Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр
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
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
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.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
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.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
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 транзисторы имеют
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
Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
- Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
- Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
- Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
- Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. 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
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
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
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
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.
Маркировка
Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .
Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru
Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173
Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 33k. Опубликовано
В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».
Что такое транзистор
Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.
Принцип действия
Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.
В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.
Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.
Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.
В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.
Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.
Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.
Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.
Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.
В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.
Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.
Полевой транзистор
Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.
Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.
Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).
Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.
Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.
Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.
Существует два вида МДП-затвора:
- МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
- МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
Основные характеристики
Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.
В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.
Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.
Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.
Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.
Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.
Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.
Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.
Типы подключений
Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.
По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.
- Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
- Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
- Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.
Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.
Виды транзисторов
В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.
В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнике.
Другие классификации транзисторов:
- По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
- Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
- Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
- К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
- В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.
Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.
Как проверить транзистор мультиметром
Опытные электрики и электронщики знают, что для полной проверки транзисторов существуют специальные пробники.
С помощью них можно не только проверить исправность последнего, но и его коэффициент усиления — h31э.
Необходимость наличия пробника
Пробник действительно нужный прибор, но, если вам необходимо просто проверить транзистор на исправность вполне подойдет и мультиметр.
Устройство транзистора
Прежде, чем приступить к проверке, необходимо разобраться что из себя представляет транзистор.
Он имеет три вывода, которые формируют между собой диоды (полупроводники).
Каждый вывод имеет свое название: коллектор, эмиттер и база. Первые два вывода p-n переходами соединяются в базе.
Один p-n переход между базой и коллектором образует один диод, второй p-n переход между базой и эмиттером образует второй диод.
Оба диода подсоединены в схему встречно через базу, и вся эта схема представляет собой транзистор.
Ищем базу, эмиттер и коллектор на транзисторе
Как сразу найти коллектор.
Чтобы сразу найти коллектор нужно выяснить, какой мощности перед вами транзистор, а они бывают средней мощности, маломощные и мощные.
Транзисторы средней мощности и мощные сильно греются, поэтому от них нужно отводить тепло.
Делается это с помощью специального радиатора охлаждения, а отвод тепла происходит через вывод коллектора, который в этих типах транзисторов расположен посередине и подсоединен напрямую к корпусу.
Получается такая схема передачи тепла: вывод коллектора – корпус – радиатор охлаждения.
Если коллектор определен, то определить другие выводы уже будет не сложно.
Бывают случаи, которые значительно упрощают поиск, это когда на устройстве уже есть нужные обозначения, как показано ниже.
Производим нужные замеры прямого и обратного сопротивления.
Однако все равно торчащие три ножки в транзисторе могу многих начинающих электронщиков ввести в ступор.
Как же тут найти базу, эмиттер и коллектор?
Без мультиметра или просто омметра тут не обойтись.
Итак, приступаем к поиску. Сначала нам нужно найти базу.
Берем прибор и производим необходимые замеры сопротивления на ножках транзистора.
Берем плюсовой щуп и подсоединяем его к правому выводу. Поочередно минусовой щуп подводим к среднему, а затем к левому выводам.
Между правым и среднем у нас, к примеру, показало 1 (бесконечность), а между правым и левым 816 Ом.
Эти показания пока ничего нам не дают. Делаем замеры дальше.
Теперь сдвигаемся влево, плюсовой щуп подводим к среднему выводу, а минусовым последовательно касаемся к левому и правому выводам.
Опять средний – правый показывает бесконечность (1), а средний левый 807 Ом.
Это тоже нам ничего не говорить. Замеряем дальше.
Теперь сдвигаемся еще левее, плюсовой щуп подводим к крайнему левому выводу, а минусовой последовательно к правому и среднему.
Если в обоих случаях сопротивление будет показывать бесконечность (1), то это значит, что базой является левый вывод.
А вот где эмиттер и коллектор (средний и правый выводы) нужно будет еще найти.
Теперь нужно сделать замер прямого сопротивления. Для этого теперь делаем все наоборот, минусовой щуп к базе (левый вывод), а плюсовой поочередно подсоединяем к правому и среднему выводам.
Запомните один важный момент, сопротивление p-n перехода база – эмиттер всегда больше, чем p-n перехода база – коллектор.
В результате замеров было выяснено, что сопротивление база (левый вывод) – правый вывод равно 816 Ом, а сопротивление база – средний вывод 807 Ом.
Значит правый вывод — это эмиттер, а средний вывод – это коллектор.
Итак, поиск базы, эмиттера и коллектора завершен.
Как проверить транзистор на исправность
Чтобы проверить транзистор мультиметром на исправность достаточным будет измерить обратное и прямое сопротивление двух полупроводников (диодов), чем мы сейчас и займемся.
В транзисторе обычно существуют две структуру перехода p-n-p и n-p-n.
P-n-p – это эмиттерный переход, определить это можно по стрелке, которая указывает на базу.
Стрелка, которая идет от базы указывает на то, что это n-p-n переход.
P-n-p переход можно открыть с помощью минусовое напряжения, которое подается на базу.
Выставляем переключатель режимов работы мультиметра в положение измерение сопротивления на отметку «200».
