Схема биполярного транзистора с общим эмиттером. Биполярные транзисторы: принцип работы, схемы включения и применение

Как устроены биполярные транзисторы. Какие бывают схемы включения транзисторов. Какие основные параметры и режимы работы у биполярных транзисторов. Как рассчитать простейший усилитель на биполярном транзисторе. Как используется транзистор в ключевом режиме.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами: эмиттером, базой и коллектором. Он состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости (p-n-p или n-p-n). Основные особенности устройства:

• База — очень тонкая область с высоким сопротивлением
• Коллектор имеет большую площадь, чем эмиттер
• Контакт база-эмиттер имеет меньшую площадь, чем база-коллектор

Принцип работы основан на управлении током коллектора с помощью тока базы. При подаче небольшого тока на базу открывается переход база-эмиттер, что приводит к протеканию значительно большего тока через коллектор.

Основные схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

1. Схема с общей базой (ОБ)

В этой схеме база является общим электродом для входной и выходной цепи. Особенности:

• Низкое входное сопротивление
• Высокое выходное сопротивление
• Коэффициент усиления по току меньше 1
• Хорошие частотные свойства

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эмиттер является общим электродом. Наиболее распространенная схема. Характеристики:

• Среднее входное и выходное сопротивление
• Высокий коэффициент усиления по току и напряжению
• Хорошее усиление мощности
• Инверсия фазы сигнала

3. Схема с общим коллектором (ОК)

Коллектор — общий электрод. Также называется эмиттерным повторителем. Свойства:

• Высокое входное сопротивление
• Низкое выходное сопротивление
• Коэффициент усиления по напряжению близок к 1
• Отсутствие инверсии фазы сигнала

Ключевые параметры биполярных транзисторов

Основные параметры, характеризующие работу биполярного транзистора:

• Коэффициент усиления по току (β или h21E) — отношение тока коллектора к току базы
• Максимально допустимые токи и напряжения
• Граничная частота усиления
• Входная и выходная емкость
• Тепловое сопротивление

Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах:

1. Активный режим

Основной режим работы для усиления сигналов. Переход база-эмиттер открыт, база-коллектор закрыт. Ток коллектора пропорционален току базы.

2. Режим насыщения

Оба p-n перехода открыты. Используется в ключевых схемах. Транзистор полностью открыт, сопротивление коллектор-эмиттер минимально.

3. Режим отсечки

Оба перехода закрыты. Транзистор заперт, токи через него минимальны. Также применяется в ключевых схемах.

4. Инверсный активный режим

Переход база-коллектор открыт, база-эмиттер закрыт. На практике практически не используется.

Расчет простейшего усилителя на биполярном транзисторе

Рассмотрим алгоритм расчета простого усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером:

1. Выбор рабочей точки транзистора (ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер)
2. Расчет сопротивления коллекторной нагрузки
3. Расчет токов и напряжений в цепи базы
4. Выбор элементов смещения (резисторов делителя в базе)
5. Расчет разделительных и блокировочных конденсаторов
6. Оценка коэффициента усиления каскада

Важно обеспечить температурную стабилизацию рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току (например, резистором в цепи эмиттера).

Применение биполярных транзисторов в ключевом режиме

В ключевом режиме транзистор работает в двух состояниях — насыщения (ключ замкнут) и отсечки (ключ разомкнут). Это позволяет использовать его для коммутации нагрузок. Основные применения:

• Электронные ключи и переключатели
• Логические элементы цифровых схем
• Драйверы для управления мощными нагрузками
• Импульсные источники питания
• Генераторы прямоугольных импульсов

Важными параметрами ключевого режима являются время переключения, остаточное напряжение в открытом состоянии, ток утечки в закрытом состоянии.

Эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе

Эмиттерный повторитель — это схема включения транзистора с общим коллектором. Основные особенности:

• Коэффициент передачи по напряжению близок к единице
• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Отсутствие инверсии фазы сигнала
• Хорошие частотные свойства

Применяется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой, в качестве буферных каскадов, для развязки каскадов в многокаскадных усилителях.

Заключение

Биполярные транзисторы остаются одними из самых распространенных активных компонентов в электронике. Благодаря простоте применения и хорошим характеристикам они широко используются в аналоговых и цифровых схемах. Понимание принципов работы и основных схем включения биполярных транзисторов — важный навык для разработчиков электронной аппаратуры.

1.1.5 Схемы включения биполярных транзисторов. Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

дипломная работа

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору — нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током — ток коллектора. Это показано на рис. 5, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

Рис.5. Включение в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора

На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рис. 6. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

Рис. 6. Включение в электрическую цепь биполярного n-p-n транзистора

Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

Схема включения транзистора с общим коллектором

К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током — ток эмиттера. Это отражено на рис. 7, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

Рис.7. Схема включения биполярного p-n-p транзистора

С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада — напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т. е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название — эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой

В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 8.

Рис.8. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой

В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

Биполярные фототранзисторы

Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток — это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении — ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность — это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.

