Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar

Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar

Caracteristicile statice exprima grafic relatia care exista íntre curentii unui tranzistor bipolar si tensiunile aplicate la bornele acestuia, ín regim static. Aceste caracteristici pot fi calculate din ecuatiile Ebers-Moll sau ridicate experimental. Pentru tranzistoare de mica putere, caracteristicile obtinute prin calcul sunt foarte apropiate de caracteristicile experimentale.

Cuadripolul echivalent al tranzistorului bipolar ín regim static permite definirea a trei familii de caracteristici statice: de intrare, de iesire si de transfer. Alegerea unei marimi ca variabila independenta sau dependenta este determinata de considerente practice si difera de la o conexiune la alta.

Frecvent, ín foile de catalog, sunt prezentate familiile de caracteristici statice ale tranzistorului bipolar, pentru conexiunea EC. Ín cele ce urmeaza, vor fi prezentate caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar de tip NPN, de mica putere (), la temperatura constanta (), mai íntäi pentru conexiunea EC si, dupa aceea, pentru conexiunea BC. Pentru un tranzistor bipolar complementar, adica un tranzistor bipolar de tip PNP, cu caracteristici electrice identice, aceste familii de caracteristici ramän valabile, cu conditia schimbarii semnului tensiunilor. Exista conventia de reprezentare a caracteristicilor statice ín primul cadran al planului, indiferent de semnul curentilor si al tensiunilor.

1. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar ín conexiunea EC

Marimile de intrare ale tranzistorului bipolar ín conexiunea EC sunt curentul de baza si tensiunea baza-emitor. Pentru aceeasi conexiune, curentul de colector si tensiunea colector-emitor sunt marimi de iesire ale tranzistorului (fig. 2a).

Familia caracteristicilor statice de intrare exprima grafic dependenta dintre cele doua marimi de intrare ale tranzistorului bipolar ín conexiune EC, si , avänd ca parametru o marime de iesire (

(1)

Valorile tensiunilor si corespund regimului activ normal al tranzistorului bipolar. Expresia matematica a acestei familii,

(2)

se obtine din ecuatia Ebers-Moll (9), ín care se introduce ecuatia (2). Reprezentarea grafica a functiilor (2) este data ín fig. 2b. Datorita faptului ca, pentru tensiuni mici, are valori foarte mici si negative, adeseori, se deseneaza aceasta familie consideränd curentii nuli päna la valorile tensiunii la care curentii de baza devin pozitivi (fig. 2c). Caracteristicile statice de intrare sunt foarte apropiate unele de altele, ceea ce arata o slaba influenta a tensiunii colector-emitor asupra curentului de baza.

Fig.   a. TB ín conexiunea emitor comun (EC); b. si c. familia caracteristicilor statice de intrare

Familia caracteristicilor statice de iesire exprima grafic dependenta dintre cele doua marimi de iesire ale tranzistorului bipolar ín conexiune EC ( si ), avänd ca parametru o marime de intrare ( sau

(3)

sau

(4)

Ín planul familiei caracteristicilor statice de iesire, avänd ca parametru curentul de baza (fig. 3a), pot fi separate trei regiuni, care corespund la trei regimuri de functionare ale tranzistorului: regimul activ normal, regimul de saturatie si regimul de blocare. Regiunile

respective poarta acelasi nume ca si regimurile pe care le reprezinta: regiunea activa normala (RAN), regiunea de saturatie (RS) si regiunea de blocare (RB).

Fig. Familia caracteristicilor statice de iesire ale TB ín conexiunea EC: a. curentul ca parametru; b. tensiunea ca parametru

Regiunea activa normala este separata de regiunea de blocare, prin caracteristica de , iar de regiunea de saturatie, prin curba ce contine toate punctele de functionare, care índeplinesc conditia impusa la saturatie incipienta: . Un tranzistor cu p.s.f. fixat ín aceasta regiune este caracterizat prin relatia liniara dintre curentul de baza (curent de intrare sau de comanda, pentru conexiunea EC) si curentul de colector (curent de iesire sau comandat, ín aceeasi conexiune),