Черный минусовой провод подсоединяем к выводу базы, а красный плюсовой по очереди подсоединяем к выводам эмиттера и коллектора.
Т.е. мы проверяем на работоспособность эмиттерный и коллекторный переходы.
Показатели мультиметра в пределах от 0,5 до 1,2 кОм скажут вам, что диоды целые.
Теперь меняем местами контакты, плюсовой провод подводим к базе, а минусовой поочередно подключаем к выводам эмиттера и коллектора.
Настройки мультиметра менять не нужно.
Последние показания должны быть на много больше, чем предыдущие. Если все нормально, то вы увидите цифру «1» на дисплее прибора.
Это говорит о том, что сопротивление очень большое, прибор не может отобразить данные выше 2000 Ом, а диодные переходы целые.
Преимущество данного способа в том, что транзистор можно проверить прямо на устройстве, не выпаивая его оттуда.
Хотя еще встречаются транзисторы где в p-n переходы впаяны низкоомные резисторы, наличие которых может не позволить правильно провести измерения сопротивления, оно может быть маленьким, как на эмиттерном, так и на коллекторном переходах.
В данном случае выводы нужно будет выпаять и проводить замеры снова.
Признаки неисправности транзистора
Как уже отмечалось выше если замеры прямого сопротивления (черный минус на базе, а плюс поочередно на коллекторе и эмиттере) и обратного (красный плюс на базе, а черный минус поочередно на коллекторе и эмиттере) не соответствуют указанным выше показателям, то транзистор вышел из строя.
Другой признак неисправности, это когда сопротивление p-n переходов хотя бы в одном замере равно или приближено к нулю.
Это указывает на то, что диод пробит, а сам транзистор вышел из строя. Используя данные выше рекомендации, вы легко сможете проверить транзистор мультиметром на исправность.
Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки. Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.
Особенности устройства биполярного транзистора
Биполярный транзистор включает в себя три области:
- эмиттер;
- базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
- коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.
К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.
Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.
Принцип работы биполярного транзистора
Этот тип транзистора имеет два перехода:
- электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
- между коллектором и базой – коллекторный.
Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.
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».
Схемы включения биполярных транзисторов
В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.
С общим эмиттером
Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.
С общей базой
Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.
С общим коллектором
Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.
Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?
- Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
- Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
- Максимальную рассеиваемую мощность.
Была ли статья полезна?
Да
Нет
Оцените статью
Что вам не понравилось?
Анатолий Мельник
Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.
Биполярный транзистор — Википедия
Обозначение биполярных транзисторов на схемах. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.
Простейшая наглядная схема устройства транзистораБиполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.
Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).
Устройство
Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора.Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[1].
С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.
Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).
Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.
В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.
Принцип работы
В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).
В транзисторе типа n-p-n[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).
Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.
Режимы работы
| Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} ) | Смещение перехода база-эмиттер для типа n-p-n | Смещение перехода база-коллектор для типа n-p-n | Режим для типа n-p-n |
|---|---|---|---|
| U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} | прямое | обратное | нормальный активный режим |
| U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} | прямое | прямое | режим насыщения |
| U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} | обратное | обратное | режим отсечки |
| U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} | обратное | прямое | инверсный активный режим |
| Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} ) | Смещение перехода база-эмиттер для типа p-n-p | Смещение перехода база-коллектор для типа p-n-p | Режим для типа p-n-p |
| U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} | обратное | прямое | инверсный активный режим |
| U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} | обратное | обратное | режим отсечки |
| U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} | прямое | прямое | режим насыщения |
| U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} | прямое | обратное | нормальный активный режим |
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):
- UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.
Режим отсечки
В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).
Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.
Схемы включения
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
- Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
- Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой
Схема включения с общей базой.- Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
- Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
- Достоинства
- Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
- Высокое допустимое коллекторное напряжение.
- Недостатки
- Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
- Малое входное сопротивление
Схема включения с общим эмиттером
Схема включения с общим эмиттером.Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
- Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
- Достоинства
- Большой коэффициент усиления по току.
- Большой коэффициент усиления по напряжению.
- Наибольшее усиление мощности.
- Можно обойтись одним источником питания.
- Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
- Недостатки
- Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.
Схема с общим коллектором
Схема включения с общим коллектором.Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.
- Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
- Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
- Достоинства
- Большое входное сопротивление.
- Малое выходное сопротивление.
- Недостатки
- Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.
Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».
Основные параметры
- Коэффициент передачи по току.
- Входное сопротивление.
- Выходная проводимость.
- Обратный ток коллектор-эмиттер.
- Время включения.
- Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
- Обратный ток коллектора.
- Максимально допустимый ток.
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
- коэффициент усиления по току α;
- сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
- rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
- rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
- rб — поперечное сопротивление базы.
Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.
Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
- h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
- h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
- h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.
Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
- h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.
Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:
- Um1 = h11Im1 + h12Um2;
- Im2 = h21Im1 + h22Um2.
В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.
Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:
- h21э = Imк/Imб = β.
Для схемы ОБ: Im1 = Imэ, Im2 = Imк, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.
Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:
h 11 ∍ = r δ + r ∍ 1 − α {\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}} ;
h 12 ∍ ≈ r ∍ r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} ;
h 21 ∍ = β = α 1 − α {\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}} ;
h 22 ∍ ≈ 1 r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} .
С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.
В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.
Биполярный СВЧ-транзистор
Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ[7]. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу[8]. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую)[9]. По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт)[10]. Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ[10].
Технологии изготовления транзисторов
Применение транзисторов
См. также
Примечания
- ↑ Невыпрямляющий, или омический контакт — контакт двух разнородных материалов, вольтамперная характеристика которого симметрична при смене полярности и практически линейна.
- ↑ 1 2 Прямое смещение p-n-перехода означает, что область p-типа имеет положительный потенциал относительно облаcти n-типа.
- ↑ Для случая p-n-p все рассуждения аналогичны с заменой слова «электроны» на «дырки» и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположное по знаку.
- ↑ Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — С. 53—68. — 336 с. — ISBN 978-5-7695-5898-6.
- ↑ Лекция № 7 — Биполярный транзистор как активный четырёхполюсник, h-параметры
- ↑ Физические основы электроники: метод. указания к лабораторным работам / сост. В. К. Усольцев. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. — 50 с.:ил.
- ↑ Кулешов, 2008, с. 284.
- ↑ Кулешов, 2008, с. 285.
- ↑ Кулешов, 2008, с. 286.
- ↑ 1 2 Кулешов, 2008, с. 292.
Ссылки
Литература
- Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с.
- Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.
В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.
Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.
Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.
Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.
Сам по себе транзистор может только управлять током.
Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.
Итак, первая группа — биполярные транзисторы.
Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.
Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).
Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.
Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.
На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.
Режимы работы биполярного транзистора:
1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей. |
2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением. |
3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей. |
4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим». |
Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.
Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.
Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK.
Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).
В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».
Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.
Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.
И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.
Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.
В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.
Мы устали… отдохнём немного…
И снова вперёд!
Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)
В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.
Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.
Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?
50 мА/ 20 раз = 2,5 мА
Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?
Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.
Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.
Вернёмся опять к теории.
В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):
1) Схема с общим эмиттером.
Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.
Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).
Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).
2) Схема с общей базой.
Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.
Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.
3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.
Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.
Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).
Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.
Продолжение следует…
Принцип работы биполярного транзистора
В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.
База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.
Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.
Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.
Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.
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 < Uк.
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.
Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.
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.
Определение: Слово «транзистор» образовано из двух слов: одно « Trans fer», а другое «Var istor ». Это подразумевает, что устройство, которое передает сопротивление от одного канала схемы другому, называется транзистором. Это трехконтактное устройство с управлением по току , которое может работать как коммутатор , или как усилитель , обеспечивая небольшое напряжение сигнала.Это один из значимых типов активных устройств.
Значение и История Транзистора
Вы должны думать, зачем нужен транзистор ???
Позвольте мне объяснить это с помощью истории. В начале 20 -го века, когда был изобретен вакуумный триод, он считался значительным событием в области электроники. Это потому, что такие устройства, как компьютеры, были полностью основаны на них.
Но проблема началась с их размера, который может охватить всю комнату.Теперь вы можете представить, что произойдет, если вся комната состоит из единой системы обработки. Очевидно, что работать с ним — громоздкий процесс.
К счастью, в современном мире у нас компактная система обработки размеров. Но все это стало возможным с изобретением транзистора. В 1947 , Джон Бардин вместе с Уильямом Шокли и Браттейном изобрели транзистор. Последствия вполне очевидны. Теперь все вычислительные устройства доступны в небольших размерах, которые мы можем легко носить с собой куда угодно.
Строительство
Давайте обсудим конструктивные особенности транзистора, как формируется это 3-контактное устройство. Диод является двухполюсным устройством, таким образом, если мы объединим два диода при условии, что один вывод является общим, получающееся в результате устройство будет состоять из трех выводов.
Так устроен транзистор. Мы можем использовать либо зажатый слой полупроводника P-типа между двумя полупроводниками N-типа, либо путем послойного слоя N-типа между двумя образцами полупроводника P-типа.Транзистор, сформированный в первом случае, будет NPN-транзистором , а сформированный в последнем случае — PNP-транзистором.
Три терминала имеют конкретные имена, которые следующие: —
- излучатель
- База
- Коллектор
Мы обсудим функции этих трех клемм в работе транзистора.
Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, поэтому в качестве материала для его изготовления можно использовать германий, или кремний, , но кремний предпочтительнее германия, потому что он обладает током отсечки на меньше.
Рабочий Транзистор
Транзистор в своих названиях предполагает перенос сопротивления с одного канала на другой канал. Таким образом, поскольку имеется три клеммы транзистора, то есть база, эмиттер и коллектор. Таким образом, существует два перехода транзисторов. Одним из них является соединение эмиттер-база, а другим — соединение коллектор-база. Я намерен объяснить работу транзистора с помощью этих первостепенных параметров.
Прежде чем углубляться в детали работы транзистора, давайте разберемся с этими тремя важными клеммами транзистора и их характеристиками.