Делись добром 😉

Диагностика и техническое обслуживание ПК. Ремонт периферийного оборудования

5.9 Циклы включения и выключения

Чтобы ваш компьютер работал долго и безотказно, старайтесь как можно реже его включать и выключать. Существует два очевидных способа: либо навсегда оставить компьютер включенным, либо никогда его не включать…

Изучение преимуществ технологии Server Side Includes

2.3 Переменные включения

В дополнение к стандартным окружениям CGI, модуль SSI делает доступными для директив и условий…

Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

1.1.6 Технология изготовления транзисторов

Эпитаксиально-планарная технология Полупроводниковые ИМС на биполярных транзисторах наиболее часто изготовляют по планарной и планарно-эпитаксиальной технологиям…

Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

1.1.7 Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един: Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора.

..

Лабораторный стенд на базе платформы Intel P965

1.3. Размер кристалла Core 2 Duo и число транзисторов

Число транзисторов Core 2 Duo существенно меньше, чем у двуядерного процессора Pentium D 900. Благодаря 65-нм техпроцессу площадь кристалла тоже невелика (таблица 2)…

Оглавления и указатели в Microsoft Word

2. Разметка текста для включения в оглавление

Далее следует пометить текст, который нужно включить в оглавление, выполнив его форматирование стилями заголовка. Используйте для этого один из описанных ниже способов. I. Использование выделения первых слов абзацев стилями заголовков 1…

Основы создания информационных ресурсов на языке PHP

1.8 Операторы включения

Оператор include позволяет включать код, содержащийся в указанном файле, и выполнять его столько раз, сколько программа встречает этот оператор…

Программатор микросхем I2С BUS

2.2 Проектирование схемы включения микроконтроллера

2.2.1 Анализ.. .

Проектирование микропроцессорной системы сбора данных на базе микроконтроллера Atmega8515

2.4 Схема включения АЦП

На рисунке 2.4 представлена схема включения АЦП. Рисунок 2.4 — Схема включения АЦП Для работоспособности АЦП по рекомендации производителя необходимо подключить 4 конденсатора (С3, С4, С5 и С6), два из которых являются электролитическими (C3 и С6)…

Разработка цифрового измерительного устройства с интерфейсом RS-485

3.3 Схема включения буфера RS-485

Буфер предназначен для двусторонней связи между микроконтроллером и ПК с использованием последовательного интерфейса. ПК и микроконтроллер осуществляют обмен информацией через буфер данных ADM2682E посредством интерфейса RS-485…

Разработка шлюза аппаратуры ВТК-12 для единой системы мониторинга и администрирования

3.3.2 Принципы включения и наследования

Структура включения Свойство включения позволяет одному объекту включать в себя один и более других объектов. Включение выполняется как запись ссылки на подчиненный объект (включаемый) объект в суперобъекте (включающем).

..

Системы управления базой данных на предприятии

5. Анализ схемы КТС и разработка схемы информационных или материальных потоков, схемы документооборота для выбранного объекта автоматизации

В отделе ПО установлены машины класса Pentium IV с процессорами Intel Pentium 2.6 и Intel Celeron 1.7 Такие компьютеры используются для сложных вычислений, написания программ, обработки информации. Периферийные устройства состоят из плоттера, лазерного принтера…

Создание лабораторного стенда, который позволит приобрести инженерно-практические навыки моделирования и отладки принципиальных схем при программировании в среде Multisim

1.10 Редактирование транзисторов, конденсаторов, индуктивности

> Для редактирования значения резистора, индуктивности или конденсатора: 1. Дважды щелкните по компоненту и выберите закладку Value. 2. Измените параметр, как нужно, и щелкните по ОК…

Устройство отображения информации

2. Обоснование выбора используемых ресурсов микроконтроллера и схемы включения

Для выполнения задания потребуется АЦП (или микроконтроллер со встроенным АЦП), три семисегментных индикатора, две кнопки и четыре светодиода. Для организации динамической индикации выберем специализированную микросхему-драйвер…

Устройство управления вентиляторами компьютера через порт LPT

2.1.5 Обоснование выбора транзисторов

Произведём выбор наиболее подходящего полупроводникового прибора из ниже приведённого списка. Таблица 2.1.5…

Изучение схем с общим эмиттером на биполярных транзисторах. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Изучение схем с общим эмиттером на биполярных транзисторах. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

ВикиЧтение

OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Кеоун Дж.

