Схема транзистора. Схемы включения транзисторов: основные конфигурации и особенности работы

Какие основные схемы включения транзисторов существуют. Чем отличаются схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Как выбрать оптимальную конфигурацию для конкретной задачи. Каковы преимущества и недостатки разных схем включения транзисторов.

Основные схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

• С общим эмиттером (ОЭ)
• С общей базой (ОБ)
• С общим коллектором (ОК)

Каждая из этих схем имеет свои особенности и области применения. Рассмотрим их подробнее.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной. Ее основные особенности:

• Высокий коэффициент усиления по току и напряжению
• Инвертирование входного сигнала
• Средние значения входного и выходного сопротивлений

В схеме ОЭ входной сигнал подается на базу, а выходной снимается с коллектора. Эмиттер является общим электродом для входа и выхода.

Преимущества схемы с ОЭ:

• Высокий коэффициент усиления мощности
• Простота реализации
• Широкая область применения

Недостатки схемы с ОЭ:

• Нестабильность рабочей точки
• Температурная зависимость параметров
• Возможность самовозбуждения на высоких частотах

Схема с общей базой

Схема с общей базой используется реже остальных. Ее характерные черты:

• Коэффициент усиления по току близок к единице
• Высокий коэффициент усиления по напряжению
• Низкое входное и высокое выходное сопротивление
• Отсутствие инверсии сигнала

В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер, выходной снимается с коллектора, а база является общим электродом.

Достоинства схемы с ОБ:

• Высокая устойчивость на высоких частотах
• Малые нелинейные искажения
• Хорошее согласование низкоомного источника сигнала с высокоомной нагрузкой

Недостатки схемы с ОБ:

• Низкое входное сопротивление
• Сложность реализации из-за необходимости двух источников питания

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором также называется эмиттерным повторителем. Ее особенности:

• Коэффициент усиления по напряжению близок к единице
• Высокий коэффициент усиления по току
• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Отсутствие инверсии сигнала

В схеме ОК входной сигнал подается на базу, выходной снимается с эмиттера, а коллектор является общим электродом.

Преимущества схемы с ОК:

• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Хорошее согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой
• Широкая полоса пропускания

Недостатки схемы с ОК:

• Отсутствие усиления по напряжению
• Необходимость дополнительного источника питания для смещения базы

Сравнение схем включения транзисторов

Для наглядного сравнения основных параметров рассмотренных схем включения приведем их в таблице:

Параметр	ОЭ	ОБ	ОК
Коэффициент усиления по току	Высокий	Низкий (~1)	Высокий
Коэффициент усиления по напряжению	Высокий	Высокий	Низкий (~1)
Входное сопротивление	Среднее	Низкое	Высокое
Выходное сопротивление	Среднее	Высокое	Низкое
Инверсия сигнала	Да	Нет	Нет

Выбор оптимальной схемы включения транзистора

При выборе схемы включения транзистора следует учитывать несколько факторов:

• Требуемые коэффициенты усиления по току и напряжению
• Входное и выходное сопротивления схемы
• Необходимость инверсии сигнала
• Рабочий диапазон частот
• Требования к температурной стабильности

Рассмотрим, какая схема лучше подходит для различных задач:

Схема с общим эмиттером подойдет, если нужно:

• Получить высокое усиление по току и напряжению
• Инвертировать сигнал
• Обеспечить средние значения входного и выходного сопротивлений

Схему с общей базой стоит выбрать, когда требуется:

• Высокое усиление по напряжению
• Работа на высоких частотах
• Согласование низкоомного источника сигнала с высокоомной нагрузкой

Схема с общим коллектором будет оптимальной при необходимости:

• Согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой
• Получения высокого входного и низкого выходного сопротивления
• Обеспечения широкой полосы пропускания

Особенности работы схем включения транзисторов

Каждая из рассмотренных схем имеет свои особенности работы, которые необходимо учитывать при проектировании:

