Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером: принцип работы и характеристики

Как работает биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером. Какие преимущества дает эта схема включения. Какие параметры и характеристики важны для биполярного транзистора с общим эмиттером.

Принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, состоящий из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. Принцип его работы основан на инжекции неосновных носителей заряда из эмиттера в базу и их диффузии через тонкую базовую область в коллектор.

Ключевые моменты работы биполярного транзистора:

• Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном
• Из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители заряда
• В базе происходит диффузия и частичная рекомбинация носителей
• Большая часть носителей достигает коллектора и образует ток коллектора
• Небольшая часть рекомбинирует в базе, образуя ток базы

Схема включения с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается с коллектора относительно эмиттера. Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

Преимущества схемы с общим эмиттером:

• Усиление как по току, так и по напряжению
• Высокий коэффициент усиления по мощности
• Средние значения входного и выходного сопротивлений
• Хорошие частотные свойства
• Простота реализации

Основные характеристики и параметры

Важнейшими характеристиками биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером являются:

• Входная характеристика — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер
• Выходная характеристика — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы
• Коэффициент усиления по току β — отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы
• Входное сопротивление h11э
• Выходная проводимость h22э
• Коэффициент обратной связи h12э

Режимы работы транзистора

В зависимости от напряжений на переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

• Активный режим — эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт
• Режим насыщения — оба перехода открыты
• Режим отсечки — оба перехода закрыты
• Инверсный активный режим — эмиттерный переход закрыт, коллекторный открыт

Активный режим является основным рабочим режимом транзистора в усилительных схемах.

Влияние температуры на работу транзистора

Температура оказывает существенное влияние на параметры и характеристики биполярного транзистора:

• С ростом температуры увеличивается обратный ток коллекторного перехода
• Уменьшается коэффициент передачи тока β
• Смещается рабочая точка транзистора
• Изменяются входные и выходные характеристики

Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры применяют различные схемы температурной стабилизации.

Частотные свойства транзистора

На высоких частотах усилительные свойства транзистора ухудшаются из-за следующих факторов:

• Инерционность процессов переноса носителей заряда в базе
• Наличие барьерных и диффузионных емкостей p-n переходов
• Влияние объемного сопротивления базы

Важными частотными параметрами транзистора являются:

• Граничная частота коэффициента передачи тока fгр
• Максимальная частота генерации fmax
• Коэффициент шума

Применение транзисторов в схеме с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером широко используется в различных электронных устройствах:

• Усилители низкой частоты
• Усилители мощности
• Импульсные схемы
• Генераторы колебаний
• Преобразователи частоты
• Стабилизаторы напряжения

Популярность схемы с общим эмиттером обусловлена ее универсальностью, хорошими усилительными свойствами и простотой реализации.

Эквивалентные схемы транзистора

Для анализа работы транзистора на низких и высоких частотах используют различные эквивалентные схемы:

• Физическая эквивалентная схема
• h-параметрическая схема
• y-параметрическая схема
• Гибридная π-схема

Эти схемы позволяют учесть различные физические процессы в транзисторе и рассчитать его характеристики в разных режимах работы.

Современные типы биполярных транзисторов

В настоящее время разработаны различные модификации биполярных транзисторов с улучшенными характеристиками:

• Гетеропереходные транзисторы
• Многоэмиттерные транзисторы
• Многоколлекторные транзисторы
• Транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
• Составные транзисторы

Эти типы транзисторов позволяют существенно улучшить частотные, мощностные и другие характеристики по сравнению с классическими биполярными транзисторами.

Транзисторы — Транзистор — Тип прибора Условное графическое обозначение (уго)