Содержание

Изучение схем с общим эмиттером на биполярных транзисторах

Для изучения цепей смещения в главе 10 была использована схема на рис. 10.7. Соберите эту схему в Capture, создав новый проект Bjtcase. Напомним, что необходимо трижды повернуть резисторы, чтобы первый полюс каждого резистора оказался наверху. Значения будут такими же, как на рис. 10.7: R₁=40 кОм, R₂=3,3 кОм, R_c=4,7 кОм, R_E

=220 кОм и V_CC=12 В. Транзистор 2N2222 обозначен в библиотеке eval как Q2N2222. Пронумеруйте узлы, как на рис. 10.7, затем сохраните полученный рисунок (рис. 15.11). Чтобы получить анализ цепей смещения, используйте моделирование на PSpice под именем Bjtcase. Выберите тип анализа Bias Point и для Output File Option установите опцию «Include detailed bias point information (.OP)». Выполните моделирование, проверьте ошибки, исследуйте выходной файл, затем отредактируйте его в Word и распечатайте. Сравните ваши результаты с показанными на рис. 15.12. Значения параметров смещения должны совпадать с приведенными в главе 10.

Рис. 15.11. Схема для определения точки покоя усилителя ОЭ на биполярном транзисторе 

**** 10/01/99 11:14:59 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Bjtcases

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.

ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives: .CP

.PROBE

*Netlist File:

.INC «bjtease-SCHEMATIC1.net»

* Alias File:

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.net ****

* source BJTCASE

Q_Q1  3 14 Q2N2222

V_VCC 20 12V

R_RE  4 0 220

R_RC  2 3 4.7k

R_R2  10 3.3k

R_R1  2 1 40k

**** RESUMING bjtcase-SCHEMATIC1-Bjtcases.sim.cir ****

.INC «bjtcase-SCHEMATIC1.als»

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

Q_Q1  Q1(c=3 b=1 e=4 )

V_VCC VCC(+=2 -=0 )

R_RE  RE(1=4 2=0 )

R_RC  RC(1=2 2=3 )

R_R2  R2(1=1 2=0 )

R_R1  R1(1=2 2=1 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

.ENDALIASES

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .8933   ( 2) 12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VCC -1. 391E-03 

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

Рис. 15.12. Выходной файл для усилителя ОЭ на биполярном транзисторе 

Обратите внимание, что мы не вывели значения токов через резисторы, как делали это на рис. 10.8, поскольку директива .PRINT DC не доступна в Capture. Таким образом, дополнительная работа, необходимая для анализа в Capture, не оправдана, если нас интересуют только параметры смещения. Для проведения анализа переменных составляющих используем созданную нами схему, просто добавив недостающие компоненты. 

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Малосигнальная модель с h -параметрами для биполярных транзисторов

Малосигнальная модель с h-параметрами для биполярных транзисторов Точной моделью для биполярных транзисторов, широко используемой при анализе на малых сигналах, является модель в h-параметрах, показанная на рис. 3.5. Эта модель с соответствующими значениями используется

Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами

Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами На рис. 3.28 показана упрощенная модель для использования в PSpice, на рис. 3.29 — схема ОЭ, использующая эту модель. Входной файл для анализа приведен далее: Simplified h-Parameter AnalysisVS 1 0 1mVVO 3 0 0VF 4 0 VO 50RS 1 2

Чувствительность биполярных транзисторов из библиотеки PSpice

Чувствительность биполярных транзисторов из библиотеки PSpice Когда при анализе чувствительности используется модель биполярного транзистора из библиотеки PSpice, чувствительность выходной переменной к изменениям в значениях параметров транзистора задана также в

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором Обычно в усилителе с общим эмиттером (ОЭ) используют шунтирующий конденсатор, подобный Се на рис. 4.5, включенный параллельно Re, что позволяет увеличить коэффициент усиления по напряжению. Проблема состоит в том,

Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению

Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению В качестве примера, относящегося уже не к колебательному контуру, а к усилителю, на рис. 4.18 показана упрощенная гибридная ?-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению. Рис.

Параллельная обратная связь по току в двухкаскадном усилителе с общим эмиттером

Параллельная обратная связь по току в двухкаскадном усилителе с общим эмиттером Для дальнейшей иллюстрации влияния обратной связи на диапазон частот на рис. 4.19 показана модель двухкаскадной схемы ОЭ с параллельной обратной связью по току. Мы снова выбрали упрощенную

Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером

Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером Рассмотрим теперь трехкаскадный усилитель с общим эмиттером. Анализировать эту схему без использования компьютера слишком трудно. Здесь также приходит на помощь PSpice, позволяя провести

Выходные характеристики схемы с общим эмиттером

Выходные характеристики схемы с общим эмиттером Чтобы представить модель биполярного транзистора, мы используем схему смещения усилителя с ОЭ, представленную на рис. 9.19. Такую схему вы могли бы использовать, если бы вам пришлось исследовать выходные характеристики

Входные характеристики схемы с общим эмиттером 

Входные характеристики схемы с общим эмиттером  Входные характеристики могут быть получены из входного файла, который ссылается на встроенную модель следующим образом:BJT Input CharacteristicsIBB 0 1 100uARs 1 0 1000kRL 2 3 1kQ1 2 1 0 BJTVCC 3 0 12V.MODEL BJT NPN.DC IBB 0 100uA 1uA.PROBE.ENDИз рис. 9.21 видно, что для этой

