Что такое коэффициент усиления транзистора. Как рассчитать коэффициент усиления по току для схем с общей базой и общим эмиттером. От чего зависит коэффициент усиления транзистора. Как измерить коэффициент усиления на практике.

Что такое коэффициент усиления транзистора

Коэффициент усиления транзистора — это один из важнейших параметров, характеризующих его усилительные свойства. Он показывает, во сколько раз изменение выходного тока или напряжения больше, чем изменение входного сигнала.

Различают следующие основные виды коэффициентов усиления транзистора:

• Коэффициент усиления по току (β или h21э)
• Коэффициент усиления по напряжению (μ)
• Коэффициент усиления по мощности (KP)

Наиболее часто используется коэффициент усиления по току β, который показывает отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Формулы расчета коэффициента усиления транзистора

Для расчета коэффициента усиления транзистора используются различные формулы в зависимости от схемы включения.

Коэффициент усиления для схемы с общей базой

В схеме с общей базой коэффициент передачи тока (α) рассчитывается по формуле:

α = ΔIк / ΔIэ

где ΔIк — изменение тока коллектора, ΔIэ — изменение тока эмиттера.

Значение α обычно близко к единице и составляет 0.95-0.99.

Коэффициент усиления для схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току (β) определяется как:

β = ΔIк / ΔIб

где ΔIк — изменение тока коллектора, ΔIб — изменение тока базы.

Коэффициент β связан с α следующим соотношением:

β = α / (1 — α)

Типичные значения β лежат в диапазоне от 50 до 200 и более.

Зависимость коэффициента усиления от режима работы транзистора

Коэффициент усиления транзистора не является постоянной величиной и зависит от режима его работы. Рассмотрим основные факторы, влияющие на коэффициент усиления:

Зависимость от тока коллектора

При увеличении тока коллектора коэффициент усиления сначала возрастает, достигая максимума, а затем начинает снижаться. Это связано с эффектами высокого уровня инжекции при больших токах. Оптимальное значение тока коллектора, при котором β максимален, указывается в документации на транзистор.

Зависимость от напряжения коллектор-эмиттер

С ростом напряжения коллектор-эмиттер коэффициент усиления обычно незначительно увеличивается из-за эффекта модуляции ширины базы (эффект Эрли). При приближении к напряжению пробоя наблюдается более резкий рост β.

Температурная зависимость

При повышении температуры коэффициент усиления транзистора возрастает. Это связано с увеличением времени жизни неосновных носителей заряда в базе при нагреве. Типичное изменение β составляет 0.5-0.7% на градус Цельсия.

Измерение коэффициента усиления транзистора

Для практического определения коэффициента усиления транзистора используются следующие методы:

Измерение с помощью мультиметра

Многие цифровые мультиметры имеют специальный режим для измерения коэффициента усиления транзисторов. Для этого необходимо:

1. Перевести мультиметр в режим измерения hFE
2. Определить тип транзистора (NPN или PNP) и цоколевку выводов
3. Вставить выводы транзистора в соответствующие гнезда на панели прибора
4. Считать показания коэффициента усиления с дисплея

Измерение по статическим характеристикам

Коэффициент усиления можно определить по семейству выходных характеристик транзистора. Для этого измеряют приращения тока коллектора и тока базы при постоянном напряжении коллектор-эмиттер и рассчитывают их отношение.

Применение коэффициента усиления транзистора

Знание коэффициента усиления необходимо при разработке и анализе транзисторных схем. Основные области применения:

• Расчет усилительных каскадов на транзисторах
• Определение режима работы транзистора по постоянному току
• Оценка температурной стабильности схем
• Подбор транзисторов с близкими параметрами для согласованных каскадов

Типичные значения коэффициента усиления для разных типов транзисторов

Коэффициент усиления может сильно различаться для разных типов транзисторов:

• Маломощные биполярные транзисторы общего применения: 50-200
• Мощные биполярные транзисторы: 20-100
• Высокочастотные и СВЧ-транзисторы: 10-50
• Составные транзисторы Дарлингтона: 1000-10000
• Полевые транзисторы: до 10000 и выше

Влияние коэффициента усиления на характеристики усилителя

Коэффициент усиления транзистора оказывает существенное влияние на параметры усилительных схем:

Коэффициент усиления каскада

Коэффициент усиления каскада на биполярном транзисторе по напряжению приблизительно равен:

Ku ≈ β * Rk / Rэ

где Rk — сопротивление в цепи коллектора, Rэ — сопротивление в цепи эмиттера.