С этим файлом связано 1 файл(ов). Среди них: Элементы электронных схем.docx. Показать все связанные файлы Подборка по базе: ИНСТРУКЦИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ РАБОТЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ С КОМПЬЮТЕРА, при пользовании электронагревательными приборами.docx, Проверочная работа по русскому языку на тему «Твердые и мягкие с, 211-211_ивановаД_задача+характеристика прибора .pdf, Реферат Условное осуждение.docx, Пособие _Карточки-орфограммы_. 7 класс. Теория, графическое пояс, инст пров-я работ ГФ приборами на кабеле.pdf, ПР Графическое построение СМК.docx, ЛЗ№7 Поверка измереительного прибора.docx, Л.р. Определение цены деления измерительного прибора .doc Транзисторы Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур. Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице:   Тип прибора Условное графическое обозначение (УГО) Биполярные Биполярный p-n-p типа Биполярный n-p-n типа Полевые С управляющим p-n переходом С каналом p-типа С каналом n-типа С изолированным затвором МОП транзисторы С встроенным каналом Встроенный канал p-типа Встроенный канал n-типа С индуцированным каналом Индуцированный канал p-типа Индуцированный канал n-типа   Биполярные транзисторы Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов — электроны и дырки. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора. Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор, ЭП — эмиттерный переход, КП — коллекторный переход, W — толщина базы. Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток Режим насыщения – оба p-n перехода открыты Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт   В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным. В нормальном режиме коллекторный p-n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы. Движение носителей заряда в транзисторе n-p-n типа показано на рисунке: При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда. Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк. Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,95 При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен: В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной. Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко. Три схемы включения биполярного транзистора Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Схемы для p-n-p транзистора показаны на рисунках а, б, в: В схеме с общей базой (рис. а) электрод база является общим для входной и выходной цепи, в схеме с общим эмиттером (рис. б) общим является эмиттер, в схеме с общим коллектором (рис. в) общим является коллектор. На рисунке показаны: Е1 – питание входной цепи, Е2 – питание выходной цепи, Uвх – источник усиливаемого сигнала. В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер (схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы: Малое значение тока базы во входном контуре обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером (ОЭ) В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1(Uбэ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2(Uкэ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке: Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ. Зависимость Iб = f(Uбэ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ. При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб. Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход. Зависимость Iк = f(Uкэ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб Параметры биполярного транзистора К основным параметрам транзистора относятся: Статический коэффициент усиления по току: B = Iк / Iб Его величина находится а пределах 50…250 Дифференциальный коэффициент усиления по току: при Uкэ = const Статический коэффициент передачи тока эмиттеру: Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттеру: Коэффициенты α0 и α практически одинаковы. Их значения находятся в пределах 0,9…0,998 и являются функциями температуры и напряжения Uкэ Дифференциальное выходное сопротивление: при Uбэ = const Дифференциальное входное сопротивление: при Uкэ = const Представление транзистора в малосигнальном режиме работы четырехполюсником В малосигнальном режиме работы транзистор может быть представлен четырехполюсником. Когда напряжения u1, u2 и токи i1, i2 изменяются по синусоидальному закону, связь между напряжениями и токами устанавливается при помощи Z, Y, h параметров. Потенциалы 1′, 2′, 3 одинаковы. Транзистор удобно описывать, используя h-параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб, Uбэ, Iк и Uкэ. Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических соображений в качестве независимых удобно выбирать величины Iб и Uкэ. Тогда Uбэ = f1(Iб, Uкэ) и Iк = f2(Iб, Uкэ). В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства: Физический смысл параметров:  – входное сопротивление при коротком замыкании полюсов 2-2′;  – коэффициент передачи по напряжению в режиме хх со стороны полюсов 1-1′;  – коэффициент передачи по току при коротком замыкании полюсов 2-2′  – выходная проводимость при холостом ходе на входе, полюсы 1-1′ разомкнуты. Для схемы с ОЭ коэффициенты записываются с индексом Э: h21э, h22э, h31э, h32э. В паспортных данных указывают h31э = β , h31б = α. Эти параметры характеризуют качество транзистора. Для увеличения значения h31 нужно либо уменьшить ширину базы W, либо увеличить диффузионную длину, что достаточно трудно. Составные транзисторы Для увеличения значения h31 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона: В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1. Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2, а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1. Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом: Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1, β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине. Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1, то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1, β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000. Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1, VT2 в отдельности. Наверх Частотные свойства биполярных транзисторов Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу. Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током Iэ и током Iк. При низких частотах фазы токов Iэ, Iк и Iб совпадают. Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления   уменьшается в   раз по сравнению со статическим значением β0, называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером fβ – предельная частота (частота среза) fгр – граничная частота (частота единичного усиления) Проверьте себя, отвечая на нижеследующие контрольные вопросы: Материал для подготовки к аттестации по теме: «Транзисторы» В чем заключается принцип работы биполярного транзистора? Какие значения имеет коэффициент передачи тока эмиттера? Какие значения коэффициент передачи тока базы? Перечислите схемы включения биполярных транзисторов. Перечислите режимы работы биполярного транзистора. Приведите УГО ( условно-графическое обозначение) биполярных транзисторов. Перечислите разновидности биполярных транзисторов. Как влияет толщина базы на усилительные свойства биполярного транзистора? В каком направлении смещены p-n-переходы биполярного транзистора в режиме насыщения? В каком направлении смещены p-n-переходы биполярного транзистора в режиме отсечки? Какой величиной ограничено входное (управляющее) апряжение в эквивалентной схеме биполярного транзистора для активного режима (режим малого сигнала – РМС)? По какой ВАХ определяют параметры h21 и h22? Чему равен коэффициент передачи тока базы при граничной частоте единичного усиления? Для справки : Энциклопедия нефти и газа https://www.ngpedia.ru/txt_index.html