Усилители с общим эмиттером

Усилители с общим эмиттером Простая схема каскада с ОЭ показана на рис. 10.5. Входной контур получен путем преобразования более сложной цепи с помощью теоремы Тевенина. Мы проводим анализ при частоте 5 кГц, при которой конденсаторы могут рассматриваться просто как короткое

Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором

Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором Когда усилитель ОЭ использует эмиттерный резистор, не шунтированный конденсатором, коэффициент усиления по напряжению схемы уменьшается, зато улучшается частотная характеристика. Схема с

Фазовые соотношения в усилителе с общим эмиттером

Фазовые соотношения в усилителе с общим эмиттером Когда в усилителе с ОЭ для стабилизации параметров смещения используется эмиттерный резистор RЕ, он шунтируется конденсатором СЕ с такой емкостью, чтобы на частоте входного сигнала эмиттер можно было бы считать

Триггер на биполярных транзисторах

Триггер на биполярных транзисторах Рис. 10.22. Триггер на биполярных транзисторахТриггер, использующий транзисторы BJT npn-типа, показан на рис. 10.22. Для обеспечения правильной работы в этом мультивибраторе с двумя устойчивыми состояниями один транзистор должен находиться в

Мультивибратор с эмиттерными связями на биполярных транзисторах

Мультивибратор с эмиттерными связями на биполярных транзисторах На рис. 10.29 показан мультивибратор с эмиттерными связями, использующий стандартные компоненты. Его подробный анализ приведен в книге Millman, Taub, Pulse, Digital, and Switching Waveforms. При анализе принимается, что Q1

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах Можно преобразовать схему смещения, показанную на рис. 11.4, в усилитель напряжения, добавив два конденсатора и источник переменного напряжения (рис. 11.7). Приведенный ниже входной файл предназначен для анализа на переменном токе при f=5

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах В схеме усилителя на полевом транзисторе, приведенной на рис. 11.7, использовалась встроенная модель транзистора. Как говорилось в этом примере, строки, описывающие такое устройство, могли бы иметь вид:JFET 3 1 2 JM.MODEL JM NJF (RD=10 RS=10 VTO=3V BETA=0.2m)Эти

Что такое биполярный транзистор. Биполярный транзистор

Содержание

• 1 Виды транзисторов
  • 1.1 Биполярный транзистор
  • 1.2 Особенности устройства биполярного транзистора
  • 1.3 Принцип работы биполярного транзистора
• 2 Схемы включения
  • 2.1 Схема включения с общей базой
  • 2.2 Схема включения с общим эмиттером
  • 2. 3 Схема с общим коллектором
• 3 Основные параметры
  • 3.1 Токи в транзисторе
  • 3.2 Инверсный активный режим
• 4 Режим насыщения
  • 4.1 Режим отсечки
  • 4.2 Барьерный режим
  • 4.3 Работа биполярного транзистора.
• 5 Простейший усилитель на биполярном транзисторе
  • 5.1 Описание основных элементов цепи
  • 5.2 Расчет входного тока базы Ib
• 6 Расчет выходного тока коллектора IС
  • 6.1 Расчет выходного напряжения Vout
  • 6.2 Анализ результатов
• 7 Транзистор в ключевом режиме
  • 7.1 Эмиттерный повторитель

 

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Схема включения с общей базой.Основная статья: Усилительный каскад с общей базой

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
• Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.Основная статья: Каскад с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

• Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.Основная статья: Эмиттерный повторитель

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
  • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • rб — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h21 = Um1/Im1, при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h22 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h31 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h32 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h21Im1 + h22Um2;Im2 = h31Im1 + h32Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h31э = Imк/Imб = β.

Для схемы ОБ: Im1 = Imэ, Im2 = Imк, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Токи в транзисторе

Токи в биполярном транзисторе

Токи в биполярном транзисторе имеют две основных составляющих.

• Ток основных носителей эмиттера IЭ, который частично проходит в коллектор, образуя ток основных носителей коллектора Iк осн, частично рекомбинирует с основными носителями базы, образуя рекомбинантный ток базы Iбр.
• Ток неосновных носителей коллектора, который течёт через обратно смещённый коллекторый переход, образуя обратный ток коллектора Iкбо.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ<0; UЭБ>0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Работа биполярного 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 VКЭ (VCE).
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 VBE, но значительно ниже чем VCE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE
— 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 IBE,
и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

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 IB,
сильно меняется ток коллектора IС.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

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.

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.

Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. 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 VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Расчет выходного тока коллектора IС

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

Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали.

Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc 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 Vout/Vin 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 Ib, 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 Vout 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.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Конфигурация с общим эмиттером BJT

Схема с общим эмиттером, вероятно, является наиболее широко используемой конфигурацией транзистора. Эмиттерный электрод является общим как для входной, так и для выходной цепи. Усилитель с общим эмиттером имеет типичный входной импеданс 1 кОм и типичный выходной импеданс 10 кОм. Кроме того, выход будет обратным входу, что означает, что выход испытывает изменение фазы на 180°. Это приводит к замечательной общей производительности.

