Schemele echivalente ale tranzistorului la frecventa joasa

Schemele echivalente ale tranzistorului la frecventa joasa

Sistemele de parametri diferentiali Z, Y, H se numesc externe deoarece ele se masoara la bornele cuadripolului si marimile acestor parametri depind de schema de conectare a tranzistorului. La analiza functionarii circuitelor o întrebuintare deosebita au obtinut-o parametrii fizici ai tranzistorului, legati de procesele fizice care au loc în tranzistor si care nu depind de schema de conectare. Utilizându-se acesti parametrii, poate fi alcatuita schema echivalenta fizica a tranzistorului la semnale mici. La trecerea de la o schema de conectare la alta marimile numerice ale parametrilor fizici nu se modifica, 313c23d se modifica doar pozitia în schema echivalenta.

1.6.1. Rezistenta diferentiala si capacitatea

jonctiunii emitorului

Rezistenta diferentiala a jonctiunii emitorului se determina ca relatia dintre tensiunea aplicata pe jonctiunea emitorului si curentul emitorului , când în circuitul colectorului este asigurat regim de scurtcircuit dupa curent alternativ.

.

Daca substituim devierile curentilor si tensiunilor cu echivalent diferential, se obtine

; ; .

,

unde: este tensiunea între emitor si baza; - curentul jonctiunii emitorului; - tensiunea între colector si baza.

Curentul jonctiunii emitorului polarizate direct se determina conform relatiei

, (1.39)

unde este curentul de scurgere al jonctiunii emitorului.

În asa mod, pentru rezistenta diferentiala a jonctiunii emitorului, putem scrie:

.

Pentru , si rezistenta diferentiala a jonctiunii emitorului este mica

. (1.40)

De exemplu, pentru si , . Din cauza valorii mici a rezistentei , capacitatea jonctiunii emitorului polarizata direct () la frecventa joasa este suntata de rezistenta si influenta ei asupra functionarii tranzistorului este nesemnificativa. La frecventa joasa, în schema echivalenta fizica marimea poate fi neglijata.

1.6.2. Rezistenta diferentiala si

capacitatea jonctiunii colectorului

Rezistenta diferentiala a jonctiunii colectorului se determina ca relatia între tensiunea aplicata pe jonctiunea emitorului si curentul colectorului , când în circuitul emitorului avem mers în gol dupa curent alternativ

.

Se efectueaza trecerea:

; ; .

, (1.41)

unde: este tensiunea între colector si baza; - curentul colectorului; - curentul jonctiunii emitorului.

Curentul colectorului circula prin jonctiunea colectorului polarizata indirect si depinde slab de tensiunea aplicata la colectorul. Marimea este majora (de obicei ). Rezistenta diferentiala a jonctiunii colectorului este determinata, în general, de efectul de modulare a grosimii bazei si de curentul de scurgere.

Cu modificarea valorii tensiunii aplicate pe colectorul frontiera jonctiuni colectorului se deplaseaza. Jonctiunea de parca s-ar misca în întâmpinarea golurilor la majorarea tensiunii si se retrage la micsorarea ei (fig.1.7). În rezultat, gradientul concentratiei golurilor din baza creste la micsorarea grosimii bazei si descreste la marirea grosimii bazei. Respectiv se modifica viteza miscarii de difuzie a purtatorilor minoritari din baza si numarul de goluri ce recombina în procesul miscarii de difuzie de la emitor spre colector. Aceasta, la rândul sau, conduce la dependenta coeficientului de transfer de difuzie a golurilor si, prin urmare, la dependenta coeficientului de amplificare dupa curent de tensiunea aplicata pe jonctiunea colectorului. Drept rezultat al modificarii valorii (când ), cu schimbarea tensiunii pe colector se modifica si valoarea curentul colectorului . Aceasta conditioneaza majorarea totala a rezistentei diferentiale a colectorului , ce poarta un caracter de difuzie

. (1.42)

Jonctiunea colectorului polarizata indirect poseda capacitatea care este determinata de raportul dintre modificarea valorii sarcinii spatiale în jonctiune si valorii tensiunii colectorului când în circuitul emitorului este asigurat regim mers în gol. De obicei capacitatea colectorului este cu mult mai mica decât capacitatea jonctiunii emitorului polarizata direct . Însa capacitatea sunteaza o rezistenta mai mare (), de aceea cu majorarea frecventei aceasta capacitate are o influenta considerabila asupra functionarii tranzistorului.

1.6.3. Rezistenta de volum a bazei

Materialul semiconductor din regiunea bazei si contactul ohmic al bazei poseda o oarecare rezistenta . Cum arata calculele, valoarea rezistentei bazei poate fi determinata conform relatiei

,

unde: q este sarcina electronului; - mobilitatea purtatorilor majoritari în baza; - concentratia donorilor în baza; - grosimea bazei.

Cu majorarea valorii grosimii bazei si concentratiei impuritatilor rezistenta de volum a bazei se micsoreaza. Majorarea mareste pierderile în circuitul de intrare, ceea ce micsoreaza eficacitatea emitorului. Conform legilor fizice, majorarea trebuie sa micsoreze curentul emitorului pentru tensiune constanta între emitor si baza, deoarece aceasta tensiune este distribuita între jonctiunea emitorului si rezistenta . Pentru majorarea eficacitatii emitorului si micsorarea pierderilor de putere a semnalului de intrare, rezistenta bazei trebuie redusa la minim.

Introducerea rezistentei în circuitul bazei ia în considerare reactia interna în tranzistor si influenta modulatiei grosimii bazei asupra curentului emitorului. Însa aceste consideratii nu ne dau precizia necesara si necesita introducerea rezistentei adaugatoare , numita de difuzie, de aceea circuitul bazei este caracterizat de rezistenta totala:

. (1.43)

1.6.4. Schema echivalenta pentru cuplaj baza comuna

Utilizând parametrii analizati anterior, poate fi construita schema echivalenta în T de conectare a tranzistorului cu baza comuna. Acest circuit echivalent este prezentat în fig.1.19.

