Транзисторы на схеме: Эта страница ещё не существует

Содержание

Транзистор | Электроника. Радиотехника

Как видно в таблице, транзисторы делятся на 2 основных вида, это полевые и биполярные.

В современных цифровых устройствах и электроники основную долю составляют полевые транзисторы с изолированным затвором.

 

 

 

 

Транзисторы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биполярные

 

 

 

 

 

 

Полевые

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p-n-p

 

n-p-n

 

С затвором в виде p-n-перехода

 

С изолированным затвором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

Со встроенным каналом

 

С индуцированным каналом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

С каналом n-типа

 

С каналом p-типа

 

 

Любой транзистор управляется + или —

Транзисторы работают только с постоянным током. Точнее сказать, на вход транзистора всегда поступает постоянный ток. И хотя повсеместно говорится, что транзистор — это усилитель, тем не менее, это не совсем так. Транзистор усиливает ток, подаваемый на его базу (если речь идет о биполярном транзисторе). И усиление это возможно настолько, насколько высок ток, подаваемый на коллектор или эмиттер (зависит от структуры). Для понимания предназначения этого устройства лучше представлять транзистор в виде ключа, или вентиля. Подавая ток на базу + или — (так же зависит от структуры), с одной его ножки на другую начинает течь ток (транзистор открывается).

Биполярные транзисторы управляются током

Биполярные используются в аналоговой технике, а полевые в цифровой.

4 я минута видео позволяет запомнить подключение транзистора к источнику питания.

Плюс на N, минус на P — нет тока.

Плюс на P, минус на N — есть ток.

Стрелка всегда указывает на N область.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть с NPN или PNP переходом

База — самая тонкая часть транзистора, она находится между коллектором и эмиттером, но в то же время является основанием, фундаментом транзистора.

Коллектор имеет самую большую площадь, самый большой размер. При протекании тока больше всего греется именно он, поэтому теплоотвод и соединен с коллектором. Коллектор — коллекционер, от слова collection. Коллектор — это собирающая область.

Эмиттер — от слова emision — излучение, выпуск.

Подавая ток на базу + или — (в зависимости от структуры транзистора) мы открываем переход и ток с коллектора течет к эмиттеру? или наоборот, в зависимости от структуры транзистора.

Как определить структуру транзисторов на схеме

На плате транзистор имеет буквенное обозначение Q

База транзистора — это площадка. В эту площадку упирается коллектор и эмиттер

Стрелка всегда указывает на N область.

Стрелка это всегда эмиттер идущий к базе или от базы, т.е. её направление указывает какого типа транзистор n-p-n (наружу) или p-n-p (внутрь). Эта стрелка всегда показывает направление тока.

Отличие полевых транзисторов от биполярных

Общие сведения о транзисторах | Основы электроакустики

Общие сведения о транзисторах

 

Транзисторы представляют собой электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним или несколькими электричес­кими переходами, пригодные для усиления мощности сигнала и име­ющие три (или более) внешних вывода. Наиболее распространенные транзисторы имеют два электронно-дырочных перехода. В двухпереходных транзисторах используют два различных типа носителей за­ряда (электроны и дырки), поэтому их называют биполярными.

Основным элементом биполярного) яв­ляется кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной .проводимостью.» Если средняя об­ласть имеет электронную проводимость типа n, а две крайние — ды­рочную проводимость типа р, то структура такого транзистора обо­значается р-n-р в отличие от структуры n-р-n, при которой транзис­тор имеет среднюю область с дырочной, а крайние области — с электронной проводимостями.

Средняя область кристалла полупроводника , слу­жащая основой для образования электронно-дырочных переходов, называется базой, крайняя область , инжектирующая (эмигрирую­щая) носители заряда, — эмиттером, а область , собирающая ин­жектированные носители заряда, — коллектором. К каждой из двух областей припаяны соответственно эмиттерный Э, базовый Б и кол­лекторный К токоотводы, которыми транзистор включается в схему. Кристалл укрепляют на специальном кристаллодержателе и. помеща­ют в герметизированный металлический, пластмассовый или стеклян­ный корпус. Внешние токоотводы электродов проходят через изоля­торы в дне корпуса. 

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называ­ется эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным. Базовая область транзистора выполняется с очень малой толщиной (от 1 до 10 — 20 мкм). Различна степень легирования областей. Обычно концентрация примесей в эмиттере на 2 — 3 порядка выше, чем в базе. Степень легирования базы и коллектора зависит от типа прибора.

Для работы транзисторов к их электродам подключают посто­янные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений к электродам подводят сигналы, подлежащие преобра­зованию. В связи с этим различают входную цепь, к которой подво­дят сигнал, и выходную, куда включают нагрузку, с которой снима­ют сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включе­нии транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.

  • В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмитте­ра, а выходной — цепь коллектора,
  •  в схеме с ОЭ  вход­ной — цепь базы, а выходной — цепь коллектора,
  • в схеме с ОК  входной — цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.

В зависимости от полярности напряжений внешних источников, подключенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различа­ют активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы работы тран­зистора.

Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме напряжение внешнего источника к эмиттерному пе­реходу включается в прямом, а к коллекторному — в обратном на­правлении. Эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители заряда, а коллектор производит их экстракцию (выведе­ние) из базовой области.