(5)

Ecuatia (5) justifica denumirea de factor static de amplificare ín curent, al tranzistorului bipolar ín conexiunea EC, care se foloseste pentru parametrul static

Ín regiunea activa normala, caracteristicile arata o crestere a curentului de colector,  odata cu cresterea tensiunii colector-emitor. Pentru tensiuni nu prea mari, caracteristicile de iesire din regiunea activa normala sunt segmente de dreapta, usor ínclinate, ceea ce arata ca, ín regim activ normal, efectul tensiunii asupra curentului de colector nu este neglijabil si rezistenta de iesire a tranzistorului bipolar, ín conexiune EC, are o valoare moderata, ín comparatie cu valoarea corespunzatoare conexiunii BC.

Reprezentarea grafica a familiei caracteristicilor statice de iesire, avänd ca parametru tensiunea (fig. 3b), permite aprecierea cantitativa a influentei tensiunii asupra curentului de colector, ín regim activ normal. Cresterea curentului , odata cu cresterea tensiunii , se datoreaza efectului de modulare a largimii bazei, prin tensiunea , denumit efect Early. Pe masura ce tensiunea creste ( creste, de asemenea), curentul creste. O crestere a tensiunii , care polarizeaza invers jonctiunea baza-colector, conduce la scaderea grosimii efective a bazei, avänd drept consecinta cresterea curentului de emitor, íntrucät numarul de purtatori recombinati ín regiunea bazei este mai mic, iar gradientul concentratiei de electroni creste ín aceste conditii.

Expresia matematica a acestei familii este data de ecuatia (7). Din aceasta ecuatie, curentul de colector al tranzistorului bipolar ín regim activ normal, pentru (pe frontiera dintre regimul activ normal si regimul de saturatie), poate fi scris ca

(6)

unde este un curent rezidual echivalent de colector al tranzistorului. Evident, curentul depinde de datele tehnologice ale tranzistorului bipolar si de temperatura. Extrapoländ portiunile de caracteristici statice ale regiunii active normale, ínapoi si catre axa absciselor, rezulta ca familia apartine unui fascicul de drepte concurente, ín punctul de abscisa . Tensiunea , denumita tensiune Early, este un parametru constructiv al tranzistorului bipolar, cu valori cuprinse íntre 50V si 100V. Din fig. 3b si din relatia (6), consideränd punctele de functionare 1 si 2, poate fi exprimata dependenta curentului de colector de tensiunea colector-emitor, sub forma

(7)

Modelul matematic, dat prin relatia (7), este folosit frecvent, pentru studiul comportarii tranzistorului bipolar in regim activ normal. Íntotdeauna este indeplinita conditia . Atunci cänd si , se obtine forma simplificata a modelului,

(8)

Din ultima forma, se observa ca, la tensiuni colector-emitor mici (), efectul Early poate fi neglijat si modelul matematic se reduce la forma (6).

Curentul de colector si parametrul static nu sunt marimi independente. Parametrul static poate fi considerat constant numai ín zona curentilor de colector de valori moderate. La curenti mici, dar si la curenti mari, valoarea parametrului scade (fig. 4).

Fig. 4. Dependenta parametrului de curentul de colector

Ín majoritatea aplicatiilor de amplificare a semnalelor, punctul de functionare al tranzistorului bipolar nu paraseste regiunea activa normala. Un tranzistor bipolar, care are punctul de functionare ín aceasta regiune, se comporta ca o sursa de curent, comandata prin curentul de intrare (fig. 5). La functionare in regim activ normal, puterea disipata pe cele doua jonctiuni,

(9)

poate atinge valori mari.

