BluePink XHost |
Servere virtuale de la 20 eur / luna. Servere dedicate de la 100 eur / luna - servicii de administrare si monitorizare incluse. Colocare servere si echipamente de la 75 eur / luna. Pentru detalii accesati site-ul BluePink. |
3.15. POLARIZAREA TB MONTAJ COLECTOR COMUN Şl BAZĂ
COMUNĂ
Tranzistorul bipolar (BJT) folosit într-un montaj colector-comun sau bază-comună are caracteristici diferite de cel folosit într-un montaj emitor-comun. Aceste caracteristici diferite pot fi avantajoase într-o aplicaţie.
Un
amplificator colector-comun (uneori referit ca un repetor pe emitor) este
arătat în figura 3-29.
Fig. 3-29
Colectorul BJT - ului este comun în raport cu baza şi emitorul. Semnalul de intrare este cuplat la baza tranzistorului prin CC şi semnalul de ieşire este luat de pe emitor. Semnalele de intrare şi ieşire sunt în fază unul cu celălalt. Pe măsură semnalul intrare creşte cu cantităţi pozitive, curentul bază c.a. creşte. Când curentul bază determinat de componenta de semnal mic creşte, curentul emitor datorat semnalului mic creşte.
Deoarece tensiunea de ieşire este produsul dintre iE şi RL, tensiunea intrare şi tensiunea ieşire sunt în fază.
Cerinţele polarizării pentru amplificatorul colector comun sunt ca joncţiunea bază-emitor să fie polarizată direct şi ca joncţiunea bază-colector să fie polarizată invers. Una din posibilităţile de polarizare este ilustrată de figura 3-30.
Tensiunea
de polarizare directă pentru joncţiunea bază-emitor este
diferenţa între tensiunea de alimentare şi căderile de tensiune
pe RB şi RL. Tensiunea de polarizare inversă
aplicată pe joncţiunea bază-colector este diferenţa dintre
tensiunea de alimentare şi căderea de tensiune pe RB.
Fig. 3-30
Relaţia între curentul bază şi curentul
emitor este:
(3.108)
Ecuaţia ochiului colector, din figura 3-30, este
găsită a fi:
EC
= VCE + IE RL (3.109)
Ecuaţia ochiului bază este găsită a fi:
EC
= IB RB + VBEsat + IE RL (3.110)
Acum substituind ecuaţia (3.108) în ecuaţia
(3.110) şi rezolvând pentru IB avem:
(3.111)
Dacă
rezistorul bază RB şi rezistorul RL sunt
calculate cu cunoscutele VCE şi IE, ecuaţiile
(3.109) şi (3.110) pot fi modificate. Valoarea lui RL este
atunci găsită rezolvând ecuaţia (3.109), sau:
RL
= ( EC – VCE ) / IE
(3.112)
Pentru o tensiune de ieşire de
semnal maximă, VCE va fi egal cu 1/2 din tensiunea de
alimentare, sau
VCE
= VCEQ = EC / 2
(3.113)
Substituind această valoare în ecuaţia (3.112)
avem:
RL = EC / 2 IE (3.114)
Acum, rezolvând ecuaţia (3.110) pentru RB,
avem:
RB
= ( EC – IE RL – VBEsat ) / IB (3.115)
Dar
considerăm că VCE = EC / 2 aşa că IERL
este de asemenea egal cu EC / 2.
Substituind această valoare a lui IERL
în ecuaţia (3.115) avem:
RB
= ( EC / 2 – VBEsat ) / IB (3.116)
În
figura 3-31 este
ilustrată o configuraţie pentru
un amplificator bază
comună. Capacitatea Cb constituie o cale de
rezistenţă mică pentru semnalele de la baza tranzistorului la
masă. Semnalul de intrare este aplicat pe emitorul BJT-ului prin CC.
Semnalul de ieşire este luat din colector.
Fig. 3-31
Curentul intrare este IE şi curentul ieşire este lC. Aşa cum rezultă din figură, IE creşte, lC creşte şi viceversa. Ca urmare semnalele tensiune intrare şi sunt în fază.
Montajul
bază comună are aceleaşi cerinţe de polarizare ca celelalte
montaje CC sau EC; acestea sunt: joncţiunea bază-emitor trebuie
să fie polarizată direct şi joncţiunea bază colector trebuie
să fie polarizată invers. Un asemenea aranjament de polarizare pentru
amplificator bază comună este arătat în figura 3-32.
Ecuaţia ochiului c.c. pentru colectorul şi emitorul BJT-ului este
dată de:
EC
= IC RL + VCE + IE RE (3.117)
Dacă bF este mare,
putem considera ca IC ~ IE, iar ecuaţia (3.117)
devine:
EC
= IC ( RL + RE ) + VCE
Fig. 3-32
Poate fi
scrisă ecuaţia ochiului bază în c.c., şi astfel curentul
bază IB poate fi calculat:
EC
= IB RB + VBEsat + IE RE (3.118)
Cum:
(3.119)
rezultă:
(3.120)
Obţinem pentru curentul din bază expresia:
(3.121)
3.16. CIRCUITE ECHIVALENTE DE CUADRIPOL
Dacă semnalele variabile aplicate unui tranzistor sunt atât de mici încât caracteristicile se pot aproxima în jurul punctului de funcţionare prin linii drepte, tranzistorul poate fi reprezentat printr-un cuadripol liniar activ, în care intrarea şi ieşirea au o bornă comună.
Prin
folosirea unui circuit model poate fi descrisă comportarea dispozitivelor
active şi pasive funcţie de tensiunile şi curenţii lor de
intrare şi ieşire.
Fig. 3-33
Figura 3-33 ilustrează un dispozitiv electronic în interiorul unei cutii negre cu tensiune şi curent intrare notaţi Vin şi lin, şi tensiune şi curent ieşire notaţi Vout şi lout.