В режиме отсечки к обоим переходам подводят обратные на­пряжения, при которых ток, проходящий через транзисторы, ничтож­но мал. »

В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в них происходит инжекция носителей, тран­зистор превращается в двойной диод, ток в выходной цепи макси­мален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. В режимах отсечки и насыщения транзисторы обычно используются в схемах электронных, переключателей. .

В инверсном режиме меняются функции эмиттера и коллектора: к коллекторному переходу подключают прямое, а к эмиттерному — обратное напряжение. Однако такое включение транзистора неравноценно из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в его областях.

Принцип действия транзистора в активном режиме рассмотрим с помощью схемы с ОБ При включении напряжений эмиттерного EЭб и коллекторного EКб источников изменяются потен­циальные диаграммы переходов. Напряжение EЭб снижает потенци­альный барьер эмиттерного перехода, вследствие чего через него из эмиттерной области яачнется инжекция дырок в базу, а электро­нов — наоборот, из базовой области в эмиттерную. Концентрация ос­новных носителей в эмиттерной области на 2 — 3 порядка выше, чем в базе, поэтому инжекция дырок в базу Iэр превышает поток элек-. тронов Iэn из базы в эмиттер. При этом через эмиттерный переход проходит суммарный ток эмиттера Iэ=Iэр+Iэп. Убыль дырок в эмиттере компенсируется уходом из него во внешнюю цепь такого же количества электронов.

В результате повышенной концентрации дырок в базе происхо­дит их диффузионное перемещение от эмиттерного к коллекторному переходу. На этом пути часть дырок рекомбинирует с электронами базы и создает в цепи базы небольшой рекомбинационный ток Iб. Чтобы уменьшить вероятность рекомбинации дырок в базе, толщину базы (w<0,25 мм) выбирают меньше их диффузионной длины дырок (для германия L=0,3-5-0,5 мм).

Транзисторы, в которых отсутствует электрическое поле в базе, а перемещение (дрейф) носителей тока происходит за счет диффу­зии, называют бездрейфовыми, транзисторы, в которых за счет не­равномерной концентрации примесей в базе возникает электрическое поле и перемещение носителей тока через базу происходит под дей­ствием сил этого поля, — дрейфовыми.

К коллекторному переходу напряжение внешнего источника под­ключают в непроводящем (обратном) направлении. Электрическое поле, создаваемое этим источником, будет тормозящим для основ­ных и ускоряющим для неосновных носителей тока. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу, будучи неосновными но-сителями тока, перемещаются из базы в коллекторную область. Из­быток дырок в коллекторе компенсируется током электронов от ис­точника Eк, в результате чего во внешней цепи коллектора прохо­дит ток Iк.

Если транзистор включен в схеме усилителя, то к входным за­жимам кроме постоянного напряжения смещения Еэ подключают переменное напряжение сигнала UBXt которое нужно усилить, а к выходным зажимам кроме напряжения источника Ек — нагрузку Rн. Прямосмещенный эмиттерный переход обладает малым сопротивле­нием, поэтому,даже незначительные изменения потенциала в цепи эмиттера ua=E9+UB]i (вследствие изменений напряжения сигналу Uвх на входе) вызовут большие изменения тока. Изменения тока эмиттера приведут к изменению тока и напряжения в выходной (кол­лекторной) цепи. При соответствующем подборе нагрузки Rн мож­но получить большое изменение выходного напряжения UВых и мощ­вости, т. е. осуществить с помощью транзистора усиление сигнала за счет энергии источника Ех. Эффективность такого усиления сигнала по напряжению оценивают отношением изменения выходного на­пряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения, т. е Kн=ДUвых/АUвх.

Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO2.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

 

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.
Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м2 и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·1013Ом, т.е. на двадцать один порядок (1021) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».
Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный — «дырочный» или отрицательный — «электронный»). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение «Би» означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе — электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области — эмиттера — электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой — отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение — около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10-5 Вт и Т = 10″10 с получаем энергию переключения, равную 10-5 х 10-10 Вт.с=10-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

Биполярные транзисторы — презентация онлайн

1. Тема 7. Биполярные транзисторы

Цель лекции: транзисторы р-п-р, п-р-п
типа; характеристики; режимы работы;
транзисторный переключатель;
эмиттерный повторитель

2. Изобретатели действующей модели транзистора

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в
лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор

3. Классификация транзисторов

Транзисторы
Биполярные
p-n-p
n-p-p
Полевые
С p-n затвором
С изолированным
затвором
С каналом n типа
С каналом p типа
Усилительный режим
Режим ключа.
Режим хранения заряда.
С индуцированным
каналом
Со встроенным
каналом
С плавающим затвором

4. Классификация транзисторов по мощности и частоте

• Маломощные транзисторы до 100 мВт
• Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1
Вт
• Мощные транзисторы (больше 1 Вт).
• Низкочастотные – до 3 МГц,
• Среднечастотные – от 3 до 30 МГц,
• Высокочастотные – от 30 до 300 МГц,
• Сверхвысокочастотные – более 300 МГц.

5. Классификация транзисторов по исполнению корпуса

• Дискретные транзисторы
– Корпусные;
• Для свободного монтажа.
• Для установки на радиатор.
• Для автоматизированных систем пайки.
– Бескорпусные;
• Транзисторы в составе интегральных
схем.

