8.7. Schematy zastepcze tranzystora Schematy zastepcze tranzystora wykorzystujemy wtedy, kiedy chcemy przeprowadzic analize pracy danego ukladu elektronicznego. Ponizej omówimy trzy podstawowe schematy zastepcze tranzystora: 1. Typu D. 2. Hybrydowy. 3. Ebersa-Molla. Schemat zastepczy typu II tranzystora jest stosowany przy okreslaniu punktu pracy i parametrów roboczych (rezystancja wejsciowa i wyjsciowa, wzmocnienie) ukladów elektronicznych. Schemat hybrydowy sluzy równiez do okreslania parametrów ukladów elektronicznych. Wartosci parametrów h okresla sie, korzystajac z charakterystyk statycznych tranzystora. Model Ebersa-Molla jest wykorzystywany do analizy pracy ukladów impulsowych i cyfrowych. 8.7.1. Schemat zastepczy typu II Schemat zastepczy, jak równiez odpowiadajacy mu model fizyczny, jest tworzony na podstawie zjawisk zachodzacych wewnatrz tranzystora. Przeanalizujmy go na przykladzie tranzystora pracujacego w ukladzie OE. Kazdy obszar pólprzewodnika ma pewna rezystancje. W schemacie zastepczym uwzgledniamy tylko rezystancje bazy rbb" poniewaz ma ona najwieksza wartosc (ok. 100!1). Uwzglednia sie ja glównie przy duzych czestotliwosciach. Ze zmiana napiecia Ub'e zmienia sie prad bazy i kolektora. W zwiazku z tym mozna okreslic nastepujace parametry ukladu: 100
konduktancje wejsciowa - gb'e = (1- a)ie/ur (1 ms); transkonduktancje -gm = aie/ur, która reprezentuje sterowanie pradu kolektora pradem emitera. --8 --- aj "1 Ib~lrBBI B I 8' rab' fe I g", I ~ebl*ceb' gec Ccbl fe ---- ech' c fe- E Rys. 8.8. Schemat zastepczy typu rr tranzystora dla ukladu OB (a) iukladu OE (b) [11] Nachylenie charakterystyki lc (UCE) jest reprezentowane przez konduktancje wyjsciowa gce (20 l-ls). Natomiast zjawisko Early'ego reprezentuje gcb' (0,5 l-ls). Prócz omówionych parametrów kazde zlacze ma pojemnosc zlaczowa i dyfuzyjna (patrz p. 6.6.1). Calkowita pojemnosc zlacza kolektor-baza (Ccb' = 10 pf) stanowi sprzezenie miedzy obwodem wyjsciowym a wejsciowym. Calkowita pojemnosc zlacza emiter-baza (Ceb, = 200 pf) wplywa na wzmocnienie przy wiekszych czestotliwosciach. Pelny schemat zastepczy tranzystora pracujacego w konfiguracji OE i OB pokazano na rys. 8.8. Zwiazek miedzy konduktancjami wejsciowymi obu konfiguracji jest nastepujacy: gb'e = (1 - a) geb" 101
8.7.2. Schemat zastepczy hybrydowy Jezeli tranzystor potraktujemy jako czwórnik, to mozemy w nastepujacy sposób opisac napiecie na wejsciu i prad wyjsciowy tranzystora pracujacego w konfiguracji OE: UBE = hulb + h12uce, gdzie: lc = h2lb + h22uce, hu = UBEI JB UCE=O impedancja wejsciowa, wspólczynnik przenoszenia wstecznego, wspólczynnik przenoszenia pradowego, aj admitancja - wyjsciowa. - Bhl1e Ib le h21bie b) le JUcb Ubel luce Rys. 8.9. Schemat zastepczy hybrydowy tranzystora dla ukladu OB (a) iukladu OE (b) [1] 18 UCf Rys. 8.10. Sposób wyznaczania parametrów h tranzystora hll = tgall' h12 = tga1b h21 = tg~l' h22 = tg~b Q - punkt pracy 102
