Биполярный транзистор с общей базой: Схемы включения биполярных транзисторов — ООО «УК Энерготехсервис»

Содержание

Биполярный транзистор в схеме с общей базой

1 Для любого транзистора, независимо от полярности источника питания, за положи­тельное будем принимать напряжение относительно базы, если оно смещает соответствующий переход в прямом направлении.

Рис. 2. Схемы включения транзистора (полярность токов и напряжений показана для нормального активного режима работы).

В настоящее время большинство биполярных транзисторов изго­тавливаются на основе кремния и имеют структуру n-p-n-типа. Номен­клатура р-n-р-транзисторов значительно меньше. Поэтому далее будем рассматривать кремниевый n-p-n-транзистор, однако, все выводы теории в равной степени справедливы и для кремниевых р-n-р-транзисторов, а также для транзисторов, выполненных на основе других полупроводни­ковых материалов.

Транзистор можно использовать в трех схемах включения, каждая из которых имеет свои особенности (рис.2). Схема с общей базой (ОБ) имеет эмиттерный вход: входной сигнал поступает на вывод эмиттера. Общим электродом для входа и выхода является база. Такое включение транзистора позволяет наиболее наглядно изучать его физические свойства.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) имеет базовый вход: входной сигнал поступает на вывод базы. Общим электродом для входа и выхода является эмиттер. Эта схема находит на практике наибольшее примене­ние. Схема с общим коллектором (ОК) или эмиттерный повторитель (Uвх≈Uвых) используется для согласования каскадов усиления.

Рассмотрим принцип работы транзистора на его упрощенной моде­ли, включенной по схеме с общей базой (рис.3). Предположим, что кон-центрации примесей в эмиттерной и коллекторной областях примерно одинаковы, NDэ=NDк, а концентрация примесей в базовой области значи­тельно ниже, NАб = 0) в цепи обратно включенного кол­лекторного перехода протекает обратный ток как и в изолированном рn-переходе. Он состоит из двух дрейфовых токов ННЗ (токов экстракции):

тока электронов из базы в коллектор, InK, и тока дырок из коллектора в базу IpK. Ток Iкбо – это ток при «оборванном» эмиттере. Он сильно зави-

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 266
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 602
  • БГУ 153
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 962
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 119
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1967
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 300
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 409
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 497
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 130
  • ИжГТУ 143
  • КемГППК 171
  • КемГУ 507
  • КГМТУ 269
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2909
  • КрасГАУ 370
  • КрасГМУ 630
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 139
  • КубГУ 107
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 367
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 330
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 636
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 454
  • НИУ МЭИ 641
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 212
  • НУК им. Макарова 542
  • НВ 777
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1992
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 301
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 119
  • РАНХиГС 186
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 243
  • РГГМУ 118
  • РГПУ им. Герцена 124
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 122
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 130
  • СПбГАСУ 318
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 147
  • СПбГПУ 1598
  • СПбГТИ (ТУ) 292
  • СПбГТУРП 235
  • СПбГУ 582
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 193
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 380
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1655
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1513
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2423
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 324
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 306

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много – это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.

Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. К недостаткам транзисторов следует отнести невысокую радиационную стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла из кремния значительно выше 125 °C и прочее.

Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.

Биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p. А биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.

Рассматриваемые приборы, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называют низкочастотными транзисторами. Приборы, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называют среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называют высокочастотными, а позволяющие работать на ещё большей частоте (выше 300 МГц) называют сверхвысокочастотными.

Если компоненты не могут обеспечить мощность рассеяния, превышающую 0,3 Вт, то такие транзисторы называют маломощными. Приборы, которые имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называют транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеяния которых превышает 3 Вт, называют мощными транзисторами.

4.2. Конструкция некоторых биполярных транзисторов

Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощённой конструкции сплавного биполярного транзистора, приведённой на рис. 4.1.

На рисунке цифрами обозначены: 1 – коллектор; 2 – база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния; 3 – основание компонента; 4, 5 – вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия; 6 – кристаллодержатель; 7 – эмиттер. Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплён и электрически соединён с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером – эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастёт ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.

4.3. Принцип действия биполярных транзисторов

Изучим принцип усиления биполярного транзистора, для чего обратимся к рисунку 4.2, на котором изображено движение носителей заряда в транзисторе p-n-p структуры, включённом по схеме с общей базой. На нём протяжённости областей отражены без соблюдения масштаба и реальных размеров.

На рисунке знаком плюса, обведённого в кружок, показаны дырки, а знаком обведённого в кружок минуса – электроны. В связи с тем, что в работе компонента участвуют и электроны, и дырки, такой транзистор именуют биполярным. Выводы база-эмиттер транзистора будем считать входом каскада, а выводы база-коллектор – его выходом.

Благодаря включению двух источников питания переход база-коллектор закрыт, а переход база-эмиттер открыт. Из-за этого по переходу база-эмиттер будет течь эмиттерный ток, порождённый движением преимущественно электронов. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-эмиттер, по резистору R1, от области эмиттера транзистора к области базы, а затем к отрицательному полюсу этого же источника питания. Резистор R1 символизирует внутреннее сопротивление источника сигнала. Направление протекания тока символически стрелками отражено на рисунке. Эффективность инжекции характеризует коэффициент инжекции. В данном случае он равен отношению тока эмиттера, вызванного движением только основных носителей заряда, к полному току эмиттера, обусловленному миграцией и дырок, и электронов. Область базы обогащается инжектируемыми носителями заряда, которые в области эмиттера были основными, а в области базы стали неосновными. Поле коллекторного перехода является ускоряющим для попавших в область базы носителей зарядов, и это поле их втягивает в коллекторный переход. Происходит их рекомбинация с основными носителями заряда области базы. Однако она незначительна в связи с тем, что толщина области базы много меньше, чем двух других областей, и электроны почти беспрепятственно преодолевают область базы и оказываются в области коллектора, в которой они вновь станут основными носителями заряда. Успевшие рекомбинировать электроны вызывают протекание небольшого тока через вывод базы транзистора, который называют рекомбинационным. Рекомбинация некоторого количества носителей заряда в области базы происходит постоянно до тех пор, пока каскад не будет обесточен, так как электроны будут всё время поступать от положительного полюса источника питания база-эмиттер. Обогащение области коллектора носителями заряда, которые в ней будут основными, приводит к протеканию коллекторного тока транзистора. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-коллектор, по области базы, затем по области коллектора, по нагрузочному резистору R2, к отрицательному полюсу источника питания. Очевидно, что даже незначительное изменение напряжения база-эмиттер вызывает существенно большее изменение напряжения база-коллектор и, отдавая небольшую мощность управляющего сигнала, поданного на базу транзистора, можно управлять многократно большей мощностью нагрузки. Следовательно, рассматриваемый каскад может осуществить усиление сигнала по напряжению. Ток эмиттера транзистора при любом варианте включения последнего равен сумме токов коллектора и базы.

Амплитуду тока коллектора транзистора можно вычислить по формуле:

Iк = Iэ • h21б + Iкбо,

где Iэ – ток эмиттера, А;

h21б или α – дифференциальный коэффициент передачи тока, который поступает в коллектор из эмиттера. Он равен отношению изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при фиксированных значениях температуры, напряжения база-коллектор и прочего: h21б = ΔIк / ΔIэ.

Iкбо – обратный ток коллектора транзистора, А.

Кроме того, ток коллектора транзистора допустимо найти согласно выражению:

Iк = Iб • h21э + Iкэо,

где Iб – ток базы, А;

h21э или β – это дифференциальный коэффициент передачи тока базы, соответствующий включению транзистора по схеме с общем эмиттером. Коэффициент h21э равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы: h21э = ΔIк / ΔIб;

Iкэо – обратный ток коллектора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, А.

Коэффициенты h21э и h21б связаны друг с другом соотношением:

Рассмотренный дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока h21б относят к одному из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера в описанном каскаде близок к единице и h21б обычно составляет от 0,94 до 0,999. Это означает, что усилительный каскад с транзистором, включённым по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Коэффициент усиления сигнала по мощности равен произведению коэффициентов усилений сигнала по току и по напряжению. Следовательно, данный каскад даёт чуть меньшее усиление по мощности, чем по напряжению.

Для усиления сигналов любые транзисторные каскады тратят энергии источников питания, к которым подключены, и при этом всегда теряют часть энергии, и мощности потерь вызывают тепловыделения в компонентах.

4.4. Схемы включения биполярных транзисторов

4.4.1. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. Это показано на рис. 4.3, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

4.4.2. Схема включения транзистора с общим коллектором

К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током – ток эмиттера. Это отражено на рис. 4.5, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т.е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название – эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

4.4.3. Схема включения транзистора с общей базой

В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 4.6.

В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

4.5. Биполярные фототранзисторы

Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток – это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении – ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность – это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.