Особенности схемы с общим эмиттером:

• Требуется температурная стабилизация рабочей точки
• Возможно самовозбуждение на высоких частотах
• Необходима цепь отрицательной обратной связи для стабилизации коэффициента усиления

Особенности схемы с общей базой:

• Сложность реализации из-за необходимости двух источников питания
• Высокая устойчивость на высоких частотах
• Малые нелинейные искажения

Особенности схемы с общим коллектором:

• Высокая линейность
• Широкая полоса пропускания
• Необходимость дополнительного источника питания для смещения базы

Применение различных схем включения транзисторов

Каждая схема включения имеет свои области применения, где ее использование наиболее эффективно:

Схема с общим эмиттером применяется в:

• Усилителях низкой частоты
• Усилителях мощности
• Генераторах сигналов
• Импульсных схемах

Схема с общей базой используется в:

• Высокочастотных усилителях
• Преобразователях импеданса
• Каскодных схемах

Схема с общим коллектором находит применение в:

• Эмиттерных повторителях
• Буферных каскадах
• Схемах согласования импедансов
• Стабилизаторах напряжения

Заключение

Выбор оптимальной схемы включения транзистора зависит от конкретной задачи и требований к усилительному каскаду. Каждая из рассмотренных схем имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании электронных устройств. Правильный выбор схемы включения позволяет максимально эффективно использовать возможности транзистора и получить требуемые характеристики усилительного каскада.

ТРАНЗИСТОР • Большая российская энциклопедия

ТРАНЗИ́СТОР (от англ. transfer – пе­ре­но­сить и resistor – со­про­тив­ле­ние), управ­ляе­мый по­лу­про­вод­ни­ко­вый при­бор для уси­ле­ния, ге­не­ри­ро­ва­ния и пре­об­ра­зо­ва­ния элек­трич. ко­ле­ба­ний, вы­пол­нен­ный на ос­но­ве мо­но­кри­стал­лич. по­лу­про­вод­ни­ка; со­дер­жит не ме­нее трёх об­лас­тей с раз­лич­ной – элек­трон­ной (n) или ды­роч­ной (p) – про­во­ди­мо­стью. Изо­бре­тён в 1947 У. Шок­ли, У. Брат­тей­ном и Дж. Бар­ди­ном (Но­бе­лев­ская пр., 1956). По фи­зич. струк­ту­ре и ме­ха­низ­му управ­ле­ния то­ком Т. де­лят­ся на два боль­ших клас­са: би­по­ляр­ные (или про­сто Т.) и уни­по­ляр­ные (или по­ле­вые Т.).

Рис. 1. Схема включения биполярного транзистора n–p–n-типа в усилителях электрических колебаний: Э – эмиттер; К – коллектор; Б – база; Rн – нагрузка; U – напряжение источников питания;i – ток.

В би­по­ляр­ных Т. (БТ), со­дер­жа­щих два или бо­лее p–n-пе­ре­хо­да, но­си­те­ля­ми за­ря­да слу­жат как элек­тро­ны, так и дыр­ки. Раз­ли­ча­ют БТ p–n–p-ти­па и n–p–n-ти­па (рис. 1). Сред­няя об­ласть БТ (тол­щи­ной, как пра­ви­ло, неск. мкм и ме­нее) на­зы­ва­ет­ся ба­зой, две дру­гие, от­де­лён­ные от ба­зы p–n-пе­ре­хо­да­ми, – эмит­те­ром и кол­лек­то­ром; дей­ст­вие БТ ос­но­ва­но на управ­ле­нии по­то­ком не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да, про­те­каю­щим че­рез ба­зу. Эмит­тер­ный пе­ре­ход сме­щён в пря­мом на­прав­ле­нии (по­ло­жи­тель­ный по­люс ис­точ­ни­ка пи­та­ния со­еди­нён с об­ла­стью р-ти­па, от­ри­ца­тель­ный – с об­ла­стью п-ти­па) и обес­пе­чи­ва­ет ин­жек­цию не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да, кол­лек­тор­ный – сме­щён в об­рат­ном на­прав­лении и «со­би­ра­ет» ин­жек­ти­ро­ван­ные но­си­те­ли. БТ из­го­тов­ля­ют гл. обр. на ос­но­ве Si (ре­же Ge) по пла­нар­но-эпи­так­си­аль­ной и диф­фу­зи­он­но-сплав­ной тех­но­ло­гии. БТ ра­бо­та­ют в ши­ро­ком диа­па­зо­не час­тот (от со­тен кГц до де­сят­ков ГГц). Вы­ход­ная мощ­ность со­став­ля­ет от не­сколь­ких мВт до со­тен Вт, ми­ним. уро­вень шу­мов – неск. дБ, вре­мя пе­ре­клю­че­ния – от со­тен пс до де­сят­ков мкс.