Cele patru variabile Vin, lin, Vouţ, lout pot fi măsuraţi si definiţi matematic ca funcţie de fiecare altul.
Dacă tensiunea intrare a fost definită ca o funcţie de lin şi Vout, iar curentul de ieşire lout a fost definit ca o funcţie lin şi Vout vom obţine un model circuit hibrid. În fapt există şase moduri posibile de alegere a variabilelor independente, la care corespund şase sisteme diferite de ecuaţii, fiecare sistem fiind caracterizat de patru parametri - parametri de cuadripol. Dar cel mai utilizat este sistemul cu parametri hibrizi.
Scriem:
Vin = f1( lin, Vouţ ) (3.122)
Iout = f2( lin, Vouţ ) (3.123)
În scopul
de a înţelege comportarea în c.a. a dispozitivului din interiorul cutiei
negre, să diferenţiem ecuaţiile (3.122) şi (3.123).
(3.124)
(3.125)
Dacă considerăm:
dVin = Vin
= vin
dVout = Vout
= vout
dIin = Iin
= iin
dIout = Iout
= iout
ecuaţiile (3.124) şi (3.125) pot fi exprimate ca:
(3.126)
(3.127)
Să definim derivatele parţiale:
(3.128)
adimensional (3.129)
adimensional (3.130)
(3.131)
Derivatele parţiale descrise de ecuaţiile (3.128 – 3.131) pot fi simbolizate prin litera h, cu doi indici folosiţi pentru a identifica derivatele particulare. Astfel:
rezistenţa intrare (3.132)
tensiunea reacţie inversă (3.133)
câştig curent direct (3.134)
conductanţa ieşire (3.135)
Substituind
ecuaţiile (3.132) şi (3.133) în ecuaţiile (3.126)
şi (3.127), avem:
Vin
= h11 iin + h12 vout
(3.136)
Iout
= h21 iin + h22 vout (3.137)
Fig. 3-34
Figura 3-34 ilustrează cum ecuaţiile (3.136) şi (3.137) pot fi interpretate ca model de circuit. Partea de intrare a modelului este descrisă prin ecuaţia (3.136), unde rezistenţa de intrare este notată h11, iar tensiunea de reacţie inversă este h12 multiplicată cu tensiunea ieşire vout. Partea de ieşire a modelului circuit este descrisă de ecuaţia (3.137), unde curentul în cantitate h21iin este pompat pe conductanţa ieşire h22 şi orice sarcină plasată la terminalele de ieşire ale dispozitivului.
De notat că partea intrare a modelului de circuit este o sursă de tensiune Thevenin şi rezistenţa ei, iar partea de ieşire este o sursă de curent Norton şi conductanţa sa.
Parametrii hibrizi h11, h12,
h21 şi h22 pot fi măsuraţi sau
calculaţi cu ajutorul ecuaţiei (3.136) şi (3.137). Dacă
tensiunea de ieşire c.a. vout este zero, ecuaţiile (3.136)
şi (3.137) se vor reduce la
h11
= vin / iin (W)
(3.138)
h21 =
iout / iin (adimensional) (3.139)
h11
este rezistenţa de intrare, iar h21 este câştigul curent
direct pentru dispozitivul din interiorul cutiei negre, cu tensiunea de
ieşire vout redusă la zero volţi. Dacă curentul
intrare c.a. iin a fost redus la zero amperi, ecuaţiile (3.136)
şi (3.137) se vor reduce la:
h12 =
vin / vout (adimensional) (3.140)
h22
= iout / vout (W -1) (3.141)
h12 este raportul de transfer tensiune inversă, iar h22 este definit drept conductanţa de ieşire a dispozitivului, cu curent de intrare iin redus la zero amperi.
De
observat că modelul de circuit hibrid este numai un model în c.a.
Dacă dispozitivul din interiorul cutiei negre este un tranzistor, care are
cerinţe de polarizare în c.c., modelul hibrid va exprima numai comportarea
dispozitivului cu tensiuni şi curenţi c.a.
3.17. MODEL CIRCUIT CU SARCINĂ
Modelul de
circuit prezentat, împreună cu parametrii hibrizi h11, h12,
h21 şi h22 descriu comportarea unui dispozitiv.
Pentru un model complet, acesta este uzual completat cu o sursă de semnal
şi în plus dispozitivul debitează spre o sarcină:
Fig. 3-35
A fost figurat modelul circuit
hibrid conectat la un rezistor de sarcină RL şi având o
sursă vg cu rezistenţa internă Rg.
Tensiunile intrare şi ieşire sunt:
Vin
= vg – iin . Rg (3.142)
Vout
= - iout . RL (3.143)
unde - iout . RL implică faptul
că tensiunea ieşire pe RL este de polaritate opusă,
datorită direcţiei curentului ieşire. Cele patru ecuaţii
care acum descriu comportarea dispozitivului în interiorul cutiei negre
conectat la un rezistor de sarcină şi acţionat de o sursă
de semnal sunt:
vin = h11 . iin + h12
. vout
(3.144)
iout
= h21 . iin + h22 . vout
(3.145)
Vin
= vg – iin . Rg (3.146)
Vout
= - iout . RL (3.147)
Cu aceste ecuaţii se pot defini: rezistenţa de intrare Rin, rezistenţa de ieşire Rout, câştigul de curent Ai, câştigul de tensiune Av şi câştigul de putere Pg.