Fig. 5. Modelul cu circuit echivalent al TB ín conexiune EC, pentru RAN

Ín mod frecvent, íntr-un regim de comutatie, starea stabila de conductie corespunde unui punct de functionare al tranzistorului bipolar din regiunea de saturatie, iar starii stabile de blocare i se asociaza un punct de functionare din regiunea de blocare. Íntr-un regim repetitiv de comutatie, punctul de functionare al tranzistorului trece din regiunea de blocare ín regiunea de saturatie si invers, traversänd regiunea activa normala. Un tranzistor bipolar blocat este caracterizat prin curenti neglijabili (relatiile 23, 24 si 25). Din considerente practice, se considera ca un tranzistor bipolar blocat este caracterizat prin curentii: . Aceasta conduce la deplasarea granitei dintre regiunea activa normala si regiunea de blocare, pe caracteristica de iesire corespunzatoare curentului nul de baza ( Tensiunea , care polarizeaza invers jonctiunea de comanda a tranzistorului bipolar, este limitata la cel mult 5-8V. Ín schimb, tensiunea , aplicata celeilalte jonctiuni a tranzistorului, poate atinge valori considerabil mai mari (, pentru tranzistoare bipolare de joasa tensiune). Colectorul unui tranzistor bipolar blocat este un nod de mare impedanta, íntrucät rezistenta are o valoare foarte mare (). Puterea disipata pe cele doua jonctiuni ale tranzistorului bipolar blocat este neglijabila ín comparatie cu puterea disipata ín regim activ normal.

Ín regiunea de saturatie, curentul de colector scade abrupt, odata cu scaderea tensiunii . Panta caracteristicilor statice este determinata de rezistenta foarte redusa a tranzistorului, íntre colector si emitor. Pentru tranzistoare de comutatie, rezistenta (notata si sau ) reprezinta o caracteristica electrica a tranzistorului bipolar saturat, fiind mentionata ín catalog (). Liniarizarea caracteristicilor statice de iesire din regiunea de saturatie conduce la modelul cu circuit echivalent al tranzistorului saturat din fig. 6. Pe acest model, puterea disipata pe circuitul de iesire al tranzistorului bipolar saturat este

(10)

iar pe circuitul de intrare,

(11)

Fig. 6. Modelul cu circuit echivalent al TB saturat, ín conexiune EC

Familia caracteristicilor statice de transfer exprima grafic dependenta dintre curentul de iesire si tensiunea de intrare ale tranzistorului bipolar ín conexiune EC, consideränd ca parametru al familiei cealalta marime de iesire:

(12)

Valorile marimilor electrice din (12) corespund regimului activ normal al tranzistorului bipolar. Aceasta familie de caracteristici se obtine din ecuatia (7), sub forma

(13)

Reprezentarea grafica este data ín fig. 7.

Adeseori, foile de catalog contin o singura caracteristica statica de transfer, pe care sunt delimitate trei regiuni ce corespund celor trei regimuri de functionare ale tranzistorului bipolar, ce prezinta interes practic, prin: tensiunea baza-emitor de prag pentru conductie () si tensiunea de saturatie incipienta. Pentru valori ale tensiunii baza-emitor cuprinse íntre si , tranzistorul bipolar este ín regim activ normal. Tensiunea este tensiunea baza-emitor pentru care curentul de colector atinge valoarea . Curentul de colector la saturatie incipienta poate fi notat fie , fie simplu , íntrucät corespunde unui punct de functionare plasat pe frontiera dintre regiunea activa normala si regiunea de saturatie (fig. 8).

Fig. 7. Familia caracteristicilor statice de transfer ale TB ín conexiunea EC

Fig. 8. Evidentierea regiunilor RB, RAN si RS, pe caracteristica statica de transfer

Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar ín conexiunea BC

Ín conexiunea BC, marimile de intrare ale tranzistorului bipolar sunt curentul de baza si tensiunea emitor-baza. Curentul de colector si tensiunea colector-baza sunt marimi de iesire (fig. 2a).

Familia caracteristicilor statice de intrare exprima grafic dependenta dintre cele doua marimi de intrare ale TB ín conexiune BC ( si ), avänd ca parametru o marime de iesire (

(14)

Tensiunile si iau valori ce corespund functionarii tranzistorului bipolar in regim activ normal. Expresia matematica a acestei familii,

se obtine direct din ecuatia Ebers-Moll (8). Reprezentarea grafica este data ín fig. 9.