Входное сопротивление

Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером можно оценить по формуле:

Rвх ≈ β * Rэ

То есть входное сопротивление прямо пропорционально коэффициенту усиления транзистора.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление каскада с общим эмиттером обратно пропорционально β:

Rвых ≈ Rk / β

Способы увеличения коэффициента усиления транзистора

Для повышения коэффициента усиления транзисторных схем используются следующие методы:

• Применение составных транзисторов (схема Дарлингтона)
• Использование каскодных схем включения
• Оптимизация режима работы транзистора по постоянному току
• Применение цепей отрицательной обратной связи
• Использование транзисторов с изначально высоким β

При этом следует учитывать, что чрезмерное увеличение коэффициента усиления может привести к ухудшению других параметров усилителя, таких как полоса пропускания и устойчивость.

Коэффициент усиления транзистора

Определение и формула коэффициента усиления транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который используют для усиления, преобразования и генерирования электрических сигналов. Сам по себе транзистор ни чего не усиливает. Свойства усиления его заключены в том, что небольшие изменения сигнала на входе ведут к существенным изменениям тока (напряжения) на выходе транзистора или их совокупности, за счет использования энергии от внешнего источника. Используют три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Если транзистор работает в ключевом режиме, то используют коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала (чаще всего этот коэффициент обозначают буквой ). Это величина, равная отношению тока на коллекторе () (он определяется нагрузкой) к минимальному току базы ():

   

Большинство транзисторов на сегодняшний момент имеет

Коэффициентом усиления транзистора по току при рассмотрении схем с общей базой называют отношение силы тока коллектора () к силе тока эмиттера () при постоянном напряжении в переходе между эмиттером и коллектором. Чаще всего такой коэффициент усиления обозначают или Тогда формула определяющая коэффициент усиления транзистора по току , имеет вид:

   

Этот коэффициент не может быть больше единицы.

Коэффициент усиления транзистора по току для схем с общим эмиттером ( или ) можно определить при помощи выражения:

   

где — сила тока в коллекторе, — сила тока в базе. При этом напряжение на переходе коллектор эмиттер постоянно

Коэффициент усиления зависит не только от тока на входе, но и от температуры.

Коэффициентом усиления транзистора по напряжению () называют величину, равную отношению напряжения на нагрузке (R) вцепи коллектора () к напряжения на входе ():

   

Коэффициент усиления для однотипных транзисторов может лежать в довольно большом диапазоне. — зависит от свойств транзистора и от отношения сопротивлений нагрузки в цепях коллектора и эмиттера:

   

Единицы измерения коэффициента усиления транзистора

Коэффициент усиления — может быть величиной безразмерной. При решении задач следует обратить внимание на то, чтобы величины входных и выходных сигналов были выражены в одних единицах.

Или коэффициент усиления может выражаться в логарифмических единицах — децибелах.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

Для каждой из схем включения транзисторов наиболее важными параметрами являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.

Как отмечалось выше, исходное состояние транзистора определяется выбором режима его работы, который характеризуется протеканием установившихся в нем токов определенной величины и наличием напряжений как на транзисторе, так и на элементах, соединенных с ним. При подаче входного сигнала ранее имевшие место токи и напряжения в транзисторе изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. Для исключения влияния положения рабочей точки транзистора на его коэффициенты усиления при их анализе используются не абсолютные значения токов и напряжений, а их приращения. Рассмотрим в общем виде коэффициенты усиления транзистора.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:

(5)

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:

(6)

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:

(7)

Входным сопротивлением называется отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока:

(8)

Выходным сопротивлением называется отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока:

(9)

Рассмотрим эти параметры для двух схем включения транзистора. На рисунке 3.16 показано включение транзистора по схеме с О.Б. в динамическом режиме.

Рисунок 3.16 – Транзистор, включённый по схеме

с общей базой в динамическом режиме

Здесь с помощью источника E осуществляется установка рабочей точки на транзисторе, U_ист – источник усиливаемого сигнала, U_вх – входное напряжение, U_н – выходное напряжение. В этой схеме входным и выходным токами являются соответственно ток эмиттера и коллектора. Тогда, в соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме с общей базой будет равен:

Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с О.Б. несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с О.Б. обозначают через α:

(10)

В соответствии с (6), определим коэффициент усиления по напряжению в схеме с О.Б.:

Здесь под R_вх,б понимается входное сопротивление транзистора между эмиттером и базой в схеме с О.Б. в динамическом режиме.