Să găsim expresia pentru amplificarea în curent Ai. Din ecuaţia (3.147) scoatem expresia lui iout şi substituim în ecuaţia (3.145) obţinând:
- vout / RL = h21 . iin + h22 . vout (3.148)
sau încă:
vout = - ( h21 . iin . RL ) / ( h22 . RL + 1 ) (3.149)
sau ţinând cont de ecuaţia (3.147) mai putem scrie:
- iout . RL = - ( h21 . iin . RL ) / ( h22 . RL + 1 ) (3.150)
Final obţinem:
Ai = iout / iin = h21 / ( h22 . RL + 1 ) (3.151)
Se poate determina expresia câştigului în tensiune:
Av = vout / vin (3.152)
Din ecuaţia (3.145) găsim:
Iin = ( iout – h22 . vout ) / h21 (3.153)
Iar din ecuaţia (3.147) obţinem:
iout = - vout / RL (3.154)
Introducând în ecuaţia (3.144) obţinem:
Vin = h11
. ( - vout / RL – h22 . vout ) / h21
+ h12 . vout
= ( - h11 . vout – h11 h22 RL
vout ) / h21 RL + h12 . vout
= ( - h11 . vout – h11 h22 RL vout + h12 h21 RL vout) / h21 RL
(3.155)
Rezultă:
(3.156)
unde
(3.157)
Raţionând şi manipulând în mod similar, avem:
(3.158)
(3.159)
Pg = | Av . Ai | (3.160)
Este important a nota că parametrii hibrizi nu se modifica pentru dispozitivul din interiorul cutiei, dacă sursa şi rezistorul sarcină schimbă în valoare. Schimbări în sursa şi rezistenţa sarcină vor modifica câştigurile şi rezistenţele intrare şi ieşire, dar nu vor schimba valorile numerice ale parametrilor h.
Lucrând cu dispozitive TB, parametrii hibrizi (h11, h12, h21, h22) sunt modificaţi să reflecte folosirea tranzistorului într-un circuit EC, BC sau CC.
Primul indice al lui h va desemna rezistenţa de intrare (i), conductanţa de ieşire (o), raportul tensiune inversă (r), sau câştigul curent direct (f), iar al doilea indice al lui h va desemna folosirea TB într-un montaj emitor-comun (e), baza comună (b) sau colector comun (c).
Fig. 3-36
Se pot
scrie ecuaţiile:
Vbe
= hie . ib + hre . vce (3.161)
ic
= hfe . ie + hoe . vce (3.162)
Pentru
multe aproximări practice, un TB în montaj EC poate fi considerat ca o
rezistenţă de ieşire foarte mare şi o valoare foarte
mică a tensiunii de reacţie (hre ~ 0).
Cu aceste consideraţii pentru un tranzistor în montaj EC, tranzistorul bipolar poate fi considerat ideal.
Pornind de la circuitul echivalent
redat în figura 3-36 cu aproximările făcute se poate ridica
circuitul:
Fig. 3-37
Acesta este descris prin
ecuaţiile:
Vbe
= ib . hie (3.163)
ic
= hfe . ib (3.164)
Dacă considerăm că hoe
= 0 şi hre = 0, ecuaţiile pentru amplificatorul EC permit
a aprecia parametrii circuitului prin relaţiile:
Ai
~ hfe
(3.165)
Av
~ ( - hfe . RL ) / hie (3.166)
Rin
~ hie (3.167)
Rout
~ Ą
(3.168)
Pentru montajul BC, tranzistorul bipolar ideal va avea hob egal cu zero şi hrb cu zero, iar în cazul montajului CC, hoc va fi considerat nul, şi hrc egal cu unu.
3.18. MODEL PI-HIBRID
Modelul hibrid, montaj EC, prezentat pentru tranzistorul bipolar este valid numai pentru frecvenţe joase (mai puţin decât câteva sute de kHz) în cazul lucrului la frecvenţe deasupra a câteva sute de kHz, modelul hibrid este modificat şi numit model pi - hibrid.
Acest model consideră raportul
tensiunii inversă hre ca egal cu zero.
Fig. 3-38
Comparând această figură cu modelul hibrid joasă frecvenţă, de notat că hie este înlocuit cu rb, 1/hoe este înlocuit cu rca şi generatorul de curent hfe . ib este înlocuit cu gm . vb’e.
Rezistenţa de intrare este şuntată cu rbe. Apare capacitatea joncţiunii bază-emitor Cbe şi o capacitate de reacţie Cbc plasată între intrarea şi ieşirea dispozitivului. Pentru montajul emitor comun, capacitatea C este egală cu Cbc (1-Av) şi este uneori referită drept capacitatea Miller.
Capacitatea joncţiunii polarizată direct (a emitorului - Cbe) este comun numită capacitatea de difuzie şi este cauzată de timpul de întârziere al purtătoriior de curent în joncţiunea polarizată direct. Capacitatea joncţiunii colectorului (Cbc) polarizată invers este adesea numită capacitatea de epuizare şi este cauzată: de suprafaţa de epuizare care există într-o joncţiune polarizată invers.
Aşa cum rezultă din acest model, capacitatea internă a unui tranzistor bipolar este luată în considerare când dispozitivul lucrează la frecvenţe înalte.
Impedanţa
de intrare Zin este combinaţia paralel a lui rbe
şi (Cbe + C), unde C este egal cu Cbc (1-AV).
Prin urmare:
Zin
= rbe || ( Cbe + C ) (3.169)
(3.170)
Deoarece impedanţa de intrare se compune din rezistenţă şi capacitate, curentul de intrare este divizat: o parte merge prin rezistenţă şi o altă parte prin capacitate. Curentul de intrare este ca urmare şuntat la masă prin capacitatea (Cbe + C), provocând ca tensiunea la ieşire să fie redusă pentru amplificator.
Punctul la care acest curent de intrare este divizat egal între rezistenţa şi reactanţa capacităţii totale este numit punctul de -3dB. Frecvenţa la care este atins acest punct este numită frecvenţa de tăiere, şi este găsită luând rezistenţa egală cu susceptanţa,
(3.171)
sau
(3.172)
Producătorii specifică frecvent o frecventă numită produs amplificare bandă notat fT. Acest fŢ este frecvenţa la care câştigul în curent al tranzistorului în montaj emitor-comun este egal cu unu. Relaţia între frecvenţa de tăiere şi frecvenţa produs amplificare bandă este:
fT = hfe . fp (3.173)
3.19. DETERMINAREA ELEMENTELOR CIRCUITULUI ECHIVALENT
Măsurările se fac într-un anumit punct de funcţionare, la o frecvenţă joasă (1KHz).