4.6. Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов

Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току. Основной вклад в снижение усилительных свойств нужно отнести к барьерной ёмкости и отставанию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в области базы. Кроме того, ёмкости между корпусом и выводами транзистора пагубно влияют на усилительные свойства прибора.

Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.

Носители заряда преодолевают область базы и рекомбинируют за небольшой конечный интервал времени, исчисляемый десятками наносекунд. Чем выше будет частота, тем существенней станет запаздывание носителей заряда. На постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а полный ток базы минимален. На высокой частоте между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора возникнет сдвиг фаз, которого не было на постоянном токе. При этом полный ток базы транзистора на высокой частоте много больше полного тока базы на низкой частоте и, тем более, на постоянном токе. Повышение тока базы для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления транзистора по току.

Чтобы повысить граничную частоту усиления транзистора, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, повысить скорость прохождения через неё неосновных носителей зарядов, уменьшить ёмкость корпуса и выводов транзистора и прочее.

4.7. Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов

Чтобы германиевый транзистор не вышел из строя, температура его кристалла должна быть меньше примерно 70 °C, кремниевого транзистора – меньше 125 … 150 °C, а арсенид-галлиевого транзистора – меньше 150 … 200 °C. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристалла, а некоторые специально сконструированные транзисторы выдерживают и более высокую температуру. Так, согласно справочным данным, кремниевый биполярный транзистор КТ921В был разработан для применения в геофизической аппаратуре при температуре корпуса компонента не более +200 °C. При существенно более высокой температуре транзистора он испортится из-за необратимой перестройки кристаллической решётки. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличения проводимости области базы и обратного тока коллектора. При повышении температуры корпуса транзистора от 20 °C до 60 °C обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, флюктуации температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование транзисторного каскада, вызывая значительные изменения режима его работы. Чтобы флюктуация температуры не привела, допустим, к возникновению автогенерации каскада, предназначенного для усиления, или другим вредным последствиям, необходимо применять цепи термостабилизации режимов работы транзисторов.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера , на выходе .

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению ) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту . Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания ) – уменьшилось напряжение .

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо ) Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 😉 Если резисторы и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы )

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот ) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

7. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общей базой:

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p — n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области uКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы Iбвызывают значительные изменения коллекторного тока Iк. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор — исток и затвор — сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество — отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Схема Дарлингтона:

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора  на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора  включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора  в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора: описание, характеристики

Автор Почемучка На чтение 28 мин. Просмотров 174

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано в предыдущей части статьи. Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому полупроводниковый диод можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Как устроен биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора на первый взгляд просто. Для этого достаточно на одной пластине полупроводника, называемой базой, создать сразу два p-n перехода. Некоторые способы создания p-n перехода были описаны в предыдущих частях статьи, поэтому здесь повторяться не будем.

Если проводимость базы будет типа p, то полученный транзистор будет иметь структуру n-p-n (произносится как «эн-пэ-эн»). А когда в качестве базы используется пластина n типа, то получается транзистор структуры p-n-p («пэ-эн-пэ»).

Уж коль скоро речь зашла о базе, то следует обратить внимание на такую вещь: полупроводниковая пластина, используемая в качестве базы очень тонкая, намного тоньше, чем эмиттер и коллектор. Это утверждение следует запомнить, поскольку оно понадобится в процессе объяснения работы транзистора.

Естественно, что для соединения с «внешним миром» от каждой области p и n выходит проволочный вывод. Каждый из них имеет название области, к которой соединен: эмиттер, база, коллектор. Такой транзистор называется биполярным, поскольку в нем используются два типа носителей заряда, — дырки и электроны. Схематическое устройство транзисторов обоих типов показано на рисунке 2.

В настоящее время в большей степени применяются кремниевые транзисторы. Германиевые транзисторы почти полностью вышли из употребления, будучи вытесненными кремниевыми, поэтому дальнейший рассказ будет именно о них, хотя иногда будут упоминаться и германиевые. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, поскольку эта структура более технологична в производстве.

Комплементарные пары транзисторов

Для германиевых транзисторов, видимо, более технологичной была структура p-n-p, поэтому германиевые транзисторы большей частью имели именно эту структуру. Хотя, в составе комплементарных пар (близкие по параметрам транзисторы, которые отличались лишь типом проводимости) выпускались и германиевые транзисторы разной проводимости, например ГТ402 (p-n-p) и ГТ404 (n-p-n).

Такая пара применялась в качестве выходных транзисторов в УНЧ различной радиоаппаратуры. И если несовременные германиевые транзисторы ушли в историю, то комплементарные пары кремниевых транзисторов выпускаются до сих пор, начиная от транзисторов в SMD – корпусах и вплоть до мощных транзисторов для выходных каскадов УНЧ.

Кстати, звуковые усилители на германиевых транзисторах меломанами воспринимались почти как ламповые. Ну, может чуть и похуже, но много лучше, чем усилители на кремниевых транзисторах. Это просто для справки.

Как работает транзистор

Для того, чтобы понять, как работает транзистор нам снова придется вернуться в мир электронов, дырок, доноров и акцепторов. Правда сейчас это будет несколько проще, и даже интересней, чем в предыдущих частях статьи. Такое замечание пришлось сделать для того, чтобы не испугать читателя, позволить дочитать все это до конца.

На рисунке 3 сверху показано условное графическое обозначение транзисторов на электрических схемах, а ниже p-n переходы транзисторов представлены в виде полупроводниковых диодов, к тому же включенных встречно. Такое представление очень удобно при проверке транзистора мультиметром.

А на рисунке 4 показано внутреннее устройство транзистора.

На этом рисунке придется немного задержаться, чтобы рассмотреть его поподробнее.

Так пройдет ток или нет?

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но, если присмотреться повнимательней, то получается, что через два p-n перехода, через два потенциальных барьера ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов обязательно оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Так что уж оставим пока все, как показано на рисунке и посмотрим, что же там происходит.

Неуправляемый ток

При включении источника тока, как показано на рисунке, переход эмиттер – база (n-p) находится в открытом состоянии и легко пропустит электроны в направлении слева – направо. После чего электроны столкнутся с закрытым переходом база эмиттер (p-n), который остановит это движение, дорога для электронов будет закрыта.

Но, как всегда и везде из всяких правил бывают исключения: некоторые особо шустрые электроны под воздействием температуры все-таки этот барьер сумеют преодолеть. Поэтому хоть и незначительный ток при таком включении все же будет. Этот незначительный ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Дальнейшее повышение температуры вызывает увеличение начального тока, что в свою очередь может привести к дополнительному нагреву p-n перехода. Такая тепловая нестабильность может привести к тепловому пробою, разрушению транзистора. Поэтому следует принимать меры по охлаждению транзисторов, и не прилагать предельных напряжений при повышенной температуре.

А теперь вспомним о базе

Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Поэтому на рисунке 5 показано правильное включение транзистора. Для этого понадобилось подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении (вспомним диод, и еще раз посмотрим на рисунок 3).

Если в случае с диодом все вроде бы понятно, — открылся и через него пошел ток, то в транзисторе происходят еще и другие события. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, — ток базы Iб. Вот тут как раз и следует вспомнить, что база тонкая и дырок в ней немного.

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открыванию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно в этом и заключается транзисторный эффект.

Остается только рассмотреть, как влияет это «небольшое напряжение», приложенное к базе, на ток коллектора, каковы их величины и соотношения. Но об этом рассказ в следующей части статьи про транзисторы.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

  1. отсечка;
  2. активный режим;
  3. насыщение;
  4. барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.
4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Биполярный транзистор принцип работы

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

Этот тип транзистора имеет два перехода:

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Коэффициент beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как здесь

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

Коэффициент alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

Выражаем ток коллектора через ток базы:

Коэффициент beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_ . Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока.

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

Основное соотношение для токов транзистора

Ток коллектора можно выразить как

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения с общим эмиттером

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором


Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Идеальный биполярный транзистор никогда не нагревается, так как имеет совершенное охлаждение. Идеальный БТ имеет нулевые размеры, не занимает место на плате. Он не шумит. Его выходной ток строго зависит от входного, без посторонних помех.

Идеальный биполярный транзистор

Идеальный БТ имеет фиксированный, постоянный, не зависящий от тока и внешних условий, например, температуры, коэффициент передачи тока. Он не имеет внутреннего сопротивления, индуктивности, емкости. Регулирование тока происходит мгновенно, без задержки во времени.

Ток базы не зависит от напряжения, входное сопротивление стремится к нулю, то есть изменение тока базы не приводит к изменению напряжения на базе относительно эмиттера.

Идеальный биполярный транзистор никогда не нагревается, так как имеет совершенное охлаждение. Идеальный БТ имеет нулевые размеры, не занимает место на плате. Он не шумит. Его выходной ток строго зависит от входного, без посторонних помех.