Усилитель с общим эмиттером

Содержание

Работа усилителя с общим эмиттером

Схема усилителя с общим эмиттером состоит из делителя напряжения смещения и разделительных конденсаторов C _B и C _C на входе и выходе и шунтирующего конденсатора C _E который подключается от эмиттера к земле. Конденсатор C _B подает входной сигнал на входной порт усилителя. Он также отделяет сигналы переменного тока от напряжения смещения постоянного тока.

Рис. 1. Схема усилителя с общим эмиттером (a) принципиальная схема, (b) схема для расчета постоянного смещения. Источник изображения: www. ee.iitb.ac.in

Конденсатор C _C связывает выходной сигнал с сопротивлением нагрузки R _L . Это связано с тем, что входной сигнал переменного тока подается на базу, а затем берется с клеммы коллектора в качестве выходного сигнала. Оба входных и выходных сигнала имеют эмиттер в качестве общей клеммы.

Шунтирующий конденсатор C _C закорачивает сигнал на эмиттере на землю, тем самым гарантируя, что сигнал на определенной частоте не проходит через эмиттер. Это делается для подачи напряжения смещения базы. Вот почему усиленный выходной сигнал на 180° не совпадает по фазе с входным сигналом.

Смещение делителя напряжения имеет два резистора (R ₁ и R ₂ ), которые соединены средней точкой с базовым выводом транзистора. Это формирует делитель потенциала, который подает на базу напряжение смещения. Резистор R ₁ используется для создания напряжения прямого смещения, а резистор R ₂ используется для обеспечения создания напряжения смещения.

Термостабильность усилителя регулируется резистором RE на выводе эмиттера. R1, R2 и RE крайне важны для стабилизации схемы и формирования напряжения смещения. Если эти резисторы не работают, правильная рабочая точка не будет установлена. Это может привести к отключению отрицательного полупериода от выходного сигнала.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг — это фазовый угол между входным и усиленным выходным сигналом, измеряемый в градусах, известный как фазовый сдвиг. Обычные однокаскадные усилители обеспечивают фазовый сдвиг либо 180 ^o , либо 360 ^o .

Анализ постоянного тока усилителя CE

Усилитель с общим эмиттером работает, когда входной сигнал переменного тока проходит через переход эмиттер-база. Входные сигналы чередуются между положительными и отрицательными пиковыми значениями. Сигнал находится в прямом направлении смещения и увеличивается, когда он проходит через соединение в течение верхнего полупериода.

Рис. 2. Работа усилителя с общим эмиттером

Ток коллектора также значительно возрастает из-за увеличения потока электронов от эмиттера к коллектору через базу. Также увеличивается ток через резистор нагрузки коллектора R _C и также наблюдается падение напряжения на коллекторе. Таким образом, общий выходной сигнал усиливается. Это показывает, что в верхней половине цикла схема с общим эмиттером усиливает входной сигнал.

В то время как верхний полупериод увеличивает прямое напряжение смещения, нижний полупериод уменьшает прямое напряжение смещения на переходе эмиттер-база. Следовательно, уменьшенное напряжение коллектор-база вызывает уменьшение тока коллектора на сопротивлении нагрузки коллектора R _C . Вот как мы получаем полный цикл напряжения прямого смещения.

Этот процесс создания отрицательных и положительных пиковых значений достигается посредством процесса смещения. Смещение очень важно для конструкций усилителей, поскольку оно помогает установить рабочую точку транзисторного усилителя, в которой он будет принимать сигналы. Таким образом, искажения в выходном сигнале усилителя значительно уменьшаются, поскольку устанавливаются надлежащие параметры наиболее эффективных условий работы. Смещение относится к постоянному току и напряжению внутри схемы усилителя.

В условиях постоянного тока все три конденсатора (C _B , C _E и C _C ) в усилителе с общим эмиттером заменяются с разомкнутыми цепями. Предполагается, что коэффициент усиления транзистора β очень велик и стремится к бесконечности. Из-за этого предположения базовым током можно пренебречь. Таким образом, сеть R1-R2 работает как делитель напряжения. Напряжение смещения транзистора рассчитывается по формуле:

   

В _CC – это напряжение питания, которое также помогает определить максимальный ток коллектора, IC, когда транзистор полностью открыт, В _CE = 0.

Для работы в качестве усилителя BJT должен работать в активной области. Переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход база-коллектор должен быть под обратным смещением. Падение напряжения база-эмиттер может быть записано следующим образом:

Сначала мы делаем выборку в (нечетных) равноудаленных точках вокруг:

   

Для кремниевого BJT разница между этими напряжениями дает падение напряжения около 0,7 В. . Следовательно, через это значение V _E можно записать как:

   

Ток эмиттера I _E равен:

   

     

Предполагается, что коэффициент усиления коллектора транзистора эквивалентен I _{I усилитель очень большой. Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером представляет собой отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Коэффициент усиления по напряжению в произведении коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления коллектора к входному сопротивлению базовых цепей. Следовательно, следующие уравнения определяют коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по напряжению.}

   

   Он находится по току коллектора I _C и коэффициенту усиления по постоянному току β . Цепь напряжения Кирхгофа в петле база-эмиттер может быть представлена ​​следующим образом:0011 1 и R ₂ и V _Th = V _B .