Pentru estimarea pantei se foloseşte relaţia de definiţie:
gm = qIC / kT ~ 40 IC [ mA / V ] (3.174)
Se determină apoi rbe cu relaţia:
Rbe = hfe / gm (3.175)
unde hfe este măsurat
Rezistenţa distribuită a bazei rezultă din relaţia:
rb = hie - rbe (3.176)
unde hfe este măsurat. Această determinare este imprecisă, deoarece rezultă din diferenţa a două numere mari. Rezistorul rb poate fi neglijat în multe calcule de circuit, în special la frecvenţă joasă; variază însă cu frecvenţa.
Valoarea lui rb = 1/gb
la frecvenţe înalte se poate găsi prin măsurarea admitanţei
de intrare cu ieşirea în scurtcircuit la w >> wb:
(3.177)
Atunci când frecvenţa
creşte, ne apropiem de situaţia
Re [Yie]
= gb = 1 / rb
(3.178)
Capacităţile Cbc şi Cbe din circuit se determină astfel:
- Cbc se poate afla măsurând capacitatea între electrozii bază şi colector ai tranzistorului, cu emitorul în gol (în c.a).
Aceasta
este de fapt capacitatea de ieşire în conexiunea bază comună
şi se notează cu Cob. Se poate observa că
măsurăm de fapt pe Cbc în serie cu rb, deci
chiar pe Cbc ~ Cob dacă frecvenţa este
suficient de joasă pentru ca 1/w . Cbc >> rb;
- Capacitatea Cbe se
poate obţine cu relaţia:
(3.179)
3.20. MODELUL EBERS-MOLL
Considerăm un tranzistor p - n
- p.
Fig. 3-39
S-a
figurat şi
circulaţia de curenţi.
Curentul de colector poate fi scris:
(3.180)
unde primul termen din membrul doi reprezintă curentul injectat de emitor la joncţiunea colectorului, iar al doilea, curentul propriu al joncţiunii colectorului.
Parametrul
aF
este factorul de amplificare în curent direct (iE - curent de
intrare, ic - curent de ieşire) cu ieşire în scurtcircuit
( vce = 0, colectorul scurtcircuitat la bază, electrodul
comun). ICB0 este curentul rezidual (de saturaţie) al
joncţiunii colectorului, măsurat cu emitorul în gol.
Fig. 3-40
O relaţie similară poate
fi scrisă făcând bilanţul curenţilor la joncţiunea
emitorului. Astfel:
(3.181)
sau
(3.182)
unde ar este un factor de amplificare în curent invers (intrare pe colector, ieşire pe emitor) cu emitorul scurtcircuiiat la bază, iar IEB0 este curentul de saturaţie al joncţiunii emitor-bază, determinat cu colectorul în gol.
Circuitul echivalent al
tranzistorului care corespunde celor 2 ecuaţii este:
Fig. 3-41
El cuprinde generatoare de curent comandate de curenţii la bornele dispozitivului.
Rezolvând sistemul format de
ecuaţia (3.180) şi (3.182) în raport cu iE şi iC
găsim ecuaţia Ebers - Moll:
(3.183)
(3.184)
unde
am notat:
(3.185)
IES este curentul de saturaţie al diodei emitor-bază măsurat cu colectorul scurtcircuitat la bază; lCS este curentul de saturaţie al diodei colector-bază determinat cu emitorul scurtcircuitat la bază.
IES, ICS, aF, aR
sunt parametri constructivi, depinzând de material. Se poate găsi:
aF IES
= aR ICS
(3.186)
adică
cei patru parametri nu sunt independenţi. Curentul IES poate fi
determinat cu schema:
Fig. 3-42
Circuitul echivalent
corespunzător ecuaţiilor (3.183) şi (3.184), prezentat în figura
3.43,
Fig. 3-43
pune
în evidenţă faptul că se măsoară caracteristica diodei
emitor-bază cu colectorul scurtcircuitat la bază.
Dioda are ecuaţia:
(3.187)
Nu măsurăm IES ca pe un curent de saturaţie, deoarece joncţiunea p-n polarizată invers este afectată de fenomene neluate în considerare la deducerea legii exponenţiale.
Se aplică VEB >> kT / q şi se verifică aşezarea punctelor experimentale pe o dreaptă în planul (Ig iE - vEB). Curentul IES se obţine prin extrapolare la curenţi mici.
Curentul lCS se poate determina similar.
Parametrul aF se
determină ca factor de amplificare în curent la semnal mare:
; ICB = IC | IE = 0 (3.188)
unde
lC şi IE se măsoară la o anumită
tensiune vCB. O determinare mai precisă se face astfel:
(3.189)
Factorul de amplificare invers aR are valori mult diferite de unitate aR = 0,5.......0,9 (bR = aR / (1 - aR) = 1...9). Această diferenţă între aR şi aF reflectă
particularităţile construcţiei tranzistorului. Dacă luăm de pildă tranzistorul aliat cu Ge, se remarcă aria mult mai mare a colectorului, ceea ce permite colectarea majorităţii golurilor injectate de emitor. Atunci când polarizarea este inversată, factorul de transport al golurilor prin bază este considerabil mai mic (o bună parte din golurile injectate de colector se recombină pe suprafaţă fără a mai contribui la curentul de emitor).
Un alt
exemplu este furnizat de tranzistorul planar epitaxial. Procesul de
fabricaţie (difuzii succesive în stratul epitaxial care inversează de
fiecare dată tipul de conductibilitate) conduce la un colector mai slab
dopat cu impurităţi decât baza. De aici o eficientă redusă
a colectorului, funcţionând ca emitor.