Идеальный биполярный транзистор выдерживает любое напряжение и любой ток. У идеального БТ ток коллектора не зависит от напряжения коллектор — эмиттер, которое может изменяться от нуля до бесконечности.

Фото — пример

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

I к = I э(p) – I б +I ко =α I э + I ко ,

Главная > Реферат >Коммуникации и связь

15. Изобразите структурную схему и объясните принцип работы биполярного транзистора p — n — p .

ЭП — эмиттерный переход,

КП — коллекторный переход

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.

Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I э(n) и дырочной I э(p) электропроводностями:

I э = I э(n) + I э(p) ≈ I э(p)

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы I б и коллектора I к :

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

I к = I э(p) – I б +I ко =α I э + I ко ,

где α = I к /I э – коэффициент передачи тока эмиттера; I к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

Отсюда, ток базы равен:

I б = I э — I к = (1 – α) I э — I ко

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (рис. 1.3).

28. Устройство, принцип работы, условное обозначение и область применения газоразрядного цифрового индикатора.

Для визуальной индикации электрических сигналов широко используются цифровые и буквенные индикаторы — многоэлект­родные приборы тлеющего разряда, в которых имеется несколько катодов в форме арабских цифр (от 0 до 9), букв, символов и других знаков (запятая, минус, плюс и т. д.). При горении разряда яркое свечение того или иного катода наблюдается через купол или боковую стенку баллона лампы.

Такие индикаторы применяются в счетно-решающих устрой­ствах, в различных измерительных приборах и другой аппаратуре дискретного действия, для визуального представления выходных данных. Индикаторы отличаются высокой яркостью и контраст­ностью изображения, малой потребляемой мощностью (десятые доли ватта), простотой и надежностью. Индикаторы обычно на­полняются неоном и имеют оранжево-красное свечение.

Значение рабочего тока ограничивается сопротивле­нием в цепи анода (рабочий ток — ток в цепи анода прибора).

При подаче напряжения на один из катодов в лампе возникает тлеющий разряд, при этом ток должен быть таким, чтобы доста­точно ярко светился весь катод. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выходить за пределы, указанные в справочных дан­ных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора.

Снижение рабочего тока также недопустимо, так как в процессе работы поверхность катодов загрязняется (из-за распыления с со­седних катодов), и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому уста­новленное значение рабочего тока обычно должно превышать значе­ние тока индикации . (Ток индикации — ток через прибор, при котором покрытые разрядным свечением катоды — цифры, буквы, символы — обеспечивают надежную визуальную ин­дикацию.)

В ряде случаев используется питание анода импульсным на­пряжением. Ток в импульсе может быть достаточно большим, ка­жущаяся яркость свечения повышается благодаря инерции зре­ния, хотя среднее значение тока оказывается ниже номинального. Благодаря этому поддерживаются высокая яркость свечения и на­дежная индикация цифр — катодов, в то же время долговечность приборов не снижается.

Долговечность индикаторов уменьшается, если разряд длительное время идет на один и тот же катод. Жела­тельно, чтобы при работе прибора поочередно использовались все катоды, при этом периоды нагрузки каждого катода должны быть короткими.

Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необ­ходима определенная начальная ионизация, снижающая время за­паздывания зажигания разряда. Такая ионизация обычно создает­ся внешним освещением. В темноте время запаздывания увеличи­вается и может составлять 1с.

Газоразрядные индикаторы, класс газоразрядных приборов, предназначенных для визуального воспроизведения информации; разновидность отображения информации приборов. Широко применяются в устройствах автоматики, промышленной электроники, контрольно-измерительных приборах, ЭВМ и др. Условное обозначение представлено на рис.2

Рис.2 Индикатор тлеющего разряда ИН-1. Катоды в форме арабских цифр высотой 17 мм.

Индикация осуществляется через купол баллона.

Оформление — стеклянное, с цоколем (РШ19). Масса 35 г.

Для построения многоразрядных систем иногда бывает удобно использовать индикаторы в прямоугольном баллоне, так как при этом уменьшается расстояние между соседними знаками.

Большинство индикаторов могут работать в диапазоне темпе­ратур окружающей среды от —60 до +70°С, однако предельные значения ухудшают надежность приборов и допустимы лишь кратко­временно.

Источники

Источник — http://electrik.info/main/school/702-ustroystvo-i-rabota-bipolyarnogo-tranzistora.html
Источник — http://eandc.ru/news/detail.php?ID=21477
Источник — http://www.joyta.ru/4620-bipolyarnyj-tranzistor-princip-raboty/
Источник — http://www.radioelementy.ru/articles/bipolyarnye-tranzistory/
Источник — http://microtechnics.ru/ustrojstvo-i-princzip-raboty-bipolyarnogo-tranzistora/
Источник — http://electroandi.ru/elektronika/printsip-raboty-bipolyarnogo-tranzistora.html
Источник — http://m.habr.com/ru/post/133136/
Источник — http://gyrator.ru/circuitry-bipolar-transistor
Источник — http://www.asutpp.ru/bipolyarnye-tranzistory.html
Источник — http://works.doklad.ru/view/G5nEdl79O-o.html

Транзистор с общей базой принцип работы

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
  2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК,IБ,UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуре, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β = α/(1–α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Транзистор как активный нелинейный четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

На рис. 6 приведена схема включения транзистора с общей базой.

В схеме с общей базой семейство входных статических характеристик – это зависимости IЭ = f(UЭБ), при UКБ = const

Рис. 7 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рис. 7. Отрицательные значения напряжения UЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для UКБ = 0 практически совпадают с характеристикой p-n перехода. В активном режиме (UЭБ 0) сдвиг характеристик при изменении напряжения на коллекторе обусловлен эффектом Эрли: с ростом UКБ при постоянном токе IЭ прямое напряжение эмиттерного перехода снижается и характеристика сдвигается влево. В режиме насыщения (UЭБ 0 соответствует активному режиму, где IК ≈ αIЭ, так как α = 1, то IК ≈ IЭ. Область характеристик при UКБ

Из характеристик рис. 7 видно, что малые изменения эмиттерного напряжения вызывают значительные приросты тока эмиттера. Это говорит о том, что транзистор, включённый по схеме с общей базой, имеет малое входное дифференциальное сопротивление.

, при UКБ = const

Для транзисторов малой мощности Rвх.б составляет единицы – десятки Ом.

Транзистор, включённый по схеме с общей базой, характеризуется также дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера(просто коэффициент передачи):

, при UКБ = const

Поскольку всегда ΔIK > ЕЭ2>>Е1), в коллекторную цепь можно включить нагрузочное сопротивление RK, во много раз превышающее входное сопротивление транзистора, от этого прирост коллекторного тока практически не уменьшается. Прирост коллекторного тока ΔIK создаст прирост падения напряжения на нагрузочном резисторе примерно во столько же раз больший, чем прирост входного напряжения, во сколько раз RK> Rвх.б. При этом возникает такой же по величине, но с обратным знаком прирост падения напряжения на коллекторе = ΔIKRK.

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

К =

Таким образом, транзистор даёт возможность перейти от цепи малым сопротивлением к цепи с большим сопротивлением, но практически с тем же приростом тока, т.е. транзистор как бы преобразует сопротивление цепи. Наличие усиления по напряжению при ΔIK ≈ ΔIЭ означает, что транзистор вносит также усиление по мощности.

  1. В схеме с общей базой входная характеристика представляет собой характеристику p-n перехода при прямом включении.
  2. Входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общей базой мало, т.к. малые изменения напряжения на эмиттере вызывают значительные приросты тока эмиттера.
  3. В схеме с общей базой коллекторное напряжение влияет на ток эмиттера. Причём с повышением (по абсолютному значению) коллекторного напряжения ток эмиттера увеличивается (входная характеристика сдвигается влево).
  4. У транзисторной схемы с общей базой ток коллектора очень слабо зависит от коллекторного напряжения. Это означает что выходное сопротивление транзисторной схемы с общей базой очень велико.
  5. Транзистор, включённый по схеме с общей базой, вносит усиление по напряжению и мощности.
  6. Схема не даёт усиления по току.
  7. из-за малого входного сопротивления схема включения транзистора с общей базой потребляет относительно большой ток от источника сигнала.
  8. Чрезмерное большое выходное сопротивление затрудняет согласование с нагрузкой.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8623 — | 7077 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p — n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ 0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы Iбвызывают значительные изменения коллекторного тока Iк. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор — исток и затвор — сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество — отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Схема с общей базой

1 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, ОГЛАВЛЕНИЕ страница 1
Схема с общей базой. При проектировании усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в обратном. На Рис. 3.1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ).

Рис. 3.1 Схема усилителя по схеме с общей базой.
Резистор RК являться нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства,. Если RК=0 то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. UКБ=EК=const. С увеличением RК растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на RК сверху. Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

Поскольку для ОБ IK ~ IЭ,RКБ||RКБ ~ RКБ, а RЭБ << RК (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении) то получим, KU>>1 Коэффициент усиления по току KI меньше 1.

Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

Расчет схемы по постоянному току.
Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: RK, RЭ, EК, EЭ и характеристиками транзистора VT. Запишем уравнения Кирхгофа для выходной цепи:

Уравнение (1) представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а уравнение (2) представляет семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. На основании определенных критериев может быть выбран тип транзистора, при этом по справочнику определим его входные и выходные характеристики. Для построения нагрузочной линии (1) рекомендуют использовать 2 режима:
а) режим холостого хода: IК=0 тогда из (1) получим UКБ=EК точка 1 (см. Рис. 3.2)
б) режим короткого замыкания: UКБ=0, следовательно


точка 2 (см. Рис. 3.2)
Через полученные две точки проведем нагрузочную прямую, и выберем на ней точку покоя, например точку О (Рис. 3.2). Для возможности более полного использования характеристик транзистора точку «О» рекомендуют выбирать в центральной области, н линейном участке, выходных характеристик. Эта точка характеризуется тремя координатами IКп,UКБп,IЭп.


Рис. 3.2 Выходные характеристики транзистора с ОБ.
Для обеспечения работы усилителя в точке покоя «О» нужно обеспечить (входной ток) IЭп. Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений:


Уравнение 1′ нагрузочной прямой по входу, а уравнение 2′ – входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания:

Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току IЭп или по напряжению UКБп. Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току Эбп.

Рис. 3.3 входные характеристики транзистора с ОБ.

Расчет по переменному току.
Принципиальная схема усилителя имеет вид, приведенный на Рис. 3.4..
Рис. 3.4 принципиальная схема усилителя с ОБ.
Разделительные конденсаторы СР1 и СР2 нужны для того, чтобы:
1) источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режим работы транзистора по постоянному току;
2) не пропускать на вход и в нагрузку постоянные составляющие, в которых нет информации о переменном входном сигнале.
При расчете схемы по переменному току составляется электрическая модель усилителя, включающая линейную электрическую модель усилителя, с учетом того, что для переменных составляющих источники питания (ЕК) обладают низким внутренним сопротивлением, и следовательно, точки «+» и «-» ЕК источника можно считать однопотенциальными. Построим осциллограммы иллюстрирующие работу усилителя. Пусть входное воздействие представлено источником синусоидального тока: iВХ(ωt)=Im·sin ωt. Осциллограммы, иллюстрирующие работу усилителя, будет иметь вид представленный на Рис. 3.5. На рисунке показаны характерные точки для IК, UКБ при значениях аргумента ωt=0; π⁄2; π; 3⁄π2; 2π входного тока i(ωt), а также для произвольного значения аргумента ωt1 входного воздействия i(ωt).

Рис. 3.5 осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ. Для приращения входного тока относительно координаты точки покоя «О» на 25-30%, можно считать, что усилитель работает в линейной области характеристик, что обеспечивает синусоидальные значения выходного тока (IK) и напряжения (UКБ), при синусоидальном входном воздействии. Из рисунка 3.5 следует, что фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями равен нулю (φu=0), а фазовый сдвиг между токами IK и IЭ равен 180° (φi=180°). Это объясняется тем, что UКБ и IK отрицательны, т.к. они реально расположены в третьем квадранте.
страница 1

Методические указания к лабораторной работе № 3

Лабораторная работа № 3

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1.  Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия, основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется основные параметры.

1.  Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р структуре n-область, разделяющая p-области, называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором (рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении ток эмиттера  в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы  много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор, образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)                                                        б)

Рис. 3.2. Полярности на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и по отношению к внешней цепи является генератором тока . Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность, значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При  = 0 через коллекторный переход идет некоторый начальный обратный ток , обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока  показывает отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

,  так как обычно                          (3.1)

Величина  зависит от параметров базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1), представить ток базы и  в виде:

=                                                    (3.2)

                                                                                         (3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации, пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

,                                                                                  (3.4)

где  – время жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

,                                                          (3.5)

где      — равновесная концентрация дырок в n-базе;

– собственная концентрация;

 – концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме  и , то , а . Ток дырок в базе имеет диффузионный характер, поэтому

,                                                                 (3.6)

где  – площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой базе  незначительна, то

            и       

Распределение дырок в базе имеет почти линейный вид (рис.3.3)

,                                                                      (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален заштрихованной на рис. 3.3 площади

                                      (3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

 в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока  с учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку                 (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет ток эмиттера , выходным — ток коллектора , входным напряжением — напряжение на эмиттерном переходе , выходным — напряжение на коллекторном переходе  (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода

где      — обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики  показаны на рис. 3.4б.

                         а)                                                             б)

Рис. 3.4.  Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОБ:

 а) – входные;  б) — выходные

При  выходная ВАХ представляет собой перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При  к нему прибавляется ток . Полный ток коллектора составляет

                                                                                                                                           (3.10)

1

5.      Структура и режимы работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения  р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.

Средняя область транзистора, расположенная между двумя               р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий          р-п-переход называют эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий   р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.

Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р.  Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.

 

Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов:

а — n-p-n-типа;  б — p-n-p-типа

 

При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах. Транзисторы  р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.

Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.

 

            а)                     б)                            в)

 

Рис. 3.19. Схемы включения транзистора:

а — схема ОБ; б — схема ОЭ; в — схема ОК

 

 

.

 

 

Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис. 3.20.

 

Рис. 3.20. Структура дискретного       

биполярного n-p-n-транзистора 

 

Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.

 

Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном биполярном

 n-p-n-транзисторе

 

Здесь  и — поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а  — концентрация примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер представляет собой сильнолегированную область, о чем  свидетельствует знак «+» при обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя — . У реальных транзисторов площади                    р-п-переходов существенно различаются. Эмиттерный переход имеет значительно меньшую площадь, чем коллекторный.

Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими  причинами, являются пассивными.

Идеализированная структура биполярного п-р-п-транзистора для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы , которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.

 

Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора

 

 

Внешние напряжения  и  создают соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений  и  различают четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):

Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора

 

 

1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном — обратное;

2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном — прямое;

3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;

4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.

В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и  т. д.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси   в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе   в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).

Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее. Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей  ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.

Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого                      p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.

Такая модуляция тока в одном  p-n-переходе с помощью изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним, называется механизмом работы биполярного транзистора. Эта одна из самых важных идей во всей истории развития электронных приборов.  За исследования, в результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

Усилитель с общей базой

— Electronics-Lab.com

Представляем усилитель с общей базой

В этой статье мы представляем последнюю топологию усилителей на биполярных транзисторах, известную как Common Base Amplifier (CBA). На Рис. 1 ниже представлена ​​электрическая схема АЗС, здесь не показаны какие-либо конкретные цепи смещения или развязывающие конденсаторы.

рис. 1: электрическая схема CBA

Некоторые спецификации должны быть выделены для CBA:

  • База соединена с землей цепи, отсюда и название «Общая база».
  • Входной сигнал поступает на эмиттерную ветвь биполярного транзистора.
  • Выходной сигнал поступает на коллекторную ветвь биполярного транзистора.

Далее в статье мы увидим, что во многом УСВ ведет себя оппозиционно по отношению к Усилителю с общим коллектором (ОСО).

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема Рис. 1 может быть построена с учетом того, что коллекторная ветвь является идеальным источником тока, а p/n-переход между коллекторной и эмиттерной ветвями ведет себя как диод с малым сопротивлением r e =25 мВ/л из .

рис. 2: Эквивалентная схема конфигурации CBA

Уже из Рис. 2 можно ожидать, что, поскольку I in = I out + I B (из законов Кирхгофа), коэффициент усиления по току A I = I в конфигурации CBA A I =1-(I B /I из )<1 . Следовательно, коэффициент усиления по току конфигурации CBA строго ниже 1, поэтому усилитель этого типа не может усиливать токи .Однако далее в руководстве мы увидим, что коэффициент усиления по напряжению высок.

Коэффициент усиления по току

Мы уже видели в предыдущем пункте, что коэффициент усиления по току A I строго ниже единицы. Чтобы получить точную формулу A i , мы считаем, как упоминалось ранее, что I в = I из + I B . Кроме того, мы определяем I out = β×I B с коэффициентом усиления по току транзистора β. Обратите внимание, что здесь I B ≠I из , в отличие от предыдущих конфигураций усилителя CEA и CCA.

Выходной ток удовлетворяет I out =A I ×I in =β×I B , при изоляции A I получается:

Разделив числитель и знаменатель на I B , получится слагаемое I из /I B =β и мы получим точное выражение усиления по току для конфигурации CBA:

уравнение 1 : Выражение коэффициента усиления по току

Например, биполярный транзистор с коэффициентом усиления β=200 имеет коэффициент усиления по току A I =200/201=0.995≅1 . Следовательно, текущее усиление конфигурации CBA всегда может быть приблизительно равно 1 без совершения слишком большой ошибки. Поскольку коэффициент усиления по току равен 1, выходной ток I out следует за входным током I в , отсюда и другое название, обычно данное этой конфигурации повторитель/буфер тока.