В стабилизаторах R_н составляет 10÷100 Ом.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле (7):

Рассмотрим коэффициенты усиления для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером в динамическом режиме (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 – Включение транзистора по схеме

с общим эмиттером в динамическом режиме

Здесь входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера. Во входной цепи находится напряжение смещения E₁ и источник входного сигнала U_ист. Выходная цепь состоит из источника E₂ и сопротивления нагрузки R_н. Полярность подключения источников такова, чтобы под действием E₁ эмиттерный переход был под прямым напряжением, а коллекторный переход под действием E₂ находился под обратным напряжением. Как и в предыдущих случаях выполняется условие E₂>>E₁.

Коэффициент усиления по току определяем по формуле (5), учитывая, что в этой схеме входным током является ток базы, а выходным ток коллектора:

Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с О.Э. этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).

Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

= 9÷99

Теоретически, при α → 1, что возможно при → 0, значение → ∞.

Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле (6):

Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:

Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме включения с общей базой. Необходимо отметить, что сомножители (дроби), стоящие в коэффициентах усиления по току и по мощности, мало отличаются по величине. Поэтому понятно, что при построении усилителей сигналов используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

3.2.6 Эквивалентная схема транзистора.

При расчёте электрических цепей, содержащих транзисторы, в место транзисторов используются их эквивалентная электрическая схема. Для каждого способа включения транзистора имеет место своя эквивалентная схема. Эквивалентные схемы отображают устройство транзистора и его электрические свойства.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включённого по схеме с общей зоной. На рисунке 3.18,а показана конструкция транзистора, которая ранее уже рассматривалась и представлена на рисунке 3.1.

Рисунок – 3.18 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с

общей базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

При изучении свойств p-n перехода и принципа действия транзистора было установлено, что каждый из p-n переходов обладает определённым омическим сопротивлением. Омическое сопротивление эмиттерного перехода обозначается через .

Как известно, одно из условий функционирования транзистора состоит в том, чтобы эмиттерный переход был под прямым напряжением. В этом случае отсутствует запирающий слой в p-n переходе, а значит сопротивление его мало. Поэтому величина мала и составляет от единиц до десяток Ом. Так же известно, что p-n переход характеризуется барьерной ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключается параллельно .

Сопротивление коллекторного перехода обозначаются через . Известно, что коллекторный переход находится под обратным напряжением, что создает запирающий слой, обладающий большим омическим сопротивлением. Поэтому величина коллекторного сопротивления велика и составляет сотни тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость коллекторного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключена параллельно . Величина барьерной ёмкости достаточно велика и составляет сотни пикофарад. Представленная на рисунок 3.18,а эквивалентная схема является пассивным четырёхполюсником и усилительными свойствами, как транзистор, обладать не может. Для того, чтобы эквивалентная схема обладала усилительными свойствами в неё вводится генератор тока (рисунок 3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общей базой, на величину тока эмиттера, что равно току коллектора:

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером без генератора тока представлена на рисунке 3.19,а. Назначение элементов ()

Рисунок – 3.19 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей

базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)

такое же, как и в схеме с общей базой. Однако, как было сказано, транзистор обладает усилительными свойствами, поэтому эквивалентная схема дополняется генератором тока (рисунок 3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с О.Э., на величину тока базы, что равно коллекторному току:

studfile.net

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Коэффициент hfe транзистора – это коэффициент усиления транзистора по току. Показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Для согласованной работы нескольких транзисторов в каскадах, их подбор часто начинают по коэффициенту усиления. Учитывая большой разброс параметров hfe, важно точно знать этот параметр у каждого транзистора.

Как измерить коэффициент усиления транзистора по току?

Коэффициент hfe маломощных транзисторов измеряется очень просто, для начала необходим мультиметр с возможностью измерения hfe, переводим прибор в необходимый режим измерения.

Затем, зная структура транзистора и его цоколевку, подключаем транзистор в специальное гнездо на панели мультиметра.

Важно! Необходимо правильно подсоединять транзистор, согласовывать выводы транзистора (Б-К-Э), с надписями на панели.

После подключения на дисплее появиться значение hfe. Если значение попадает в рамки указанные производителем, тогда такой транзистор можно считать рабочим.

