Биполярный транзистор в схеме с общей базой: Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Содержание

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

 

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение.

Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3):

схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

 

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Усилительный каскад с общей базой

Добавлено 6 октября 2017 в 12:14

Сохранить или поделиться

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как Rнагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа

).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току
common-base amplifier
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0.6 1.2 .02
.plot dc v(3,4)
.end
Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на R

нагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току
common-base amplifier
vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.
model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(5,2) v(4) .end

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

common-base amplifier
vin 5 2  ac 0.1 sin
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
.ac dec 1 2000 2000
.print ac vm(5,2) vm(4,3) 
.end

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0. 1 В), или 32,617 дБ:

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх} }\]

\[A_V = { 4,274 В \over 0,10 В }\]

\[A_V = 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(раз)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 32,62 дБ\]

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала.

Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения (

vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Несмотря на то, что эти анализы будут проводиться в режиме “transfer function” (коэффициент передачи), каждый из них был сначала проверен в режиме временного анализа (построен график напряжения в зависимости от времени), чтобы гарантировать, что вся синусоида сигнала была воспроизведена точно, а не «обрезана» из-за неправильного смещения. Смотрите «*.tran 0.02m 0.78m» в коде ниже, это «закомментирование» оператора временного анализа. Вычисление коэффициента усиления не может основываться на сигналах искаженной формы. SPICE может для нас рассчитать коэффициент усиления небольшого сигнала постоянного напряжения с помощью оператора «*.tf v(4) vin«. Выходное напряжение – это v(4), а входное напряжение – это vin.

common-base amp vbias=0.85V
vin 5 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.85
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf v(4) vin
.end
common-base amp current gain
Iin 55 5 0A
vin 55 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.8753
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf I(v1) Iin
.end
Transfer function information:
transfer function = 9. 900990e-01
iin input impedance = 9.900923e+11
v1 output impedance = 1.000000e+20

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin.
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin. Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения vbias0. 85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Circuit: common-base amp vbias=0.85V        // напряжение смещения 0,85 вольта
transfer_function = 3.756565e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.317825e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA  // напряжение смещения 0,8753 вольта
Transfer function information:
transfer_function = 3.942567e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.255653e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.9V         // напряжение смещения 0,9 вольта
transfer_function = 4.079542e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1. 213493e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.95V        // напряжение смещения 0,95 вольта
transfer_function = 4.273864e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.158318e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=1.00V        // напряжение смещения 1,00 вольт
transfer_function = 4.401137e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.124822e+02          // входное сопротивление

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование (vbias = 0. 85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления (transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Эти несколько приложений включают в себя радиочастотные усилители. База, посаженная на корпус, помогает защитить входной сигнал на эмиттере от входного сигнала на коллекторе, предотвращая нестабильность в радиочастотных усилителях. Схема с общей базой может использоваться на более высоких частотах, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором. Смотрите раздел «Радиочастотный усилитель мощности 750 мВт класса C с общей базой» в главе 9. Более сложную схему можно увидеть в разделе «Усилитель малых сигналов класса A с общей базой и высоким коэффициентом усиления» в главе 9.

Подведем итоги:

  • Транзисторные усилители с общей базой называются так, потому что точки подачи входного напряжения и снятия выходного напряжения совместно используют вывод базы транзистора (игнорируя все источники питания).
  • Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входных и выходных сопротивлений, а также от внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может измениться при изменении постоянного напряжения смещения. Достаточно сказать, коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общей базой может быть очень высоким.
  • Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется коэффициентом α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общей базойКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

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

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

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

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

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

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

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

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

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

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

Особенности применения полевых транзисторов:

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

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

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

Особенности применения биполярных транзисторов:

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

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

Схема Дарлингтона:

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

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

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

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:

I К = f (U КЭ) при I Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).


Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис. 11а ).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):

U КЭ = E К – I К R К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис.11б .

Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К R К ] – на оси I K .

Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.

Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

Рис. 11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис. 11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный , поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки . Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей . Это похоже на два диода , соединенных лицом к лицу или наоборот.


У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter ). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.


Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках , в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V КЭ (V CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.


Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V BE , но значительно ниже чем V CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.


В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I BE , и большой — от коллектора к эмиттеру I CE .

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе . Cоотношение тока коллектора I С к току базы I B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β , hfe или h31e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.


2. Расчет входного тока базы I b

Теперь посчитаем ток базы I b . Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V max) и минимальном (V min). Назовем эти значения тока соответственно — I bmax и I bmin .

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V BE . Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода , и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V B = 0.6V).

Посчитаем I bmax и I bmin с помощью закона Ома:


2. Расчет выходного тока коллектора I С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора (I cmax и I cmin).


3. Расчет выходного напряжения V out

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V Cmax получился меньше чем V Cmin . Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V out /V in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.


Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I b , несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки .

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I С к току базы I B . Обозначается β , hfe или h31e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R in (R вх ). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R out = 0 (R вых = 0)).

Страница 1 из 2

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см. ) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

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 U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б. рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9…0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9…499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока I КБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока I КЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока I КБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель) .

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 бо льшая 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 частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

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.
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

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

Схема включения с общим коллектором

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

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

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

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

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

Два слова о каскадах

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) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей — электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками — основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика — работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC — V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Персональный сайт — электроника

 

Биполярный транзистор состоит обычно из взаимодействующих

— двух p-n-переходов

 

Выводы биполярного транзистора называются

— коллектор

— база

— эмиттер

 

Ключ на биполярном транзисторе может находиться в

— активном режиме

— режиме насыщения

 

В режиме насыщения у биполярного транзистора

— оба перехода открыты

В режиме отсечки у биполярного транзистора

— оба перехода закрыты

В активном режиме у биполярного транзистора

— переход коллектор-база закрыт, переход эмиттер-база открыт

В инверсном режиме у биполярного транзистора

— переход коллектор-база открыт, переход эмиттер-база закрыт

В схеме с общим эмиттером режим насыщения биполярного транзистора с npn структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ > 0 Uкэ < 0

 

В схеме с общим эмиттером режим насыщения биполярного транзистора с pnp структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ < 0 Uкэ > 0+

В схеме с общим эмиттером режим отсечки биполярного транзистора с pnp структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ > 0 Uкэ > 0

 

В схеме с общим эмиттером режим отсечки биполярного транзистора с npn структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ > 0 Uкэ < 0

В схеме с общим эмиттером активный режим работы биполярного транзистора с pnp структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ < 0 Uкэ < 0+

В схеме с общим эмиттером нормальный активный режим работы биполярного транзистора с npn структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ > 0 Uкэ > 0

 

В схеме с общим эмиттером инверсный активный режим работы биполярного транзистора с pnp структурой обеспечивается напряжениями

Uбэ > 0 Uкэ < 0

В режиме насыщения переходы биполярного pnp-транзистора смещены

— коллекторный в обратном направлении

— эмиттерный в обратном направлении

 

В режиме насыщения переходы биполярного npn-транзистора смещены

— коллекторный в прямом направлении

— эмиттерный в прямом направлении

В активном режиме переходы биполярного pnp-транзистора смещены

— коллекторный в прямом направлении

— эмиттерный в обратном направлении

 

В активном режиме переходы биполярного npn-транзистора смещены

— коллекторный в обратном направлении

— эмиттерный в прямом направлении

В режиме отсечки переходы биполярного pnp-транзистора смещены

— коллекторный в прямом направлении

— эмиттерный в прямом направлении

В режиме отсечки переходы биполярного npn-транзистора смещены

— коллекторный в обратном направлении

— эмиттерный в обратном направлении

 

Закрытое состояние ключа на биполярном транзисторе соответствует

— режиму отсечки

 

Открытое состояние ключа на биполярном транзисторе соответствует

— режиму насыщения

В активном режиме в переходах биполярного транзистора происходят процессы

— инжекция носителей заряда — в эмиттерном переходе

 

Основной режим работы биполярного транзистора в усилительных устройствах

— активный режим

Основными условиями для обеспечения усилительных свойств биполярного транзистора являются

— толщина базы должна быть мала

— концентрация основных носителей в базе больше, чем в коллекторе

В активном режиме поле обратно смещенного коллекторного перехода является ускоряющим для

— неосновных носителей базы

Инжекция носителей в биполярном транзисторе типа pnp в активном режиме, это

— перемещение дырок из эмиттера в базу

— перемещение дырок из базы в коллектор

Экстракция носителей в биполярном транзисторе типа pnp в активном режиме, это

— перемещение электронов из базы в коллектор

Наибольший коэффициент усиления по мощности дает схема включения биполярного транзистора с

— общим эмиттером+

 

Не дает усиления по току схема включения биполярного транзистора с

— общим эмиттером

— общей базой+

— общим коллектором

 

Не дает усиления по напряжению схема включения биполярного транзистора с

— общим эмиттером

— общим коллектором+

 

Не дает усиления по мощности схема включения биполярного транзистора с

— общим эмиттером

— общей базой

— общим коллектором

— во всех указанных случаях он больше единицы+

 

У транзистора Т, изображенного на рисунке

— коэффициент по напряжению больше единицы; коэффициент усиления по току равен единице+

 

В биполярном транзисторе коэффициент передачи по току в схеме с общей базой a=0,99. коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен

— 9,9

 

В биполярном транзисторе ток эмиттера 100 мА, ток базы 2 мА. Ток коллектора равен

— 98 мА

 

Биполярный транзистор включен по схеме с общей базой. При этом ток эмиттера равен 10 мА, ток  коллектора 9,8 мА. Если этот транзистор  будет включен по схеме с общим эмиттером, то коэффициент передачи по току будет равен:

— 0,98

Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При этом ток во входной цепи равен 100 мкА, выходной ток равен 9,9 мА. Если этот транзистор  будет включен по схеме с общей базой, то коэффициент передачи по току будет равен:

— 99

Биполярный транзистор включен по схеме с общей базой. При этом ток эмиттера равен 20 мА, ток  коллектора 19 мА. Коэффициент передачи по току будет равен

— 0,95

 

В схеме, представленной на рисунке Uвх=1В, R=5 кОм, коэффициент усиления по току в транзисторе b=60. Найти ток коллектора Iк.