Эти расчеты суммируют анализ постоянного тока усилителя коллектор-эмиттер.

Рабочая точка и значения покоя показаны на линии нагрузки для биполярного транзистора, работающего в режиме с общим эмиттером.

Анализ переменного тока усилителя СЕ. транзистор в отношении его терминального поведения. Существует большое количество эквивалентных схем, однако схема замещения h-параметров предпочтительнее для расчета схем с биполярными транзисторами.

Параметры «h» — это четыре параметра, которые описывают поведение двухпортовой сетевой системы. Эта линейная сеть образуется, когда сопротивление, индуктивность, емкость остаются фиксированными и изменяется только напряжение на них. Поэтому эти параметры делятся на h ₁₁ , h ₁₂ , h ₂₁ и h ₂₂ , где первое число в нижнем индексе обозначает входную переменную, а второе обозначает выходную переменную. Он имеет форму нижнего индекса, что означает, что первое число всегда делится на второе число. Параметры «h» также известны как гибридные параметры, поскольку они представляют собой смесь двух переменных.

Рис. 4. Эквивалентная схема с параметрами h для схемы эмиттера

Уравнения, полученные из этой эквивалентной схемы, следующие: –

   

   

различаются, поскольку они зависят от того, какая пара клемм рассматривается как входная или выходная. Где:

• ч ₁₁ входное сопротивление.
• h ₁₂ входное сопротивление.
• h ₂₁ входное сопротивление.
• h ₂₂ входное сопротивление.

В случае высоких частот емкости между соединениями база-эмиттер, база-коллектор и коллектор-эмиттер также должны учитываться на эквивалентной принципиальной схеме. Это также включает резистор база-коллектор, которым, однако, в большинстве случаев пренебрегают, потому что он очень большой. Емкости определяют частоты среза основных схем транзисторов. Этот тип схемы подходит для лабораторных испытаний, так как емкость дает незначительные частоты.

Характеристики усилителя с общим эмиттером

Несколько примечательных характеристик усилителя с общим эмиттером:

• Усилитель с общим эмиттером имеет высокий коэффициент усиления.
• Вход и выход имеют соотношение фаз 180 градусов.
• Имеет средний коэффициент усиления по напряжению.

Различные характеристики конфигурации с общим эмиттером BJT

3 9 02193

Параметр	Значения
Voltage gain	Medium – typically 40
Current Gain	High – typically 200
Power gain	Very High – typically 8000
Input resistance	Medium – 2,5 кОм
Выходное сопротивление	Высокое – 20 кОм
Фазовый сдвиг	180 0
Усилители ЗЧ и ВЧ общего назначения

Плюсы и минусы использования усилителя с общим эмиттером

Преимущества

Несколько преимуществ использования усилителя с общим эмиттером: усилитель высокий.

Низкий входной импеданс, работает как инвертирующий усилитель.

Среднее напряжение и высокий коэффициент усиления по току, что приводит к высокому коэффициенту усиления по мощности.

Недостатки

Несколько недостатков использования усилителя с общим эмиттером:

• Усилитель с общим эмиттером не реагирует на высокие частоты.
• Коэффициент усиления по напряжению усилителя нестабилен.
• Имеет очень высокое выходное сопротивление.
• Несмотря на наличие резисторов, все же есть вероятность тепловой нестабильности в цепи.

В настоящее время усилители с общим эмиттером используются в приложениях, требующих низкочастотных усилителей напряжения и шума. В схемах радиочастотных приемопередатчиков также используются усилители с общим эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером — Справочник по электронике

Усилители — это схемы, которые позволяют слабому сигналу управлять гораздо большим. В большинстве усилителей для этого используются транзисторы, но также распространены электронные лампы.

Усилитель с общим эмиттером — одна из самых популярных схем усилителей. Он использует биполярный транзистор в конфигурации с общим эмиттером .

В этой статье мы расскажем об усилителях с общим эмиттером: как они работают и как проектировать схемы с ними.

Все транзисторы имеют три контакта. В биполярных переходных транзисторах (BJT) три вывода называются базой , эмиттером и коллектором .

Поскольку есть три вывода, естественно, есть три возможных положения транзистора в схеме. В зависимости от ориентации один из трех терминалов должен быть «общим» или общим для входа и выхода. По этой причине три конфигурации называются общим эмиттером, общей базой и общим коллектором 9.0005 .

Конфигурация с общим эмиттером имеет общий или общий эмиттер. Напряжение входного сигнала измеряется между базой и эмиттером, а напряжение выходного сигнала измеряется между коллектором и эмиттером.

