Эмиттер коллектор. Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и применение

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:

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): I_Б*β=I_K.

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 h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. 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 (I_К=β*I_Б) — 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=(I_К+I_Б)/I_Б=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.

Что такое транзистор? — эмиттер, основание и коллектор

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: —

1. излучатель
2. База
3. 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. Активная область: Эта область используется для работы усилителя.
2. Область насыщения: В этом регионе транзистор работает, когда нам нужно переключение. В этой области транзистор действует как переключатель ВКЛ.
3. Cut Off Region: В этом транзисторе работает замкнутый переключатель.

Преимущества использования транзисторов

1. 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.
2. 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.
3. Высокая рабочая эффективность : транзисторы обладают высокой рабочей эффективностью независимо от того, используем ли мы ее в качестве усилителя, генератора или переключателя.
4. 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

1. Низкая рабочая частота: Он обладает рабочей частотой только до определенных МГц. Это делает его из лиги, когда речь заходит о высокочастотных приложениях.
2. 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.

,

Транзисторный эмиттер, усилитель с общим коллектором »Electronics Notes

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 транзистора

Глядя 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

1. Выберите транзистор: Как и в других транзисторных схемах, транзистор должен быть выбран в соответствии с ожидаемыми требованиями.
2. 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.
3. 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:

1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
2. 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.
3. Определите базовый ток: Максимальный базовый ток — это ток коллектора, деленный на β (или hfe, который по существу одинаков).
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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?

.