
I B R1
R1 R2 E
R2
R1 R2
R2
IB
U BE U RE E
R1 R2
R1 R2
I B RB U BE U RE EB

38.

R2
EB
E
R1 R2
R1 R2
RB
R1 R2
EB U RB U BE U RE I B RB U BE I E RE I B RB U BE 1 I B RE
U BE RB 1 RE I B
EB U BE
I B U CE ,U BE
RB 1 RE
I B U CE ,U BE - входная ВАХ в схеме с ОЭ
I нвх U
Аргументы U CE , U BE
EB U
- нагрузочная прямая базовой цепи
RB 1 RE
EB I B RB 1 RE U BE I B ,U CE
U BE I B , U CE - входная ВАХ в схеме с ОЭ
U нвх EB I B RB 1 RE - нагрузочная прямая базовой цепи
Аргументы I B , U СE

39.

I
EB
RB 1 RE
RB
EB
1 RE
I
EB
Иногда можно синтезировать базовую цепь по нагрузочной прямой
EB
RB
R2
R2
E
E
B
R1 R2
R1 R2
E
RB
R1 R2
E
E
RB R1
R1 RB
R1 R2
EB
EB
R1 R2
R R
RB R1 RB R2 R1 R2 R2 B 1
R1 R2
R1 RB
I Б I1 и I Б I 2

40.

Точное положение рабочей точки в активном режиме
I B RB U BE I E RE EB
I C RC U CE I E RE E
B I
I B RB U T ln N B
IS
B I
IS
exp U BE U T U BE U T ln N B
BN
IS
I С I S exp U BE U T BN I B
IB
IE IS
1 BN
exp U BE U T I С BN I B
BN
BN I B
B
I
R
E
I
R
B
R
U
ln
N B E
B
B
B
N E
T
IS
EB
BN I B RC U CE BN I B RE E BN I B RC U CE BN I B RE E
U CE E BN I B RE RC
BN I B 0
I B 0 RB BN RE U T ln
EB
IS
B I
U CE 0 E BN I B 0 RE RC , U BE 0 U T ln N B 0 , I С 0 BN I B 0
IS

41.

RE 50

42.

Синтез резистивного каскада с ОE по току.
1. Задаем положение РТ
IС
IB
I С
IСE0
IB0
IB0
UСE0
E
UСE
UBE0
UBE
2. Чертим нагрузочную прямую на ВАХ IС(UCE) и определяем E и сумму
сопротивлений.
RC RE E U CE 0 I C 0
3. Задаем соотношение RC 1...10 RE , например, RC 5 RE и находим раздельно
RE E 6 I C
RС 5 E 6 I C

43.

4. Задаем ток I1>>IB0, например, I1=50IB0. Тогда I2= I1+IB0=50IB0+IB0=51IB0 I1.
Рассчитываем R2
U BE 0 I 2 R2 R2 U BE 0 I 2
5. Рассчитываем R1
E I1 R1 I 2 R2 R1 E I 2 R2 I1 E U BE 0 I1
6. Все рассчитанные сопротивления округляются до ближайшего номинала и
проверяется уход рабочей точки от изначально выбранного положения. Он должен быть
незначительным. В противном случае производится перерасчет.

44.

Резистивный каскад с обратной связью по напряжению. Анализ.
RC
R1
I1
I 2 R2 U BE 0, IRC U CE E , I1 R1 U BE U CE 0
IC
I
IB
I2
R2
Модель
I I C I1 , I1 I B I 2
IE
E
B I
U BE U T ln N B , I С BN I B , I E I С BN I B
IS
Редукция к решаемым уравнениям
I1 U CE U BE R1 , I C I1 RC U CE E , I1 I B R2 U BE 0
R2
R2
R1 R2
U
1
U
I
R
I
0
U
U BE I B R1 I B
BE B
CE
2 B
CE
R
R
R
1
1
2
RC 1 U RC U I B R I E
R B R I R1 R2 RC U I E
N C
B
BE
B
CE
BE B
N C B
R
1
R
R
2
1
1
Основное уравнение для численного решения
BN I B
R1 R2 RC
R1 R2 RC
U BE E R1 BN RC I B
U T ln
R1 BN RC I B
E
R2
R2
I
S
IB
R R2 RC
E
1
U BE ВАХ нагрузочная прямая
R1 BN RC R1 BN RC R2

45.

Синтез резистивного каскада с ОE по напряжению.
1. Задаем положение РТ
IB
IС
I1
I
IB0
IСE0
IB0
EB
UBE0
UСE0
UBE
E
UСE
2. Чертим нагрузочную прямую на ВАХ IB(UBE) и определяем R2 и I1.
I B I1 R2 U BE R2 I1 R2 U BE R2 R2 EB U B 0 I B 0 , I1 EB R2
3. Определяем R1. R1 U CE 0 U BE 0 I1
4. Так как I 2 R2 U BE 0 I 2 U BE 0 R2 . Тогда I I C 0 I1.
5. Чертим нагрузочную прямую на ВАХ IC(UCE) и определяем E и RC.
RC
E U CE 0
I