3.21. CIRCUITULECHIVALENTALTB
FUNCŢIONÂND LA SEMNALE MICI (GIACOLETTO)
Am văzut că în principal
curentul prin tranzistor, iC, este datorat golurilor, respectiv
electronilor care difuzează de la emitor, prin bază, spre colector
pentru un tranzistor pnp, respectiv npn. Acest curent de colector este
aproximativ un curent de difuzie, care depinde fundamental de distribuţia
purtătorilor minoritari din bază (goluri la tranzistorul pnp,
respectiv electroni la cel npn). Să considerăm un tranzistor de tip pnp:
Fig. 3-44
Concentraţiile de purtători minoritari în cele 3 regiuni sunt:
- np,E (x) - concentraţia electronilor minoritari în regiunea neutră a emitorului;
- pn (x) - concentraţia de goluri minoritare în baza neutră;
-
np,C (x) - concentraţia electronilor minoritari în zona
neutră a colectorului.
Curentul
de colector este dat de golurile care difuzează de la emitor, prin
bază, la colector, deci este practic un curent de difuzie.
Fig. 3-45
putem scrie:
iC = Aj
. jpd (3.190)
unde:
Aj - aria joncţiunii;
jpd - densitatea de curent de suprafaţă.
Ţinând
seama că densitatea de curent de suprafaţă, jpd, este
proporţională cu gradientul concentraţiei de purtători
minoritari, relaţia devine:
(3.191)
Notăm prin
pn’ (x) = pn’
(x) - pn0
concentraţia de purtători minoritari (goluri) în exces, în bază, faţă de situaţia de la echilibru termic - pn0.
Pentru situaţia în care
tranzistorul este polarizat în regiunea activă normală
(joncţiunea emitorului polarizată direct şi cea a colectorului
invers) avem o distribuţie triunghiulară a concentraţiei
purtătorilor minoritari în bază (vezi figura 3.45.b).
Rezultă că pentru concentraţia de purtători minoritari în bază, în exces, funcţie de adâncimea de pătrundere putem scrie:
pn’ (x) = pn’ (0) [1 – x / W] (3.192)
unde
pn’ (0) = pn0 [ exp ( qVEB / kT ) – 1 ] (3.193)
Cu aceste consideraţii,
curentul de colector devine:
(3.194)
Ţinând seama de modelul Ebers-Moll, curentul de colector mai poate fi scris sub forma:
(3.195)
Atunci când tranzistorul este
polarizat în regiunea activă normală (VEB > 0, VCB
< 0) şi în plus considerând |VCB|
>> kT / q, putem aproxima
curentul de colector prin relaţia:
(3.196)
Prin
identificarea relaţiilor (3.194) şi (3.196) poate fi găsită
expresia curentului de saturaţie la joncţiunea emitorului,
măsurat cu colectorul scurtcircuitat la bază, funcţie de
parametrii constructivi şi de material ai tranzistorului:
IES
~ ( Aj . q . DpB . pn0 ) / W (3.197)
3.21.1. MODELAREA RĂSPUNSULUI LA SEMNAL MIC PE BAZA
FENOMENELOR DIN REGIUNILE NEUTRE
Să considerăm variaţiile tensiunilor la cele 2 joncţiuni D vEB şi D vCB. Dorim să evidenţiem corelaţia care există între aceste variaţii şi cele produse asupra curenţilor prin tranzistor: DiC şi DiE. Găsite aceste dependenţe, poate fi determinat modelul tranzistorului, respectiv circuitul său echivalent.
Acest model de tip circuit echivalent poate fi obţinut dacă variaţiile s-unt suficient de mici, astfel încât să putem liniariza dependenţa puternic neliniară a curentului cu tensiunea în cazul joncţiunii deschise (dependenţa exponenţială).
Interesează funcţionarea în regiunea activă normală, acolo unde se pune problema amplificării semnalului.
Să
presupunem că peste tensiunea de polarizare a joncţiunii emitorului
se suprapune o perturbaţie D
vEB, încât putem scrie:
vEB = VEB +DvEB (3.198)
şi să evaluăm efectul acestei perturbaţii.
Cum în
regiunea activă normală avem o distribuţie triunghiulară a
purtătorilor minoritari în exces în bază, concentraţia acestora
în cazul unui tranzistor pnp, la distanţa x de la marginea emitorului
este:
pn’ (x) = pn’ (0) [1 – x / W] (3.199)
unde
pn’ (0) = pn0 [ exp ( qVEB / kT ) – 1 ] (3.200)
Ţinând cont de (3.153),
expresia lui p'n(0) devine:
(3.201)
Cum am
considerat că suntem în condiţii de semnal mic, adică
perturbaţia tensiunii DvEB
mult mai mică decât tensiunea termică, vEB << kT/q,
rezultă că putem face aproximaţia.
(3.202)
şi deci:
(3.203)
Dacă
facem notaţia:
(3.204)
se
constată că obţinem o perturbaţie a concentraţiei
golurilor minoritare la x=0 proporţională cu perturbaţia
tensiunii DvEB respectiv:
(3.205)
Fig. 3-46
Această modificare a concentraţiei de purtători minoritari injectaţi în baza neutră (x = 0) are următoarele efecte:
-
creşte
panta distribuţiei, ceea ce are ca efect creşterea
intensităţii curentului de colector cu
DiBQ = qm . DvEB (3.206)
Aceasta se exprimă în circuitul echivalent printr-un generator de curent.