Входное сопротивление

Как видно из входа эмиттерной ветви, общее входное сопротивление равно R E //r e , где символ «//» означает, что эмиттер и малый диодный резистор включены параллельно.

Однако сопротивление эмиттера R E всегда намного выше сопротивления небольшого диода r e , поэтому получается:

eq 2 : Выражение входного сопротивления

Следовательно, входное сопротивление конфигурации CBA равно небольшому сопротивлению диода r e между ветвями эмиттера и коллектора, это значение импеданса очень мало.

Выходное сопротивление

В реальной конфигурации CBA нагрузка R L включена параллельно коллекторному сопротивлению R C .Таким образом, выходное сопротивление определяется как R out = R C //R L . Если нагрузка выбрана такой, как R L >>R C , выходное сопротивление упрощается до R out = R C .

Коэффициент усиления по напряжению

Далее считается, как ранее доказано, что A I ≅1 . Таким образом, коэффициент усиления по напряжению для конфигурации CBA определяется соотношением А В = В вых / В вх , где В вых = R C × I вых 8 и в = (R E //r e )×I в .Далее следует, что:

Уравнение 3: Упрощенное выражение коэффициента усиления по напряжению

Поскольку сопротивление коллектора удовлетворяет условию R C >>r e , коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CBA очень высок. Кроме того, мы можем подчеркнуть, что коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CBA такой же, как и для усилителей с общим эмиттером, за исключением того, что знак здесь положительный: сигнал выходного напряжения находится в фазе с сигналом входного напряжения . Эта формула действительна, если считается, что нагрузка R L удовлетворяет требованиям R L >>R C .Однако в общем случае выражение коэффициента усиления по напряжению:

eq 4: Общее выражение коэффициента усиления по напряжению

Пример: Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности

В этом разделе мы рассматриваем реальную конфигурацию АСБ, представленную на рис. 3 с цепочкой делителя напряжения для смещения базы, состоящей из двух резисторов R 1 и R 2 . Кроме того, нагрузка R L включена параллельно коллекторному сопротивлению R C . Обратите внимание, что между основанием и землей добавлен развязывающий конденсатор, чтобы сделать эту диаграмму правильной, но для простоты его значение не указано и не будет учитываться в следующих расчетах.Наконец, коэффициент усиления по току биполярного транзистора равен β=100 .

рис. 3: Пример конфигурации CBA

Текущее усиление этой конфигурации CBA просто определяется как:

Перед определением коэффициента усиления по напряжению в этой конфигурации первым шагом является расчет общего входного и выходного сопротивлений, и для этого нам нужно значение сопротивления малого диода.

Падение напряжения на сопротивлении коллектора R C определяется как:

Следовательно, ток через сопротивление коллектора равен I C =V C /R C =0.97 В/5 кОм = 194  мкА . Из этого значения следует, что малое сопротивление диода составляет r e = 25 мВ/194 мкА = 129 Ом .

Следовательно, входное сопротивление определяется как:

Поскольку в этой конфигурации R L C , параллельное сопротивление R L //R C необходимо рассматривать как общее выходное сопротивление:

Наконец, усиление по напряжению определяется из уравнения 4 :

Теоретически здесь напряжение может быть увеличено в 34 раза.65. Однако, как видно из руководства «Введение в электронные усилители», выходное напряжение ограничено напряжением источника питания. Следовательно, выходное напряжение здесь достигает только 2×В , питание =20 В от пика до пика вместо 2×34,65=69,3 В от пика до пика, и будет наблюдаться довольно важный эффект насыщения.

Рис. 4: Насыщенное выходное напряжение в сравнении с идеальным выходным напряжением

Интересно проверить правильность наших расчетов при определении входного и выходного тока:

  • Входной ток определяется как В в /R в = 1 В/114.2 Ом, таким образом, I в = 8,76 мА .
  • Выходной ток определяется как V вых /R вых = 34,65 В/4 кОм, таким образом, I вых = 8,66 мА .

Мы видим, что входной и выходной токи примерно равны, а отношение I на выходе / I на = 0,99 снова дает рассчитанное ранее усиление по току.

Если принять во внимание, что выходное напряжение действительно может быть увеличено в 34,65 раза, коэффициент усиления мощности A P этой конфигурации будет равен A I × A В =0.99×34,65 , таким образом A P =34,3 . Однако, поскольку R L = 4×R C , в нагрузку поступает только четверть мощности: A P, load = 8,57 .

Используя упрощенное выражение из уравнения 3 R C /r e =5 кОм/129 Ом, получаем коэффициент усиления по напряжению А В =38,8 . Упрощенное значение усиления по току составляет A I =1 , что, в свою очередь, дает усиление по мощности A P =38.8 вместо 34,3 для реального значения. Таким образом, ошибка E P для усиления мощности:

.

Заключение

В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты одной из трех элементарных топологий усилителя, известной как усилитель с общей базой (CBA). Мы видели, что такая конфигурация не может усиливать токи, так как ее усиление по току примерно равно и строго меньше 1, отсюда и название «токовый буфер/повторитель», часто даваемое CBA.Тем не менее, мы убедились в теории и на примере, что сигнал напряжения может быть сильно усилен, а его усиление по напряжению ограничено только мощностью, подаваемой в коллекторную ветвь. В отличие от усилителя с общим коллектором , входное сопротивление схемы CBA низкое, а выходное сопротивление высокое. Эта функция делает CBA очень полезными для промежуточного звена между входами с низкой нагрузкой и выходами с высокой нагрузкой, например, в радиочастотных цепях. Наконец, мы увидели на примере, как практически рассчитать усиление по напряжению, току и мощности для конфигурации CBA.

В качестве общего заключения мы рассмотрели в этом руководстве три элементарные конфигурации усилителя на основе биполярного транзистора: усилитель с общим эмиттером (CEA), усилитель с общим коллектором (CCA) и усилитель с общей базой .

Подведем итоги и приведем ниже сравнение этих различных конфигураций:

  • Коэффициент усиления по напряжению в абсолютном выражении одинаков для конфигураций CEA и CBA. Однако СЕА сдвигает сигнал на 180° по фазе, так как он имеет знак «-», поэтому СЕА инвертирует сигнал.
  • Входное сопротивление: приблизительно одинаково для конфигураций CEA и CCA.
  • Выходное сопротивление: одинаково для конфигураций CEA и CBA.
  • Коэффициент усиления по напряжению: высокий для CEA и CBA, ≅1 для CCA.
  • Коэффициент усиления по току: высокий для CEA и CCA, ≅1 для CBA.
  • Прирост мощности: очень высокий для CEA, высокий для CBA, средний для CCA.

Наконец, из-за их различных характеристик приложения этих трех конфигураций также различны:

  • СЕА благодаря высокому коэффициенту усиления по напряжению и току используется в качестве универсального усилителя.
  • CCA из-за его высокого входного и низкого выходного сопротивлений используется в качестве понижающего адаптера импеданса. Он также используется в качестве усилителя тока и генератора.
  • CBA из-за низкого входного и высокого выходного сопротивлений используется в качестве повышающего адаптера импеданса. Он также используется в качестве усилителя напряжения, генератора или усилителя высокой частоты благодаря хорошему частотному диапазону.

Что такое транзистор с биполярным переходом (BJT)?

Сегодня в этом посте мы подробно обсудим BJT (транзистор с биполярным переходом), включая определение BJT, символ, работу, характеристики, типы и области применения.

Начнем.

Определение:

BJT (биполярный переходной транзистор) представляет собой управляемое током электронное устройство, используемое в основном для усиления и переключения. Он поставляется с тремя клеммами, называемыми эмиттером, базой и коллектором. Небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на остальных клеммах. Ранее BJT состояли из германия, однако в последнее время для изготовления BJT используется кремний.

Символ:

На следующем рисунке показаны символы BJT.Левый — это символ NPN-транзистора, а правый — символ PNP-транзистора.

Стрелки на символе показывают направление тока. Ток течет от базы к эмиттеру в транзисторе NPN и течет от эмиттера к базе в транзисторе PNP.

Рабочий:

Работа BJT начинается с базового штифта. Когда на клемму базы NPN-транзистора подается напряжение, он открывает транзистор, и в результате ток начинает течь от коллектора к клемме эмиттера.Этот ток известен как ток коллектора и обозначается Ic. Поскольку это NPN-транзистор, здесь переход коллектор-база смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер смещен в прямом направлении.

Ширина области обеднения на переходе коллектор-база больше, чем ширина области обеднения перехода база-эмиттер. Потенциал барьера уменьшается на BE-переходе, который смещен в прямом направлении, и в результате электроны будут перемещаться из области эмиттера в область базы.Базовая область слабо легирована и очень тонкая, поэтому она изо всех сил пытается удерживать количество электронов в течение максимального времени.