6. Биполярный транзистор

• Полупроводниковый прибор с двумя р-n
переходами. Биполярный, так как
использует два типа носителей дырки и
электроны.
Эмиттер – база — коллектор

7. ВАЖНО

• Уникальность транзистора состоит в том, что этот
элемент способен усиливать сигнал по мощности.
• ВОПРОС. Трансформатор это усилительный
элемент?
• ВОПРОС. Что является источником повышения
мощности?

8. Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока

• Для транзистора n-p-n типа действуют следующие
правила:
• 1. Коллектор имеет более положительный потенциал,
чем эмиттер.
• 2. Цепи база-эмиттер и база коллектор работают как
диоды. Обычно диод база эмиттер открыт, а диод
база коллектор смещен в обратном направлении и
ток через него не протекает.
• 3. Каждый транзистор характеризуется
максимальными значениями: тока коллектора; тока
базы и напряжения коллектор – эмиттер. Превысил –
убил транзистор.

9. Первая модель транзистора: усилитель тока

• 4. Если правила 1- 3 соблюдены, то ток в
коллекторе прямо пропорционален току базы и
можно записать соотношение:
I h I
к
21э
б
I
б
Коэффициент усиления по току
ЗАМЕЧАНИЕ: ток коллектора
не связан с прямой проводимостью
диода база-коллектор!!!
Так работает транзистор
ВЫВОД: малый ток базы управляет большим током коллектора

10. Первая модель транзистора: усилитель тока

• Рассмотрим правило 2. Из него следует ,что
напряжение межу базой и эмиттером нельзя
увеличивать не ограничено, так как если
потенциал базы будет превышать 0.6 В, то
возникнет очень большой ток.
• Следовательно в работающем транзисторе
напряжение на базе и эмиттере связаны
соотношением:
U U
б
0
.
6
В
U
э
э U бэ

11. Транзисторный переключатель

• Эта схема с помощью небольшого управляющего тока может
создать в другой схеме – лампе – ток значительно большей
величины.
Для переключения
достаточен ток 1 мА
1. Переключатель разомкнут. Тока в базе нет.
Нет тока в коллекторе. Лампа не светится.
2. Переключатель замкнут. Напряжение на базе
составляет 0.6 В (диод база эмиттер открыт)
Падение напряжения на резисторе базы
составит 9.4 В. Следовательно ток в базе
равен 9.4 мА, если коэффициент
усиления равен 100, ТО МОЖНО ПОЛУЧИТЬ
НЕПРАВИЛЬНЫЙ ВЫВОД, что в коллекторе
ток равен 940 мА. Ошибка в том, что правило 4
работает, если выполняется правило 1.
Чтобы получить ток выше 100 мА, для этого
необходимо, чтобы потенциал коллектора
был меньше потенциала земли, что невозможно.
Так как транзистор переходит в режим насыщения.

12. Режимы работы биполярного транзистора


Нормальный активный режим.
Инверсный активный режим.
Режим насыщения.
Режим отсечки.
Эти режимы можно посмотреть и выделить на графиках
— вольт амперных характеристиках

13. Нормальный активный режим

• Переход эмиттер-база включен в
прямом направлении (открыт), а
переход коллектор-база — в обратном
(закрыт):
– Uэб > 0; Uкб
условие будет иметь вид Uэб 0.

14. Инверсный активный режим

• Эмиттерный переход имеет обратное
смещение, а коллекторный переход —
прямое: Uкб > 0; Uэб
транзистора n-p-n типа).

15. Режим насыщения

• Оба p-n перехода смещены в прямом
направлении (оба открыты).
Коллекторный переход отпирается,
если напряжение коллектор база будет
меньше — 0.4 В.
• В этом режиме ток коллектора не
зависит от тока базы. Напряжение
насыщения примерно 0.2-0.3 В.

16. 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

17. Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

• Дана схема с общим эмиттером.
Для получения характеристик необходимо
построить графики ниже указанных функций
Входная ВАХ
Выходная ВАХ

18. Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

Входная ВАХ
Выходная ВАХ
Uкэ

19. Область безопасной работы транзистора

• ВОПРОС. Какие предельные значения могут
принимать токи и напряжения биполярного
транзистора!!!
• ОТВЕТ. В режиме усилителя тока подавляющая часть
рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного
перехода Р=Uкэ Iк. Поэтому параметры тока и напряжения
должны учитывать неравенство
Pмах
Это неравенство можно представить
следующим графиком

20. Определение рабочей точки на входе транзистора

Пусть дана схема с общим эмиттером и R1=20 КОм
Рабочие точки транзистора
Нагрузочные прямые
при R1=20 КОм
При увеличении Е1 от 0.4 В до 1.6 В, ток базы увеличивается от 0 до 80 мкА

21. Определение рабочей точки транзистора

• Рабочая точка выходной цепи транзистора представляет
пересечение нагрузочной прямой двухполюсника Е2, R2 с
ветвью выходной характеристики транзистора
Если Е1
в режиме отсечки.

22. Определение рабочей точки транзистора

• Транзистор работает как инвертор
Увеличение входного напряжения вызывает уменьшение выходного

23. Основные параметры транзистора


Коэффициент усиления по току.
Входное сопротивление.
Выходное сопротивление.
Обратный ток эмиттера при заданном Uэб.
Время включения (время задержки).
Предельная частота коэффициента передачи.
Емкость коллекторного перехода.
Обратный ток коллектора при заданном Uкб.
Максимально допустимые параметры Uкб,Uкэ,Iк.
Максимальная мощность рассеиваемая без
теплоотвода.
• Минимальная и максимальная рабочая температура.