— 12 мА

 

В транзисторе ток эмиттера Iэ=9 мА,    Iб=100 мкА. Найти ток коллектора

— 8,9 мА

 

Наименьшее входное сопротивление имеет схема включения биполярного транзистора

— общей базой

Наименьшее выходное сопротивление имеет схема включения биполярного транзистора

— общим коллектором

Наибольшее входное сопротивление имеет схема включения биполярного транзистора

— общим коллектором

Наибольшее выходное сопротивление имеет схема включения биполярного транзистора

— общей базой

Модуляция толщины базы биполярного транзистора – это

— изменение толщины базы при изменении напряжения на коллекторе

В активном режиме на переходе коллектор-база определяющую роль играет

— диффузионная ёмкость

В активном режиме на переходе эмиттер-база определяющую роль играет емкость

— диффузионная ёмкость

На усилительные свойства биполярного транзистора сильнее влияет

— емкость эмиттерного перехода

Для определения параметров биполярного транзистора наиболее применима система

— H-параметров

H-параметры биполярного транзистора имеют недостатки

— Н-параметры зависят от схемы включения биполярного транзистора

— Н-параметры имеют малые значения

— Н-параметры имеют большие значения

— измерение Н-параметров затруднительно

Коэффициент обратной связи по напряжению характеризует в биполярном транзисторе

— влияние напряжения коллектора на эмиттерный переход в связи с модуляцией толщины базы

Установите физический смысл h-параметров биполярного транзистора

1 h11

2h12

3h21

4h22

4выходная проводимость

1входное сопротивление

-3коэффициент усиления по току

— 2коэффициент обратной связи по напряжению

 

Параметр h11 биполярного транзистора характеризует

— входное сопротивление        

Параметр h12 биполярного транзистора характеризует

— коэффициент обратной связи по напряжению

Параметр h21 биполярного транзистора характеризует

— коэффициент передачи по току

Параметр h22 биполярного транзистора характеризует

— выходную проводимость

Определить изменение напряжения DUэб, если при неизменном напряжении коллектора, ток эмиттера изменяется с 4 мА до 6 мА. Входное сопротивление транзистора в режиме короткого замыкания по переменному току h11=10Ом.

— 20 мВ

Определите по частотной характеристике биполярного транзистора

граничную частоту.

— 1 МГц

 

Определите по частотной характеристике биполярного транзистора предельную частоту.

— 10 МГц

 

 

Предельная частота транзистора wпр=5 МГц. Определить коэффициент передачи тока базы b на частоте 8,66 МГц, если на низких частотах он равен 96.

— 48             

 

Если частота будет выше предельной в Ö3 раз, коэффициент передачи по току транзистора уменьшится

— в Ö3 раз

На низких частотах  коэффициент усиления по току h21б=0,95. Коэффициент передачи по току на предельной частоте wпр  равен

— 0,671

На низких частотах  коэффициент усиления по току h21б=0,9. Коэффициент передачи по току на предельной частоте wпр  равен

— 0,636

На низких частотах  коэффициент усиления по току h21э=95. Коэффициент передачи по току на предельной частоте wпр  равен

— 67,1

На низких частотах  коэффициент усиления по току h21э=60. Коэффициент передачи по току на предельной частоте wпр  равен

— 42,4

Усилительные свойства биполярного транзистора на высоких частотах ухудшаются, т.к. оказывают влияние

— емкость коллекторного перехода

Лучшими частотными свойствами обладает схема

— с общей базой

Квазистатический режим работы биполярного транзистора – это

— режим работы биполярного транзистора с нагрузкой и в таком диапазоне частот, где не сказывается влияние реактивных элементов биполярного транзистора

Импульсный режим работы биполярного транзистора – это режим работы биполярного транзистора с

— сигналами большой амплитуды и малой длительности

Длительность переднего фронта импульса при работе биполярного транзистора в импульсном режиме определяется

— временем пролета носителей через базу, накопления заряда в базе

Длительность заднего фронта импульса при работе биполярного транзистора в импульсном режиме определяется

— временем рассасывания избыточного заряда в области базы

Емкость коллекторного перехода на выходное сопротивление биполярного транзистора влияет следующим образом

— выходное сопротивление биполярного транзистора с ростом частоты уменьшается

Менее подвержена влиянию температуры

— схема с общей базой

Шум в биполярном транзисторе – это

— беспорядочное изменение тока в цепи коллектора

Основными видами низкочастотного шума в биполярном транзисторе являются

— дробовой эффект и тепловые флуктуации

— шум рекомбинации

Более низкий уровень шума у

— полевых транзисторов

Большая устойчивость к радиации

— у полевых транзисторов

Меньше зависят от температуры параметры

— полевых транзисторов

Нецелесообразно использовать транзисторы в схемах

— усиления сигналов по мощности

Для преоб­разования электрической энергии больших мощностей целесообразно использовать

— биполярные транзисторы

— полевые транзисторы

— тиристоры

Входное сопротивление боль­ше у

— МДП-транзисторов

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывают управляющее напряжение, называется

— затвор+

Вывод полевого транзистора, к которому движутся основные носители заряда в канале, называется

— сток+

Вывод полевого транзистора, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называется

— исток+

Выводы полевого транзистора называются

— сток

— затвор

— исток

Полевые транзисторы управляются

— напряжением  

Полевые транзисторы делятся на

— транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник

Полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называется

 полевой транзистор

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор,

— усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем

Полевой транзистор состоит из областей

— сток, затвор, исток, канал

Найдите соответствующему полевому транзистору его условное обозначение

— полевой транзистор с управляющим p-n-переходом р-каналом

— полевой транзистор с управляющим p-n-переходом n-каналом

— МДП–транзистор со встроенным n-каналом

— МДП–транзистор со встроенным p-каналом

— МДП–транзистор с индуцированным n-каналом

— МДП–транзистор с индуцированным p-каналом

2 «1»

1«2»

4«3»

6«4»

5«5»

3«6»

По каналу полевого транзистора протекает ток

— основных носителей

Найдите соответствующему полевому транзистору его разрез (схематическое устройство)

1- полевой транзистор с управляющим p-n-переходом р-каналом

— 2полевой транзистор с управляющим p-n-переходом n-каналом

-3 МДП–транзистор со встроенным n-каналом

— 4МДП–транзистор со встроенным p-каналом

— 5МДП–транзистор с индуцированным n-каналом

— 6МДП–транзистор с индуцированным p-каналом

5«1»

Схема с общей базой

Как видно из рис.3.4,а для схемы ОБ входным током является ток базы iБ , входным напряжением – напряжение uЭБ , выходным током – ток коллектора iК , а выходное напряжение uКБ .Поскольку напряжение uЭБ отрицательно, то для удобства построения графиков ВАХ его заменяют положительным напряжением uБЭ . На рис. 3.5 показан примерный вид входных ВАХ транзистора с ОБ.

Рис. 3.5

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

Модуляция толщины базы проявляется в большей степени при малых выходных напряжениях, и меньше при больших Иногда это явление уже заканчивается при uКБ > 2 В, и входные ВАХ при больших напряжениях сливаются в один график.

Так же, как у диода, входные ВАХ при заданных постоянных напряжениях позволяют определить статические и дифференциальные (динамические) сопротивления :

,

.

Выходными ВАХ для схемы с ОБ являются зависимости выходного коллекторного тока от напряжения коллектор-база при постоянных токах эмиттера . На рис. 3.6 показаны примерные графики выходных ВАХ.

Рис. 3.6

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБuКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0 , то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

При увеличении эмиттерного тока и положительных выходных напряжениях транзистор переходит в активный режим работы.

Ток коллектора связан с током эмиттера соотношением

,

где — статический коэффициент передачи тока эмиттера; он равен отношению тока коллектора к току эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы; IК0 – обратный ток коллектора.

Отношение малых приращений этих же токов определяет дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

.

Наклон выходных характеристик численно определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода, включенного в обратном направлении. Он протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Учитывая малость величины обратного тока по сравнению с коллекторным током в активном режиме, можно считать, что ток коллектора в активном режиме прямо пропорционален току эмиттера:

.

При значительных эмитерных токах и напряжениях на коллекторном переходе линии ВАХ начинают изгибаться вверх из-за намечающегося пробоя коллекторного перехода.

Так как обратный ток коллектора возрастает при увеличении температуры , то и графики выходных ВАХ при увеличении температуры смещаются вверх.

В активном режиме выходное напряжение uКБ и мощность , выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть большими. Чтобы транзистор не перегрелся, необходимо выполнение неравенства

,

где PK, max — максимально допустимая мощность для данного типа транзистора.

Чтобы правильно выбрать параметры схемы, где будет работать транзистор, на выходных ВАХ строят так называемую линию допустимой мощности, определяемую заданной максимально допустимой мощностью. Уравнение этой линии

.

На рис. 3.6 эта линия показана пунктиром. Мгновенные значения выходных тока и напряжения не должны выходить за пределы линии максимально допустимой мощности. Область допустимой работы ограничивается также значениями максимально допустимых выходного тока и выходного напряжения IК, max и UKБ, max .

Транзистор, включенный по схеме с общей базой, используется в усилителях напряжения и мощности, так как несмотря на то, что выходной ток почти равен входному, выходное напряжение значительно больше входного. Из-за достаточно большого выходного сопротивления транзистор с ОБ используют в источниках стабильного тока.

Исследование биполярного транзистора | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Лабораторная работа выполняется с помощью учебного лабораторного стенда LESO3.

1 Цель работы

С помощью учебного лабораторного стенда LESO3 ознакомиться с принципом действия биполярного транзистора (БТ). Изучить его вольтамперные характеристики в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ). Изучить особенности работы простейшего усилителя на биполярном транзисторе.