- Эмиттер: Эмиттерный терминал является сильно легированной областью по сравнению с двумя основанием и коллектором. Это связано с тем, что работа эмиттера заключается в подаче носителя заряда в коллектор через базу. Размер излучателя больше базового, но меньше, чем у коллектора.
- База: Размер области основания чрезвычайно мал, он меньше, чем эмиттер и коллектор. Размер основания всегда остается небольшим, так что носители заряда, исходящие от излучателя и входящие в базу, не будут рекомбинировать в области основания и будут направлены в область коллектора.Интенсивность легирования основы также меньше, чем у эмиттера и коллектора по той же причине, что указана выше.
- Коллектор: Коллекторная клемма умеренно легирована, и размер области коллектора немного больше, чем области эмиттера, потому что все носители заряда, исходящие от эмиттера, рекомбинируют в основании, и тепло выделяется в этом процессе. Таким образом, необходимо, чтобы коллекторный вывод был достаточно большим, чтобы он мог рассеивать тепло, и устройство не могло выгореть.
Несмещенный Транзистор
Давайте рассмотрим NPN-транзистор, который беспристрастен. Беспристрастный означает, что он не обеспечен никаким внешним источником напряжения. В этом состоянии большинство носителей заряда в области эмиттера будут двигаться в направлении базовой области.
Из-за умеренного легирования и небольшого размера базового терминала, только 5-10% носителей заряда, входящих в базу, будут рекомбинировать. Обратите внимание, что мы рассмотрели NPN-транзистор, поэтому основными носителями заряда в эмиттере будут электроны.
Таким образом, только несколько электронов будут рекомбинировать у основания, а остальные начнут двигаться в направлении коллектора. Таким образом, 90-95% электронов, испускаемых эмиттером, будут рекомбинированы с дырками в области коллектора. Это движение электрона и дырок в цепи приводит к генерации тока.
В основном транзисторы работают в трех областях:
- Активная область: Эта область используется для работы усилителя.
- Область насыщения: В этом регионе транзистор работает, когда нам нужно переключение. В этой области транзистор действует как переключатель ВКЛ.
- Cut Off Region: В этом транзисторе работает замкнутый переключатель.
Преимущества использования транзисторов
- Компактный размер: Эти малоразмерные транзисторы позволяют создавать компактные процессоры. Нам больше не нужно работать с компьютерами на базе вакуумных ламп большого размера.Все благодаря изобретателям транзисторов.
- Легкий вес: Вся конструкция транзистора упакована в один корпус с радиатором и тремя клеммами. Весь этот корпус очень легкий, что добавляет преимущества транзистору и делает его портативным устройством.
- Высокая рабочая эффективность : транзисторы обладают высокой рабочей эффективностью независимо от того, используем ли мы ее в качестве усилителя, генератора или переключателя.
- Long Life: Он также обладает длительным сроком службы, что делает его надежным для различных применений, поскольку он сводит к минимуму эффекты старения.
Недостатки использования транзисторов
- Низкая рабочая частота: Он обладает рабочей частотой только до определенных МГц. Это делает его из лиги, когда речь заходит о высокочастотных приложениях.
- Низкая рабочая температура: Существует пороговый предел температуры, выше которого при работе транзистора он может обветшать. Порог порога составляет 75ᵒC. Таким образом, мы не можем управлять им выше этого диапазона температур.
Все идет с плюсами и минусами. Вы, наверное, слышали это. Для каждого преимущества устройство обладает определенными недостатками, хотя первое перевешивает второе. Транзисторы тоже имеют определенные недостатки.
,Схема повторителя эмиттера или общего коллектора обеспечивает идеальный буферный усилитель, и его легко спроектировать.
Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает в себя: Проектирование схем транзисторов
Конфигурации цепей
Общий эмиттер
Общая схема излучателя
Последователь эмитента
Общая база
Смотри также: Типы транзисторных цепей
Конфигурация схемы общего коллектора более широко известна как повторитель эмиттера и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.
Это означает, что схема повторителя эмиттера обеспечивает идеальную буферную ступень, и в результате она используется во многих цепях, где нет необходимости загружать цепь, такую как генератор или другая схема, но обеспечивает более низкий импеданс для следующих ступеней. ,
Конструкция электронной схемы для повторителя эмиттера или каскада с общим коллектором очень проста и требует всего лишь нескольких электронных компонентов и некоторых очень простых расчетов.
Основные сведения об эмиттере и повторителе с общим коллектором
Конфигурация транзисторной схемы с общим коллектором получила свое название благодаря тому факту, что схема коллектора является общей для обеих входных и выходных цепей, база связана только с входом, а затем эмиттер с выходом.
Другое название для общего коллектора — следящий за эмиттером. Это название происходит от того факта, что напряжение эмиттера «следует» за напряжением базовой цепи — схема имеет коэффициент усиления напряжения на единицу.
Транзисторный усилитель с эмиттерным повторителем имеет очень простую схему. База подключена к предыдущей ступени, и часто она может быть подключена напрямую, поскольку это может сэкономить на дополнительных резисторах смещения, которые снижают входной импеданс и, следовательно, увеличивают нагрузку на предыдущую ступень.