24. Схемы включения биполярного транзистора n-p-n

• Схема с общим эмиттером.
• Схема с общим коллектором.
• Схема с общей базой.
В I
I
k
b
I
k
I I
э
к
1
Во всех трех вариантах регулирование входного и выходного токов
достигается изменением напряжения на эмиттерном переходе.
Это изменение может быть достигнуто регулированием входного
напряжения (ОБ) или входного тока (ОЭ, ОК)

25. Схема с общим эмиттером


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.

26. Экспериментальное семейство входных и выходных характеристик транзистора по схеме с ОЭ

Выходная
Входная

27. Температурная зависимость характеристик транзистора

28. Инвертор на транзисторе с ОЭ

• Передаточная характеристика схемы
1
Порог переключения

29. Транзисторные схемы с общей нагрузкой

&
1

30. Эффект Миллера

• Переход б-э транзистора обладает
емкостью Сбэ. Если транзистор
работает в режиме усиления то он
обладает коэффициентом усиления Кu.
• Но при этом емкость к-э по отношению к
источнику сигнала можно
рассматривать как Скэ=(Кu+1)Сбэ.
• Это увеличение эффективной емкости
называют эффектом Миллера.

31. Схема с общей базой

• Достоинства
• 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.
• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как
в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.
• Недостатки схемы с общей базой
• Малое усиление по току, немного менее 1.
• Малое входное сопротивление

32. Схема с общим коллектором


Достоинства
Большое входное сопротивление.
Малое выходное сопротивление.
Большой коэффициент усиления по току.
Недостатки
Коэффициент усиления по напряжению немного
меньше 1.
• Схему с таким включением часто называют
«эмиттерным повторителем». Выходной сигнал
повторяет форму входного и не изменяет его фазу

33. Эмиттерный повторитель

Uэ = Uб — 0.6В=Uвх — 0.6В = Uвых
Выходной сигнал по напряжению фактически
повторяет входной за минусом 0.6 В.
1. Входное сопротивление в схеме
значительно больше, чем выходное.
За счет этого происходит усиление входного
сигнала по току, а значит и по мощности
2. Эмиттерный повторитель обладает
способностью согласовывать сопротивления
источников сигнала и нагрузок.

34. Эмиттерный повторитель как схема формирования ассиметричного токового сигнала

При напряжении на входе -4.4 В транзистор
переходит в состояние отсечки и появляется
эффект ОГРАНИЧЕНИЯ выходного напряжения.

35. Расчет эмиттерного повторителя со связью по переменному току

•Разработать схему эмиттерного повторителя для сигналов
• звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Напряжение питания +15
• в ток покоя 1мА.

36. Пример расчета эмиттерного повторителя

• ЗАДАНИЕ. Разработать схему эмиттерного
повторителя для сигналов звуковой частоты от 20 Гц
до 20 кГц. Напряжение питания +15 в ток покоя 1мА
• Шаг 1. Выбор напряжения Uэ. Для
получения симметричного сигнала без срезов
необходимо выполнение условия Uэ=0.5Uкк
или +7.5В.
• Шаг 2. Выбор резистора Rэ. Ток покоя
должен составлять 1 мА, поэтому Rэ=7.5кОм

37. Продолжение примера расчета эмиттерного повторителя

• Шаг 3. Выбор резисторов R1 и R2.
Напряжение Uб – это сумма Uэ+0.6 В = 8.1 В. Из
этого следует, что сопротивления резисторов R1 и R2
соотносятся к друг другу как 1:1.17. Выберем
значения R1=130кОм и R2=150 кОм.
• Шаг 4. Выбор конденсатора С1 С2.
Конденсато С1 и сопротивление нагрузки источника
образуют фильтр высоких частот. Сопротивление
нагрузки источника есть параллельное соединение
входного сопротивления транзистора со стороны
базы и сопротивление делителя напряжения. С1=0.5
мкФ.С2=3.3 мкФ.
(Подробно у Хоровица).

38. Защита от пробоя перехода база эмиттер

• ВСПОМНИМ ДИОДНЫЕ
ОГРАНИЧИТЕЛИ. Объясните, почему
предлагаемая схема обеспечивает
заявленную защиту.

39. Схемы транзисторных источников тока

Очень хороший источник тока можно построить на
основе транзистора. Работает он следующим образом:
напряжение на базе Uб > 0,6 В поддерживает
эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uэ — 0,6)/Rэ. Так как
для больших значений коэффициента h31эIэ ≈ Iк, то Iк ≅
(Uб — 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор,
пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк >
Uэ + 0.2 В).

40. Модель Эберса-Мола

• До сих пор мы рассматривали транзистор как
усилитель тока, вход которого работает как
диод. (ПРАВИЛО 4).
I h I
к
21э
б
I
• Это приближение является весьма грубым,
хотя в ряде случаев большей точности не
требуется.
• Более точная формулировка правила 4
определяется формулой Эберса — Мола
Iк = Iнас [ехр(Uбэ/Uт)-1],
б

41. Формула Эберса Мола

Iк = Iнас [ехр(Uбэ/Uт)-1],
Uт = kT/q = 25,3 мВ при комнатной температуре (20°С), q-заряд
электрона (1,60 · 10-19 Кл), k -постоянная Больцмана (1,38 · 10-23 Дж/К),
Т-абсолютная температура в Кельвинах (К = °С + 273,16).
Iнас — ток насышения транзистора (зависит от Т).
Iб = Iк/h31э,
где «постоянная» h31э обычно принимает значения от 20 до 1000 и
зависит от транзистора, Iк, Uкэ и температуры. Ток Iнас представляет
собой обратный ток эмиттерного перехода. В активной области Iк » Iнас и
членом -1 можно пренебречь.