Во многих мультиметрах контактные площадки посажены очень глубоко, это совсем не помеха для нового транзистора. Но как, же измерить коэффициент усиления по току транзистора, если он был выпаян с платы и имеет недостаточно длинные выводы? Для этого можно использовать несколько удлинительных проводов, и подключить транзистор отдельно от мультиметра.

Для наглядного теста произведена проверка hfe нескольких транзисторов, для двух разных типов: BC239 и КТ361Б.

BC239 n-p-n транзистор, с заявленным параметром hfe 120-800. Значение hfe колебалось от 555 до 563, в зависимости от конкретного транзистора.

КТ361Б p-n-p транзистор, с параметром hfe 50-350. Показания прибора составили 103-105.

Оба вида транзисторов показали незначительный разброс коэффициента усиления, что позволяет их использовать в необходимых целях. Как проверять другие параметры транзисторов, а также их работоспособность, мы расскажем вам позже.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Одноклассники

comments powered by HyperComments

diodnik.com

6.1.2 Усиление транзистора, включенного по схеме с общей базой

Согласно выражению , = 0,95… 0,99, в схеме с ОБ усиление тока отсутствует. Несмотря на это усиление мощности существует, так как в усилительном режиме (U_э.б>0, U_к.б<0) выходное дифференциальное сопротивление ()много больше входного дифференциального сопротивления (). Таким образом, практически одинаковый ток проходит и через высокое сопротивление и через низкое, вследствие чего в схеме с ОБ имеет место усиление мощности.

Из-за высокого выходного сопротивления в цепи коллектора может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки (R_К на рис. 6.2) – до 1 МОм. Относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. В результате различия входного и выходного сопротивлений транзистор дает усиление по мощности.

6.2 Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:

Лучше с землей и двумя источниками

Рис. 6.13. Схема включения транзистора с общим эмиттером

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I_Б, и напряжение на базе относительно эмиттера U_БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I_К и напряжение на коллекторе U_КЭ. Для любых напряжений:

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp-транзистора и положительный в случае npn-транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:. В схеме с общим эмиттером для pnp-транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (6.1): , отсюда получим:

.

(6.36)

После перегруппирования сомножителей получаем:

.

(6.37)

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент знаком β, итак:

.

(6.38)

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I_К при изменении тока базы I_Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α<1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β>>1). При значениях коэффициента передачи α=0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β=50÷100.

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp-транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).

Рис. 6.13. Выходные ВАХ ОЭ	Рис. 6.14. Входные ВАХ ОЭ

Входные ВАХ.

Рекомбинационный ток базы составляет часть тока эмиттера:

(6.36)

При U_КЭ=0 . С увеличением напряженияU_БЭ концентрация на переходе ЭБ растет(рис. 6.15,а), градиент концентрации инжектированных дырок растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn-переходе, растет экспоненциально (т. А) и отличается от тока эмиттера только масштабом (6.36).

При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |U_БЭ| (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U_КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

а	б
UКЭ=const, UБЭ – переменное	UБЭ =const, UКЭ– переменное
Рис. 6.15 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при включении в схеме с ОЭ

При этом градиент концентрации дырок в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается ивходные ВАХ смещаются вниз.

При U_БЭ=0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U_кб<<0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I_КЭ0.

В базе, как и в pn-переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки, он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

В активном режиме (|U_КЭ|>|U_БЭ|>0) поток инжектированных эмиттером дырок p экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом . Часть дырок(1-α) p рекомбинирует в базе в электронами, поступающими из омического контакта базы.

При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.

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

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

По аналогии с (6.34) можно записать:

(6.37)

Учитывая (6.1): , получим:

Учитывая, что

где — сквозной тепловой ток отдельно взятого коллекторногоpn-перехода в режиме оторванной базы (при , т. С, режим отсечки). За счет прямого смещения базового перехода (рис. 6.16) ток много больше теплового тока коллектораI_к0.

Рис. 6.16 UБЭ =const, UКЭ– переменное

В режиме насыщения база должна быть обогащена неосновными носителями. Критерием этого режима является равновесная концентрация носителей на КП (U_КБ=0). В силу уравнения U_КЭ=U_КБ+U_БЭ, равенство напряжения на коллекторном переходе нулю может иметь место при небольших отрицательных напряжениях между базой и эмиттером. При U_КЭ0 и U_БЭ<0, оба перехода смещаются в прямом направлении, их сопротивление падает. При малых напряжениях на коллекторе (U_КЭ<U_БЭ) U_КБ меняет свой знак, сопротивление коллекторного перехода резко уменьшается, коллектор начинает инжектировать дырки в базу. Поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера. Ток коллектора меняет свой знак (на выходных ВАХ эта область обычно не показывается).