Биполярные транзисторы — презентация онлайн

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Презентацию подготовила:
студентка группы 21306
Кравченко Г.Ю.

2. Содержание

Введение
Физические процессы в биполярных транзисторах
Формулы Молла-Эберса
ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой
Дифференциальные пераметры биполярного транзистора
Фундаментальное уравнение в теории транзисторов
Эффект Эрли
Коэффициент обратной связи
Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
Эквивалентные схемы транзисторов
Составные транзисторы
Дрейфовые транзисторы
Параметры транзистора как четырехполюсника
H-параметры

3.

ВведениеВ 1948 г. американские ученые Дж. Бардин и У. Браттейн
создали полупроводниковый триод, или транзистор.
Дж. Бардин
(1908-1991)
У. Браттейн
(1902-1987)
Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя
электронно-дырочными переходами. В транзисторе
используются оба типа носителей — основные и
неосновные, поэтому его называют биполярным.
Биполярный транзистор (БТ) состоит из трех областей
монокристаллического полупроводника с разным типом
проводимости: эмиттера, базы и коллектора.
В зависимости от типа проводимости крайних слоев
различают транзисторы p-n-р и n-p-n. По
технологии изготовления транзисторы делятся на
сплавные, планарные, а также диффузионносплавные, мезапланарные и эпитаксиальнопланарные.
Каждый из переходов транзистора можно включить
либо в прямом, либо в обратном направлении. В
зависимости от этого различают три режима
работы транзистора:
1. Режим отсечки — оба p-n-перехода закрыты, при этом через транзистор обычно
идет сравнительно небольшой ток.
2. Режим насыщения — оба p-n-перехода открыты.
3. Активный режим — один из p-n-переходов открыт, а другой закрыт.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе обратное, то включение транзистора считают нормальным, при
противоположной полярности — инверсным.
По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и
дрейфовые биполярные транзисторы. Если при отсутствии токов в базе
существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных
носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым,
если же поле в базе отсутствует — диффузионным.

5. Физические процессы в БТ

В БТ реализуются четыре физических процесса:
— инжекция носителей из эмиттера в базу;
— диффузия от эмиттера к коллектору;
— рекомбинация в базе;
— экстракция из базы в коллектор.
Зонная диаграмма биполярного транзистора:
в равновесном состоянии
в активном режиме

6. Формулы Молла-Эберса

Формулы Молла — Эберса – это универсальные соотношения, которые позволяют
рассчитать ВАХ в БТ при любом варианте подключения.
Jэ=I′э0(exp(βUэ)−1)−αII′к0(exp(βUк)−1)
Jк=αNI′э0(exp(βUэ)−1)−I′к0(exp(βUк)−1)
Jб =(1−αN )I′э0(exp(βUэ )−1)+(1−αI)I′к0(exp(βUк −1))
Где Jб -ток базы,равный разности токов эмиттера Jэ и коллектора Jк.
и I′к0 и
I′э0 -тепловые токи коллектора и эмиттера
Данные формулы полезны для анализа статических характеристик биполярного
транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.
При измерении теплового тока коллектора Iк0 дырки как неосновные носители
уходят из базы в коллектор Jк = Jб (Jэ = 0). При этом поток дырок из базы в
эмиттер не уравновешен, и их перехо-дит из эмиттера в базу больше, чем в
равновесных условиях. Это вызовет накопление избыточного положительного
заряда в базе и увеличение потенциального барьера на переходе Э-Б, что, в конце
концов, скомпенсирует дырочные токи.
Таким образом, необходимо отметить, что при измерении теплового тока
коллектора эмиттер будет заряжаться отрицательно по отношению к базе.

7.