Рис. 2. Структурная схема n-канального МОП-транзистора: И – исток; С – сток; З – затвор.

В по­ле­вых Т. (ПТ) про­те­ка­ние ра­бо­че­го то­ка обу­слов­ле­но но­си­те­ля­ми за­ря­да толь­ко од­но­го зна­ка (элек­тро­на­ми или дыр­ка­ми) – от­сю­да назв. уни­по­ляр­ный. В ПТ дви­же­ни­ем но­си­те­лей за­ря­да че­рез ка­нал (об­ласть управ­ляе­мой про­во­ди­мо­сти) от ис­то­ка (об­лас­ти, яв­ляю­щей­ся ис­точ­ни­ком ды­рок или элек­тро­нов в за­ви­си­мо­сти от ти­па про­во­ди­мо­сти ка­на­ла) к сто­ку (об­лас­ти, со­би­раю­щей эти за­ря­ды из ка­на­ла) управ­ля­ет спец. элек­трод – за­твор (рис. 2). Ис­ток, сток и за­твор по на­зна­че­нию эк­ви­ва­лент­ны со­от­вет­ст­вен­но эмит­те­ру, кол­лек­то­ру и ба­зе. По фи­зич. эф­фек­там, ле­жа­щим в ос­но­ве управ­ле­ния но­си­те­ля­ми за­ря­да, та­кие Т. ус­лов­но де­лят на две груп­пы: ПТ с управ­ляю­щим p–n-пе­ре­хо­дом или пе­ре­хо­дом ме­талл – ПП (Шотт­ки барь­е­ром) и ПТ с изо­ли­ро­ван­ным за­тво­ром, или МДП-Т. (см. МДП-струк­ту­ра). В ПТ в ка­че­ст­ве ПП ма­те­риа­ла ис­поль­зу­ют в осн. Si и GaAs, в ка­че­ст­ве ме­тал­лов – Al, Mo, Au, в ка­че­ст­ве ди­электри­ка – SiO₂ (т. н. МОП-Т.) или слои­стые струк­ту­ры, напр. SiO₂–Si₃N₄ (МНОП-Т.). В ПТ пер­вой груп­пы на­пря­же­ние, при­кла­ды­вае­мое к управ­ляю­ще­му элек­тро­ду – за­тво­ру (p–n-пе­ре­хо­ду или кон­так­ту ме­талл – по­лу­про­вод­ник), из­ме­ня­ет тол­щи­ну об­лас­ти про­стран­ст­вен­но­го за­ря­да; при этом из­ме­ня­ет­ся про­во­дя­щее се­че­ние ка­на­ла и, как след­ст­вие, си­ла ра­бо­че­го то­ка. ПТ с управ­ляю­щим p–n-пе­ре­хо­дом ха­рак­те­ри­зу­ют­ся наи­бо­лее низ­ким (сре­ди Т.) уров­нем шу­мов в ши­ро­ком диа­па­зо­не час­тот (ко­эф. шу­ма ок. 0,1 дБ на час­то­те 10 Гц и 2 дБ на час­то­те 400 МГц). ПТ с барь­е­ром Шотт­ки и МДП-Т. име­ют наи­бо­лее вы­со­кие ра­бо­чие час­то­ты (до 100 ГГц). Мощ­ные МДП-Т. об­ла­да­ют луч­ши­ми сре­ди ПП при­бо­ров им­пульс­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми.