Fig. 9. Familia caracteristicilor statice de intrare ale TB ín conexiunea BC

Alura unei caracteristici de intrare, pentru o tensiune data, este asemanatoare aceleia a caracteristicii statice a unei diode. Caracteristicile statice de intrare, care nu mai sunt foarte apropiate unele de altele, evidentiaza faptul ca efectul Early este mai pregnant ín conexiunea BC decät ín conexiunea EC. Se observa ca, pe masura ce tensiunea creste, curentul creste.

Familia caracteristicilor statice de iesire exprima grafic dependenta dintre cele doua marimi de iesire ale tranzistorului bipolar ín conexiune BC ( si ), avänd ca parametru o marime de intrare ( sau

(16)

sau

(17)

Reprezentarea grafica a familiei (16) este data ín fig. 10. Ín acest plan, pot fi separate trei regiuni, care corespund la trei regimuri de functionare ale tranzistorului: regiunea activa normala (RAN), regiunea de saturatie (RS) si regiunea de blocare (RB).

Fig. 10. Familia caracteristicilor statice de iesire ale TB ín conexiunea BC, cu ca parametru

Regiunea activa normala, plasata ín primul cadran, este separata de regiunea de blocare prin caracteristica de , iar de regiunea de saturatie, prin axa ordonatelor, íntrucät frontiera dintre regimul activ normal si regimul de saturatie este descrisa de ecuatia . Daca p.s.f. al tranzistorului bipolar este fixat ín aceasta regiune, comportarea tranzistorului va fi caracterizata prin relatia liniara dintre curentul de emitor (curent de intrare sau de comanda pentru conexiunea BC) si curentul de colector (curent de iesire, ín aceeasi conexiune),

(18)

Ecuatia (18) justifica denumirea de factor static de amplificare ín curent, al tranzistorului bipolar ín conexiunea BC, folosita pentru parametrul static . Pentru tensiuni colector-baza moderate, caracteristicile de iesire din regiunea activa normala sunt segmente de dreapta aproape orizontale. Aceasta evidentiaza doua trasaturi ale tranzistorului bipolar conectat cu baza comuna si ín regim activ normal: tensiunea colector-baza are un slab efect asupra curentului de colector si rezistenta de iesire (colector-baza) este foarte mare. Daca punctul de functionare se stabileste ín aceasta regiune, tranzistorul bipolar se comporta ca o veritabila sursa de curent, comandata prin curentul de intrare. Puterea disipata pe cele doua jonctiuni, exprimata prin relatia (6), are valori mai mari decät ín celelalte doua regimuri ale tranzistorului bipolar (de blocare si de saturatie).

Regiunea de blocare sau de taiere a curentilor contine toate punctele de functionare ale tranzistorului bipolar cu jonctiunile polarizate invers. Aceasta regiune este delimitata superior si la stänga, de caracteristica , care corespunde unui curent de colector . Cum are valori neglijabile, aceasta caracteristica apare suprapusa peste axa tensiunilor. Indiferent de conexiune, starea de blocare a tranzistorului bipolar este caracterizata de curenti neglijabili, ín timp ce tensiunea colector-baza poate avea valori mari. Consideratiile referitoare la rezistenta íntre colector si baza a tranzistorului saturat sau blocat, ca si acelea ce privesc puterea disipata pe tranzistor ín cele doua stari, prezentate la conexiunea EC, ramän valabile si pentru conexiunea BC.

Familia caracteristicilor statice de transfer, care prezinta interes practic pentru tranzistorul bipolar ín conexiune BC si ín regim activ normal, este

(19)

Familia de caracteristici (19), exprimata prin ecuatia (7), este data ín fig. 11.

Dependenta exponentiala a curentului de colector de tensiunea baza-emitor permite utilizarea modelului matematic simplificat (6). Pentru valori diferite ale tensiunii colector-baza, caracteristicile statice de transfer sunt distantate, ceea ce arata ca efectul Early este mai pronuntat ín conexiunea BC decät ín conexiunea EC.

Fig. 11. Familia caracteristicilor statice de transfer ale TB ín conexiunea BC

Valorile parametrilor statici si caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare prezinta o dispersie mare.