Конфигурация схемы общего коллектора транзистораГлядя на схему, можно увидеть, что, хотя напряжение эмиттера соответствует напряжению базы, в терминах постоянного тока оно фактически меньше, чем напряжение базы, на напряжение, равное падению PN-соединения между базой и эмиттером. Как правило, это составляет 0,6 В для кремниевого транзистора и от 0,2 до 0,3 для германиевых транзисторов, хотя в наши дни они широко не используются.
Поскольку напряжение эмиттера соответствует напряжению базы, это означает, что вход и выход точно в фазе и не смещены на 180 °, как в случае с общим эмиттерным усилителем.
Краткий обзор характеристик транзисторного усилителя эмиттера В приведенной ниже таблице приведены основные характеристики общего коллектора, транзисторного усилителя с эмиттерным повторителем.
Общий коллектор, транзисторный усилитель с эмиттерным повторителем
Параметр Характеристики Ток усиления Высокий Повышение напряжения Ноль Прирост мощности Средний Соотношение фаз входа / выхода 0 ° Входное сопротивление Высокий Выходное сопротивление Низкий
Одним из ключевых аспектов характеристики является входное сопротивление.Поскольку он обычно используется в качестве буферного усилителя, это ключевой параметр.
Входное сопротивление может быть легко рассчитано для цепи, потому что оно в β раз больше резистора R1, где β — коэффициент усиления прямого тока транзистора.
Сопротивление входного сигнала эмиттера сопряженный эмиттерный повторитель, общая схема коллектора
Простейший способ подключения повторителя эмиттера состоит в непосредственном соединении входа, как показано ниже. Часто на коллекторе предыдущей ступени будет напряжение приблизительно равное среднему рельсу, а это означает, что он может быть напрямую связан с буферной ступенью.
Непосредственно связанная схема повторителя излучателя- Выберите транзистор: Как и в других транзисторных схемах, транзистор должен быть выбран в соответствии с ожидаемыми требованиями.
- Значение сопротивления эмиттера: Напряжение на эмиттере легко определить. Это просто то, что появлялось на предыдущем этапе. Скажем, например, что это половина напряжения на шине, тогда напряжение на эмиттере Q1 будет равно 0.5В (для кремниевого транзистора) меньше этого — падение базы эмиттерного перехода. Просто рассчитайте значение резистора для требуемого тока.
- Входное сопротивление повторителя эмиттера: Входное сопротивление цепи эффективно в β раз больше резистора эмиттера, R1.
Последовательный эмиттер, общая цепь коллектора
Не всегда возможно напрямую соединить повторитель эмиттера с буфером общего коллектора.В этом случае необходимо добавить в схему несколько дополнительных электронных компонентов: конденсаторы связи и резисторы смещения.
Последовательная цепь эмиттера Может быть спроектирован следящий излучатель, и значения электронных компонентов могут быть определены с использованием расчетного потока, приведенного ниже:
- Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
- Выберите резистор эмиттера: Выбирая напряжение эмиттера примерно наполовину от напряжения питания, чтобы обеспечить наиболее равномерный диапазон перед началом какого-либо ограничения, определите ток, требуемый от полного сопротивления следующей ступени.
- Определите базовый ток: Максимальный базовый ток — это ток коллектора, деленный на β (или hfe, который по существу одинаков).
- Определите базовое напряжение: Базовое напряжение — это просто напряжение эмиттера плюс напряжение соединения базового эмиттера — это 0.6 вольт для кремния и 0,2 вольт для германиевых транзисторов.
- Определите значения базового резистора: Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз больше требуемого тока базы. Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить требуемое напряжение на базе.
- Определите значение входного конденсатора: Значение входного конденсатора должно равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы падение на -3 дБ было на этой частоте.Полный импеданс цепи будет в β раз больше R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, то есть полное сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, вероятно, не окажет чрезмерного влияния на цепь.
- Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается равным сопротивлению цепи при самой низкой частоте работы. Сопротивление цепи — это выходное сопротивление повторителя эмиттера плюс сопротивление нагрузки, т.е.е. схема следующая.
- Переоценка допущений: В свете того, как была разработана схема, переоцените все допущения цепи, чтобы убедиться, что они все еще остаются в силе. Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.
Схема повторителя эмиттера особенно полезна для приложений, где требуется высокий входной импеданс. Предлагая высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, он не нагружает цепи, которые могут иметь только небольшую выходную способность, или схемы, подобные осцилляторам, которые требуют высокой нагрузки импеданса для обеспечения оптимальной стабильности и т. Д.
Практические аспекты Эмитента-последователя
При использовании схемы следования излучателя есть несколько полезных моментов, на которые следует обратить внимание:
- Входная емкость влияет на RF: Несмотря на то, что повторитель излучателя обеспечивает высокое сопротивление любым сигналам, емкость базового излучателя может уменьшить импеданс, если используются сигналы выше нескольких сотен килогерц. Об этом следует помнить при проектировании электронных схем, поскольку это может существенно повлиять на любые уровни нагрузки.