În schema echivalenta jonctiunile emitorului si colectorului sunt reprezentate prin rezistentele lor diferentiale si . Efectul de transfer al curentului emitorului în circuitul colectorului pe schema echivalenta este indicat sub forma de generator de curent , unde prezinta coeficientul de transfer al curentului emitorului. Polaritatea relativa a curentului generatorului în schema echivalenta este determinata de sensul pozitiv al curentului emitorului.

Fig.1.19. Schema echivalenta a tranzistorului tip n-p-n

cu generator de curent la conectare BC

În cazul orientarii curentului emitorului de la punctul spre punctul E (ceea ce corespunde curentului emitorului real în tranzistorul bipolar tip n-p-n), directia pozitiva a curentului trebuie orientata spre punctul . Pentru directia inversa a curentului emitorului (tranzistor tip p-n-p) polaritatea generatorului este inversa. Legea descrisa este determinata de procedeele fizice care au loc în tranzistor. De aceea orientarea curentului emitorului conditioneaza directia tuturor curentilor ramasi asa cum este aratat în fig.1.19, unde directiile pozitive ale curentilor si tensiunilor corespund celor reale în tranzistorul bipolar tip n-p-n. În schema echivalenta a tranzistorului tip p-n-p directiile curentilor vor fi inverse (fig.1.20). Trebuie de remarcat ca rezistenta interna a generatorului de curent pentru curentul de iesire tinde spre infinit.

În schema echivalenta, prezentata în fig.1.19, coeficientul de transfer dupa curent este socotit independent de efectul de modulare a grosimii bazei. Prezenta rezistentei în circuitul bazei evidentiaza legatura interna în tranzistorul bipolar si influenta modularii bazei asupra curentului emitorului.

Schema echivalenta fizica a tranzistorului bipolar, prezentata în fig.1.19, contine un generator de curent , un numar minim de elemente si reflecta procesele fizice ce au loc în tranzistorul bipolar real. Ea este utilizata pe larg în calculul ingineresc.

Uneori este mai comod de utilizat schema echivalenta în care în locul generatorului de curent functioneaza generatorul echivalent de tensiune . Aceasta schema este prezentata în fig.1.20, unde este rezistenta ce reflecta proprietatile de amplificare ale tranzistorului.

Fig.1.20. Schema echivalenta a tranzistorului tip p-n-p

cu generator (conectare BC)

Echivalenta regiunilor din schema - C pentru fig.1.19 si fig.1.20, rezulta din egalitatea caderilor de tensiune create de curentul pe rezistenta (fig.1.19) si tensiunea generatorului (fig.1.20)

;. (1.44)

1.6.5. Schema echivalenta pentru conectarea

emitorului comun

Schemele prezentate în fig.1.19 si fig.1.20 ramân valabile

pentru conectarea tranzistorului cu EC, daca bornele de intrare de schimbat cu locul asa, cum este aratat în fig. 1.21.

În astfel de circuit curentul generatorului este comod de înlocuit prin curentul bazei si nu prin curentul emitorului . Pentru aceasta este analizata tensiunea între punctele - C, care este determinata ca suma caderilor de tensiune pe rezistenta din cauza curentilor si

, (1.45)

unde   

. (1.46)

Fig.1.21. Schema echivalenta a tranzistorului tip p-n-p

cu generator (conectare EC)

Din cauza ca , , unde - coeficientul de transfer al curentului bazei la conectarea tranzistorului dupa schema EC, tensiunea între punctele - C poate fi scrisa sub forma

. (1.47)

Introducem notatia

. (1.48)

Daca luam în considerare (1.48), relatia (1.47) capata forma

, (1.49)

unde este impedanta în punctele - C la înlocuirea generatorului de curent cu generatorul .

Cum se observa din relatiile (1.45) si (1.49), directia generatorului de curent trebuie sa coincida cu directia generatorului de curent . Impedanta poseda componente activa si reactiva

.

Luând în considerare relatiile (1.46) si (1.48) pentru schema echivalenta a tranzistorului bipolar cuplat EC, unde între punctele - C este conectat generatorul de curent , putem scrie

; (1.50)

. (1.51)

Fig.1.22. Schema echivalenta a tranzistorului tip n-p-n

cu generator de curent si generator de

tensiune (conectarea EC)

Relatiile (1.49), (1.50), (1.51) permit de a trece de la schema prezentata în fig.1.21 la schema tranzistorului cu generator de curent (fig.1.22). În schema din fig.1.22 directia curentului generatorului este aceeasi ca si în schema cu baza comuna, rezistenta este de zece ori mai mica ca , iar capacitatea tot de atâtea de ori este mai mare ca . Însa constanta de timp a jonctiunii colectorului ramâne aceeasi pentru ambele scheme de conectare.

Uneori în schema echivalenta de conectare a tranzistorului cu emitor comun în locul generatorului de curent se foloseste generatorul de tensiune . În fig. 1.22 este aratata portiunea de schema între punctele - C. Partea ramasa a schemei ramâne neschimbata. Rezistenta generatorului , ce determina proprietatile de amplificare ale tranzistorului, se determina din relatia

.

Cum se observa din analiza schemelor formale de înlocuire a tranzistorului (fig.1.14...fig.1.16) si schema echivalent fizica a tranzistorului tip n-p-n conectat cu emitor comun (fig.1.22) directiile pozitive ale curentilor si tensiunilor coincid cu directiile marimilor de intrare si iesire pentru schemele formale.