Эмиттер заземлен, что позволяет быстро проверить, использует ли транзистор схему с общим эмиттером.

Это означает, что эмиттер находится при электрическом потенциале (т. е. точке наименьшего напряжения), относительно которого измеряются как входной, так и выходной сигнал усилителя .

Как работает усилитель с общим эмиттером

Чтобы понять принцип работы усилителя с общим эмиттером, мы должны подумать о работе биполярных транзисторов (BJT).

Обзор транзисторов с биполярным переходом

В конфигурации с общим эмиттером используется транзистор с биполярным переходом (BJT) для усиления как напряжения, так и тока.

Основная функция биполярного транзистора заключается в том, чтобы позволить небольшому напряжению или току через базу управлять гораздо большим током между коллектором и эмиттером.

Транзисторы NPN и PNP

Существует два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Это два возможных способа легирования трех чередующихся легированных областей n-типа и p-типа в полупроводниковом кристалле.

Биполярный переходной транзистор изготавливается путем присоединения вывода к каждой из трех легированных областей.

Основное различие между этими двумя типами состоит в том, что NPN-транзисторы используют электронов в качестве первичных носителей заряда, тогда как PNP-транзисторы используют отверстия в качестве первичных носителей заряда. В каждом типе транзистора носители заряда (электроны или дырки) движутся от эмиттера через базу к коллектору.

В транзисторах PNP первичными носителями заряда являются дырки, которые заряжены положительно. Это означает, что ток проходит от эмиттера через коллектор.

Напротив, первичными носителями заряда в транзисторах NPN являются электроны, которые заряжены отрицательно. Электроны движутся в направлении, противоположном электрическому току, поэтому ток течет от коллектора к эмиттеру.

См. урок о биполярных транзисторах (BJT) для получения дополнительной информации или обзора.

Общий эмиттер

В конфигурации с общим эмиттером первичное входное напряжение измеряется между базой и эмиттером, а выходное напряжение измеряется между коллектором и эмиттером.

К коллектору также приложено напряжение (называемое V _CC или иногда V _C ) и соответствующий ток через коллектор (называемый I _С ).

Сказка о двух петлях

В правой части схемы показана петля между коллектором, эмиттером, источником напряжения и сопротивлением нагрузки. Относительно высокий электрический ток течет по этому контуру против часовой стрелки.

Левая сторона схемы также имеет петлю с гораздо меньшим током, циркулирующим по часовой стрелке через базу, эмиттер и источник напряжения.

Благодаря действию транзистора ’, петля слева управляет петлей справа.

Поскольку левый контур подключен к базе, любое изменение напряжения источника приведет к гораздо большему (т. е. усиленному ) отклику правого контура.

Таким образом, сигнал, подаваемый на базу, будет определять выход, который берется между нагрузкой и коллектором.

Ток через эмиттер равен сумме токов через базу и коллектор: I _E = I _B + I _C

Сопротивление нагрузки включено последовательно с коллектором. Коэффициент усиления по току ( A _I или β – бета) представляет собой отношение тока через коллектор ( I _C ) к базе ( I _B ):

 A_I=\beta =\frac{I_C}{I_B} 

Отношение тока коллектора к току эмиттера также является полезной величиной и обозначается как α (альфа):

 \alpha = \frac{I_C}{I_E} 

Мы также можем найти ток коллектора I _C через α и β:

 I_C=\alpha I_E=\beta I_B 

Усилитель со смещением делителя напряжения

Более практичная схема усилителя показана ниже . В этой конфигурации используются два резистора (R ₁ и R ₂ ), которые образуют делитель напряжения на входе (базе).

Используя формулу делителя напряжения, мы знаем, что напряжение между базой и землей ( В _B ) будет:

 V_B=V_{CC}\frac{R_2}{R_1+R_2} 

Это означает, что базовое напряжение передается схемой делителя напряжения, которая помогает стабилизировать транзистор.

Ток через делитель будет зависеть от полного сопротивления R ₁ + R ₂ , по закону Ома:

 I=\frac{V_{CC}}{R_T}=\frac{V_{CC }}{R_1+R_2} 

Конденсаторы связи в усилителях

Во многих распространенных схемах усилителей используются конденсаторы связи для фильтрации любых составляющих постоянного тока сигнала переменного тока.

Конденсаторы связи используют тот факт, что конденсаторы блокируют стационарный постоянный ток, но пропускают переменный ток. Это можно понять с точки зрения зависящего от частоты емкостного сопротивления . Результат аналогичен фильтру верхних частот на входе и выходе.

Конденсаторы должны быть тщательно подобраны, чтобы гарантировать, что схема в целом оптимизирована для частоты приложения. Максимальная выходная мощность должна быть получена в желаемой полосе частот.

Шунтирующий конденсатор на эмиттере (С _E ) позволяет переменному току обходить резистор. Постоянный ток будет течь через резистор к земле, а переменный ток предпочтительно будет течь через шунтирующий конденсатор.