2. Задание к работе

2.1 Исследование входных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой

2.1.1 Собрать схему исследования входных характеристик БТ. На рисунке 1 приведена схема исследования для n-p-n транзистора. В дальнейшей работе предполагается, что исследуется n-p-n транзистор. При исследовании p-n-p транзистора следует изменить полярности источников напряжения и знак предела шкалы графопостроителя.

Рисунок 1 – Схема исследования входных характеристик БТ в схеме с ОБ.   Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы.

2.1.2 Установить диапазон регулирования источника E1 0..-1 В, источника E2 0..+5 В. По вертикальной оси графопостроителя выбрать миллиамперметр mA1, диапазон: нижняя граница 0, верхняя +10 мА, по горизонтальной оси графопостроителя выбрать V1, диапазон: левая граница 0, правая граница -1 В.

2.1.3 Снять две входные характеристики Iэ = f (Uэб) , для Uкб = 0 и Uкб = 5 В. Для этого с помощью источника E2 установить фиксированное напряжение V2. Далее плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки до тех пор, пока ток эмиттера (mA1) не достигнет 10 мА. Результат измерения показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Входные характеристики БТ в схеме с ОБ.

2.1.4 Сохранить графики.

2.2 Исследование выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой

2.2.1 Собрать схему исследования выходных характеристик в схеме с ОБ (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема исследования выходных характеристик БТ в схеме с ОБ.   Рисунок 5 – Вид собранной на стенде схемы.

2.2.2 По горизонтальной оси графопостроителя выбрать V2, установить диапазон: левая граница -1 В, правая +10 В. По вертикальной оси графопостроителя выбрать mA2, установить диапазон: нижняя граница -1 мА, верхняя граница +10 мА. Установите диапазон регулирования источника E1: 0..-10 В. Диапазон E2: -1..10 В.

2.2.3 Снимите 5 выходных характеристик в схеме с ОБ Iк = f (Uкб) при фиксированных тока Iэ, равных 0, 2, 4, 6, 8 мА. Для этого сначала с помощью источника E2 установить ток mA2 равный -1 мА. Затем установите значение тока эмиттера Iэ = 2 мА с помощью источника E1, контроль осуществляется по mA1. Плавно вращая ручку регулирования E2 по часовой стрелке до тех пор пока V2 не станет равным 10 В. На графопостроителе Вы получите требуемую характеристику. Для более точного позиционирования регулятора E2 можно менять диапазон регулирования. Затем, не изменяя напряжение источника E1, плавно поворачивая ручку регулятора E2 против часовой стрелки установить ток mA2 равный -1 мА. Установить следующее значение тока эмиттера Iэ = 4 мА с помощью источника E1. Вновь измерьте характеристику и так далее.
Сохранить графики. Образец выходных характеристик показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Выходные характеристики БТ в схеме с ОБ. Образец.

2.3 Исследование входных характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.3.1 Соберите схему исследования входных характеристик БТ в схеме с ОЭ (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема исследования входной характеристики БТ в схеме с ОЭ.   Рисунок 8 – Вид собранной на стенде схемы.

2.3.2 Установите диапазон регулирования источника E1 0..+1 В, источника E2 0..+5 В. По горизонтальной оси графопостроителя следует выбрать V1, установите диапазон 0..+1 В, по вертикальной оси графопостроителя нужно выбрать mA1, установите диапазон 0..0,1 мА. Переключите шунт амперметра для измерения малых токов, для этого следует нажать кнопку , на кнопке появится надпись «мкА».

2.3.3 Снимите две входные характеристики Iб = f (Uбэ) при Uкэ = 0 В и Uкэ = +5 В.Для этого следует поворачивать ручку регулирования источника E1 до тех пор пока ток мА1 не достигнет 100 мкА, контроль можно вести по mA1. Оба графика должны быть построены на одних осях, как показано на рисунке 9.
Сохраните графики.

Рисунок 9 – Входные характеристики БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.4 Исследование выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.4.1 Собирите схему для исследования выходных характеристик в схеме с ОЭ (Рисунок 10)

Рисунок 10 – Схема исследования выходных характеристик БТ в схеме с ОЭ.   Рисунок 11 – Вид собранной на стенде схемы.

2.4.2 Установите диапазон регулирования E1 0..+10 В, E2 0..+10 В. По горизонтальной оси графопостроителя нужно выбрать V2, установите диапазон 0..+10 В, по вертикальной оси поставьте mA2, установите диапазон 0..+10 мА. Пределы вертикальной шкалы можно скорректировать после измерения характеристик.

2.4.3 Снимите семейство выходных характеристик в схеме с ОЭ и Iк = f (Uкэ) для различных фиксированных токов базы. Предварительно определите экспериментально максимальный ток базы Iб max при котором ток выходной характеристики не выходит за пределы 10 мА. Ток базы задается источником E1 и контролируется по mA1. Устанавливая фиксированные значения тока базы в диапазоне 0 .. Iб max , с равным шагом получите десять выходных характеристик. Выходная характеристика получается путем регулирования E2 от 0 до 10 В.
Сохраните полученные графики. На рисунке 12 показан пример выходных характеристик для транзистора П308.

Рисунок 12 – Выходные характеристики БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.4.4 Исследовать зависимость выходных характеристик БТ от температуры. Для этого снять две характеристики при комнатной и повышенной температурах. Повышения температуры можно добиться, прикоснувшись на несколько секунд пальцами руки к корпусу транзистора.
Сохраните графики.

2.5 Исследование передаточной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.5.1 Собририте схему, показанную на рисунке 10. По вертикальной оси графопостроителя нужно выбрать mA2, и установить диапазон 0..+10 мА. По горизонтальной оси графопостроителя выберите mA1, диапазон 0 .. Iб max . С помощью источника E2 установить напряжение V2, равное 5 В. При необходимости переключить шунт mA1.

2.5.2 Снять передаточную характеристику Iк = f(Iб), при Uкэ = 5 В.
Сохраните графики.

Рисунок 13 – Передаточная характеристика БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.6 Исследование усилителя на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером

2.6.1 Собририте схему, показанную на рисунке 14.

Рисунок 14 – Схема исследования усилителя на БТ.   Рисунок 15 – Собранная схема усилителя.

2.6.2 Переведите графопостроитель в режим временных характеристик.

2.6.3 Установите диапазон регулирования E2 от 0..+10 В. Выберите по вертикальной оси верхнего экрана графопостроителя V1, диапазон: 0..+10 В; по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя — V2, диапазон 0..+10 В.

2.6.3 Установите напряжение источника питания усилителя E2 = 10 В.

2.6.4 Регулируя источник E1 (амплитуду и постоянную составляющую) нужно подобрать такие параметры синусоидального входного сигнала, что бы на выходе был неискаженный синусоидальный сигнал с амплитудой близкой к 5 В.
Сохраните полученные графики.

Рисунок 16 – Сигнал на входе и выходе усилителя. Образец.

2.6.5 Не изменяя параметров входного сигнала установите на вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA1, получите осциллограмму входного тока усилителя.
Сохраните осциллограммы.

Рисунок 17 – Осциллограмма входного тока усилителя. Образец.

2.6.6 Выбрерите по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA2, получите осциллограмму выходного тока усилителя.

Сохраните осциллограммы.

Рисунок 18 – Осциллограмма выходного тока усилителя. Образец.

2.6.7. Выберите по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA2, диапазон 0..+10 мА. Изменяя постоянную составляющую входного сигнала, анализируя искажения синусоиды по осциллограмме выходного сигнала установите режим работы транзистора вблизи отсечки и вблизи насыщения. Установите рабочую точку транзистора посередине рабочего участка подайте на вход усилителя такой сигнал, что бы были видны ограничения сигнала на выходе снизу и сверху. Для каждого случая сохранить полученные графики.

Рисунок 19 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях снизу. Образец.   Рисунок 20 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях сверху. Образец.   Рисунок 21 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях сверху и снизу. Образец.

3 Содержание отчета
  1. Схемы исследования.
  2. Выходные и входные характеристики БТ в схеме с ОБ (каждую характеристику подписать!).
  3. Семейство выходных характеристик БТ в схеме с ОБ (подписать каждую характеристику в семействе).
  4. Входные характеристики БТ в схеме с ОЭ.
  5. Семейство выходных характеристик БТ в схеме с ОЭ (каждую характеристику семейства подписать).
  6. Результаты исследования зависимости выходной характеристики БТ в схеме с ОЭ от температуры.
  7. Передаточная характеристика БТ в схеме с ОЭ.
  8. Результаты исследования усилителя.
  9. По характеристикам транзистора определить его дифференциальные h-параметры для схем с ОБ и ОЭ.
  10. По осциллограммам усилителя определить коэффициент усиления усилителя по напряжению, току и мощности.
Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 3


В прошлом месяце этой книги рецептов транзисторов серии описаны практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера. В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора — основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей. Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения.Этот раздел поваренной книги серии начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.

ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания.Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.

РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)


В , рис. 1 , резистор R b ограничивает входной ток возбуждения базы до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала — чем больше значение R b , тем хуже они становятся. Эту загвоздку можно преодолеть путем шунтирования R b конденсатором «ускорения» (обычно около 1n0), как показано пунктиром на диаграмме. На практике R b должно быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должно превышать R L x h fe .

На рисунке 2 показана схема цифрового инвертора / переключателя в версии pnp. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.

РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)


Чувствительность схем Figure 1 и 2 можно увеличить, заменив Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа.В качестве альтернативы можно создать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рис. 3 или рис. 4 .

В схеме , рис. 3, используются два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а выход низкий (насыщенный). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (при V +).

РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах


Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе находится нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.

РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp


Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания. Схема работает следующим образом.

РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока


Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.

Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.

Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и включает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной питающей шине в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.

ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ

Базовые цифровые схемы , рисунки с 1 по 4 могут использоваться в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты. На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.

Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления по току транзистора Q1) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.

РИСУНОК 6. Простая схема управления реле


Чувствительность реле по току можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, приложив сопротивление менее 2M0 к паре зондов из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.