Т. (как дис­крет­ные, так и в со­ста­ве ин­те­граль­ных схем) ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся во вход­ных це­пях ра­дио­элек­трон­ных уси­лит. уст­ройств, в ра­дио­пе­ре­даю­щей ап­па­ра­ту­ре, фор­ми­ро­ва­те­лях и уси­ли­те­лях им­пуль­сов, элек­трон­ных пе­ре­клю­ча­те­лях, ста­би­ли­за­то­рах, ис­точ­ни­ках вто­рич­но­го пи­та­ния, сис­те­мах ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния, а так­же в элек­трон­ных ча­сах, мед. при­бо­рах, вы­чис­лит. уст­рой­ст­вах и др. См. так­же Си­ло­вые по­лу­про­вод­ни­ко­вые при­бо­ры.

Полевой транзистор схема управления нагрузкой постоянного тока

---

Полевой транзистор схема, которого представлена в этой публикации способна управлять мощной постоянной нагрузкой также эффективно как и сборки Дарлингтона или биполярные транзисторы.

Полевой транзистор схема, которого работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением. МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.

к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.

Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.

Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах соорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением

• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных.

Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• • Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I _Drain или I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10.

Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I²R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t_on,t_off, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие.

Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков

Источник: easyelectronics.ru

Конфигурации схем транзисторов

и Spice

В недавнем посте мы рассмотрели основы симуляторов схем Spice. В большинстве симуляций схем используются транзисторы либо в виде дискретных компонентов, либо в составе интегральной схемы. Поэтому полезно понять несколько основ того, как Spice моделирует транзисторы.

Транзисторы могут иметь несколько состояний, обычно насыщение, отсечка, активное состояние и обратное. А у транзисторов есть рабочая точка или точка покоя, которая определяется смещением постоянного тока. Пока рабочая точка находится в определенной рабочей области, транзистор будет работать так, как определено в этом конкретном состоянии. Но если рабочая точка переходит в другую область, работа транзистора меняется.

Модели транзисторов разработаны для определения диапазонов для этих областей и для выбора наилучшей или оптимальной рабочей точки или точки покоя (Q), вокруг которой можно поддерживать работу.

Обычно существует два класса моделей транзисторов. Модели с большим сигналом используются для определения смещения транзистора по постоянному току в зависимости от его конфигурации. Например, биполярные переходные транзисторы (BJT) имеют три конфигурации синфазного сигнала:

In с общим эмиттером , постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от базы к эмиттеру. Сигнал переменного тока подается на базу, а выход снимается с коллектора. В цепях с общей базой постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от коллектора к базе. Входной сигнал переменного тока подается на эмиттер, а выходной сигнал снимается с коллектора. В цепях с общим коллектором постоянный ток течет от базы к коллектору и от коллектора к эмиттеру. Входной сигнал переменного тока подается на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера.

Общий эмиттер является наиболее часто используемой из трех элементарных конфигураций. Важной характеристикой является то, что он инвертирует выход по отношению к входу, эффект, который устраняется, если имеется четное количество инвертирующих каскадов.

Цепи с общим эмиттером подвержены двум распространенным проблемам, обе из которых можно устранить с помощью надлежащей конструкции схемы. Одна из трудностей заключается в том, что в конфигурации с общим эмиттером усилитель может иметь высокий коэффициент усиления, который имеет тенденцию быть непредсказуемым из-за производственных вариаций, температуры и тока смещения. Автоматическое усиление может позаботиться об изменениях, но вместе с ними транзистор в конфигурации с общим эмиттером может перейти в режим отсечки или генерации, а на выходе может наблюдаться отсечение.