Эти электроны объединятся с дырками, присутствующими в базовой области, и начнут вытекать из базовой области в виде базового тока. Большое количество оставшихся электронов в базовой области, которые не соединяются с дырками, затем начинают поступать на сторону коллектора в виде коллекторного тока.

Согласно закону тока Кирхгофа ток эмиттера представляет собой комбинацию тока коллектора и тока базы.

То есть = Ib + Ic

Это работа транзисторов NPN. Транзисторы PNP работают так же, но здесь направление тока и полярность напряжения меняются местами.

Характеристики:

Биполярный транзистор также известен как активное полупроводниковое устройство, в котором все три вывода различаются по концентрации примеси. Сторона коллектора умеренно легирована, в то время как вывод эмиттера сильно легирован, а вывод базы, с другой стороны, легирован слабо.

BJT подключаются в трех различных конфигурациях следующим образом:

  • Конфигурация с общей базой
  • Конфигурация с общим эмиттером
  • Конфигурация с общим коллектором

Давайте обсудим их по порядку.

A: Конфигурация с общей базой

В конфигурации с общей базой мы сохраняем общую клемму базы между выходным и входным сигналами.

Следующая кривая входной характеристики для конфигураций с общей базой представляет собой график между током эмиттера IE по оси y и напряжением база-эмиттер VEB по оси x.

Выходные характеристики конфигурации с общей базой будут отображаться между током коллектора IC по оси y и напряжением коллектор-база VCB по оси x, как показано ниже.

На кривой есть три разных области: активная область, область насыщения и область отсечки. В активной области эмиттерный переход смещен в обратном направлении, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении, а в области отсечки и коллекторный, и эмиттерный переход смещены в обратном направлении.

B: Конфигурация с общим эмиттером

В конфигурации с общим эмиттером мы оставим клемму эмиттера общей между выходным и входным сигналами.

Входные характеристики конфигурации с общим эмиттером представляют собой график между током базы IB по оси y и напряжением база-эмиттер VBE по оси x.

Кривая выходных характеристик представляет собой график между током коллектора IC по оси y и напряжением коллектор-эмиттер VCE по оси x.Конфигурация с общим эмиттером также имеет три области. В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В области отсечки ток коллектора не полностью отсекается, а эмиттерный переход не полностью смещен в обратном направлении. В области насыщения и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в прямом направлении.

C: Конфигурация с общим коллектором

В конфигурации с общим коллектором, также известной как схема повторителя напряжения, мы оставим клемму коллектора общей между выходным и входным сигналами.

Эта конфигурация в основном используется для согласования импеданса и имеет высокий входной импеданс.

Типы:

Устройства

BJT в основном делятся на два основных типа:

1: NPN-транзистор

2: ПНП-транзистор

Давайте обсудим их один за другим.

1: NPN-транзистор

NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) — это тип биполярного транзистора с одним слоем, легированным P, который находится между двумя слоями, легированными N.P-слой представляет базовую клемму, а два N-слоя представляют эмиттерную и коллекторную клеммы. Поскольку это NPN-транзистор, здесь электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. Когда напряжение подается на вывод базы, он смещается, и ток начинает течь от коллектора к выводу эмиттера.

2: ПНП-транзистор

PNP (положительный-отрицательный-положительный) — это тип биполярного транзистора с одним слоем, легированным азотом, который расположен между двумя слоями, легированными фосфором.N-слой представляет базовую клемму, а два других слоя представляют клеммы эмиттера и коллектора. В этом PNP-транзисторе дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Когда напряжение подается на клемму базы, она смещается, и ток начинает течь от эмиттера к клемме коллектора.

Важно отметить, что транзисторы NPN всегда предпочтительнее транзисторов PNP, потому что движение электронов лучше и эффективнее, чем движение дырок.

приложений:

BJT в основном используются для коммутации и усиления.

BJT имеют низкое падение напряжения в прямом направлении и лучшее усиление по напряжению, что делает их подходящими для приложений по току, напряжению и усиления звука.

Надеюсь, у вас есть четкое представление о BJT. Если у вас есть какие-либо сомнения по поводу этой статьи, вы можете обратиться ко мне в разделе ниже. Я хотел бы помочь вам как можно лучше. Спасибо за прочтение статьи.

Усилитель с общей базой

BJT — курс аналоговой электроники

Усилитель с общей базой — это одна из трех основных конфигураций усилителя на однокаскадном биполярном переходном транзисторе (BJT), обычно используемая в качестве буфера тока или усилителя напряжения.В этой конфигурации эмиттерный вывод транзистора служит входом, коллектор — выходом, а база является общей и соединена с землей (через Cb).

Эта схема обычно используется в высокочастотных усилителях, потому что ее входная емкость не страдает от эффекта Миллера, ухудшающего полосу пропускания схемы с общим эмиттером, а также из-за относительно высокой изоляции между входом и выходом.

Он также используется в качестве буфера тока, так как его коэффициент усиления по току приблизительно равен единице.Когда схеме предшествует каскад с общим эмиттером, она называется каскодной схемой. Каскодная схема имеет преимущества обеих конфигураций, такие как высокое входное сопротивление и изоляция.

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC. Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

I B можно игнорировать, если \begin{уравнение} 10R_2 B можно рассчитать с помощью КВЛ как простой схемы делителя напряжения \begin{уравнение} V_B = {R_2 \над {R_1 + R_2}} V_S \end{уравнение} Ток в узле E \begin{уравнение} I_E = I_B + I_C \end{уравнение} если I C намного больше I B , I B можно игнорировать \begin{уравнение} И_Э = И_С \end{уравнение}

Использование КВЛ (закон напряжения Кирхгофа) \begin{уравнение} V_B = I_ER_4 + V_{BE} \end{уравнение} \begin{уравнение} V_S = I_CR_3 + V_{C} \end{уравнение}

Чтобы получить максимальный выходной размах, вы должны выбрать номиналы резисторов так, чтобы VC составлял половину напряжения питания.

\begin{уравнение} V_{C} = {V_S \более 2} \end{уравнение}

Анализ переменного тока

Затем мы перерисовываем схему, используя модель слабого сигнала BJT. Конденсаторы считаются короткими по переменному току (R4 закорочен Ce), а источники постоянного тока подключаются к GND (земле). Рассчитать повторно

\begin{уравнение} r_e = {v_T \ над I_E} \end{уравнение}

Поскольку входное напряжение v i совпадает с r e и по закону Ома \begin{уравнение} i_e = -{v_i \ над r_e} \end{уравнение} отрицательный знак обусловлен направлением т.е.

Выходное напряжение \begin{уравнение} v_c = -i_cR_3 \end{уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \begin{уравнение} я_е = я_б + я_с \end{уравнение} Игнорируя i b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i c , мы получаем \begin{уравнение} v_c = -i_eR_3 \end{уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления усилителя по напряжению равен \begin{уравнение} {v_c \ над v_i} = {R_3 \ над r_e} \end{уравнение}

Ток через R4 из-за Vi можно игнорировать, если

\begin{уравнение} R_4 > 10 р_э \end{уравнение}

Поскольку мы можем игнорировать i b , то при проверке текущее усиление равно \begin{уравнение} {i_c \ над i_e} = 1 \end{уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на увеличение числа посетителей, нам нужна ваша помощь, чтобы поддерживать и улучшать этот сайт, что требует времени, денег и тяжелой работы.Благодаря щедрости наших посетителей, которые пожертвовали ранее, вы можете пользоваться этим сайтом бесплатно.

Если вы воспользовались этим сайтом и можете, пожалуйста, дать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаться в будущем. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Режим общей базы (CB) Характеристики биполярного транзистора

Биполярный переходной транзистор (BJT):

Биполярный транзистор (BJT) имеет три вывода, подключенные к трем областям легированного полупроводника.В транзисторе N-P-N тонкая и слегка легированная база P-типа зажата между сильно легированным N-типом эмиттером и другим коллектором N-типа ; в то время как в PNP транзисторе тонкая и слегка легированная N-типа база зажата между сильно легированным P-типом эмиттом r и другим P-типом

коллектором .Далее мы будем рассматривать только NPN BJT.

Биполярный переходной транзистор

Биполярные переходные транзисторы Характеристики:

Биполярный транзистор состоит из коллектора, эмиттера и базы. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного транзистора , мы должны узнать о режимах работы транзисторов этого типа. Режимов

  1. Режим общей базы (CB)
  2. Режим общего эмиттера (CE)
  3. Режим общего коллектора (CC)

Общие базовые характеристики:

В этой конфигурации мы используем базу в качестве общей клеммы для входных и выходных сигналов.Здесь вход подается между клеммами базы и эмиттера, а соответствующий выходной сигнал снимается между клеммами базы и коллектора при заземленной клемме базы. Здесь входными параметрами являются V EB и I E , а выходными параметрами являются V CB и I C . Входной ток, протекающий через вывод эмиттера, должен быть выше, чем ток базы и ток коллектора, чтобы работал транзистор, поэтому выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера.

