Министерство высшего и среднего специального образования республики узбекистан ташкентский государственный технический

ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ
Предварительные замечания

Основные параметры транзисторных схем сильно зависят от внешних возмущающих воздействий. К ним относятся изменения напряжения питания, сопротивления нагрузки, температуры и т.п. Эти изменения принято характеризовать понятием – дрейф нуля.

Дрейфом нуля называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе устройства от начального значения. Этот эффект проявляется при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом, то его невозможно отличить от истинного сигнала.
Внешние возмущения, изменяя токи покоя, выводят устройство из заданного режима работы. Это особенно опасно для режима класса А, В и АВ, так как может вывести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличение коэффициента нелинейных искажений. По этой причине вопрос стабилизации режима покоя является одним из главных при создании аналоговых устройств.
Существует три основных метода стабилизации режима покоя рабочей точки транзисторного каскада. Методы термокомпенсации и параметрической стабилизации компенсируют только один из дестабилизирующих факторов. Универсальным методом стабилизации параметров не только одиночного каскада, но и многокаскадного устройства, является метод введения цепей обратной связи.
Обратная связь специально вводится в устройство для улучшения характеристик и параметров.
1.1. Моделирование нестабильности характеристик транзисторов

В бездрейфовом транзисторе потенциальные барьеры p-n переходов имеют форму ступеней [3÷5]. Выражение для тока эмиттера имеет следующий вид

I_Э =I_ЭР + I_Эn + I_{РЕК ,} (1.1)

где I_ЭР=I_0Рexp[(q/kT)( U_БЭ – δτ_БI_Э)];

I_Эn=(I_0n+gU_КБ)exp[(q/kT)( U_БЭ –χ_ЭI_Э)];


I _РЕК= I_0РЕКexp[(q/2kT)( U_БЭ – δτ_БI_Э)].

Уравнение (1.1) определяет ток эмиттера при заданных напряжениях на переходах через значение микропараметров транзисторной структуры. Это весьма важно для технолога транзисторов. Однако для конструктора транзисторных преобразователей это уравнение практически бесполезно. Связано это не только с определенной громоздкостью уравнения (1.1), но, главным образом, с тем, что определяющие это уравнение параметры I_0Р, I_0n, I_РЕК и т.д. нельзя определить по характеристикам транзистора в виду принципиальной невозможности разделения электронной, дырочной и рекомбинационной компонент тока в полном токе эмиттера.

По этой причине возникает настоятельная необходимость определить такую математическую модель бездрейфового транзистора, которая, с одной стороны, отражала бы все наиболее существенные особенности уравнения (1.1) с погрешностью не превышающей погрешность измерений, а с другой стороны, содержала бы только такие параметры, которые легко определяются по характеристикам транзистора.
Первый член в уравнении (1.1) на два – три порядка меньше второго члена. Третий член сопоставим со вторым членом при малых значениях U_БЭ, и становится также на много меньше второго члена при различных значениях U_БЭ. Таким образом, доминирующим членом в (1.1) является второй член. По этой причине в качестве математической модели бездрейфового транзистора выбираем уравнение


I_Э =( I_Э0+ gU_КБ)exp(b_Э U_БЭ – ζ I_Э). (1.2)
Четыре параметра модели, т.е. I_Э0, g, b_Э и ζ должны определяться экпериментально для данного транзистора.
Очевидно, что параметр I_Э0 должен быть близок к средневзвешенному значению параметров I_0n и I_0РЕК, параметр b_Э близок к средневзвешенному значению q/kT и q/2kT, параметр ζ близок к средневзвешенному значению величин χ_Э и δτ_Б, значение параметра b_Э при Т=300К должно лежать между 20 и 40В^-1.
Опыт показывает, что математическая модель бездрейфового транзистора (1.2) полностью соответствует экспериментальным данным в пределах погрешностей измерений. В таблице (1.1÷1.3) дано сопоставление экспериментальных значений U_БЭ со значениями, вычисленными по формуле (1.2), для каждого из значений тока I_Э и напряжения U_КБ. Как видно расхождение расчетных и экспериментальных значений во всех случаях не превышает 1%, что соответствует погрешности эксперимента (табл.1.3)
Таким образом, уравнение (1.2), являясь математической моделью входных характеристик бездрейфового транзистора в схеме с ОБ (рис.1.1), пригодно для аналитического расчета характеристик и параметров любого активного преобразователя, использующего данный тип транзистора в любой его схеме включения.

Таблица 1.1

Результаты измерения U_ЭБ

UКБ (В) IЭ (мА)	0	2	4	5
5	0,200	0,187	0,180	0,172
10	0,228	0,216	0,206	0,200
15	0,245	0,231	0,221	0,215
20	0,259	0,245	0,232	0,228
25	0,270	0,257	0,245	0,241

Параметры нелинейной модели транзистора МП40

b_Э=38,72074 (1/В); χ_Э=0,04981 (1/мА);
I_Э0=0,00222 (мА); g=0,00104 (мСм)

Таблица 1.2

Результаты аппроксимации U_ЭБ

UКБ (В) IЭ (мА)	0	2	4	5
5	0,205	0,188	0,178	0,174
10	0,230	0,213	0,202	0,199
15	0,247	0,229	0,219	0,215
20	0,260	0,243	0,233	0,229
25	0,273	0,256	0,245	0,241

Таблица 1.3

Погрешность аппроксимации U_ЭБ

UКБ (В) IЭ (мА)	0	2	4	5
5	5Е-3	7Е-4	1Е-3	1Е-3
10	2Е-3	2Е-3	3Е-3	9Е-4
15	2Е-3	2Е-3	1Е-3	9Е-4
20	8Е-4	1Е-3	6Е-3	1Е-3
25	2Е-3	1Е-3	8Е-3	1Е-5

В дрейфовых транзисторах потенциальные барьеры принимают форму близкую к треугольной [6÷10]. При достаточно малой ширине базы, с увеличением обратного напряжения на коллекторном переходе ширина эмиттерного барьера может стать сопоставимой с длиной волны Де-Бройля для электронов и тогда, помимо их надбарьерной инжекции из эмиттера в базу, начинается еще туннельная инжекция.

Рис.1.1. Семейство входных характеристик бездрейфового транзистора.

Это еще в большей мере увеличит зависимость тока эмиттера от напряжения коллектор-база. Вместо обычного для бездрейфовых транзисторов линейного возрастания тока эмиттера с ростом напряжения U_КБ при U_БЭ=const, обусловленного эффектом Эрли, здесь явно просматривается экспоненциальная зависимость, свидетельствующая о влиянии напряжения U_КБ на высоту эмиттерного потенциального барьера. Зависимость тока эмиттера дрейфового транзистора от напряжений на электродах представляется уравнением

I_Э = I₀exp[(b_Э+ χU_КБ) U_БЭ + μU_КБ], (1.3)
или