ВАХ биполярного транзистора с общей базой в активном режимесхема включения транзистора с общей базой
семейство эмиттерных характеристик
семейство коллекторных
характеристик
Анализ вольт-амперных характеристик БТ, приведенных на
предыдущем рисунке, показывает, что коллекторные
характеристики эквидистантны. При напряжении на
коллекторе, равном нулю, ток коллектора уже достаточно
большой и в дальнейшем по мере роста коллекторного
напряжения не меняется. При небольшом прямом смещении
коллекторного перехода коллекторный ток резко убывает и
становится равным нулю при значениях смещения на
коллекторе, равном напряжению на эмиттере. Для семейства
эмиттерных кривых характерна слабая зависимость от
коллекторного напряжения. При напряжении на
коллекторе,равном нулю, эммитерная характеристика
полностью совпадает с вольт-амперной характеристикой p-n
перехода. При увеличении напряжения не коллекторе ток
эмиттера слабо меняется вследствие эффекта модуляции
ширины базы.

9. Дифференциальные параметры БТ

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора, являются
коэффициент передачи тока эмиттера α, сопротивление эмиттерного (rэ) и коллекторного (rк)
переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер – коллектор μэк.
γ — коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера, характеризует долю полезного тока в
полном токе эмиттера
χ – коэффициент переноса, показывает какая доля носителей прошла без рекомбинации через
эмиттерный переход

10. Фундаментальное уравнение в теории транзисторов

Продифференцируем уравнение:
Эффект Эрли
Изменение коэффициента передачи α биполярного транзистора
вследствие модуляции ширины базы при изменении коллекторного
напряжения получило название эффекта Эрли. Объёмное
сопротивление БТ в схеме с общей базой определяется
геометрическими особенностями конструкции биполярного
транзистора.
Эффект Эрли

12. Коэффициент обратной связи

При рассмотрении коэффициента
обратной связи в ПТ важную роль играет
требование постоянства Iэ.
Iэ = const
dp/dx = const
При увеличении W, уменьшается Uэ.

13. БТ в схеме с общим эмиттером

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером,имеет место усиление не только по
напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы
Iб и напряжение на коллекторе Uк, а выходными характеристиками — ток коллектора Iк и
напряжение на эмиттере Uэ.
— коэффициент усиления по току транзистора в схеме с
общим эмиттером.
входная ВАХ
выходная ВАХ

14. Эквивалентные схемы транзисторов

Иногда для анализа процессов, происходящих в биполярных транзисторах
удобнее применять соответствующие эквивалентные схемы, где реальные
процессы в нелинейных устройствах описываются с помощью активных
(источники тока и напряжения) и пассивных элементов (сопротивления,
ёмкости), адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных
параметров.
Эквивалентная схема транзистора с общей
базой
Эквивалентная схема транзистора с общим
эмиттером

15.

Составные транзисторыСоздание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме
переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным
напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т. е. с высоким коэффициентом
β, имеет схемотехническое решение: два биполярных транзистора имеют характеристики, как
для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи β эмиттерного тока. Такая
комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона.
Высокие значения коэффициента усиления в составных
транзисторах реализуются только в статическом режиме,
поэтому составные транзисторы нашли широкое применение
во входных каскадах операционных усилителей.
схема составного транзистора

16. Дрейфовые транзисторы

Для повышения быстродействия транзисторов необходимо увеличить скорость движения
инжектированных носителей в базе. Одним из способов этого будет переход от диффузионного к
дрейфовому механизму переноса в базе. В дрейфовых транзисторах используется принцип
встраивания электрического поля в базу. Этот принцип реализуется путем неоднородного
легирования базы.
Вводится параметр η – коэффициент
неоднородности базы.
Время переноса через базу в биполярном
транзисторе при дрейфовом и диффузионном
переносе:
распределение концентрации
легирующей примеси
дрейфового транзистора и
зонная диаграмма

17. Параметры транзистора как четырёхполюсника

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как
четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для
транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два
значения напряжения
U1 и U2.
четырёхполюсник
z – параметры: измеряются в режиме холостого хода на входе и выходе.
— входное и выходное сопротивления
— сопротивления обратной и прямой передач
y-параметры: измеряются в режиме короткого замыкания на входе и выходе
— входная и выходная проводимости
— проводимости обратной и прямой передач

18.