Коллектор может нуждаться в разъединении: В некоторых случаях цепь повторителя эмиттера может колебаться, особенно при наличии длинных проводов. Это может произойти, когда требуются высокочастотные характеристики и используются высокочастотные транзисторы.
Один из самых простых способов предотвратить это — отсоединить коллектор от земли с помощью конденсатора C3 с помощью соединений, которые должны быть как можно короче. Это может быть легко включено во время проектирования электронных схем и может быть включено в качестве меры предосторожности с использованием всего лишь пары электронных компонентов.
Значения будут зависеть от частоты использования. При необходимости между коллектором и шиной питания может быть установлено небольшое значение сопротивления R4. Значение этого резистора в большинстве случаев должно быть порядка 100 Ом или меньше. Это также может быть добавлено в качестве меры предосторожности.
Схема следящего действия эмиттера с развязкой коллектора Тот же эффект можно реализовать, поместив небольшой ферритовый шарик поверх провода коллектора. Однако для большинства целей решение резистор / конденсатор является наиболее удобным.
Приемник излучателя прост в реализации и требует всего лишь нескольких электронных компонентов. Это очень удобная схема, которую нужно добавить, когда цепь требует, чтобы на нее была установлена минимальная нагрузка.
Эмиттер-повторитель широко используется в качестве буферного усилителя, чтобы уменьшить нагрузку на предыдущем этапе и обеспечить выход с более низким импедансом для любых следующих цепей. Конструкция электронной схемы для сцены также очень проста и проста в реализации.
Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя
Операционные усилители
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтон
Транзисторные схемы
Полевые схемы
Схема символов
Вернуться в меню «Схема». , ,
. Схема усилителя с общим коллектором или повторителя излучателя и ее применение Усилитель представляет собой электронную схему, которая используется для усиления сигнала напряжения или тока. Вход для транзистора будет напряжением или током, а выход будет усиленной формой этого входного сигнала. Схема усилителя, обычно сконструированная с одним или несколькими транзисторами, называется транзисторным усилителем. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом в системе усилителя. В этой статье мы обсудим схему усилителя с общим коллектором.
Транзисторные усилители чаще всего используются в наших повседневных приложениях, таких как аудиоусилители, радиочастоты, аудиотюнеры, оптоволоконные коммуникации и т. Д.
Общие сведения об транзисторных усилителях с коллектором / эмиттером
Как мы уже говорили в В нашей предыдущей статье есть три конфигурации транзисторов, которые обычно используются для усиления сигнала: общая база (CB), общий коллектор (CC) и общий эмиттер (CE).
Хорошие транзисторные усилители по существу имеют следующие параметры: высокий коэффициент усиления, высокий входной импеданс, высокая пропускная способность, высокая скорость нарастания, высокая линейность, высокая эффективность, высокая стабильность и т. Д.
В конфигурации транзистора с общим коллектором мы используем клемму коллектора как общую для входных и выходных сигналов. Эта конфигурация также известна как конфигурация повторителя эмиттера, поскольку напряжение эмиттера соответствует базовому напряжению. Конфигурация повторителя эмиттера в основном используется в качестве буфера напряжения. Эти конфигурации широко используются в приложениях согласования импедансов из-за их высокого входного импеданса.
Усилители с общим коллектором имеют следующие конфигурации цепей.
- Входной сигнал поступает на транзистор на базовой клемме
- Входной сигнал поступает на транзистор на клемме эмиттера
- Коллектор подключен к постоянному напряжению, то есть заземлению, иногда с промежуточным резистором
Простая схема усилителя с общим коллектором показана на рисунке ниже. Коллекторный резистор Rc является ненужным во многих приложениях. Чтобы транзистор работал в качестве усилителя, он должен находиться в активной области его конфигурации.
Усилитель с общим коллектором или схема повторителя эмиттера Для этого мы должны установить точку покоя, которую необходимо установить с помощью схемы, внешней по отношению к транзистору, значения резисторов Rc и Rb и источники постоянного напряжения Vcc и Vbb, выбранные соответственно.
После того, как условия покоя схемы были рассчитаны, и было определено, что BJT находится в передне-активной области работы, h-параметры вычисляются ниже для формирования модели слабого сигнала транзистора.
Характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором
Нагрузочный резистор в усилителе с общим коллектором, включенный последовательно с цепью эмиттера, принимает как ток базы, так и ток коллектора.
Поскольку эмиттер транзистора представляет собой сумму токов базы и коллектора, поскольку токи базы и коллектора всегда складываются вместе для формирования тока эмиттера, было бы разумным предположить, что этот усилитель будет иметь очень большое усиление тока.
Усилитель с общим коллектором имеет довольно большое усиление тока, большее, чем любая другая конфигурация транзисторного усилителя. Характеристики усилителя постоянного тока указаны ниже.
Параметр Характеристики Коэффициент усиления Ноль Коэффициент усиления Высокий Коэффициент усиления Средний Отношение фаз входа или выхода Нулевой градус Входное сопротивление Высокое Выходное сопротивление Низкое
Теперь можно рассчитать характеристики схемы малого сигнала.Общая производительность схемы представляет собой сумму характеристик покоя и слабого сигнала. Схема модели переменного тока показана ниже.