РИСУНОК 7. Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель


Рисунок 8 показывает еще один сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме Рисунок 4 , которому для активации реле требуется вход только 700 мВ при 40 мкА. R2 гарантирует, что Q1 и Q2 полностью отключатся, когда входные клеммы разомкнуты.

РИСУНОК 8. Сверхчувствительный драйвер реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)


ЛИНЕЙНЫЕ КОНТУРА СМЕЩЕНИЯ

Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока путем подачи постоянного тока смещения на ее базу так, чтобы ее коллектор принимал значение наполовину напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем подавать входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на рис. 9 ).

РИСУНОК 9. Простой npn-усилитель с общим эмиттером


Первым шагом в разработке схемы базового типа Figure 9 является выбор номинала нагрузочного резистора R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.

Для смещения выхода схемы (рис. 9) на половину напряжения питания, R1 необходимо значение R2 x 2h fe , и (при номинальном h fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 — коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.

Точка смещения покоя схемы (рис. 9) зависит от значения h fe Q1.Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на рис. 10, , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи постоянного тока между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h fe , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.

РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи


Схема , рис. 10, имеет те же значения полосы пропускания и усиления по напряжению, что и схема , рис. 9, , но имеет меньшее общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току уменьшает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= A В ), что дает общее входное сопротивление 2 к7. При желании шунтирующие эффекты цепи смещения могут быть устранены путем использования двух резисторов обратной связи и их развязки по переменному току, как показано на , рис. 11, .

РИСУНОК 11. Усилитель с развязкой по переменному току смещения обратной связи


Наконец, максимальная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» Рис. 12 . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.

РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения


ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕПИ

На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 — коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.

РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)


На рисунке 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции. В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора — в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.

РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением


На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Эта конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключен последовательно между входным сигналом и базой Q1 — чистый эффект заключается в том, что коэффициент усиления схемы (между входом и выходом) равняется R2 / R1 и работает при x10 в данном конкретном случае.

РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)


Наконец, Рис. 16 показывает, как можно изменить конструкцию Рис. 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходным выводом, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех. емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.

РИСУНОК 16. Широкополосный усилитель


ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора — если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторных усилителей напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Схема , рис. 17, действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, причем выход Q1 подается непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор смещения обратной связи R4 питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.

РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления


Рисунок 18 показывает альтернативный вариант вышеуказанной конструкции, использующий выходной каскад pnp — его характеристики такие же, как у Рисунок 17 .

РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления


Схема Рис. 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 — это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 — это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.

РИСУНОК 19. Начальный усилитель с высоким коэффициентом усиления


ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ

В транзисторном усилителе с так называемой «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.

РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой


Схема Рис. 20 смещена так же, как Рис. 12 . Обратите внимание, однако, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление по напряжению, что и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.

На рисунке 21 показан превосходный широкополосный усилитель — «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным импедансом усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 — в режиме с общим эмиттером.

РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель


Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.

На рисунке 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой — разделитель фазы «длинно-хвостовая пара», который дает пару противофазных выходов при возбуждении от несимметричного входного сигнала. Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.

РИСУНОК 22. Фазоделитель «Длиннохвостая пара»


База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.

Предположим, что на базу Q2 подается синусоидальный входной сигнал. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере того, как его эмиттерное напряжение растет, он неизбежно снижает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.

Q1, таким образом, работает в режиме с общей базой и дает тот же коэффициент усиления по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя. Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.

Наконец, Рисунок 23 показывает, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами — если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.

РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или длинно-хвостовая пара


Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV


Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор (BJT) (Внешняя ссылка в Википедии)

Биполярный переходный транзистор (BJT) имеет три контакта, подключенные к трем легированные полупроводниковые области.В NPN-транзисторе тонкий и слегка легированный База P-типа зажата между сильно легированным эмиттером N-типа и еще один коллектор N-type ; в то время как в транзисторе PNP тонкий и слаболегированный N-тип основание зажато между сильно легированным P-типом Эмиттер и другой коллектор типа П . В дальнейшем мы будем рассматривать только NPN BJT.

На многих схемах транзисторных цепей (особенно при наличии большое количество транзисторов в схеме) кружок в условном обозначении транзистор отсутствует.На рисунках ниже показано сечение двух Транзисторы NPN. Обратите внимание, что хотя и коллектор, и эмиттер Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала N-типа, полностью разная геометрия и поэтому не подлежат замене местами.

Все ранее рассмотренные компоненты (резистор, конденсатор, катушка индуктивности и диод) имеют два вывода (вывода) и поэтому могут характеризоваться единственное соотношение между протекающим током и напряжением через два отведения.Иначе транзистор — это трехконтактный компонент, которую можно рассматривать как двухпортовую сеть с входным портом и выходной порт, каждый из которых образован двумя из трех терминалов и характеризуется соотношением входных и выходных токов и напряжений.

В зависимости от того, какая из трех клемм используется в качестве общей клеммы, существует может быть три возможных конфигурации для двухпортовой сети, образованной транзистор:

  • Общий эмиттер (CE),
  • Общая база (CB),
  • Коллектор общий (СС).

  • Конфигурация Common-Base (CB)

    Конфигурацию CB можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и база. Применяются два напряжения и соответственно к эмиттеру и коллектору, относительно общая база, так что соединение BE смещено вперед, в то время как Переход CB имеет обратное смещение.

    Полярность и направление, связанные с PN-переходы между E и B такие же, как и связанные с диод, полярность напряжения: положительный на P, отрицательный на N, ток направление: от P до N, но и направление связаны с PN-переходом между базой и коллектором. определяется противоположным образом.

    Поведение NPN-транзистора определяется двумя его PN-переходами:

    • PN-переход база-эмиттер (BE) с прямым смещением позволяет основные носители заряда, электроны, в эмиттере N-типа, чтобы идти через PN-переход, чтобы добраться до базы P-типа, образуя эмиттерный ток.
    • Поскольку основание тонкое и слегка легированное, только небольшое количество электроны из эмиттера (например, 1%) объединяются с большинство носителей, отверстия, в основании P-типа, чтобы сформировать основание Текущий .Процент зависит от легирования и геометрии материала.
    • Большая часть электронов из эмиттера (например, 99%), теперь неосновные носители в базе P-типа, могут пройти через обратный смещенный PN-переход коллектор-база для прихода к коллектору N-типа формирование коллекторного тока .

    Коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока этой схемы выключателя, обозначается, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а ток эмиттера рассматривается как Вход:

    e.грамм. (8)
    т.е.

    Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

    • Входные характеристики:

      Входной ток является функцией, а также входного напряжение, которое намного преобладает:

      (10)
      Обратите внимание, что это мало влияет на. Вот и связанный с PN-переходом эмиттер-база удовлетворяют соотношению для диода:
      (11)
      Напряжение на смещенном в прямом направлении PN-переходе можно приблизительно определить от .
    • Выходные характеристики:

      Выходной ток зависит от выходного напряжения. а также входной ток, который намного преобладает:

      (12)
      As, т.е. переход CB обратный предвзято, ток зависит только от. Когда , ток, вызванный пересечением неосновных носителей заряда PN-переход. Это похоже на диод ток-напряжение. характеристики, показанные ранее, за исключением того, что обе оси перевернуты ( полярность и направление противоположно определены).Когда увеличивается, является соответственно увеличился. Однако, поскольку выше не вызывает больше электронов из эмиттера, на это мало влияет.

      Обратите внимание, что когда PN-переход между базой и коллектором не смещен (закорочен), все равно ненулевой коллектор ток, образованный электронами, выходящими из эмиттера, через оба PN-перехода, чтобы сформировать ток замкнутого контура.

  • Конфигурация с общим эмиттером (CE)

    Два напряжения и приложены соответственно к базе и коллектор по отношению к общему эмиттеру.Обычно , т.е. переход BE смещен вперед, в то время как CB переход имеет обратное смещение, как и конфигурация CB. Напряжения конфигураций CB и CE связаны между собой:

    или (13)

    Конфигурацию CE можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и эмиттер. Текущее усиление цепи CE, обозначенное по, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а базовый ток — как вход:

    (14)
    Например, если , тогда .

    Эти два параметра и связаны любым из следующий:

    (15)

    Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

Соотношение между входным и выходным токами CB и CE конфигурации приведены ниже:

(18)
  • Общая база:



  • Общий эмиттер:



Коллекторные характеристики с общей базой (CB) и с общим эмиттером (CE) конфигурации имеют следующие отличия:

  • В цепи выключателя немного меньше, а в цепи CE намного больше, чем.
  • В цепи выключателя, когда; в то время как в цепи CE когда (как имеет подавляющий эффект).
  • Увеличено немного увеличится, но больше сильно увеличить , тем самым вызывая больше значительно увеличился.
  • в CB является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе. в CE является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе.
  • в CB является функцией двух переменных и.Когда маленький, его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение из . Но его дальнейшее увеличение не вызовет значительных изменений в должной мере. до насыщения (все доступные носители заряда движутся со скоростью насыщения прибыть в коллектор C), в основном определяется.
  • в CE является функцией двух переменных и. Когда мал ( ), его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение. Но когда , его дальнейшее увеличение не вызовет больших изменений из-за насыщения (весь доступный заряд носители движутся со скоростью насыщения и достигают коллектора C), в основном определяется.

Различные параметры транзистора изменяются в зависимости от температуры. Например, увеличивается вместе с температурой.

Усилитель с общей базой

BJT — курс аналоговой электроники

Усилитель с общей базой — это одна из трех основных конфигураций усилителей с одноступенчатым биполярным переходным транзистором (BJT), обычно используемых в качестве буфера тока или усилителя напряжения. В этой конфигурации вывод эмиттера транзистора служит входом, коллектор — выходом, а база является общей и соединена с землей (через Cb).

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

Он также используется в качестве токового буфера, поскольку его коэффициент усиления по току приблизительно равен единице. Когда схеме предшествует каскад с общим эмиттером, это называется каскодной схемой. Каскодная схема имеет преимущества обеих конфигураций, такие как высокий входной импеданс и изоляция.