42. Зависимость тока коллектора от напряжения база эмиттер

Существует температурная нестабильность коэффициента усиления
ВОПРОС, На сколько надо увеличить напряжение Uбэ, чтобы ток коллектора
Увеличить в десять раз!!

43. Недостатки однокаскадного усилителя общим эмиттером

• Данная схема обладает существенной
нелинейностью. Если на входе треугольный
сигнал. То на выходе:
Фактически происходит изменение коэффициента усиления от -800(Uвых = 0,
Iк = 2 мА) до нуля (Uвых = Uкк, Iк = 0)

Я радиолюбитель. Азбука схем. Часть 2.

Для усиления и генрации сигналов обычно служат биполярные транзисторы. Транзистор представляет два, встречно включенных p-n перехода с очень тонким средним общим слоем, называемым БАЗОЙ. Два других слоя называют КОЛЛЕКТОРОМ И ЭМИТТЕРОМ соответсвенно.

Транзисторы могут быть, в соответствии с используемымм слоями, n-p-n или p-n-p типа. Малый ток базы, создаваемый небольшим базовым источником питания, уменьшает границы тонкого базового слоя и соответственно сопративление перехода коллектор-эмиттер. Т.о. возникает ток создаваемый коллекторным источником, пропорциональный базовому.

n-p-n

Проверить работоспособность транзистора можно просто прозвонив его тестером, т.к. по сути он представляет два встречно включенных диоода.

p-n-p

Проверить работоспособность транзистора можно прозвонив его простто тестером, т.к. по сути он представляет два встесно включенных диоода.

Для правильной работы транзистора необходимо задать его рабочую точку с помощью резистивных цепей. Для этого резистивным делителем Rб1,Rб2 создается такой базовый ток, чтобы ток коллектора обеспечил падение напряжения на резисторе Rк равное примерно половине напряжения питания. Iб=Iвх; Iк=Iвых

Тогда , а статический коэффициен усиления транзистора . Таким образом, связаны коллекторный и базовый токи транзистора.

Нормальная работа схемы обеспечивается заданием режимов транзистора. Как было сказано выше это обеспечивается специальными схемами включения триодов, обеспечивающих рабочую точку. Это стандартная схема стабилизации режимов. Делитель R1,R2 обеспечивает задание начального смещения на базе транзистора. R4 стоит в цепи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току и повышает стабильость работы. R3 — резистор нагрузки. Конденсаторы C1 и C2 разделительные. C3 — блокировочный, он шунтирует R4 по переменному току для поднятия усиления.

Однако такое включение приводит к уменьшения входного и увеличению выходного сопративлений каскада. Коэффициент же усиления хоть становится большим, но сильно зависит от параметров данного транзистора. Для повышения повторяемости введем резистор R5. Его номинал 100-500 Ом. Такое включение позволяет за счет ООС повысить входное сопративление. Оно примерно будет равно R5Хh31. Коэффициент усиления примерно можно расчитать по формуле К=R3/R4.

Впрочем, задать рабочую точку транзистора можно просто задав базовый тока транзистора ограничев его резистором R1. С R2 снимаеся выходной сигнал. Конденсаторы С1 и С2 необходимы для развязки по посточнному току. Схема вполне работоспособна, но конкретно для каждого транзистора необходим подбор своего номинала R1.

Схема с коллекторно-эмиттерной стабилизацией режимов работы дает более стабильные результаты. Небольшой резистор R3 служит для стабилизации режимов по постояному и переменному току, повышению входного соративления каскада. С достаточной степенью точности входное сопративление Rвх=R3Хh31, а коэффициент усиления К=R2/R3.

Повторитель (включение с общим коллектором — ОК).
Постулат: Напряжение Uбэ у кремниевых транзисторов не может превышать напряжение 0,6В. (Если превысило болше, чем на 0,1В — меняй транзистор). Следовательно выходное напряжение, снимаемое с разделительнорго конденсатора C2, будет с большой точностью повторять входное, подаваемое через разделительный кондкенсатор C1. Входное сопративление каскада примерно Rвх=R3Хh31, выходное Rвых=R3/h31 Каскад служит для согласования устройств как входной или выходной.

При достаточно больших номиналах R3 суммарное сопративление делителя R1,R2 (по переменному ттоку включеных параллельно) начинает ограничивать входное сопративлении каскада. избежать это влияние можно введя цепь R4C4.

Фазоинвертор очень просто построить по схеме при R3=R4 (т.к. коэффициент усиления каскада равен K=R3/R4=1, а сигнал снимаемый с коллектора противофазен входному).

Иногда транзистор включают по схеме с общей базой (ОБ). Такой каскад имеет наибольшую полосу пропускания. Часто используется как динамическая нагрузка.