AC Моделирование усилителя с общим коллектором Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки к входному току.
Ai = il / ib = -ie / ib
Из схемы h-параметров можно определить, что токи эмиттера и базы связаны через зависимый источник тока постоянной hfe + 1. Коэффициент усиления по току зависит только от характеристик BJT и не зависит от любых других значений элементов схемы.Его значение задается как
Ai = hfe + 1
Входное сопротивление
Входное сопротивление задается
Этот результат идентичен результату для общего усилителя эмиттера с эмиттерным резистором. Входное сопротивление усилителя с общим коллектором велико для типичных значений сопротивления нагрузки Re.
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по напряжению — это отношение выходного напряжения к входному напряжению. Если входное напряжение снова принимается за напряжение на входе транзистора, Vb.
Av = Vo / Vb
Av = (vo / il) (il / ib) (ib / vb)
Замена каждого члена эквивалентным выражением
Av = (Re) (Ai) (1 / Ri)
Приведенное выше уравнение несколько меньше единицы. Аппроксимационное уравнение усиления по напряжению задается как
. Общее усиление по напряжению может быть определено как
Avs = Vo / Vs
. Это отношение может быть непосредственно получено из коэффициента усиления по напряжению Av и деления напряжения между сопротивлением источника Rs и входное сопротивление усилителя Ri
После подстановки соответствующих уравнений общее усиление напряжения определяется как
Avs = 1- (hie + Rb) / (Ri + Rb)
Выходное сопротивление
Выходное сопротивление определяется как сопротивление Thevenin на выходе усилителя, оглядываясь назад на усилитель.Ниже показана схема эквивалентной цепи переменного тока для расчета выходного сопротивления.
Выходное сопротивление усилителя с общим коллектором Эквивалентная схема переменного тока Если на выходные клеммы подается напряжение v, то базовый ток составляет
ib = -v / (Rb + hie)
Общий ток, протекающий в BJT задается как
i = -ib-hfe.ib
, выходное сопротивление рассчитывается как
Ro = v / i = (Rb + hie) / (hfe + 1)
Выходное сопротивление для общего коллектора. Транзисторный усилитель обычно небольшой.
Применения
- Этот усилитель используется в качестве схемы согласования импедансов.
- Используется в качестве коммутационной цепи.
- Высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения.
- Он также используется для изоляции цепи.
В этой статье обсуждается работа общей схемы усилителя эмиттера и ее применение. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции.
Кроме того, любые вопросы, касающиеся этой статьи или если вы хотите реализовать проекты по электрике и электронике для студентов инженерных специальностей, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в следующем разделе. Вот вам вопрос, , каково усиление напряжения усилителя с общим коллектором?
.
Сопротивление входного сигнала эмиттера
Непосредственно связанная схема повторителя излучателя
Последовательная цепь эмиттераКоллектор может нуждаться в разъединении: В некоторых случаях цепь повторителя эмиттера может колебаться, особенно при наличии длинных проводов. Это может произойти, когда требуются высокочастотные характеристики и используются высокочастотные транзисторы.
Один из самых простых способов предотвратить это — отсоединить коллектор от земли с помощью конденсатора C3 с помощью соединений, которые должны быть как можно короче. Это может быть легко включено во время проектирования электронных схем и может быть включено в качестве меры предосторожности с использованием всего лишь пары электронных компонентов.
Значения будут зависеть от частоты использования. При необходимости между коллектором и шиной питания может быть установлено небольшое значение сопротивления R4. Значение этого резистора в большинстве случаев должно быть порядка 100 Ом или меньше. Это также может быть добавлено в качестве меры предосторожности.
Схема следящего действия эмиттера с развязкой коллектораТот же эффект можно реализовать, поместив небольшой ферритовый шарик поверх провода коллектора. Однако для большинства целей решение резистор / конденсатор является наиболее удобным.
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Вернуться в меню «Схема». , ,
Усилитель представляет собой электронную схему, которая используется для усиления сигнала напряжения или тока. Вход для транзистора будет напряжением или током, а выход будет усиленной формой этого входного сигнала. Схема усилителя, обычно сконструированная с одним или несколькими транзисторами, называется транзисторным усилителем. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом в системе усилителя. В этой статье мы обсудим схему усилителя с общим коллектором.
Транзисторные усилители чаще всего используются в наших повседневных приложениях, таких как аудиоусилители, радиочастоты, аудиотюнеры, оптоволоконные коммуникации и т. Д.
Общие сведения об транзисторных усилителях с коллектором / эмиттером
Как мы уже говорили в В нашей предыдущей статье есть три конфигурации транзисторов, которые обычно используются для усиления сигнала: общая база (CB), общий коллектор (CC) и общий эмиттер (CE).
Хорошие транзисторные усилители по существу имеют следующие параметры: высокий коэффициент усиления, высокий входной импеданс, высокая пропускная способность, высокая скорость нарастания, высокая линейность, высокая эффективность, высокая стабильность и т. Д.