Дополнительные трудности включают низкий входной динамический диапазон и высокие искажения. Эти проблемы, однако, можно решить с помощью вырождения эмиттера, преднамеренно реализованного путем размещения резистора между эмиттером и общим источником сигнала, который часто подключается к земле или к одной из шин питания. (Общепринятой практикой является повышение стабильности за счет уменьшения коэффициента усиления.)

Усилитель с общим эмиттером часто имеет узкую полосу пропускания из-за эффекта Миллера, который применяется в инвертирующих усилителях. Любая паразитная емкость база-коллектор проявляется как более высокая емкость между базой и землей. Эффект Миллера также можно минимизировать, используя эмиттерное вырождение. Другая хитрость заключается в уменьшении выходного сопротивления источника сигнала, подключенного к базе.

Обычные излучатели часто используются в качестве малошумящих усилителей в радиокоммуникациях, таких как спутниковые тарелки для телевидения и доступа в Интернет, медицинские приборы и испытательное оборудование для электроники, которые часто должны работать с минимальным уровнем шума.

Конфигурация с общим коллектором также называется эмиттерным повторителем. Он часто используется в качестве буфера напряжения. Здесь база подключается к входу, а эмиттер подключается к выходу путем привязки к земле или к одной из шин питания.

Метка эмиттерного повторителя происходит от того факта, что выход схемы выводится из эмиттерного резистора. Следовательно, это устройство часто применяется в качестве схемы согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление выше, чем выходное сопротивление. В сочетании с логическими элементами он широко используется в цифровых схемах.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя примерно на 0,6 В ниже базы, транзистор с общим коллектором считается эмиттерным повторителем. Он используется для согласования усиления по току и импеданса, а не обычного усиления по напряжению. Как и в схеме с общим эмиттером, входное сопротивление значительно превышает выходное сопротивление.

Конфигурация с общей базой часто используется в качестве буфера тока или усилителя напряжения. Вход схемы подается на клемму эмиттера, а коллектор является выходом. Поскольку база подключается к земле, она является общей для входа и выхода. Конфигурация с общей базой используется реже по сравнению с двумя другими конфигурациями из-за низкого входного импеданса и высокого выходного импеданса, которые обычно нежелательны. Однако это наблюдается в высокочастотных приложениях, потому что база разделяет вход и выход, сводя к минимуму колебания.

Инверсия фаз между эмиттером и коллектором в конфигурации с общей базой отсутствует, поэтому входные и выходные сигналы совпадают по фазе, а усилитель не инвертирует. Одной из причин ограниченного применения усилителя с общей базой является его низкое входное сопротивление. Выход с общей базой может быть высоким, поэтому он называется буфером тока или повторителем тока. Обычно усилитель с общей базой имеет коэффициент усиления по току (альфа), близкий к единице. Однако коэффициент усиления по напряжению может составлять от 100 до 2000. Все зависит от резисторов смещения.

Модели малых сигналов используются после определения модели больших сигналов. Когда на транзистор подается слабый сигнал, рабочая точка смещается от точки смещения по кривой ВАХ в зависимости от амплитуды приложенного сигнала. Схема обычно устроена таким образом, что это отклонение от рабочей точки по постоянному току приводит к изменению режима работы транзистора, например, переходу из активной области в отсечку.

Модели малых сигналов обычно представляют собой конструкции с двумя портами и, как правило, содержат либо H-параметры, либо гибридную пи-модель, либо Т-модель. Параметры H (или гибридные) используют параметры Z (или импеданса/разомкнутой цепи), параметры Y (адмиттивность/короткое замыкание), коэффициент напряжения и коэффициент тока для представления отношения между напряжением и током в двухпортовой сети. Параметры H помогают описать качество ввода-вывода схем, где трудно измерить параметры Z или Y (например, в транзисторе). Модель Hybrid-pi (также называемая Giacoletto) представляет BJT с использованием напряжения базы-эмиттера слабого сигнала и напряжения коллектор-эмиттер в качестве независимых переменных, а тока базы слабого сигнала и тока коллектора в качестве зависимых переменных. В T-моделях или моделях передачи используются отношения, аналогичные отношениям гибридных пи-моделей, но обычно устроенные по-другому. Преобразование одного параметра типа в другой, как правило, выполняется просто с помощью манипуляций с матричной алгеброй.