H – параметры Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из
соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим
короткого замыкания на выходе и режим холостого хода на входе.
В схеме с общей базой:
С общим эмиттером:
Где
h21 — входное сопротивление при коротком замыкании на выходе
h22 — выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи
h31 — коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи
h32 — коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе
Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы.

English     Русский Правила

Конфигурации транзисторов — Транзисторы с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом

Конфигурации транзисторов.

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

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

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

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

Общий эмиттер

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

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

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

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

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

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

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

Например, если входной ток ( I _B ) в общем эмиттере изменяется с 75 мкА до 100 мкА, а выходной ток ( я _С ) изменится с 1,5 мА на 2,6 мА, то коэффициент усиления по току ( β ) будет равен 44.

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

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

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

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

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

Общая база

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

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

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

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

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

Это текущее усиление менее 1.

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

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

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

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

Общий коллектор

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Усилители BJT: общие эмиттеры и анализ постоянного тока | Блог Advanced PCB Design

Если бы мы спросили большинство людей о предназначении базилярной мембраны, мы могли бы получить ответы, начиная от того, что защищает корпус лодки от протекания, до чего-то о странных огнях в ночном небе. А если серьезно, то базилярная мембрана — в сотрудничестве с улиткой и крошечными волосковыми клетками — позволяет всем нам — и всем нашим собратьям-позвоночным — слышать или воспринимать звук.

С одним концом жестким и узким, а другим концом более широким и гибким, базилярная мембрана стимулируется синусоидальными волнами. Каждая волна движется от жесткого, узкого конца к более широкому, гибкому концу, увеличивается по амплитуде, а затем уменьшается по амплитуде. Поскольку вибрации различаются по частоте, высокие частоты дают пики вблизи узкого конца, а низкие частоты — пики ближе к широкому концу.

У нас есть собственные усилители

В то время как базилярная мембрана работает как частотный анализатор и настроенная на частоту линия задержки, улитка механически усиливает движение мембраны. Усиление происходит по мере того, как улитка увеличивает сигнал, передавая энергию сигналу от внешнего источника.

Усиление является фундаментальной частью проектирования электронных схем. Возвращаясь к базилярной мембране и улитке, мы видим нелинейный усилитель, поскольку амплитуда движения не пропорциональна уровню звукового давления. Нелинейное усиление, создаваемое нашими слуховыми системами, дает нам необходимую чувствительность при прослушивании низких и высоких частот.

Линейные усилители производят усиленный выходной сигнал, который имеет точную форму входного сигнала. Усилители малых сигналов, такие как биполярные транзисторы (BJT), работают как линейные усилители.

Что такое транзистор с биполярным переходом и для чего он нужен?

Транзисторы с биполярным переходом — объединяют три слоя транзисторов p-типа и n-типа вместе для создания транзисторов pnp или npn. Сделав еще один шаг вперед, npn-транзистор имеет два pn-перехода, расположенных встречно. Одна n-область (n+) транзистора получает более сильное легирование носителей заряда, чем другая n-область, и служит эмиттером для транзистора. Средняя узкая часть материала p-типа (p) l образует базу транзистора, в то время как другая менее легированная область n (n) образует коллектор транзистора.

Конструкция биполярного транзистора возвращает нас к pn-диодам, поскольку переход база-эмиттер npn-транзистора работает как диод с прямым смещением. Электроны перетекают из сильно легированного материала n+ в материал p-типа, а дырки перемещаются из материала p-типа в область n+. Как только электроны достигают узкой области базы, обратное смещение перехода база-коллектор позволяет коллектору собирать электроны из эмиттера. Тогда от коллектора к эмиттеру течет больший ток, чем от внешней цепи к базе.

Подача небольшого количества тока в базу приводит к тому, что в коллектор поступает большее количество тока. В результате небольшой ток базы контролирует гораздо больший ток коллектора. Мы называем транзисторы с биполярным переходом усилителями малых сигналов, потому что этим устройствам требуется небольшое напряжение смещения для установления точки добротности, или рабочей точки. Без напряжения смещения транзистор не может увеличить амплитуду сигнала переменного тока.

Использование транзисторов в вашей конструкции означает придирчивость к требованиям к напряжению и току.

Q-точка представляет установившееся постоянное напряжение или ток (без подачи сигнала) на указанном выводе транзистора. Изменения тока и напряжения происходят вокруг точки Q в ответ на небольшое напряжение входного сигнала переменного тока. При всем этом транзистор работает как управляемый током источник тока.