Эта конфигурация транзистора имеет высокое выходное сопротивление и низкое входное сопротивление. Этот тип конфигурации имеет высокий коэффициент усиления по сопротивлению, т. е. отношение выходного сопротивления к входному сопротивлению велико. Коэффициент усиления по напряжению для этой конфигурации схемы приведен ниже.

A V = V out /V in = (I C *R L ) / (I E *R in )

Коэффициент усиления по току в общей базовой конфигурации задается как

α = выходной ток/входной ток

α = I C / I E

Схема с общей базой в основном используется в схемах однокаскадных усилителей, таких как предварительный усилитель микрофона или радиочастотные усилители из-за их высокочастотной характеристики.Схема транзистора с общей базой приведена ниже.

Схема транзистора с общей базой

Входные характеристики:

Для транзистора p-n-p входной ток представляет собой ток эмиттера (I E ), а входное напряжение представляет собой напряжение базы коллектора (V CB ).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график I E Vs V EB подобен прямой характеристике p-n-диода. I E увеличивается для фиксированного V EB , когда V CB увеличивается.

Выходные характеристики:

Выходные характеристики показывают отношение между выходным напряжением и выходным током. I C — выходной ток и напряжение коллектор-база, а ток эмиттера I E — входной ток и работает как параметры.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики транзистора p-n-p в режиме CB.

Как известно для p-n-p транзисторов I E и V EB положительные, а I C , I B , V CB отрицательные.Это три области на кривой, область насыщения активной области и область отсечки. Активная область — это область, в которой транзистор работает нормально. Здесь эмиттерный переход смещен в обратном направлении.

 

Обратная связь важна для нас.

Конфигурации транзисторов — транзисторы с биполярным переходом

Биполярные переходные транзисторы

Конфигурации транзисторов.

Транзистор может быть подключен в любой из трех основных конфигураций (см. рисунок выше): общий эмиттер (CE), общая база (CB) и общий коллектор (CC).Термин «общий» используется для обозначения элемента, который является общим для обоих входов. и выходные цепи. Поскольку общий элемент часто заземлен, эти конфигурации часто называют заземленным эмиттером, заземленной базой, и заземленный коллектор.

Каждая конфигурация, как вы увидите позже, имеет определенные характеристики. которые делают его пригодным для конкретных приложений. Простой способ определить Конкретная конфигурация транзистора состоит из трех простых шагов:

1.Определите элемент (эмиттер, базу или коллектор), к которому применяется входной сигнал.
2. Определите элемент (эмиттер, базу или коллектор), с которого берется выходной сигнал.
3. Оставшийся элемент является общим и дает имя конфигурации.

Поэтому, применяя эти три простых шага к базовый транзисторный усилитель обсуждалось ранее, мы можем сделать вывод, что этот усилитель больше, чем просто базовый транзисторный усилитель. Это усилитель с общим эмиттером.

Общий эмиттер

Конфигурация с общим эмиттером (CE), показанная на рисунке выше (вид A), является компоновка, наиболее часто используемая в практических схемах усилителей, поскольку она обеспечивает хороший коэффициент усиления по напряжению, току и мощности. Общий эмиттер также имеет несколько низкое входное сопротивление (500 Ом — 1500 Ом), потому что вход применяется к переходу с прямым смещением, и умеренно высокий выходной сигнал сопротивления (30 кОм — 50 кОм и более), т.к. на выходе берется от перекрестка с обратным смещением.Так как входной сигнал подается на цепь база-эмиттер, а выход берется из цепи коллектор-эмиттер, тогда эмиттер является элементом, общим как для входа, так и для выхода.

Поскольку вы уже рассмотрели то, что, как вы теперь знаете, является общим эмиттером усилитель, давайте потратим несколько минут и проверим его работу, используя PNP конфигурация с общим эмиттером показана на рисунке выше (вид A).

Когда транзистор подключен по схеме с общим эмиттером, вход сигнал вводится между базой и эмиттером, который имеет низкое сопротивление, слаботочная цепь.Когда входной сигнал колеблется в положительном направлении, это также вызывает база качается положительно по отношению к эмиттеру. Это действие уменьшает прямое смещение, которое уменьшает ток коллектора ( I C ) и увеличивает напряжение коллектора (делая V C более отрицательным). При отрицательном чередовании входного сигнала база возбуждается больше отрицательно по отношению к эмиттеру. Это увеличивает прямое смещение и позволяет из эмиттера высвобождается больше носителей тока, что приводит к увеличение тока коллектора и уменьшение напряжения коллектора (делая V C менее отрицательным или качающимся в положительном направлении).Коллекторный ток, протекающий через обратно смещенный высокоомный переход также протекает через нагрузку с высоким сопротивлением (не показано), что приводит к высокому уровню усиления.

Поскольку входной сигнал на общий эмиттер становится положительным, когда выходной становится отрицательным, два сигнала (входной и выходной) сдвинуты по фазе на 180 градусов. Схема с общим эмиттером является единственной схемой, которая обеспечивает инверсия фазы.

Схема с общим эмиттером — самая популярная из трех конфигураций транзисторов. потому что он имеет наилучшее сочетание коэффициента усиления по току и напряжению.Период, термин усиление используется для описания возможностей усиления усилитель звука. По сути, это отношение выхода к входу. Каждый транзистор конфигурация дает другое значение коэффициента усиления даже при том, что один и тот же транзистор используется. Используемая конфигурация транзистора зависит от конструкции.

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером называется бета . ( β ). Бета — это отношение тока коллектора (выходной ток) к базовому току (входному току).Для расчета бета используйте следующую формулу:

( Δ — греческая буква дельта, она используется для обозначения небольшого изменения)

Например, если входной ток ( I B ) в общем эмиттере меняется с 75 мкА на 100 мкА и выходной ток ( I C ) изменится с 1,5 мА на 2,6 мА, то коэффициент усиления по току ( β ) будет равен 44.

Это просто означает, что изменение тока базы приводит к изменению тока коллектора. ток, что в 44 раза больше.

Вы также можете увидеть термин h fe вместо β . Термины h fe и β эквивалентны и могут быть используются взаимозаменяемо. Это потому, что « h fe » означает:

h = гибрид (имеется в виду смесь)
f = коэффициент передачи прямого тока
e = конфигурация с общим эмиттером

Коэффициент усиления сопротивления общего эмиттера можно найти по методу, аналогичному к тому, который используется для поиска бета:

Зная коэффициент усиления сопротивления, можно легко рассчитать коэффициент усиления напряжения. поскольку он равен текущему усилению ( β ), умноженному на усиление сопротивления ( В = βR ).А прирост мощности равен коэффициент усиления по напряжению, умноженный на коэффициент усиления по току β ( P = βV ).

Общая база

Конфигурация с общей базой (CB), показанная на рисунке выше (вид B), является в основном используется для согласования импеданса, так как имеет низкое входное сопротивление (30 Ом — 160 Ом) и высокое выходное сопротивление (250 кОм — 550 кОм). Однако два фактора ограничивают его полезность в некоторых схемных приложениях: (1) его низкое входное сопротивление и (2) коэффициент усиления по току менее 1.Поскольку ЦБ конфигурация даст усиление напряжения, есть некоторые доп. приложений, которые требуют как низкого входного сопротивления, так и напряжения усиление, которое могло бы использовать конфигурацию схемы этого типа; Например, несколько микрофонных усилителей.

В конфигурации с общей базой входной сигнал подается на эмиттер, вывод берется с коллектора, а база — общий элемент как на вход, так и на выход. Поскольку вход применяется к эмиттеру, это вызывает переход эмиттер-база реагирует так же, как и в схема с общим эмиттером.Например, вход, который способствует смещению, будет увеличиваться. ток транзистора, а тот, который противостоит смещению, уменьшит ток транзистора.

В отличие от схемы с общим эмиттером входные и выходные сигналы в схеме с общей базой цепи находятся в фазе. Чтобы проиллюстрировать этот момент, предположим, что входные данные для версии PNP схемы с общей базой на рисунке выше (вид B) положителен. Сигнал добавляет к прямому смещению, так как оно приложено к эмиттеру, в результате чего коллектор ток увеличить.Это увеличение I C приводит к большему напряжению падение на нагрузочном резисторе R L (не показано), что снижает напряжение коллектора В C . Напряжение коллектора, становясь меньше отрицательный, колеблется в положительном направлении и, следовательно, находится в фазе с входящий положительный сигнал.