Типичная модель силового полевого МОП-транзистора с паразитными элементами. Индуктивность обычно возникает из-за проводных соединений с корпусом. Паразитные емкости обычно возникают из-за особенностей геометрии самого полупроводника. Анализ транзисторов как при сильном, так и при слабом сигнале требует выбора модели, указания известных или фиксированных значений и математического решения уравнений для неизвестных параметров. Современные схемы, однако, обычно работают на скоростях, достаточно высоких, чтобы требовать учета паразитных элементов схемы. Правильная программа Spice может повысить точность моделей транзисторов за счет включения внутренних емкостей, сопротивлений, вариаций коэффициента усиления и так далее.

Проблема, однако, заключается в том, что паразитные элементы не могут быть четко определены, особенно для современных транзисторов, таких как силовые устройства на основе GaN или SiC, и еще более особенно при переключении на высоких скоростях. Паразитные индуктивности в силовых устройствах, например, часто возникают в основном из-за проволочных соединений между самим полупроводником и его корпусом. Производители устройств продолжают экспериментировать с вариантами упаковки, чтобы уменьшить такие паразитные эффекты, но, поскольку эти усилия продолжаются, паразитные модели в Spice могут не отражать значения, наблюдаемые в реальных устройствах. Следовательно, может потребоваться значительное количество экспериментов, чтобы точно охарактеризовать паразитные характеристики современных полупроводников.

Неисправности транзисторов

• Раздел 7.1 Почему транзисторы выходят из строя
• • Производственные дефекты.
• • Возраст компонента.
• • Внешние причины.
• • Схема.
• • Мощность против надежности.
• • Неисправности полупроводников.
• Раздел 7.2 Измерители для тестирования транзисторов.
• • Типичные неисправности транзисторов.
• • Цифровые и аналоговые мультиметры.
• • Доступные функции тестирования.
• • Проверка полярности счетчика.
• Раздел 7.3 Проверка транзисторов.
• • Модель с двумя диодами для биполярных транзисторов.
• • Идентификация соединения транзисторов.
• • Тестирование BJT.
• • Тестирование JFET.
• • Тестирование МОП-транзисторов

Почему транзисторы выходят из строя?

Все полупроводниковые устройства чрезвычайно надежны. При условии, что они работают правильно, у них вообще нет причин выходить из строя; но, конечно, они терпят неудачу, и это может быть по разным причинам.

Производственные дефекты

Производственные дефекты случаются (очень редко), обычно в новом оборудовании. Если в новом транзисторе есть неисправность, она часто проявляется в первые несколько часов использования. Если он работает правильно в течение этого периода, то есть вероятность, что он будет работать и дальше. Большая часть производственных дефектов может быть обнаружена путем «проверки на вымачивание» нового оборудования. Это запускает его на испытательном стенде в течение нескольких часов, чтобы убедиться в отсутствии ранних отказов. Предметы, выдержавшие эти испытания, можно с уверенностью использовать регулярно.

Возраст компонентов

Нет реальной причины старения транзисторов. Кусочек кремния 10-летней давности должен быть таким же, как 1-летний. Однако старые системы, содержащие транзисторы, начинают доставлять больше проблем. Причина этого в том, что другие компоненты, такие как резисторы, могут изменить свои значения со временем, особенно если они подвержены нагреванию, вызванному протеканием тока. В конечном итоге это может привести к тому, что транзистор будет работать за пределами своих нормальных параметров, например, при температуре выше допустимой. Именно тогда транзисторы могут выйти из строя. В таких обстоятельствах целесообразно выяснить причины отказа транзистора, а не просто заменить его. Всегда проверяйте напряжения на клеммах транзистора после замены, чтобы убедиться в отсутствии отклонений от нормы.