- creşte sarcina purtătorilor minoritari stocaţi în baza qB cu o cantitate proporţională cu aria haşurată in figura 3-46, DqB, adică:
DqB = CdE . DVEB (3.207)
unde CdE este capacitatea de difuzie a
emitorului şi este asociată încărcării bazei prin proces de
difuzie determinat de purtătorii majoritari ce părăsesc
emitorul. Curentul de bază la care se încarcă capacitorul CdE este:
(3.208)
-
creşte curentul de
bază iB cu
o cantitate DiBR,
acestui fenomen corespunzând în
circuitul echivalent o conductanţă gp:
(3.209)
Circuitul echivalent poate fi
ilustrat astfel în figura 3-47.
Fig. 3-47
Parametrii
gm, CdE, gp pot fi determinaţi pe baza distribuţiei
triunghiulare a concentraţiei purtătorilor minoritari în exces în
baza neutră. Am găsit pentru intensitatea curentului de colector
expresia:
(3.210)
O perturbaţie Dp'n(0) a concentraţiei are ca efect o perturbaţie DIC a curentului de colector:
(3.211)
Dacă notăm:
(3.212)
expresia reprezentând componenta continuă a curentului de colector, obţinem:
(3.213)
Rezultă pentru transconductanţă, referită şi panta tranzistorului, expresia:
[mA / V] (3.214)
S-a adoptat pentru tensiunea termică valoarea VT = 25 mV.
Pentru a găsi expresia capacităţii de difuzie a joncţiunii emitorului, CdE, observăm că putem scrie:
DqB
= CdE . DVEB (3.215)
sau
ţinând cont că aria haşurată din figura 3-46 poate fi
scrisă:
(3.216)
Să notăm:
(3.217)
Obţinem:
(3.218)
Printr-un raţionament similar obţinem pentru conductanţa gp expresia:
(3.219)
Pe baza circuitului echivalent dedus
mai sus, putem scrie ecuaţiile de
semnal mic care descriu funcţionarea tranzistorului bipolar:
iC =gm . vEB (3.220)
iB = iBR + iBQ (3.221)
iB =gp . vEB + CdE . d ( vEB )
/ dt
3.21.2. COMPLETAREA CIRCUITULUI ECHIVALENT DE SEMNAL MIC
Această completare poate fi făcută ţinând seama de capacităţile de barieră ale celor două joncţiuni:
- CbE - capacitatea de barieră a emitorului;
- CbC - capacitatea de
barieră a colectorului şi circuitul echivalent devine:
Fig. 3.48
Fig. 3.49
Se observă că în figura 3-48 a fost figurat cu liniile întreruptă rezistorul rbb', care reprezintă rezistenţa distribuită a bazei.
Să reprezentăm structura unui tranzistor planar epitaxial discret npn (vezi Fig. 3-49).
Tensiunile aplicate din exterior, pe joncţiuni, nu cad în întregime pe regiunile de sarcină spaţială, ci avem o cădere de tensiune datorată curgerii transversale a curentului de bază.
Această comportare poate fi asimilată unei rezistenţe distribuite pe toată lungimea activă a bazei. Căderea de tensiune dată de iB pe această rezistenţă face ca polarizarea directă a joncţiunii emitorului să fie mai puternică la marginea dinspre bază a emitorului, ceea ce duce la o concentrare a curentului la marginea emitorului.
Acest fenomen de concentrare a
curentului la marginea emitorului nu poate fi introdus într-un model
unidimensional (după axa
x), iar efectul căderii de tensiune se modelează printr-o
rezistenţă rbb', conectată între borna B şi un
punct B', numit bază internă.
3.21.3. COMPLETAREA CIRCUITULUI ECHIVALENT ŢINÂND CONT
DE EFECTUL EARLY
Efectul Early este cunoscut şi
sub numele de efectul modulării grosimii bazei. Să considerăm un
tranzistor pnp, polarizat în regiunea activă normală şi să
luăm în considerare dependenţa grosimii bazei cu tensiunea de
polarizare a joncţiunii colectorului (W = f(vCB)). Dependenta W
= f(vEB) este redusă deoarece tensiunea de polarizare a
joncţiunii emitorului este aproximativ constantă.
O variaţie DvCB a tensiunii de polarizare vCB
conduce la o variaţie a grosimii bazei W cu DW.
Fig. 3-50
Putem să considerăm în
locul variaţiei reale a grosimii bazei W cu tensiunea vCB,
că grosimea bazei rămâne constantă (W = ct) şi se
modifică doar concentraţia purtătorilor minoritari în exces în
baza p'n(W) cu Dp'n(W).
Eroarea care se face este egală cu aria haşurată. Din
asemănarea de triunghiuri putem scrie:
(3.222)
Pentru
variaţii mici ale tensiunii de polarizare vCB putem să
diferenţiem, adică putem aproxima variaţia W = f(vBC)
prin tangenta, adică
(3.223)
şi
deci putem scrie:
(3.224)
Dacă
notăm:
(3.225)
relaţia
devine:
(3.226)
unde
h este factorul de modulare a grosimii bazei. Se
observă că efectul variaţiei tensiunii de colector DvCB asupra distribuţiei
purtătorilor minoritari în bază este similar cu cel produs de
tensiunea de polarizare a joncţiunii emitorului vCB, însă
efectul este mult mai redus deoarece:
h
= 10-5 -:- 10-3
În condiţiile de semnal mic,
efectele perturbaţiilor de tensiune DvEB şi DvCB se combină liniar:
(3.227)
(3.228)
În relaţia (3.227) termenul 2 din membrul drept apare cu semnul "-" deoarece panta distribuţiei purtătorilor minoritari în exces în bază scade.
Pe baza ecuaţiilor de mai sus rezultă următorul circuit echivalent:
Fig. 3-51
iar circuitul echivalent complet este:
Fig. 3-52
S-a trecut de la variaţiile instantanee DvEB, la regim sinusoidal, când putem lucra cu amplitudini sinusoidale, care sunt mărimi complexe, prezentând deci amplitudine şi fază, şi care sunt reprezentate sub formă fazorială.