Анализ постоянного тока

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

I B можно игнорировать, если \ begin {уравнение} 10R_2 B можно рассчитать, используя KVL как простую схему делителя напряжения. \ begin {уравнение} V_B = {R_2 \ over {R_1 + R_2}} V_S \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение} если I C намного больше, чем I B , I B можно игнорировать \ begin {уравнение} I_E = I_C \ end {уравнение}

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

Чтобы получить максимальный размах выходного сигнала, вы должны выбрать номиналы резистора таким образом, чтобы VC составлял половину напряжения питания.

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

Анализ переменного тока

Затем мы перерисовываем схему, используя модель малого сигнала BJT. Конденсаторы считаются закороченными по переменному току (R4 закорочен на Ce), а источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать re

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

Так как входное напряжение v и находится между r и и согласно закону Ома \ begin {уравнение} i_e = — {v_i \ over r_e} \ end {уравнение} отрицательный знак связан с направлением, т.е.

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

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

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

Ток через R4 из-за Vi можно игнорировать, если

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

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

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Усилитель с общей базой

| Конфигурация, схема, характеристики

В этом руководстве мы узнаем о BJT, настроенном как усилитель с общей базой.Мы увидим различные характеристики усилителя с общей базой, такие как коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по току, входное и выходное сопротивление и т. Д.

Введение

Биполярный переходный транзистор или просто BJT — это трехконтактный полупроводниковый прибор с чередующимися слоями n и Полупроводниковый материал p-типа. Три вывода, которые соответствуют трем областям транзистора, называются эмиттером, базой и коллектором.

BJT может быть типа npn или типа pnp в зависимости от конфигурации регионов.Поскольку и электроны, и дырки действуют как носители тока, используется термин «биполярный».

В принципе, BJT можно настроить для работы в качестве усилителя или коммутатора. Если BJT настроен как усилитель, амплитуда электрического сигнала, подаваемого на вход, увеличивается в несколько раз на выходе.

Настройка BJT в качестве коммутатора — одно из распространенных и часто используемых приложений транзистора. Управляя транзистором в областях отсечки и насыщения, вы можете реализовать электронный переключатель, использующий транзистор.

Общая базовая конфигурация

Транзистор может быть сконфигурирован для двухпортовой конфигурации тремя способами. Это соединение с общим эмиттером, соединение с общим коллектором и соединение с общей базой. В общей базовой конфигурации терминал является общей точкой как для ввода, так и для вывода.

На следующем рисунке показаны транзисторы npn и pnp в общей базовой конфигурации. Независимо от типа транзистора, клемма базы в общей конфигурации базы всегда имеет потенциал земли.

В общей базовой конфигурации входными переменными являются ток эмиттера i E и напряжение эмиттера V BE . Точно так же выходными переменными являются ток коллектора i C и напряжение между базой и коллектором V CB .

Чтобы полностью описать характеристики общей базовой конфигурации, такой как усилитель с общей базой, вам потребуются два набора характеристик.

  • Входные характеристики (также известные как точка движения или переходные характеристики)
  • Выходные характеристики (или характеристики коллектора)

Входные характеристики будут связывать входные переменные i.е. ток эмиттера i E и напряжение между базой и эмиттером V BE , в то время как выходная переменная V CB поддерживается постоянной.

Переходя к выходным характеристикам, они будут связывать выходные переменные, то есть ток коллектора i C и базу с напряжением коллектора V CB , в то время как переменный входной ток эмиттера i E поддерживается постоянным.

Выходные характеристики дают нам картину трех областей работы транзистора i.е. Cut-off, Active и Saturation.

Усилитель с общей базой

Усилитель — это электронная схема, увеличивающая амплитуду электрического сигнала. Электроэнергия от источника питания используется для увеличения амплитуды сигнала. Коэффициент усиления усилителя — это величина, определяющая степень усиления, обеспечиваемого усилителем.

Простая схема усилителя может быть спроектирована с использованием одного транзистора (BJT или FET) вместе с несколькими пассивными компонентами.Однотранзисторные усилители для BJT имеют три конфигурации. Это:

  • Усилитель с общим эмиттером
  • Усилитель с общим коллектором
  • Усилитель с общей базой

Основное внимание в этом руководстве уделяется усилителю с общей базой с его базовой схемой и его рабочими характеристиками, то есть усилением напряжения, усилением тока, входным сопротивлением и т. Д. выходное сопротивление.

Типичный усилитель с общей базой имеет следующую топологию.

  • Вход подается на эмиттер BJT.
  • Выходной сигнал берется из коллектора BJT.
  • Базовая клемма, общая для входа и выхода, часто заземляется.
Схема усилителя с общей базой

На следующем изображении показана типичная схема усилителя с общей базой с конфигурацией смещения делителя напряжения.

База BJT является общей клеммой и находится на земле переменного тока из-за конденсатора. Входной сигнал подается на эмиттер через конденсаторную связь.Выходной сигнал поступает на коллектор, а нагрузка подключена к коллектору емкостным образом.

Характеристики усилителя с общей базой

Все характеристики усилителя с общей базой объясняются в отношении параметров транзисторной модели переменного тока. В качестве альтернативы вы можете использовать параметры h.

Чтобы определить характеристики, нам нужно построить эквивалентную по переменному току модель усилителя с общей базой. На следующем изображении показано то же самое.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CB от эмиттера (входа) до коллектора (выхода) определяется как

A V = Vout / Vin = Vc / Ve = Ic Rc / Ie (r’e || R E ) ≈ Ie Rc / Ie (r’e || R E )

Если предположить, что R E >> r’e, тогда A V ≈ Rc / r’e

Здесь , Rc = R C || R L

r’e = Сопротивление эмиттера переменного тока

коэффициент усиления по напряжению обычного базового усилителя очень велик без инверсии фазы.

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по току усилителя CB — это выходной ток, деленный на входной ток. В эквивалентном режиме переменного тока Ic — это выходной ток, а Ie — входной ток.

Поскольку Ic ≈ Ie, коэффициент усиления по току Ai ≈ 1.

Входное сопротивление

Входное сопротивление — это эквивалентное сопротивление, если смотреть на эмиттер. Он определяется как

Rin = Vin / Iin = Ve / Ie = Ie (r’e || R E ) / Ie = r’e || R E

Обычно R E намного больше, чем r’e.

Если R E >> r’e, то Rin ≈ r’e.

Это означает, что входное сопротивление усилителя с общей базой обычно очень низкое.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление эквивалентно Тевенину на выходе усилителя с общей базой, если смотреть назад в усилитель. Сопротивление коллектора переменного тока r’c параллельно R C и обычно намного больше, чем R C .

Следовательно, Rout ≈ R C

Заключение

Усилитель с общей базой используется реже, чем усилитель с обычным эмиттером.Он используется для обеспечения усиления по напряжению без усиления по току. Он используется в качестве усилителя напряжения или буфера в некоторых высокочастотных приложениях.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы об обычном базовом усилителе.

  • Имеет относительно высокое усиление по напряжению.
  • Коэффициент усиления по току меньше или иногда приблизительно равен 1.
  • Входное сопротивление низкое.
  • Выходное сопротивление высокое.

Различные конфигурации транзисторов — общая база, коллектор и эмиттер

В этом руководстве по транзисторам мы узнаем о различных конфигурациях транзисторов.Поскольку биполярный переходной транзистор представляет собой трехконтактное устройство, возможны три различные конфигурации транзисторов с биполярными транзисторами. Понимание этих различных конфигураций транзисторов поможет вам лучше реализовать ваше приложение.

Введение

Мы знаем, что обычно транзистор имеет три вывода — эмиттер (E), базу (B) и коллектор. Но в схемах подключения нам нужно четыре клеммы, две клеммы для входа и еще две клеммы для выхода.Чтобы преодолеть эти проблемы, мы используем один терминал как общий для входных и выходных действий.

Используя это свойство, мы создаем схемы, и эти структуры называются конфигурациями транзисторов. Обычно существует три различных конфигурации транзисторов: конфигурация с общей базой (CB), конфигурация с общим коллектором (CC) и конфигурация с общим эмиттером (CE).

Поведение этих трех различных конфигураций транзисторов относительно коэффициента усиления показано ниже.

  • Конфигурация с общей базой (CB) : без усиления по току, но с усилением по напряжению
  • Конфигурация с общим коллектором (CC) : усиление по току, но без усиления по напряжению
  • Конфигурация с общим эмиттером (CE) : усиление по току и напряжение усиление

Теперь мы обсудим эти три различных конфигурации транзисторов с их входными и выходными характеристиками в следующих разделах.

НАЗАД В начало

Общая базовая конфигурация

В этой конфигурации мы используем базу в качестве общей клеммы как для входных, так и для выходных сигналов.Само название конфигурации указывает на общий терминал. Здесь ввод применяется между выводами базы и эмиттера, а соответствующий выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора с заземленным выводом базы. Здесь входными параметрами являются V EB и I E , а выходными параметрами — V CB и I C . Входной ток, протекающий на выводе эмиттера, должен быть выше, чем ток базы и ток коллектора для работы транзистора, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем ток входного эмиттера.

Текущее усиление обычно равно или меньше единицы для этого типа конфигурации. В этой конфигурации входные и выходные сигналы синфазны. Конфигурация схемы усилителя этого типа называется схемой неинвертирующего усилителя. Построение такой схемы конфигурации затруднено, потому что этот тип имеет высокие значения коэффициента усиления по напряжению.

Входные характеристики этой конфигурации похожи на характеристики светящегося фотодиода, в то время как выходные характеристики представляют собой диод с прямым смещением.Эта конфигурация транзистора имеет высокое выходное сопротивление и низкое входное сопротивление. Этот тип конфигурации имеет высокий коэффициент усиления сопротивления, то есть отношение выходного сопротивления к входному сопротивлению велико. Коэффициент усиления по напряжению для этой конфигурации схемы приведен ниже.