У нас есть что-то общее

Мы можем использовать три различных конфигурации для усиления с помощью биполярного транзистора. В то время как в конфигурации с общим эмиттером эмиттер используется как общий вывод для сигнала переменного тока, в усилителях с общим коллектором или эмиттерным повторителем вход подается на базу через разделительный конденсатор, а выход — на эмиттер. Усилители с общей базой используют базу в качестве общей клеммы для сигнала переменного тока и емкостно связывают входной сигнал с эмиттером. Выход с общей базой емкостно соединен от коллектора к нагрузочному резистору.

Усилители с общим эмиттером обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению и току. Во всех усилителях коэффициент усиления по напряжению (AV) равен выходному напряжению, деленному на входное напряжение, или:

AV = Vout / Vin

входное напряжение переменного тока на базе.

 Мы измеряем коэффициент усиления по току (A _i ) как ток на коллекторе (I _C ), деленный на общий сигнальный ток (IS) или:

         Ai = IC / IS

Общий ток сигнала — это ток, создаваемый источником. В свою очередь, ток базы и часть тока смещения, протекающие через цепь смещения, вносят свой вклад в общий ток сигнала.

Коэффициент усиления по току или потери по току

Несмотря на то, что усилители с общим коллектором обеспечивают коэффициент усиления по напряжению только приблизительно 1, конфигурация с общим коллектором дает преимущества высокого входного сопротивления, низкого выходного сопротивления и высокого коэффициента усиления по току. Сочетание высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления позволяет усилителю с общим коллектором работать в качестве буфера, который снижает влияние нагрузки, если схема управляет нагрузкой с низким сопротивлением.

Для усилителей с общим коллектором коэффициент усиления по току (A _i ) равен сумме токов эмиттера и нагрузки (I _e ), деленной на входной ток (I _в ), или:

Ai = Ie / I in

Усилители с общей базой обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению и максимальный коэффициент усиления по току, равный единице. Поскольку усилители с общей базой имеют низкое входное сопротивление, в схемах будут использоваться конфигурации с общей базой для систем связи, требующих согласования импеданса источника.

Анализ постоянного тока цепей усилителя BJT

Используя схему усилителя с общим эмиттером, показанную на рисунке в качестве примера, использование эквивалентных схем помогает при анализе цепей. Анализ постоянного тока схемы усилителя с общим эмиттером начинается с определения значений смещения постоянного тока, а затем удаления разделительных и обходных конденсаторов, нагрузочного резистора и источника сигнала для создания эквивалентной схемы постоянного тока с применением теоремы Тевенина и закона напряжения Кирхгофа.

Анализ переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером начинается с признания того, что емкостное реактивное сопротивление (XC) остается очень низким на частоте сигнала. Считая XC равным нулю, преобразование схемы в эквивалентную схему переменного тока требует замены трех конденсаторов в цепи эффективными короткими замыканиями. Затем анализ продолжается путем замены источника постоянного тока на землю. С точки зрения анализа переменного тока источник постоянного напряжения имеет внутреннее сопротивление, равное нулю Ом.

Поскольку на источнике постоянного тока не может возникнуть переменное напряжение, он служит заземлением переменного тока. Электрически заземление переменного тока и фактическое заземление существуют в одной и той же точке. Все это сводит эквивалентную схему к трем резисторам и транзистору. Подключение источника переменного напряжения ко входу схемы. Поскольку напряжение источника переменного тока имеет внутреннее сопротивление, равное нулю Ом, напряжение источника появляется на базе транзистора.

Для определения напряжения сигнала переменного тока на базе транзистора необходимо объединить сопротивление источника (RS), сопротивление смещения и входное сопротивление переменного тока на базе, чтобы получить общее входное сопротивление (Rin(tot) ), воспринимаемое подключенным источником переменного тока. на вход. Используя формулу делителя напряжения, напряжение сигнала на базе транзистора (Vb) равно:

         Vb = (Rin(tot) / RS + Rin(tot)) VS

Благодаря набору инструментов проектирования и анализа от Cadence у вас будет все необходимое для расчета, моделирования, моделирования, компоновки, и доработать конструкции с использованием усилителей BJT. Моделирование PSpice имеет активную библиотеку моделей из 34 000 и продолжает расти, а также содержит возможности анализа постоянного тока для точного и быстрого моделирования любых потребностей вашей схемы.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение может предложить Cadence, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.