Очень хорошие результаты показывает каскад из двух комплементарных транзисторов. VT1 работает как входнгой повторитель и усилитель сигнала, а VT2 является его нагрузкой и одновременно обеспечивает низкое выходное сопративление. Коэффицтент усиления K=R2/R3. R1 обеспечивает установку рабочей точки каскада. Конденсаторы C1 и C2 разделиьельные. Впрочем все не так просто, но распишу потом подробно.

Полевой транзистор устроен очень просто. Полупроводниковый канал,, который управляется полем, приложенным к затвору. Схема с общим истоком (ОИ). Коэффициент усиления примерно Kус=R2/R3.

Тек выглядит схема с общим стоком (повторитель).

Полевые транзисторы бывают и с изолированным затвором. Но схемотехнических больших отличий я не знаю. Вот повторитель — схема ОС.

Так выглядит фазоинверттор. Каскад с прямым и инверсным выходами и коэффициентом усиления Кус=1.

Очень интересно совместное применение полевого и биполярного транзистора. Можно подобрать транзисторы с разным знаком температурных коэффициентов. Тогда мы получаем идеальный термостабильный входной каскад для устройств измерительной техники с большим входным сопротивлением. Коэффициент усиленния примерно Kус=R2/R3.

То же самое, но полевой транзистор с изолированным затвором.

Применение электронных ламп ничем не отличаеися от применения полевых транзисторов, только анодное напряжение может достигать нескольких сотен вольт и даже киловольт. Триод.

Если ввести еще одну сетку получится тетрод.

Очень мудрая и очень распространенная схемка.

11

11X

Понимание конструкции схемы транзистора » Electronics Notes

Разработка электронной схемы с использованием биполярных транзисторов довольно проста с использованием простых принципов проектирования и нескольких уравнений.


Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Расчет схем транзисторов Конфигурации цепи Общий эмиттер Схема с общим эмиттером Повторитель эмиттера Общая база

См. также: Типы транзисторных схем


Транзисторные схемы лежат в основе современных технологий проектирования электронных схем.Хотя в наши дни интегральные схемы используются во многих схемах, базовая конструкция транзисторной схемы часто требуется в различных областях.

Хотя при использовании дискретных электронных компонентов с транзисторами используется больше компонентов, можно адаптировать схему для обеспечения именно той функциональности, которая требуется. Соответственно схемы с использованием дискретных транзисторов и нескольких дополнительных электронных компонентов до сих пор лежат в основе проектирования электронных схем.

Это означает, что понимание конструкции транзисторных схем по-прежнему важно, поскольку оно не только позволяет проектировать базовые транзисторные схемы, но и обеспечивает лучшее понимание работы интегральных схем, основанных на технологии биполярных транзисторов.

BC547 Транзистор с пластиковыми выводами

Основы биполярного транзистора

Очевидно, что ключевым электронным компонентом любой транзисторной схемы является сам транзистор. Эти электронные компоненты могут быть получены в дискретной форме, или они могут быть в составе интегральной схемы.

Транзисторы производятся в различных форматах и ​​могут быть получены для выполнения различных функций от слабого сигнала до высокой мощности, от звука до ВЧ и коммутации.

Они также бывают PNP-транзисторов и NPN-транзисторов — из этих NPN-транзисторов более широко используются, поскольку они, как правило, подходят для широко используемой системы отрицательного заземления, а также их производительность лучше с точки зрения скорости.

Хотя транзисторы NPN более широко используются, это не означает, что транзисторы PNP не используются. Они часто находят применение, дополняя NPN-транзисторы и некоторые другие схемы.

Базовая структура транзистора и символы схемы

Примечание по устройству с биполярным транзистором:

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводное устройство, обеспечивающее усиление по току, когда ток коллектора в В раз превышает ток базы. Биполярный транзистор широко доступен, и его производительность оптимизируется в течение многих лет.

Подробнее о Биполярный транзистор и принцип его работы

Биполярный транзистор доступен уже более семидесяти лет — его технология очень хорошо зарекомендовала себя, и хотя технология полевых транзисторов, вероятно, более широко используется в интегральных схемах, биполярные транзисторы все еще используются в огромных количествах в различных аналоговых и цифровых схемах, как в интегральных схемах и как дискретные электронные компоненты.

Биполярный транзистор был впервые изобретен в 1949 году группой ученых, работавших в Bell Labs в США. Его открытие делает интересное чтение.

Заметка об истории транзистора:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Laboratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей использования эффекта поля для управления током в полупроводнике, но не смогли воплотить эту идею в жизнь.Они обратили внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на германиевой пластине. Эта идея сработала, и в конце 1949 года они смогли продемонстрировать ее при условии усиления.

Подробнее о Биполярный транзистор История

Расчетные параметры схемы транзистора

Прежде чем приступить к разработке электронной схемы для транзисторной схемы, необходимо определить требования к схемам: некоторые основные параметры, связанные с транзисторными схемами.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть указан ряд параметров:

  • Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием для проектирования электронных схем. Коэффициент усиления схемы — это увеличение напряжения от входа к выходу схемы. С точки зрения математики, коэффициент усиления по напряжению, A v , представляет собой выходное напряжение, деленное на входное напряжение.

    Коэффициент усиления по напряжению является одной из ключевых целей многих схем, поскольку он обеспечивает «размер»

  • Коэффициент усиления по току:   Коэффициент усиления по току схемы часто важен при проектировании электронных схем, особенно когда схема управляет нагрузкой с низким импедансом.Часто требуется схема без усиления по напряжению и только с усилением по току, чтобы цепь с относительно высоким выходным импедансом могла управлять другой схемой с более низким импедансом.