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

Дано усиление тока в общей базовой конфигурации as

α = Выходной ток / Входной ток

α = I C / I E

Общая базовая схема в основном используется в схемах одноступенчатых усилителей, таких как микрофонный предусилитель или усилители радиочастоты из-за их высокочастотная характеристика.Схема транзистора с общей базой приведена ниже.

НАЗАД В начало

Входные характеристики

Входные характеристики получаются между входным током и входным напряжением при постоянном выходном напряжении. Сначала поддерживайте постоянным выходное напряжение V CB и изменяйте входное напряжение V EB для разных точек, затем в каждой точке записывайте значение входного тока I E . Повторите тот же процесс для разных уровней выходного напряжения.Теперь с этими значениями нам нужно построить график между параметрами I E и V EB . На рисунке ниже показаны входные характеристики общей базовой конфигурации. Уравнение для расчета входного сопротивления R в значении приведено ниже.

R дюйм = V EB / I E (когда V CB является постоянным)

НАЗАД В начало

Выходные характеристики

Выходные характеристики общей базовой конфигурации получены между выходной ток и выходное напряжение при постоянном входном токе.Сначала поддерживайте постоянный ток эмиттера и изменяйте значение V CB для разных точек, теперь запишите значения I C в каждой точке. Повторите тот же процесс для других значений I E . Наконец, нам нужно нарисовать график между V CB и I C при постоянном I E. На приведенном ниже рисунке показаны выходные характеристики общей базовой конфигурации. Уравнение для расчета значения выходного сопротивления приведено ниже.

R out = V CB / I C (когда I E является постоянным)

НАЗАД В начало

Конфигурация общего коллектора

В этой конфигурации мы используем клемма коллектора является общей для входных и выходных сигналов.Эта конфигурация также известна как конфигурация эмиттерного повторителя, поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы. Эта конфигурация в основном используется в качестве буфера. Эти конфигурации широко используются в приложениях для согласования импеданса из-за их высокого входного импеданса.

В этой конфигурации входной сигнал применяется между областью база-коллектор, а выходной сигнал берется из области эмиттер-коллектор. Здесь входными параметрами являются VBC и IB, а выходными параметрами — VEC и IE.Конфигурация с общим коллектором имеет высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Входной и выходной сигналы синфазны. Здесь также ток эмиттера равен сумме тока коллектора и тока базы. Теперь давайте посчитаем текущий коэффициент усиления для этой конфигурации.

Коэффициент усиления по току,

A i = выходной ток / входной ток

A i = I E / I B

A i = (I C + I B ) / I B

A i = (I C / I B ) + 1

A i = β + 1

Схема транзистора с общим коллектором показана выше.Эта общая конфигурация коллектора представляет собой схему неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления по напряжению для этой схемы меньше единицы, но имеет большое усиление по току, потому что нагрузочный резистор в этой схеме принимает как ток коллектора, так и ток базы.

НАЗАД В начало

Входные характеристики

Входные характеристики конфигурации с общим коллектором сильно отличаются от конфигураций с общей базой и общим эмиттером, поскольку входное напряжение V BC в значительной степени определяется V EC уровень.Здесь

V EC = V EB + V BC

V EB = V EC — V BC

Входные характеристики конфигурации с общим коллектором получены между входными токами I B и входное напряжение V CB при постоянном выходном напряжении V EC . Сохраняйте выходное напряжение V EC постоянным на разных уровнях и изменяйте входное напряжение V BC для разных точек и записывайте значения I B для каждой точки.Теперь, используя эти значения, нам нужно построить график между параметрами V BC и I B при постоянном V EC .

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Выходные характеристики

Работа схемы с общим коллектором аналогична работе схемы с общим эмиттером. Выходные характеристики схемы общего коллектора получаются между выходным напряжением V EC и выходным током I E при постоянном входном токе I B .При работе схемы с общим коллектором, если ток базы равен нулю, то ток эмиттера также становится равным нулю. В результате через транзистор

не протекает ток. Если ток базы увеличивается, транзистор работает в активной области и, наконец, достигает области насыщения. Чтобы сначала построить график, мы сохраняем постоянное значение I B и будем изменять значение V EC для различных точек, теперь нам нужно записать значение I E для каждой точки.Повторите тот же процесс для разных значений I B . Теперь, используя эти значения, нам нужно построить график между параметрами I E и V CE при постоянных значениях I B . На рисунке ниже показаны выходные характеристики общего коллектора.

НАЗАД В начало

Конфигурация общего эмиттера

В этой конфигурации мы используем эмиттер в качестве общей клеммы для входа и выхода. Эта общая конфигурация эмиттера представляет собой схему инвертирующего усилителя.Здесь вход применяется между областью база-эмиттер, а выход — между выводами коллектора и эмиттера. В этой конфигурации входными параметрами являются V BE и I B , а выходными параметрами — V CE и I C .

Этот тип конфигурации в основном используется в усилителях на базе транзисторов. В этой конфигурации ток эмиттера равен сумме малого тока базы и большого тока коллектора. я.е. Я E = Я C + Я B . Мы знаем, что соотношение между током коллектора и током эмиттера дает коэффициент усиления по току альфа в конфигурации с общей базой, аналогично соотношение между током коллектора и током базы дает коэффициент усиления по току бета в конфигурации с общим эмиттером.

Теперь давайте посмотрим на взаимосвязь между этими двумя текущими приростами.

Коэффициент усиления по току (α) = I C / I E

Коэффициент усиления по току (β) = I C / I B

Ток коллектора I C = α I E = βI B

Эта конфигурация чаще всего используется как одна из всех трех.Он имеет средние значения входного и выходного сопротивления. Он также имеет средний коэффициент усиления по току и напряжению. Но выходной сигнал имеет фазовый сдвиг 1800, т. Е. Как вход, так и выход противоположны друг другу.

НАЗАД В начало

Входные характеристики

Входные характеристики конфигурации с общим эмиттером получаются между входным током I B и входным напряжением V BE с постоянным выходным напряжением V CE . Сохраняйте выходное напряжение V CE постоянным и изменяйте входное напряжение V BE для разных точек, теперь запишите значения входного тока в каждой точке.Теперь, используя эти значения, нам нужно построить график между значениями I B и V BE при постоянном V CE . Уравнение для расчета входного сопротивления R в приведено ниже.

R дюйм = V BE / I B (при постоянном V CE )

НАЗАД В начало

Выходные характеристики

Получены выходные характеристики общей конфигурации эмиттера между выходным током I C и выходным напряжением V CE при постоянном входном токе I B .Сохраняйте базовый ток I B постоянным и меняйте значение выходного напряжения V CE для разных точек, теперь запишите значение коллектора I C для каждой точки. Постройте график между параметрами I C и V CE , чтобы получить выходные характеристики конфигурации с общим эмиттером. Уравнение для расчета выходного сопротивления по этому графику приведено ниже.

R out = V CE / I C (когда I B находится в постоянном состоянии)

НАЗАД В начало

Сводка конфигураций транзисторов

Таблица, которая дает основные характеристики транзистора в трех приведенных выше конфигурациях.Транзисторы BJT имеют в основном три типа конфигураций. Это конфигурации с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Среди всех этих трех конфигураций чаще всего используется тип с общим эмиттером. Эти три имеют разные характеристики, соответствующие как входным, так и выходным сигналам. К тому же у этих трех конфигураций мало общего.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩАЯ — PNP-ТРАНЗИСТОР

СЛЕДУЮЩАЯ — JFET

Биполярный переходной транзистор — Engineering LibreTexts

Биполярный переходной транзистор — это трехполюсный переходной транзистор, состоящий из трех полупроводниковых соединительных клемм Базовый, эмиттерный и коллекторный терминалы.Расположение трех выводов влияет на ток и усиление транзистора. Поведение транзисторов с биполярным переходом также сильно различается для каждой конфигурации схемы. Три разные конфигурации схемы дают разные характеристики схемы в отношении входного сопротивления, выходного сопротивления и усиления. Эти характеристики влияют на то, демонстрирует ли транзистор усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности. Одна из основных операций транзистора с биполярным переходом — усиление сигнала тока.Транзисторы с биполярным переходом могут регулировать ток так, чтобы величина тока была пропорциональна напряжению смещения, приложенному к клемме базы транзистора. Применение биполярных переходных транзисторов можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

Биполярные транзисторы

имеют три полупроводниковые области. Эти три области — это область эмиттера (E), область базы (B) и область коллектора (c), и эти области по-разному легированы в зависимости от типа биполярного транзистора.Два типа биполярных транзисторов — это PNP-транзистор, три области которого относятся к p-типу, n-типу и p-типу соответственно, и NPN-транзистор, чьи области относятся к n-типу, p-типу и n-типу соответственно. Оба типа транзисторов имеют один P-N-переход между коллекторной областью и базой и другой P-N-переход между базовой и эмиттерной областями. Базовая область всегда является центральным соединением структуры с областями эмиттера и коллектора, соединенными с обеих сторон. Оба типа транзисторов также имеют одинаковый принцип работы с единственной разницей в полярности питания и смещении для каждого типа.

Способность биполярных транзисторов

усиливать сигнал посредством регулирования тока позволяет передавать входной сигнал от одной цепи к другой, независимо от разного уровня сопротивления в каждой цепи. Величина тока, протекающего через транзистор, пропорциональна величине напряжения смещения, приложенного к клемме базы. Это позволяет транзистору действовать как переключатель, управляемый током. В зависимости от того, является ли биполярный транзистор PNP или NPN, регулируемый ток будет течь от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору, в то время как меньший управляющий ток будет течь от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе соответственно.

Транзистор содержит максимально допустимый ток, который может ограничивать величину тока, проходящего от клеммы к клемме. В зависимости от порядка контактов в транзисторе, транзистор будет действовать как проводник или как изолятор при наличии контролируемого тока. Эта способность переключаться между этими двумя состояниями, изолятором или проводником, позволяет транзистору действовать как переключатель или как усилитель сигналов малой амплитуды, подаваемых на базу, в зависимости от структуры и порядка трех полупроводниковых областей.