Коэффициент усиления по току в цепи с общей базой рассчитывается аналогично с общим эмиттером, за исключением того, что входной ток равен I E вместо I B используется термин альфа ( α ) бета для усиления.Альфа — отношение тока коллектора (выходной ток) к току эмиттера (входному току). Альфа рассчитывается по формуле:

Например, если входной ток ( I E ) в общей базе изменяется от 1 мА до 3 мА, а выходной ток ( I C ) изменяется от от 1 мА до 2,8 мА, то коэффициент усиления по току ( α ) будет равен 0,90 или:

Это текущее усиление менее 1.

Поскольку часть эмиттерного тока течет в базу и не проявляется как ток коллектора, то ток коллектора всегда будет меньше тока эмиттера ток, который его вызывает.(Помните, I E = I B + I C ) Следовательно, альфа всегда меньше единицы для общая базовая конфигурация .

Другой термин для « α » — h fb . Эти условия ( α и h fb ) эквивалентны и могут использоваться взаимозаменяемо. Значение термина h fb получено в так же, как термин h fe упоминалось ранее, за исключением того, что последняя буква «е» была заменена на «б» для обозначения конфигурации с общей базой.

Во многих руководствах по транзисторам и таблицах данных указывается только коэффициент усиления по току транзистора. характеристики в пересчете на β или h fe . Найти альфа ( α ), если дана бета ( β ), используйте следующее формула для преобразования β в α для использования с общая базовая конфигурация:

Чтобы рассчитать другие коэффициенты усиления (напряжение и мощность) в конфигурации с общей базой когда текущий коэффициент усиления ( α ) известен, следуйте процедурам, описанным ранее в разделе с общим эмиттером.

Общий коллектор

Конфигурация с общим коллектором (CC), показанная на рисунке выше (вид C), является используется в основном для согласования импеданса. Он также используется в качестве текущего драйвера, т.к. своего существенного текущего прироста. Это особенно полезно при переключении схемы, так как он может передавать сигналы в любом направлении (двусторонняя операция).

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается на базу, выход берется с эмиттера, а коллектор — это общий элемент как на вход, так и на выход.Схема с общим коллектором имеет высокий вход и низкий выходное сопротивление. Входное сопротивление общего коллектора составляет от от 2 кОм до 500 кОм, а выходное сопротивление варьируется от 50 Ом до 1500 Ом. Коэффициент усиления по току выше, чем в общем эмиттере, но имеет меньший коэффициент усиления по мощности, чем с общей базой или с общим эмиттером. Словно с общей базой, выходной сигнал с общего коллектора находится в фазе с входной сигнал. Обыкновенный коллектор также упоминается в качестве эмиттерного повторителя, потому что выходной сигнал, развиваемый на эмиттере, следует входной сигнал подается на базу.

Работа транзистора в общем коллекторе аналогична описанной операции. для общей базы, за исключением того, что текущее усиление не основано на отношение тока эмиттера к току коллектора, альфа ( α ). Вместо этого он основан на отношении тока эмиттера к базе, называемом гамма ( γ ), потому что выход снимается с эмиттера. Поскольку небольшое изменение тока базы контролирует большое изменение тока эмиттера. ток, все еще возможно получить высокий коэффициент усиления по току в общем коллекционер.Однако, поскольку усиление тока эмиттера смещено из-за низкого выходного сопротивления коэффициент усиления по напряжению всегда меньше 1 (единицы).

Коэффициент усиления по току с общим коллектором, гамма ( γ ), определяется как

и связано с усилением тока между коллектором и базой, бета ( β ), схемы с общим эмиттером по формуле:

Поскольку данный транзистор может быть подключен в любой из трех основных конфигураций, тогда существует определенная связь, как указывалось ранее, между альфа ( α ), бета ( β ) и гамма ( γ ).Эти отношения перечислены снова для вашего удобства:

Возьмем, к примеру, транзистор, указанный в паспорте производителя. как имеющий альфа 0,90, но мы хотим использовать его в общем эмиттере конфигурация. Это означает, что мы должны найти бету. Расчеты:

Следовательно, изменение тока базы в этом транзисторе вызовет изменение в токе коллектора, который будет в 9 раз больше.

Если мы хотим использовать этот же транзистор с общим коллектором, мы можем найти гамма ( γ ) по:

Что такое общая базовая конфигурация транзистора? – Рампфестудсон.ком

Что такое общая базовая конфигурация транзистора?

Входной сигнал подается между клеммами эмиттера и базы, а соответствующий выходной сигнал принимается между клеммами коллектора и базы. Таким образом, базовая клемма транзистора является общей как для входных, так и для выходных клемм, и поэтому она называется конфигурацией с общей базой.

Что такое общие базовые характеристики?

Усилитель с общей базой — это еще один тип биполярного переходного транзистора (BJT), в котором базовая клемма транзистора является общей клеммой как для входных, так и для выходных сигналов, отсюда и название общей базы (CB).

Что такое база транзистора NPN?

NPN Transistor Pinout Транзистор имеет три вывода; коллектор (C), эмиттер (E) и база (B). В большинстве конфигураций средний вывод предназначен для базы.

Сколько транзисторов в транзисторе PNP?

Существуют в основном два типа транзисторов. Транзистор PNP и транзистор NPN. Транзистор имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. В транзисторе каждые три области эмиттера, базы и эмиттера имеют разную ширину в транзисторе.

Что такое бета-транзистор NPN?

Значения Beta варьируются примерно от 20 для сильноточных мощных транзисторов до значительно более 1000 для высокочастотных биполярных транзисторов малой мощности. Значение бета для большинства стандартных транзисторов NPN можно найти в технических описаниях производителей, но обычно оно находится в диапазоне от 50 до 200.

Какой коэффициент усиления для общей базовой конфигурации?

Для схемы подключения транзистора с общей базой выходным током является ток коллектора (Ic), а входным током является ток эмиттера (Ie).Таким образом, для транзистора с общей базой коэффициент усиления тока представляет собой отношение изменения тока коллектора (Ic) к току эмиттера (Ie).

Какая конфигурация транзистора наиболее распространена?

Конфигурация транзистора с общим эмиттером является наиболее часто используемой конфигурацией. Мы уже написали отдельные статьи, связанные со всеми этими настройками, чтобы проверить их, также нажав на приведенные выше ссылки конфигурации. Транзистор представляет собой трехполюсное устройство, управляемое током, и чаще всего используется для операций переключения.

Как спроектировать транзисторный усилитель в конфигурации с общей базой с помощью программы TransistorAmp 1.1

Схема цепи с общей базой с NPN- и PNP-BJT

На рисунках показаны схемы схемы с общей базой с Транзистор NPN и с транзистором PNP.

Области применения схемы с общей базой

Схема с общей базой представляет собой базовый транзисторный усилитель с напряжением усиление.Он имеет низкий входной импеданс и средний выходной импеданс, что существенно определяется коллекторным резистором R2. Текущий выигрыш чуть ниже единицы.

Из-за низкого входного сопротивления схема с общей базой подходит для схема повторителя токового выхода, т. е. преобразователь тока в напряжение (I-U-преобразователь). В таком приложении выходное напряжение почти равно входному. ток, умноженный на сопротивление коллектора R2.

Как спроектировать транзисторный усилитель в конфигурации с общей базой

Транзисторные усилители в конфигурации с общей базой могут быть разработаны с Транзисторный усилитель 1.1 софт. Откройте программное обеспечение TransistorAmp и нажмите Новый усилитель — схема с общей базой :

Появится диалоговое окно Схема с общей базой . Здесь вы должны ввести все параметры схемы вашего усилителя:

Для выбора типа транзистора для вашей схемы необходимо нажать кнопку Выберите тип транзистора из списка и выберите тип транзистора в следующий диалог:

Программное обеспечение

TransistorAmp содержит почти все обычные типы биполярных транзисторов. (тысячи видов).Итак, вы обязательно найдете там транзистор того типа, который вам нужен. нужно. После того, как вы выбрали тип транзистора, вы должны нажать OK, и вы вернитесь к предыдущему диалогу (где вы указываете свой усилитель). Теперь этот диалог содержит тип транзистора, который вы выбрали, и вы можете нажать OK. Потом, диалоговое окно закроется, и вы сразу же увидите результат проектирования вашего нового транзистора. усилитель:

Здесь вы можете увидеть ваши входные параметры, схему и значения всех компоненты.Кроме того, вы можете увидеть наиболее важные параметры рабочая точка, т. е. ток коллектора, напряжение коллектор-эмиттер и мощность потребление.

Если вы хотите изменить какой-либо параметр схемы, просто нажмите еще раз на Новый усилитель — схема с общей базой и вы увидите, что вход диалоговое окно запоминает все ваши действия, поэтому вам легко вносить изменения.

Если вы хотите сохранить результат, нажмите Результат — Сохранить :

Затем введите имя файла и сохраните его.

Здесь вы можете увидеть результирующий файл из нашего примера: Усилитель в конфигурации с общей базой


© Circuit Experts 2022
Выходные данные · Политика конфиденциальности · Немецкий

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.