При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. D). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).

Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 6.17), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.

Рост тока коллектора с увеличением U_КЭ определяется уменьшением ширины базы. Коэффициенты переноса æ и передачи тока эмиттера α растут, но коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ растет быстрееα. Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ.

Рис. 6.23 Выходные характеристики pnp-транзистора а – в схеме с ОБ, б – в схеме с ОЭ

studfile.net

2.4. Зависимость коэффициентов усиления транзисторов от режима и температуры

Зависимость коэффициента от коллекторного тока показана на рис. 2.10. Спадв области малых токов связан с уменьшением коэффициента инжекции вследствие рекомбинации носителей в эмиттерном переходе.

В области больших токов наблюдается спад коэффициента усиления вследствие действия следующих факторов: уменьшения удельного сопротивления базы, оттеснения тока эмиттера к переферии, увеличения физической толщины базы.

При высоких уровнях инжекции возрастает удельная проводимость базы, что равносильно увеличению концентрации примеси в базе и согласно выражению (2.3.10) приводит к уменьшению коэффициента инжекции.

Эффект оттеснения тока эмиттера к переферии заключается в увеличении плотности тока на краях и в уменьшении ее в центре эмиттерного перехода. Различие в плотностях тока может достигать порядка. В центре ток становится меньше так как при протекании базового тока параллельно поверхности эмиттерного перехода создается падение напряжения на сопротивлении базы. Прямое напряжение в центре, поэтому будет меньше. Инжектированные с переферии эмиттера электроны проходят больший путь до коллекторного перехода и часть пути движутся около поверхности. Рекомбинация в базе увеличивается, что приводит к уменьшению .

Увеличение толщины базы при больших токах эмиттера наблюдается у транзисторов у которых концентрация примесей в коллекторе ниже, чем в базе. При больших уровнях инжекции концентрация электронов в p-n-переходе может превысить концентрацию доноров, что приводит к смещению границ перехода в сторону коллектора (эффект Кирка).

Зависимость от напряжения показана на рис. 2.11 и определяется двумя факторами: уменьшением толщины базы с ростом обратного напряжения на коллекторном переходе и ударной ионизацией в переходе база коллектор.

При увеличении коллекторного напряжения увеличивается ширина коллекторного перехода, за счет чего уменьшается ширина базы. Уменьшение ширины базы с ростом коллекторного напряжения приводит к увеличению коэффициента (эффект Эрли).

При приближении коллекторного напряжения к пробивному, ток коллектора и коэффициенты возрастают за счет ударной ионизации в коллекторном переходе.

Температурная зависимость представлена на рис. 2.12.

Зависимость коэффициента усиления от температуры связана с зависимостью времени жизни носителей от температуры =f(t). С ростом температуры время жизни увеличивается, вместе с ним увеличивается и диффузионная длина L_б, а следовательно и. С увеличением времени жизни замедляется рекомбинация в эмиттерном переходе.

2.5. Статические характеристики транзистора в схеме с оэ

Входные характеристики.Зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер I_Б=f(U_Б) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер называется входной вольт-амперной характеристикой (рис. 2.13).

При U_КЭ=0 эмиттерный и коллекторный переходы транзистора включены в прямом направлении и токи коллектора и эмиттера суммируются в базе.

Входная характеристика при этом представляет ВАХ двух p-n-переходов, включенных параллельно. Транзистор работает в режиме насыщения. При повышении коллекторного напряжения транзистор переходит в активный режим. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и входной ток уменьшается, так как прекращается инжекция дырок из базы в коллектор. При дальнейшем росте напряжения коллектор-эмиттер входной ток уменьшается из-за снижения толщины базы и тока рекомбинации. При больших прямых токах и напряжениях на входные характеристики оказывает влияние сопротивление базы и на зависимости I_Б=f(U_БЭ) появляется участок близкий к линейному.

Входные характеристики германиевых транзисторов располагаются в диапазоне напряжений 0.20.4 В, кремниевых 0,40,6 В.