СТРУКТУРА

Биполярные транзисторы

содержат три легированных примесных полупроводниковых области, каждая из которых подключена к цепи. Транзистор не является симметричным из-за разной степени легирования областей эмиттера, коллектора и базы. Базовая область состоит из легированных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. База расположена между областью сильнолегированного эмиттера и областью слаболегированного коллектора. Коллектор охватывает эмиттерную область, что исключает возможность электронов, инжектированных в базовую область, покидать базовую область, не собираясь.Область эмиттера сильно легирована, чтобы увеличить коэффициент усиления транзистора по току.

Для высокого коэффициента усиления по току необходимо высокое соотношение носителей, вводимых эмиттером, и несущих, вводимых базой. Повышение эффективности инжекции эмиттера приводит к тому, что большая часть носителей, инжектируемых в переход эмиттер-база, поступает из области эмиттера. Высокая степень легирования областей эмиттера и коллектора также означает, что переход коллектор-база имеет обратное смещение. Следовательно, переход коллектор-база может иметь большое обратное напряжение смещения до того, как переход сломается.Для транзистора в целом фундаментальное различие между NPN-транзистором и PNP-транзистором заключается в направлениях тока и полярности напряжения на переходах транзистора. Убедившись, что эти два элемента всегда находятся напротив друг друга, обеспечивает правильное смещение транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

Биполярный транзистор NPN имеет базу из полупроводника, легированного P, между эмиттером, легированным N, и областью коллектора, легированным N. Биполярные транзисторы NPN являются наиболее часто используемыми биполярными транзисторами из-за легкости подвижности электронов над подвижностью электронов-дырок.

Для этого типа транзисторов коллекторный и эмиттерный токи большой величины возникают за счет усиления небольшого тока, который проходит через базу. Этот небольшой ток усиливается только тогда, когда транзистор становится активным. В этом активном состоянии положительная разность потенциалов обнаруживается как между областью базы к области коллектора, так и областью эмиттера к области базы, что приводит к току, который переносится электронами между областями коллектора и эмиттера.Конструкция и напряжение на клеммах NPN-транзистора показаны на Рисунке 1 ниже.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Схема NPN транзистора.

Для биполярного NPN-транзистора, проводящего коллектор, всегда более положительно по отношению как к базе, так и к эмиттеру. Напряжение между базой и эмиттером (V BE ) положительное на базе и отрицательное на эмиттере. Клемма базы всегда положительна по отношению к эмиттеру. Другой способ отображения NPN-транзистора показан на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2 Схема биполярного транзистора NPN.

Ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен токам, текущим в транзистор, поскольку ток эмиттера задается как

.

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» — это ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» — ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — ток, протекающий через вывод эмиттера.

Поскольку физическая конструкция транзистора определяет электрическую взаимосвязь между этими тремя токами (Ib), (Ic) и (Ie), любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к гораздо большему изменению в коллекторе. ток (Ic).Отношение тока коллектора к току эмиттера называется Alpha (α).

Альфа (α) = Ic / Ie (2)

Коэффициент усиления транзистора по току от вывода коллектора до вывода эмиттера, Ic / Ie, является функцией электронов, диффундирующих через переход. Текущее усиление транзистора от клеммы коллектора до клеммы базы обозначено Beta, (β).

Бета (β) = Ic / Ib (3)

Транзисторы

NPN являются хорошими усилителями, когда значение Beta велико.Бета-значения обычно находятся в диапазоне от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения. Следовательно, если бета-значение транзистора равно 50, то на каждые 50 электронов, проходящих между выводами эмиттер-коллектор, один электрон будет вытекать из вывода базы.

Комбинируя выражения для Alpha, α и Beta, β, коэффициент усиления транзистора по току может быть задан как:

Бета = (α) / (1-α) (4)

Как видно из приведенных выше уравнений, подвижность электронов между цепями коллектора и эмиттера является единственным связующим звеном между этими двумя цепями.Это звено является главной особенностью действия транзистора. Поскольку действие транзистора определяется начальным движением электронов через область базы, усилительные свойства транзистора возникают из-за последующего управления базой током между коллектором и эмиттером. Пока поток тока смещения в базовый вывод является устойчивым, базовую область можно рассматривать как вход управления током.

PNP Биполярный переходной транзистор

PNP-транзистор с биполярным переходом имеет базу из полупроводника, легированного азотом, между эмиттером, легированным фосфатом, и областью коллектора, легированным фосфором.PNP-транзистор имеет очень похожие характеристики с NPN-транзистором, с той разницей, что смещение направления тока и напряжения меняются местами. Для транзисторов PNP ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. Область эмиттера-база смещена в прямом направлении, поэтому будут генерироваться электрическое поле и носители. Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на рисунках 3 и 4 ниже.

Рисунок 3 Схема транзистора PNP Рисунок 4 Схема транзистора PNP

Напряжение между базой и эмиттером (V BE ) теперь отрицательное на базе и положительное на эмиттере. Клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру while. Эмиттер положительный по отношению к коллектору (V CE ). В основной части коллектора с обратным смещением образовались отверстия. Из-за электрического поля носители или электроны притягиваются дырками.Для того чтобы транзистор PNP проводил, эмиттер всегда более положительный по отношению как к базе, так и к коллектору.

РЕГИОНЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Биполярные транзисторы имеют четыре различных режима работы. Эти области определяются смещениями на переходе биполярного переходного транзистора.

  1. Отсечка : Область отсечки — это когда транзистор неактивен из-за минимального тока, проходящего через транзистор, из-за чего транзистор выглядит как разомкнутая цепь.И VBE, и VBC имеют обратное смещение, поэтому все края обедненной области имеют небольшую плотность неосновных носителей. Эта область имеет условия смещения, противоположные насыщению.
  1. Прямая активность : Прямая активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, что позволяет транзистору усиливать колебания напряжения, присутствующие на базе. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение, транзистор может усиливать напряжение, потому что напряжение между коллектором и эмиттером больше, чем напряжение между базой и эмиттером, а также находится между состояниями отсечки и насыщения.Выходной ток пропорционален базовому току и может быть извлечен на коллекторе.
  1. Обратно-активный : Обратно-активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, но максимальный коэффициент усиления по току в обратном активном режиме намного меньше, чем в прямом активном режиме. Условия смещения меняются на противоположные, так что коллекторный переход базы имеет прямое смещение, а база-эмиттерный переход — обратное, что переключает роли коллекторной и эмиттерной областей.База содержит гораздо более низкое обратное напряжение смещения, чем в прямой активной области.
  1. Насыщение : Область насыщения позволяет транзистору проводить ток от эмиттера к коллектору. При прямом смещении как базового коллекторного перехода, так и базового эмиттерного перехода ток базы настолько велик, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате в цепи между выводами коллектора и эмиттера возникает короткое замыкание из-за перенасыщения тока.

КОНФИГУРАЦИИ

Существует три метода подключения биполярного переходного транзистора к электронной схеме. Конфигурация с общей базой, конфигурация с общим эмиттером и конфигурация с общим коллектором по-разному реагируют на входной сигнал схемы, таким образом изменяя характеристики каждой конфигурации.

Общая базовая конфигурация

Общая базовая конфигурация имеет сильную высокочастотную характеристику, которая хороша для схем с одноступенчатым усилителем.Однако это не очень распространено из-за низких характеристик усиления по току и низкого входного сопротивления. Входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера, а выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора. Для этого необходимо заземлить клемму базы, чтобы опорное напряжение было фиксированной величиной. Общая базовая конфигурация показана ниже.

Рисунок 5 Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой схему неинвертирующего усилителя напряжения.Конфигурация имеет усиление сопротивления за счет соотношения между сопротивлением нагрузки (Rload) последовательно с коллектором и резистором Rin. Входной ток, протекающий в эмиттер, представляет собой сумму как базового тока, так и тока коллектора, соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода с прямым смещением

.

Конфигурация общего эмиттера

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов, поэтому этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для усилителей на основе транзисторов.Входной сигнал, подаваемый между базой и эмиттером, невелик из-за прямого смещения PN-перехода, а выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, велик из-за обратного смещения PN-перехода.

Это происходит главным образом потому, что входной импеданс мал, поскольку он подключен к PN-переходу с прямым смещением, а выходное сопротивление велико, поскольку оно снимается с PN-переходом с обратным смещением. Однако его коэффициент усиления по напряжению намного ниже. Конфигурация общего эмиттера показана ниже.

Рисунок 6 Схема усилителя с общим эмиттером

Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Следовательно, выходной сигнал не совпадает по фазе с сигналом входного напряжения.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация с общим коллектором очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень большого отношения входного импеданса к выходному. Конфигурация имеет входной сигнал, напрямую подключенный к базе.Когда эмиттерная область включена последовательно с нагрузочным резистором, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, имеет то же значение, что и ток эмиттера. Вот почему выходной сигнал берется из нагрузки эмиттера, а коэффициент усиления по току конфигурации приблизительно равен значению β транзистора.

Рисунок 7 Схема транзистора с общим коллектором

Этот тип конфигурации биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны».Сопротивление нагрузки принимает как базовый, так и коллекторный токи, что приводит к большому усилению тока, а также обеспечивает хорошее усиление тока с очень небольшим усилением напряжения.

Вопросы

1. Если ток коллектора (Ic) составляет 50 ампер, а базовый ток (Ib) равен 2 амперам, то каково значение бета?

2. В чем разница между биполярным транзистором PNP и биполярным транзистором NPN?

3. Каков текущий коэффициент усиления транзистора, если заданная альфа (α) равна 0.5?

ответов

1. Бета-отношение (β) = Ic / Ib. Значение бета равно 50 амперам, разделенным на 2 ампера, что составляет 25.

2. PNP-транзистор и NPN-транзистор имеют очень похожие характеристики, разница между ними заключается в смещении направлений тока и напряжения.