Uklad zastepczy tranzystora dla tak okreslonych parametrów jest pokazany na rys. 8.9, a graficzna interpretacja tych parametrów na rys. 8.10. 8.7.3. Schemat zastepczy (model) Ebersa-Molla (stany pracy tranzystora) Schematem zastepczym, który opisuje wszystkie stany pracy tranzystora, jest tzw. model Ebersa-Molla. W tym modelu tranzystor sklada sie z dwu zlaczy: NP i PN polaczonych szeregowo (rys. 8.11a), które oddzialuja wzajemnie na siebie. To oddzialywanie jest reprezentowane przez zródla pradowe anie i aic (rys. 8.11b), a prady plynace przez tranzystor mozna okreslic wzorami: h = aic +IEBdexp(UBEIUT) -1], Ic = anie +IcBdexp(UBcIUT) - 1], w których: al - wspólczynnik wzmocnienia pradowego tranzystora dla pracy inwersyjnej, an - wspólczynnik wzmocnienia pradowego tranzystora dla pracy normalnej. xp~ - 1 B Kl E.!I- o [:li ~ c CI./le (XNIE C a) -rc- b) lc f' -uic80(exp~-1) U) L Rys. 8.11. Schemat zastepczy Ebersa-Molla tranzystora: a) uproszczony model; b) pelny schemat [6] Wspólczynniki te sa powiazane zaleznoscia anhbo = ai CBO' Wzmocnienie tranzystora pracujacego w stanie aktywnym jest duzo wieksze niz w stanie inwersyjnym. N a przyklad: dla tranzystora BC107 /3N = ani(l - an) = 200, a /31= a/(l- al) = 4. Po dokonaniu aproksymacji odcinkowo-liniowej charakterystyki diody (patrz rozdz. 7), otrzymujemy odcinkowo-liniowe modele tranzystora dla róznych stanów pracy. Stosujemy je podczas analizy ukladów impulsowych do obliczania punktu pracy tranzystorów, jak równiez podczas analizy liniowych i nieliniowych ukladów analogowych. W stanie zatkania tranzystora zlacza sa polaryzowane w kierunku zaporowym, co odpowiada rozwarciu miedzy kolektorem i emiterem (rys. 8.12a). W tym stanie przez zlacze kolektor-baza plynie prad zerowy IcBo, a przez zlacze emiter-baza - prad IcEO' Calkowite zatkanie nastepuje zatem przy IB = IcBo' 103
B...::J IUBEP ej d) I Przewodzenie a) b) ubc< oc ~C -'- I UBC=UBCP IUw B~ be Usc B Nasycenie 0----1 = uscp uscp USE UBE=UBEP USE= < USEP UBC < ubcp UBEP ~ tubcp oe Rys. 8.12. Modele tranzystora odpowiadajace jego stanom pracy [9] PN - wspólczynnik wzmocnienia pradowego w kierunku normalnym, Pl - wspólczynnik wzmocnienia pradowego w kierunku inwersyjnym, I B - prad bazy, UCES - napiecie nasycenia tranzystora, UBCP - napiecie przewodzenia zlacza kolektorowego, UBEP - napiecie przewodzenia zlacza emiterowego Stan aktywny tranzystora omówiono wczesniej (patrz p. 8.6.1); odpowiada mu schemat z rys. 8.12b. W stanie nasycenia tranzystora oba zlacza sa polaryzowane w kierunku przewodzenia, a przez tranzystor plynie prad maksymalny, co odpowiada zwarciu miedzy kolektorem a emiterem (rys. 8.12e). Napiecie miedzy kolektorem a emiterem nosi nazwe napiecia nasycenia - UCES i wynosi ok. 0,2 V W stanie inwersyjnym kolektor przejmuje funkcje emitera, a emiter - kolektora (rys. 8.12d); wspólczynnik wzmocnienia pradowego PI < PN'