    Есть много примеров этого: ВЧ-генератору часто требуется буферный каскад, чтобы гарантировать, что сама схема генератора не будет чрезмерно нагружена, но выход необходим для управления другими схемами. Коэффициент усиления по току также используется в цепях питания, где элемент последовательного прохода регулятора напряжения должен обеспечивать значительные уровни тока, но с использованием опорного напряжения с низким током.Есть много других примеров, где требуется усиление по току.

    Как и усилитель напряжения, коэффициент усиления по току схемы сравнивает входной и выходной уровни, но по току. Коэффициент усиления по току равен выходному току, деленному на входной ток.

  • Входное сопротивление: Входное сопротивление транзисторной схемы всегда важно. Он определяет нагрузку на предыдущий каскад, а также важен в радиочастотных цепях, где важным параметром является согласование импеданса.

    Во многих электронных схемах желателен высокий входной импеданс, поскольку это означает, что предыдущая ступень не слишком нагружена. Если входное сопротивление транзисторной схемы слишком низкое, то она будет нагружать предыдущую, снижая уровень сигнала и, возможно, в некоторых случаях вызывая искажения. Настройка транзисторного каскада для обеспечения правильного входного импеданса является ключевым элементом процесса проектирования электронной схемы.

  • Выходное сопротивление:   Выходное сопротивление также важно.Если транзисторная схема управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае в транзисторном выходном каскаде возникнет большое падение напряжения, а в некоторых случаях может произойти искажение сигнала.

    Если полное сопротивление нагрузки низкое, обычно требуется схема с высоким коэффициентом усиления по току, и в процессе проектирования электронной схемы можно выбрать подходящий формат схемы. Если допустим более высокий выходной импеданс, то часто более подходящей является схема с более высоким коэффициентом усиления по напряжению.

  • Частотная характеристика:  Частотная характеристика — еще один важный фактор, влияющий на конструкцию транзисторной схемы. Конструкции низкочастотных или звуковых транзисторных схем сильно отличаются от тех, которые используются для радиочастотных приложений. Также выбор электронных компонентов в схеме определяет характеристику: транзисторы, а также номиналы конденсаторов и резисторов в конструкции электронной схемы влияют на частотную характеристику.

    На начальном этапе проектирования схемы необходимо иметь определенные требования к требуемой частотной характеристике, а затем схема может быть спроектирована с учетом этого требования.

  • Напряжение и ток питания:  Одним из ключевых параметров любой цепи являются требования к мощности с точки зрения необходимого напряжения и тока. Таким образом, можно гарантировать, что правильное напряжение будет обеспечено с требуемой способностью по току на этапе проектирования электронной схемы.

  • Рассеиваемая мощность: Другим параметром, тесно связанным с напряжением и током, подаваемым в цепь, является рассеиваемая мощность.Если рассеиваемая мощность высока, то могут потребоваться меры для охлаждения и общего отвода тепла от схемы и, в частности, от любых электронных компонентов, которые могут рассеивать большое количество тепла. Обычно это транзистор, но другие компоненты тоже могут рассеивать тепло.

Функция цепи транзистора

Существует множество различных функций, которые могут выполнять транзисторные схемы. Обычно существуют стандартные блоки для общих функций, таких как усилитель, генератор, фильтр, источник тока, дифференциальный усилитель и множество других.

Эти стандартные форматы схем широко используются и могут быть приняты, а значения электронных компонентов определены в процессе проектирования электронной схемы.

Схемы часто следуют проверенным схемам, которые использовались в течение многих лет. Эти схемы часто использовались со старой технологией электронных ламп или термоэлектронных ламп и одинаково хорошо работают с биполярными транзисторами, а также с полевыми транзисторами, полевыми транзисторами и иногда даже с операционными усилителями.

Принят базовый формат и определены значения электронных компонентов для обеспечения требуемой производительности.

Часто это требует небольшого экспериментирования, но в наши дни программное обеспечение для моделирования цепей способно точно воспроизвести операцию для схемы, так что значения электронных компонентов могут быть оптимизированы для требуемой производительности и функциональности.

Конфигурация или топология схемы транзистора

Какой бы ни была общая функция схемы, в начале процесса проектирования электронной схемы также необходимо учитывать топологию.

Схемы транзисторов

могут быть разработаны с использованием различных топологий, каждая из которых предлагает различные характеристики, особенно с точки зрения входного и выходного импеданса.

Эти топологии конфигураций выбираются в соответствии с требованиями к конструкции электронной схемы и включают общий эмиттер, общий коллектор или эмиттерный повторитель и общую базу.


Процесс проектирования схемы транзистора

Процесс проектирования транзистора состоит из нескольких этапов. Обычно они выполняются в логическом порядке, но часто приходится пересматривать различные этапы, чтобы оптимизировать значения различных электронных компонентов для обеспечения требуемой общей производительности.

  • Определение требований:   Определение реальных требований является важным этапом, и его правильное выполнение будет означать, что концепция схемы не изменится в дальнейшем.

  • Определение функции и топологии схемы:  После того, как общие требования к электронному устройству будут установлены, необходимо определиться с фактической схемой транзистора. Например, существует множество схем генераторов, фильтров, усилителей и т. д.для транзисторов, и оптимальный тип может быть выбран для конкретных требований. Это часто также определяет фактическую топологию схемы, т. е. использование общего эмиттера, общего коллектора, общей базы, но в противном случае это может стать частью общего принятия решений в настоящее время, поскольку нагрузка на генераторы, усиление, выходное сопротивление и т.п. можно рассмотреть в это время.