Схемы биполярных транзисторов со смещением

6 октября 2014 г. Крис Фрэнсис Оставить комментарий

Биполярные транзисторы, используемые в линейных приложениях, нуждаются в «смещении», как и другие транзисторы (JFET, MOSFET), когда они используются для линейных приложений, а не в качестве переключателей. При использовании в качестве «переключателя» вы просто хотите, чтобы транзистор был включен или выключен, и на самом деле не заботитесь о промежуточных состояниях, хотя при переключении высокой мощности или быстром переключении промежуточные состояния становятся важными. Кроме того, если вы проектируете высокоскоростной переключатель, то в конструкцию может входить смещение, чтобы ускорить переключение и минимизировать время перехода. Для линейного усилителя типичным примером является стандартный усилитель с общим эмиттером, и в Интернете есть множество очень хороших руководств, объясняющих, как его спроектировать — просто найдите усилители с общим эмиттером со смещением, и вы найдете много хороших примеров.

Смещение заключается в выборе напряжений в различных ключевых точках цепи и токов, протекающих через устройства, для достижения цели проектирования. В случае усилителя с общим эмиттером у вас будет импеданс источника сигнала, который диктует, каким должен быть входной импеданс вашего усилителя, чтобы свести к минимуму нагрузку на источник сигнала. У вас будут требования к усилению и полосе пропускания, а также импеданс нагрузки. Наконец, вы также должны учитывать колебания напряжения. В конце концов у вас будет схема, в которой вы выбрали все напряжения и токи для достижения цели проекта:

Итак, в этой схеме (которая имеет питание 12 В) вы можете видеть напряжения в важных точках, а также токи в различных устройствах. Учебники в Интернете помогут вам выбрать все значения, соответствующие вашим требованиям. Выбор значения каждого компонента важен, если вы заботитесь о производительности и соответствии спецификации.

А как насчет усилителей других конструкций? Усилитель с общей базой, например, выглядит немного странно в зависимости от того, как он нарисован, и его назначение не очевидно, когда вы узнаете, что у него низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс:

В то время как усилители с общей базой иногда используются как в радиочастотных (РЧ) усилителях, если вы перерисуете их в более распространенную схему — каскодный усилитель — это будет иметь больше смысла.

Здесь Q2 фактически является усилителем с общей базой. Его база находится на фиксированном напряжении, которое будет выбрано, чтобы гарантировать, что Q3 не насыщается, и это просто позволяет коллектору Q3 быть почти на фиксированном напряжении, а Q2 пропускает ток коллектора Q3 в нагрузку. Это повышает скорость за счет изоляции эффекта емкости Миллера. Это было более подробно описано в моем предыдущем блоге об усилителях каскода.

Еще одно место, где усилитель с общей базой прокрадывается незаметно, — это «длиннохвостая пара» или дифференциальный усилитель.

Один из способов представить эту схему как эмиттерный повторитель Q1, управляющий усилителем Q2 с общей базой, что может показаться нелогичным по отношению к его симметрии. Тем не менее, это может быть проанализировано таким образом. IBIAS может быть просто резистором. Базы транзисторов должны располагаться достаточно далеко от земли, чтобы напряжение база-эмиттер не падало ниже номинального значения 0,7 В, необходимого для того, чтобы транзистор был проводящим, а резисторы коллектора должны быть выбраны таким образом, чтобы транзисторы не насыщались. Если IBIAS заменен резистором, вам необходимо убедиться, что напряжение на эмиттере транзистора не падает слишком низко, поскольку ток смещения будет падать при падении напряжения на эмиттере.

Смещение становится более сложным, когда вы проектируете двойной балансный смеситель, либо дискретный, либо с использованием MC1496:

Здесь вход смещения используется для установки тока смещения в двух плечах смесителя. На двух выходах будут внешние резисторы, поэтому ток смещения будет устанавливать номинальное выходное напряжение коллектора. Входы должны быть смещены, чтобы гарантировать, что эмиттеры Q3/Q4 не падают слишком низко и не вызовут насыщение Q1/Q2, когда принимается во внимание напряжение на эмиттерах Q1/Q2, но не настолько высоко, чтобы затем уменьшить запас для следующие транзисторы вверх по цепочке – Q5/6/7/8. Входы несущей, VC, должны быть смещены аналогичным образом, чтобы эмиттеры Q5/6/7/8 не вызывали насыщение Q3/Q4. Размах напряжения на каждом входе необходимо учитывать при установке точек смещения, хотя двойной балансный смеситель обычно имеет значительное усиление, поэтому колебания на входе будут небольшими по сравнению с размахом на выходе. Однако размах входного напряжения несущей может быть высоким.

В каждом случае смещения вы часто разбиваете напряжение питания на ряд шагов и пытаетесь гарантировать, что ни один транзистор не насыщается в любой точке, даже при наличии большого сигнала, пытаясь обеспечить достаточное напряжение для выходного сигнала, который обычно имеет больший размах, чем входной сигнал.