Внешние причины

Иногда внешние причины могут повредить или даже разрушить транзисторы. Неправильное обращение с полевыми транзисторами может привести к их повреждению электростатическим разрядом. Иногда это приводит к тому, что транзистор (или печатная плата) не работает при установке в систему. Это может быть связано с тем, что очень тонкие изолирующие слои внутри устройства полностью разрушились из-за статического электричества высокого напряжения, небрежно нанесенного на клеммы. Что еще более зловеще, так это то, что иногда такие разряды не вызывают немедленного разрушения устройства, а повреждают изоляцию до такой степени, что через некоторое время (часы или годы) устройство выходит из строя.

В оборудовании, питающемся от сети (линии), время от времени могут возникать очень короткоживущие импульсы высокого напряжения, вызванные такими событиями, как удары молнии (даже на некотором расстоянии от места повреждения), которые могут повредить полупроводники. Также скачки напряжения, вызванные локальными событиями, такими как индуктивное оборудование, такое как запуск или остановка двигателей. Большинство цепей с питанием от сети (и даже некоторые схемы малой мощности), подверженные такому повреждению, имеют встроенную защиту, предотвращающую повреждение. В большинстве случаев эта защита работает хорошо, но редко на 100%.

Схемотехника

Многие неисправности, особенно в оборудовании, предназначенном для домашнего использования, можно найти, обратившись к базам данных повторяющихся неисправностей, опубликованным в технических журналах в Интернете. Причина возникновения этих повторяющихся ошибок в основном связана с конструкцией. Домашняя продукция предназначена для производства по выгодной цене и обеспечения бесперебойной работы в течение некоторого времени. Производители могут производить продукты, соответствующие тщательно разработанным стратегиям. Некоторые неисправности будут возникать из-за того, что продукт превысит свой «расчетный срок службы», в то время как другие возникнут преждевременно. Разработка электронного продукта для определенного срока службы в условиях, которые будут очень изменчивыми (например, в наших домах) и над которыми разработчики не имеют никакого контроля, не является точной наукой. Однако такие отказы, как правило, следуют определенному образцу, и тщательная регистрация предыдущих отказов может быть хорошим индикатором будущих отказов. Эти отказы могут повлиять на транзисторы так же легко, как и на любой другой компонент.

Мощность и надежность

При рассмотрении неисправного оборудования всегда помните, что надежность любого компонента пропорциональна мощности, которую он рассеивает. Другими словами, «если он обычно нагревается, он обычно выходит из строя». Такое правило предполагает, что неисправный транзистор с большей вероятностью находится в выходных каскадах схемы, чем в предшествующих ему низковольтных и маломощных каскадах. Любая схема, в которой используются либо высокое напряжение, либо большой ток, либо и то, и другое, создает гораздо большую нагрузку на полупроводники, чем схемы с низким напряжением и малым током. Хотя устройства, используемые в этих схемах, спроектированы таким образом, чтобы выдерживать такое использование, они работают хуже, чем устройства, имеющие относительно легкий срок службы в условиях малой мощности. Основными проблемными зонами являются блоки питания и выходные каскады. Столкнувшись с неисправной схемой и очень небольшим количеством информации о схеме, быстрая проверка полупроводников на этих этапах может сэкономить много работы.

Полупроводниковые неисправности

При выходе из строя диода или транзистора обычно происходит одно из двух:

• В переходе (или переходах) происходит короткое замыкание (сопротивление становится очень низким или нулевым).

• Соединение (или соединения) размыкается (сопротивление становится очень высоким или достигает бесконечности).

Конечно, этот список можно расширить, включив в него информацию о том, что переходы могут стать неплотными (слегка низкое сопротивление), хотя это случается редко. На практике за этим состоянием обычно довольно скоро следует полное короткое замыкание.