Выходные характеристики. Зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения при заданном токе базы называется выходной вольт-амперной характеристикой транзистора I_К=f(U_КЭ), I_Б=const. (рис. 2.14) Выходные характеристики можно разбить условно на три участка. На большей части характеристики при U_КЭ>U_КЭНU_БЭ коллекторный ток почти не зависит от коллекторного напряжения.

На этом участке транзистор работает в активном режиме: коллекторный переход включен в обратном направлении; эмиттерный в прямом. Увеличение коллекторного тока с ростом U связано с ростом . Так как коэффициент усиленияявляется функцией тока коллектора, а следовательно зависит от

тока базы, то при одинаковых приращениях тока базы характеристики располагаются на разных расстояниях друг от друга. На данном участке транзистор можно рассматривать как управляемый источник коллекторного тока, величина которого изменяется за счет изменения I_Б.

Крутые участки характеристик при U_КЭ<U_КЭН=U_БЭсоответствуют режиму насыщения, когда коллекторный и эмиттерный переходы включаются в прямом направлении. При уменьшении U_КЭ<U_КЭНнавстречу потоку электронов, инжектированных из эмиттера, устремляется поток дырок, в результате

коллекторный ток резко падает. На этом участке транзистор теряет свои усилительные свойства.

Увеличение коллекторного тока при больших напряжениях связано с лавинным умножением носителей в коллекторном переходе.

studfile.net

РадиоКот :: Страшное слово — Транзистор

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >

Страшное слово — Транзистор

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только — очень маленьких.

Транзистор — это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух — поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h31э. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току — это отношение коллекторного тока к току базы:

h31э = Iк / Iб

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

Iк = Iб * h31э

Рисуем схему.

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h31э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Немножко посчитаем 🙂

.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А,
а транзистор имеет h31э = 100.
Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал?
И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал — это когда ток потребления равен номинальному.
Номинальный — 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора — 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного в h31э раз. То есть — в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА.
Ура, решили!!!

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

R = U/I

U — нам известно — это напряжение питания, 9В
I — только что нашли — 0,0033 А

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но — не обольщайтесь. Дальше — хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.

<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

www.radiokot.ru

Расчет усилителя с общим эмиттером

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

Описание работы

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем R_бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R_э. Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”

Начнем, пожалуй, с R_э.

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R_к —–> коллектор—> эмиттер—>R_э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I_э = I_к + I_б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина  будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R_кэ  – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения, где

Мы видим, что  на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет  равняться падению напряжения на резисторе R_э .

А чему равняется падение напряжения на R_э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R_э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R_б и R_бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит, что бывает крайне редко.  В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R_{э .}

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R_э .

б) падение напряжения на резисторе R_э  – это и есть напряжение на эмиттере U_э.  Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U_э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U_б , образованное делителем из резисторов R_б  и R_бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U_бэ = U_б – U_э . Следовательно, U_бэ станет меньше, так как U_э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U_бэ уменьшилось, значит и сила тока I_б , проходящая через базу-эмиттер  тоже уменьшилась. 

е) Выводим из формулы ниже I_к

I_к =β х I_б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток 😉 Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R_{э .} Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным K_U =10,  Uпит = 12 Вольт.

1) Первым делом находим из даташита  максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт.  Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P_рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U_кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U_кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I_к = P_рас / U_кэ  = 120×10^-3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U_кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R_к  и R_э . То есть получаем:

R_к + R_э  = (Uпит / 2) / I_к = 6 / 20х10^-3 = 300 Ом.

R_к + R_э  = 300, а R_к =10R_{э  ,} так как K_U = R_к / R_э , а мы взяли K_U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R_э + R_э = 300

11R_э = 300

R_э = 300 / 11 = 27 Ом

R_к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I_базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

I_б = I_к  / β = 20х10^-3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I_дел , образованный резисторами R_б  и R_бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I_б :

I_дел = 10I_б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U_э= I_к R_э= 20х10^-3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U_б =  U_бэ + U_э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U_бэ = 0,66 Вольт. Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U_б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта. Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R_б называется U₁ , а падение напряжения на R_бэ будет U₂ .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R_б = U₁ / I_дел = 10,8  / 1,4х10^-3 = 7,7 КилоОм. Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R_бэ = U₂ / I_дел = 1,2 / 1,4х10^-3 = 860 Ом. Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой цифровой осциллограф и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты:

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10.  Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI.

Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.

www.ruselectronic.com