3. Коэффициент усиления транзистора по току — это бета-коэффициент (β), равный (α) / (1-α). Значение Beta равно 0.5 / (1-0,5), что равно 0,5

Список литературы

1. Kasap, S. (2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

2. «Учебное пособие по NPN-транзисторам — Биполярный NPN-транзистор». Учебники по основам электроники . 1 сентября 2013 г. Интернет. 8 декабря 2015 г.

3. «Переходный транзистор». Переходный транзистор . Интернет. 8 декабря 2015 г.

4. Все изображения созданы с помощью программного обеспечения на дигикеи.com

Авторы

1. К. Битти, MSE (Калифорнийский университет в Дэвисе).

Symbol, конструкция, работа, характеристики и применение

Транзисторы — один из очень важных компонентов, используемых в конструкциях электронных схем. Эти скромные компоненты можно найти почти везде; Транзисторы доказывают свое присутствие от простых схем релейных драйверов до сложных схем материнской платы. Фактически, ваши микроконтроллеры и микропроцессоры представляют собой не что иное, как набор большого количества транзисторов, синтезированных для выполнения коллективной операции.Помните, что многие переключающие устройства, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, DIAC и т. Д., Могут вместе называться транзисторами. Но самым основным (самым старым) транзистором является транзистор BJT, поэтому в этой статье мы подробно рассмотрим это, вы можете использовать ссылки, чтобы узнать больше о других переключателях питания.

BJT — это короткая форма биполярного переходного транзистора , это твердотельное устройство, управляемое током, которое можно использовать для электронного переключения цепи, вы можете думать об этом как о своем обычном переключателе вентилятора или света, но вместо вас включив его вручную, можно управлять электроникой.С технической точки зрения, BJT — это трехконтактное устройство с эмиттером, коллектором и выводом базы, ток, протекающий через эмиттер и коллектор, регулируется величиной тока, приложенного к базе. Опять же, вы можете рассматривать эмиттер и коллектор как два конца вашего переключателя, и вместо нажатия переключателя у нас есть базовый вывод, который может принимать управляющий сигнал. Но как именно это работает? А как с помощью транзистора построить интересные схемы? Это именно то, на что мы собираемся ответить в этом уроке.

Обозначение биполярных транзисторов

Начнем с символа транзисторов , чтобы вы могли идентифицировать их в цепи. На приведенной ниже диаграмме показаны символы двух транзисторов типа . Слева — это символ для транзистора PNP , а справа — символ для NPN-транзистора . Как я уже сказал, вы сможете увидеть три клеммы: эмиттер, коллектор и базу для обоих типов транзисторов.

Разница между транзисторами PNP и NPN заключается в том, что стрелка на конце эмиттера, если вы заметили, стрелка в транзисторе PNP упоминается как движущаяся от эмиттера к базе, тогда как в транзисторе NPN стрелка будет переход от базы к эмиттеру. Направление стрелки представляет направление тока в транзисторе, в PNP ток будет течь от эмиттера к базе, аналогично в транзисторе NPN ток будет течь от базы к эмиттеру.

Еще одно важное отличие состоит в том, что транзистор NPN остается открытым до тех пор, пока он не получит сигнал на выводе базы, в то время как транзистор PNP остается закрытым до тех пор, пока на вывод базы не будет подан управляющий сигнал, как показано в приведенном выше файле GIF.

Конструкция биполярного переходного транзистора

BJT образован тремя слоями полупроводниковых материалов, если это транзистор PNP, он будет иметь две области P-типа и одну область N-типа, аналогично, если это транзистор NPN, он будет иметь две области N-типа. области и одна область P-типа.Два внешних слоя — это места, где фиксируются выводы коллектора и эмиттера, а вывод базы фиксируется на центральном слое.

Конструкцию можно просто объяснить с помощью аналогии с двумя диодами для транзистора , как показано на изображении выше. Если вы хотите узнать больше о диодах, вы можете прочитать его статью. Рассмотрим два диода, соединенных друг с другом с помощью катода, тогда точка встречи может быть расширена, чтобы сформировать базовый вывод, а два конца анода действуют как коллектор и эмиттер PNP-транзистора.Точно так же, если вы соединяете анодные концы диода, то точка встречи анодов может быть расширена до клеммы базы, а два катодных конца действуют как коллектор и эмиттер NPN-транзистора.

Работа транзистора (BJT)

Практически транзистор работает очень просто, он может использоваться как переключатель или как усилитель. Но для базового понимания давайте начнем с того, как транзистор в качестве переключателя работает в схеме.

Когда управляющее напряжение подается на базовый вывод, требуемый базовый ток (I B ) протекает на базовый вывод, который управляется базовым резистором . Этот ток включает транзистор (переключатель закрыт) и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Этот ток называется током коллектора (I C ) , а напряжение на коллекторе и эмиттере называется V BE . Как вы можете видеть на изображении, мы используем напряжение низкого уровня, например 5 В, для управления нагрузкой с более высоким напряжением 12 В с помощью этого транзистора.

Теперь для теории, рассмотрим транзистор NPN, переход BE — это с прямым смещением , а переход CB — с обратным смещением . Ширина области истощения в соединении CB выше по сравнению с областью истощения в соединении BE. Когда BE-переход смещен в прямом направлении, он уменьшает барьерный потенциал, следовательно, электроны начинают течь от эмиттера к базе. Базовая область очень тонкая и слабо легирована по сравнению с другими областями, следовательно, она состоит из очень небольшого количества дырок, электроны, которые текут из эмиттера, будут рекомбинировать с дырками, присутствующими в базовой области, и начнут течь. вне базовой области в виде базового тока.Большое количество оставшихся электронов будет перемещаться через коллекторный переход обратного смещения в виде коллекторного тока.

На основании закона Кирхгофа , мы можем сформулировать текущее уравнение как

  I  E  = I  B  + I  C   

Где, I E , I B, и I C — ток эмиттера, базы и коллектора соответственно. Здесь базовый ток будет очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора, поэтому I E ~ I C

Точно так же, когда вы рассматриваете транзистор PNP, они работают так же, как транзистор NPN, но в транзисторах NPN основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженная частица), но в транзисторе NPN носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные частица).

Характеристики БЮТ

BJT можно подключить в трех различных конфигурациях, оставив одну общую клемму и используя две другие клеммы для входа и выхода. Эти три типа конфигураций по-разному реагируют на входной сигнал, подаваемый на схему, из-за статических характеристик , BJT. Три различных конфигурации BJT перечислены ниже.

  • Конфигурация Common Base (CB)
  • Конфигурация с общим эмиттером (CE)
  • Общий коллектор (CC) Конфигурация

Среди них конфигурации с общей базой будут иметь усиление по напряжению, но без усиления по току, тогда как конфигурация с общим коллектором имеет усиление по току, но без усиления по напряжению, а конфигурация с общим эмиттером будет иметь усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Конфигурация общей базы также называется конфигурацией с заземленной базой , где база BJT соединена как общая между входным и выходным сигналами. Входной сигнал на BJT подается через клеммы базы и эмиттера, а выходной сигнал от BJT получается через клеммы базы и коллектора. Входной ток (I E ), протекающий через эмиттер, будет значительно выше по сравнению с током базы (I B ) и током коллектора (I C ), поскольку ток эмиттера является суммой обоих Базовый ток и ток коллектора.Поскольку выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера, коэффициент усиления по току для этой конфигурации будет равен единице (1) или меньше .

Входные характеристики

Характеристическая кривая входа для конфигураций с общей базой проведена между током эмиттера I E и напряжением между базой и эмиттером V EB . Во время конфигурации с общей базой транзистор смещается в прямом направлении, поэтому он будет показывать характеристики, аналогичные характеристикам прямого действия p-n-диода, где I E увеличивается для фиксированного V EB , когда увеличивается V CB .

Выходные характеристики

Выходные характеристики конфигурации с общей базой даны между током коллектора I C и напряжением между коллектором и базой V CB , здесь ток эмиттера I E является параметром измерения. В зависимости от операции на кривой есть три разных участка, сначала активная область , , здесь BJT будет работать нормально, а эмиттерный переход смещен в обратном направлении.Затем идет область насыщения , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. Наконец, область отсечки , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Конфигурация общего эмиттера также называется конфигурацией заземленного эмиттера, где эмиттер действует как общий вывод между входом, применяемым между базой и эмиттером, и выходом, полученным между коллектором и эмиттером.Эта конфигурация обеспечивает максимальный ток и усиление мощности по сравнению с двумя другими типами конфигураций, это связано с тем, что входной импеданс низкий, поскольку он подключен к смещенному в прямом направлении PN-переходу, тогда как выходное сопротивление высокое. как это получается для PN-перехода с обратным смещением.

Входные характеристики

Характеристики входа конфигурации с общим эмиттером рисуются между базовым током I B и напряжением между базой и эмиттером V BE .Здесь наиболее распространенным параметром является напряжение между коллектором и эмиттером. Если бы вы могли видеть, не будет большой разницы между характеристической кривой предыдущей конфигурации, за исключением изменения параметров.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показаны между током коллектора I C и напряжением между коллектором и эмиттером V CE . Конфигурация CE также имеет три разные области: в активной области , , , коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, в области отсечки , эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении и ток коллектора полностью не отключается, и, наконец, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении.

Общий коллектор (CC) Конфигурация

Конфигурация общего коллектора также называется конфигурацией заземленного коллектора, в которой клемма коллектора остается общей клеммой между входным сигналом, подаваемым на базу и эмиттер, и выходным сигналом, полученным на коллекторе и эмиттере. Эта конфигурация обычно называется повторителем напряжения или схемой эмиттерного повторителя.Эта конфигурация будет полезна для приложений согласования импеданса , поскольку она имеет очень высокий входной импеданс, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Применение биполярных переходных транзисторов (BJT)

BJT может использоваться в различных приложениях, таких как логические схемы, схемы усиления, колебательные схемы, схемы с несколькими вибраторами, схемы ограничения, схемы таймера, схемы временной задержки, схемы переключения и т.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.