Cu notaţiile:
gp = gb’c
= 1 / rb’c = 1 / rp
Cp = Cb’e
= CdE + CbE ~ CdE
Cm = Cb’c
= Cbc + h . CdE ~ Cbc
Gb’c = gm = 1 / rm = 1 / rb’c = h . gp
G0 = gce
= 1 / r0 = 1 / rce = h . gm
rbb’ = rx
circuitul
echivalent valabil atât pentru tranzistoare npn cât şi pnp devine:
Fig. 3-53
3.22. CARACTERISTICA DE FRECVENŢĂ A FACTORULUI DE
AMPLIFICARE ÎN CURENT bF
În
paragraful următor se va urmări modul în care funcţionarea tranzistorului
depinde de frecvenţă. Pentru aceasta se va determina expresia
amplificării în curent în conexiunea emitor comun (EC) folosind circuitul
echivalent propus de Giacoletto.
Fig. 3-54
În deducerea expresiei
amplificării în curent se va porni de la relaţiile (3.165) şi
(3.139) pe care le vom aplica figurii 3.54. Va rezulta astfel:
hfe = Ic / Ib |Vce = 0 = bF (3.229)
Considerând
ieşirea în scurt (Vce = 0) vor rezulta relaţiile:
(3.230)
(3.231)
Fiind ]n condiţiile de funcţionare la semnal mic avem:
|V| << VT / 2 (3.232)
şi deci se poate exprima:
Ic ~ gm . V (3.233)
(3.234)
Notând
(3.235)
(3.236)
deci pulsaţia caracteristică a răspunsului lui bF este:
(3.237)
respectiv frecvenţa caracteristică:
(3.238)
Modulul amplificării în curent la frecvenţă egală cu frecvenţa caracteristică (limită) devine:
(3.239)
Reprezentând grafic dependenţa (3.239) sau raportul |bF / b0| în decibeli; adică |bF / b0|dB = 20 log |bF / b0| obţinem următoerea diagramă:
Fig. 3-55
Decibel = unitate logaritmică
de măsură pentru amplificarea sau atenuarea de putere, de tensiune sau
de curent într-un proces de transformare sau de transmisie de energie.
Amplificarea sau atenuarea de putere N în decibeli se exprimă prin
relaţia:
N [dB] =
10 log P2 / P1
N [dB] =
20 log V2 / V1
Alături
de frecvenţa limită fb se mai poate defini frecvenţa de tăiere,
notată fT, este frecvenţa la care modulul
amplificării în curent | b
| devine unitar:
(3.240)
Pentru a
deduce o relaţie de legătură între frecvenţa liniară fb şi frecvenţa de tăiere (unitate) fT
vom observa că, pentru frecvenţe mult mai mari ca cea modulul
amplificării în curent devine:
|bF| = |
b0 / j . f / fb | (3.241)
Deci,
la f = fT vom avea:
| b0 / fT
/ fb | = 1
(3.242)
Rezultă:
fT
= b0 . fb
(3.243)
sau
wT = b0 . wb
(3.244)
Pentru
reprezentarea la scară logaritmică, frecvenţa de tăiere
reprezintă frecvenţa la care modulul amplificării în curent este
nul:
| b |dB = 20 log | b | = 0 dacă f = fT
(3.245)
Deci:
(3.246)
Deoarece,
în cataloage, se dă valoarea pentru Cm se poate deduce o relaţie i calcul pentru Cp:
(3.247)
3.23. CARACTERISTICA DINAMICĂ
Prin definiţie caracteristica dinamică este locul geometric al punctelor instantanee de funcţionare [ ic(t), vCE(t) ].
Această
caracteristică corespunde unui circuit şi nu dispozitivului
semiconductor activ. Ţinând seama de teorema superpoziţiei, pot fi scrise
ecuaţiile:
iC(t)
= IC + ic(t)
(3.248)
vCE(t)
= VCE + vce(t)
(3.249)
Separând
componenta continuă de cea alternativă şi apelând la teorema a
II Kirchhoff pentru circuitul colectorului, atât în c.c. cât şi în c.a.,
obţinem:
EC
= RCIC + VCE +REIE ~ VCE
+ (RC + RE) IC (3.250)
0 = vce(t)
+ ic(t) . R’L
(3.251)
Relaţia
(3.250) reprezintă ecuaţia dreptei de sarcină statică, iar
din relaţia (3.251) obţinem:
vce(t)
= - ic(t) . R’L
(3.252)
este ecuaţia dreptei de sarcină dinamică.
Dacă caracteristicile în jurul punctului static de funcţionare sunt liniare, atunci valoarea medie a mărimilor electrice ic(t) şi vCE(t), fără a depăşi limitele regiunilor liniare considerate, nu depinde de amplitudinea semnalului, fiind aceeaşi ca la semnal aplicat nul. Deci în regim variabil punctul mediu de funcţionare coincide cu punctul static de funcţionare.
În
această situaţie putem reprezenta locui geometric al punctelor
instantanee de funcţionare în planul ic(t) - vce(t),
plan definit de sistemul rectangular ic(t) – vCE(t)
prin translatarea noului sistem de coordonare în punctul
static de funcţionare.
Fig. 3-56
Caracteristica dinamică este un segment al dreptei de sarcină dinamică, segment al cărui lungime depinde de amplitudinea semnalului.
Pentru a
nu înregistra limitări ale semnalului este necesar ca amplitudinea să
fie astfel aleasă încât caracteristica dinamică să nu
pătrundă în zona de saturaţie sau în zona de blocare.
Fig. 3-57
În vederea evitării
pătrunderii în zona de saturaţie figura 3-57 se poate scrie:
V0max
= Vcemax = VCE – VCEsat (3.253)
putându-se lua acoperitor, vCEsat = 0.5V.