В конфигурации транзистора с общим коллектором мы используем клемму коллектора как общую для входных и выходных сигналов. Эта конфигурация также известна как конфигурация повторителя эмиттера, поскольку напряжение эмиттера соответствует базовому напряжению. Конфигурация повторителя эмиттера в основном используется в качестве буфера напряжения. Эти конфигурации широко используются в приложениях согласования импедансов из-за их высокого входного импеданса.
Усилители с общим коллектором имеют следующие конфигурации цепей.
- Входной сигнал поступает на транзистор на базовой клемме
- Входной сигнал поступает на транзистор на клемме эмиттера
- Коллектор подключен к постоянному напряжению, то есть заземлению, иногда с промежуточным резистором
Простая схема усилителя с общим коллектором показана на рисунке ниже. Коллекторный резистор Rc является ненужным во многих приложениях. Чтобы транзистор работал в качестве усилителя, он должен находиться в активной области его конфигурации.
Усилитель с общим коллектором или схема повторителя эмиттераДля этого мы должны установить точку покоя, которую необходимо установить с помощью схемы, внешней по отношению к транзистору, значения резисторов Rc и Rb и источники постоянного напряжения Vcc и Vbb, выбранные соответственно.
После того, как условия покоя схемы были рассчитаны, и было определено, что BJT находится в передне-активной области работы, h-параметры вычисляются ниже для формирования модели слабого сигнала транзистора.
Характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором
Нагрузочный резистор в усилителе с общим коллектором, включенный последовательно с цепью эмиттера, принимает как ток базы, так и ток коллектора.
Поскольку эмиттер транзистора представляет собой сумму токов базы и коллектора, поскольку токи базы и коллектора всегда складываются вместе для формирования тока эмиттера, было бы разумным предположить, что этот усилитель будет иметь очень большое усиление тока.
Усилитель с общим коллектором имеет довольно большое усиление тока, большее, чем любая другая конфигурация транзисторного усилителя. Характеристики усилителя постоянного тока указаны ниже.
| Параметр | Характеристики |
| Коэффициент усиления | Ноль |
| Коэффициент усиления | Высокий |
| Коэффициент усиления | Средний |
| Отношение фаз входа или выхода | Нулевой градус |
| Входное сопротивление | Высокое |
| Выходное сопротивление | Низкое |
Теперь можно рассчитать характеристики схемы малого сигнала.Общая производительность схемы представляет собой сумму характеристик покоя и слабого сигнала. Схема модели переменного тока показана ниже.
AC Моделирование усилителя с общим коллекторомКоэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки к входному току.
Ai = il / ib = -ie / ib
Из схемы h-параметров можно определить, что токи эмиттера и базы связаны через зависимый источник тока постоянной hfe + 1. Коэффициент усиления по току зависит только от характеристик BJT и не зависит от любых других значений элементов схемы.Его значение задается как
Ai = hfe + 1
Входное сопротивление
Входное сопротивление задается
Этот результат идентичен результату для общего усилителя эмиттера с эмиттерным резистором. Входное сопротивление усилителя с общим коллектором велико для типичных значений сопротивления нагрузки Re.
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по напряжению — это отношение выходного напряжения к входному напряжению. Если входное напряжение снова принимается за напряжение на входе транзистора, Vb.
Av = Vo / Vb
Av = (vo / il) (il / ib) (ib / vb)
Замена каждого члена эквивалентным выражением
Av = (Re) (Ai) (1 / Ri)
Приведенное выше уравнение несколько меньше единицы. Аппроксимационное уравнение усиления по напряжению задается как
. Общее усиление по напряжению может быть определено как
Avs = Vo / Vs
. Это отношение может быть непосредственно получено из коэффициента усиления по напряжению Av и деления напряжения между сопротивлением источника Rs и входное сопротивление усилителя Ri
После подстановки соответствующих уравнений общее усиление напряжения определяется как
Avs = 1- (hie + Rb) / (Ri + Rb)
Выходное сопротивление
Выходное сопротивление определяется как сопротивление Thevenin на выходе усилителя, оглядываясь назад на усилитель.Ниже показана схема эквивалентной цепи переменного тока для расчета выходного сопротивления.
Выходное сопротивление усилителя с общим коллектором Эквивалентная схема переменного токаЕсли на выходные клеммы подается напряжение v, то базовый ток составляет
ib = -v / (Rb + hie)
Общий ток, протекающий в BJT задается как
i = -ib-hfe.ib
, выходное сопротивление рассчитывается как
Ro = v / i = (Rb + hie) / (hfe + 1)
Выходное сопротивление для общего коллектора. Транзисторный усилитель обычно небольшой.
Применения
- Этот усилитель используется в качестве схемы согласования импедансов.
- Используется в качестве коммутационной цепи.
- Высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения.
- Он также используется для изоляции цепи.
В этой статье обсуждается работа общей схемы усилителя эмиттера и ее применение. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции.
Кроме того, любые вопросы, касающиеся этой статьи или если вы хотите реализовать проекты по электрике и электронике для студентов инженерных специальностей, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в следующем разделе. Вот вам вопрос, , каково усиление напряжения усилителя с общим коллектором?
.Похожие записи