Pentru a
nu se pătrunde în zona de blocare, definită aproximativ de ic
= 0, punem condiţia:
V0max
= Vcemax = RL’ IC
(3.254)
Dintre cele două limitări date prin ecuaţiile (3.253) şi (3.254), valoarea adoptată pentru V0max este dictată de cea mai restrictivă dintre cele două condiţii.
Amplasarea caracteristicii dinamice este importantă pentru reducerea distorsiunilor. În acest sens esenţială este evitarea distorsiunii grosiere a semnalului prin pătrunderea în regiunile de tăiere şi saturaţie. Se pune problema limitelor între care poate varia curentul de colector.
Pentru evaluarea curentului minim de colector, caracteristicile tranzistorului trebuie să corespundă temperaturii minime de lucru.
Caracteristica
dinamică este limitată inferior de axa orizontală de
tăiere. Se alege curentul de colector astfel încât să avem îndeplinită
condiţia:
IC
> ICmin = V0max / RC
(3.255)
unde V0max este amplitudinea maximă impusă.
Utilizând
caracteristicile corespunzătoare la temperatura maximă de lucru se
determină curentul maxim de colector, luând limita pentru evitarea
saturaţiei VCE = 0,5V, cu relaţia
IC
< ICmax = [ EC – (V0max + 0,5) ] / (RC
+ RE) (3.256)
Fig. 3-58
3.24. TRANZISTORUL BIPOLAR ÎN REGIM DE COMUTAŢIE
Funcţionarea în regim de comutator a unui dispozitiv electronic, presupune trecerea bruscă din starea de blocare în starea de conducţie (comutaţia directă) şi din starea de conducţie în starea de blocare (comutaţia inversă).
Fig. 3-59
Tranzistorul este blocat când ambele joncţiuni sunt polarizate invers, curentul de colector având în acest caz o valoare foarte mică (ICB0).
În conexiunea EC, tranzistoarele cu Ge nu pot fi blocate prin anularea curentului de bază deoarece ICE0 = ( b + 1). ICB0 este mare (punctul A'). Din această cauză, în starea blocată la tranzistoarele cu Ge se aplică o tensiune de polarizare inversă pe joncţiunea emitoare, punctul reprezentativ al stării blocate fiind A. La tranzistoarele cu Si, punctele A şi A' coincid şi se situează practic pe axa vCE, încât blocarea tranzistorului se poate face numai prin întreruperea curentului de bază.
Starea de conducţie a tranzistorului se alege de regulă în regiunea de saturaţie sau la limita dintre regiunea activă şi de saturaţie (punctul B). La intrarea în saturaţie, tensiunea VCE are valori cuprinse în intervalul (0 -:- 0,5) V, care pot fi considerate neglijabile în raport cu tensiunea de alimentare Ec.
În consecinţă, valoarea
curentului de colector la saturaţie este:
ICS
= ( EC – VCEsat ) / RC ~ EC / RC
(3.257)
La limita dintre regiunea
activă normală şi regiunea de saturaţie, acestui curent de
colector îi corespunde curentul de bază de saturaţie:
IBS
= ICS / bF ~
EC / bFRC (3.258)
Oricât de mult se măreşte
în continuare curentul de bază peste valoarea curentul de colector
rămâne la valoarea lCS. Din această cauză,
în regiunea de saturaţie:
| IC
| < bF |
IB |
(3.259)
Fig. 3-60
Până în momentul t0 presupunem că tranzistorul era blocat (IB ~ 0, lC ~ 0). În acest moment, tensiunea la intrare îşi schimbă prin salt valoarea, de la E2 > 0 la E1 <0.
Curentul de bază variază şi el aproape prin salt, de la zero la IB1 = E1 / RB - Curentul de colector nu începe să crească însă imediat. Este necesar un anumit timp pentru ca purtătorii injectaţi de emitor în bază să ajungă la colector.
Intervalul de timp scurs de la aplicarea comenzii de comutaţie până la momentul când curentul de colector începe să crească defineşte timpul de întârziere -ti.
După ce tranzistorul intră în regiunea activă, (t1), curentul de colector nu creşte brusc la valoarea lCS. Se defineşte timpul de creştere sau ridicare (tr) ca intervalul de timp în care valoarea curentului de colector creşte de la zero la 0,9 din valoarea finală.
Timpul de
comutaţie directă (tcd) se defineşte ca intervalul de
timp scurs de la aplicarea comenzii de comutaţie până ia momentul în
care curentul de colector ajunge la 0,9 din valoarea finală:
tcd
= ti + tr
(3.260)
Mai departe, tranzistorul rămâne în starea de conducţie, cât timp tensiunea la intrare se menţine constantă.
Presupunem că la momentul t3, tensiunea la intrare variază brusc la valoarea E2, care polarizează invers joncţiunea emitorului. Curentul de bază îşi schimbă brusc semnul, luând valoarea IB2 = E2 / RB. Curentul de colector nu tinde imediat la zero. Acest fenomen se explică prin aceea că la saturaţie se acumulează în regiunea bazei un surplus de sarcină electrică. La comutaţia inversă, curentul de colector rămâne constant până se evacuează acest plus de sarcină stocată în regiunea bazei.
Intervalul de timp ts scurs de la aplicarea comenzii de comutaţie inversă până în momentul (t4) când curentul de colector începe să scadă este numit timp de stocare.
După ce tranzistorul iese din saturaţie, punctul reprezentativ se deplasează pe dreapta de sarcină spre starea de blocare (de la B la A). Se defineşte timpul de cădere tc intervalul în care IC scade de la lCS la 0,1 ICS.
Timpul de
comutaţie inversă (tci) este intervalul scurs de la
aplicarea comenzii de comutaţie inversă până la momentul în care
curentul de colector scade la 0,1 din valoarea iniţială.
tci
= ts + tc (3.261)
Aceşti timpi sunt cu atât mai
mici, cu cât frecvenţa limită a tranzistorului este mai mare.