  • Настройка условий смещения:   В любой схеме одной из ключевых особенностей конструкции электронной схемы является обеспечение уровней смещения для активных устройств: в этом случае биполярные транзисторы настроены правильно.Если смещение неправильное, транзисторная схема не будет работать. Определение номиналов электронных компонентов (в основном резисторов), задающих смещение, является одним из ключевых этапов проектирования.

  • Определение функциональных значений электронных компонентов:   Наряду с установкой условий смещения необходимо определить значения для других электронных компонентов, обеспечивающих функциональность схемы. Эта часть процесса проектирования электронной схемы продолжается вместе с настройкой условий смещения, поскольку значения одного будут влиять на другое, и наоборот.

  • Пересмотрите значения электронных компонентов для смещения и функции:   При заданных значениях схемы всегда требуется небольшая итерация, чтобы сбалансировать требования к смещению и общей функциональности схемы. Скорее всего, в этом процессе будет какая-то итерация.

  • Тестовая схема:   Проверка схемы является ключевым элементом любой конструкции. Часто во многих лабораториях есть программное обеспечение для моделирования цепей, поэтому схему можно смоделировать до того, как она будет построена, чтобы устранить большинство проблем.Однако окончательный тест состоит в том, чтобы построить и запустить схему в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации.

  • Доработка и модификация:   Часто возникает необходимость модифицировать электронную схему. Если это требуется, то он дорабатывается и тестируется с новыми номиналами электронных компонентов, компоновкой и т.д.

Здесь представлены некоторые основные параметры схемы, необходимые для проектирования транзисторной схемы. Знание этих параметров может повлиять на выбор конфигурации схемы и, безусловно, на определение номиналов компонентов и многих других факторов.

Соответственно, необходимо знать параметры, определяющие работу транзисторной схемы, прежде чем можно будет приступить к разработке.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Транзистор постоянного тока Простой анализ электрических цепей

Транзистор постоянного тока — это простейшее силовое электронное устройство с несколькими функциями.

Очень часто мы имеем дело с электронными продуктами на ежедневной основе и имеем некоторый опыт работы с персональными компьютерами.

Основным компонентом интегральных схем, используемых в этой электронике и компьютерах, является активное устройство с тремя выводами, известное как транзистор.

Прежде чем инженер сможет приступить к проектированию электронной схемы, необходимо понять устройство транзистора.

Транзистор

 

На рисунке (1) вы можете увидеть несколько типов транзисторов, имеющихся в продаже.Существует два основных типа транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Рисунок 1. Транзисторы

Наша цель состоит в том, чтобы узнать о биполярных транзисторах и уметь применять технику, разработанную до сих пор, для анализа транзисторных цепей постоянного тока.

Рисунок 2.Транзисторы npn и pnp

Существует два типа биполярных транзисторов: npn и pnp , обозначение схемы показано на рисунке (2). Каждый тип имеет три вывода, обозначенные как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

Для транзистора npn токи и напряжения транзистора указаны, как на рис.(3).

Рис. 3. Схема замещения транзистора

Применение KCL к рис.(3a) дает

I E , I C , и I , и I B — эмиттер, коллектор и базовые токи, соответственно. Аналогичным образом, применяя KVL на рисунку. (3b) дает

(1) (1)
V CE , V EB , и V BC — коллектор — напряжения эмиттер, эмиттер-база и база-коллектор.BJT может работать в одном из трех режимов: активный, отсечка и насыщение.

Когда транзисторы работают в активном режиме, обычно V BE = 0,7 В,

(2)
(2)
(3)
На рисунке (3) α обозначает долю электронов, инжектированных эмиттером, которые собираются коллектором. Кроме того,

(4)

, где β известен как коэффициент усиления по току с общим эмиттером.α и β являются характеристическими свойствами данного транзистора и предполагают постоянные значения для этого транзистора.

Обычно α принимает значения в диапазоне от 0,98 до 0,999, а β принимает значения в диапазоне от 50 до 1000. Из уравнений (1)–(4) видно, что

(5)

и

и

(6)
(6)

Эти уравнения показывают, что в активном режиме BJT может быть смоделирован как зависимый ток, управляемый током. .

Таким образом, при анализе схемы эквивалентная модель постоянного тока на рис. (4b) может использоваться для замены транзистора npn на рис. (4a).

Поскольку β в уравнении (6) велико, малый базовый ток управляет большим током в выходной цепи.

Следовательно, биполярный транзистор может служить усилителем, обеспечивающим усиление как по току, так и по напряжению.

Такие усилители могут использоваться для обеспечения значительной мощности преобразователей, таких как громкоговорители или управляющие двигатели.Рисунок 4. Эквивалентная схема транзистора

Только при замене транзистора эквивалентной моделью можно применять узловой анализ.

Транзистор постоянного тока Пример

Для лучшего понимания давайте рассмотрим пример ниже:
Найдите I C ,   I B , и vo в транзисторной схеме на рис.(5). Предположим, что транзистор работает в активном режиме и что β = 50.

Рисунок 5

7 Решение:
для входной петли KVL дает

с V BE = 0,7 В в активном режиме,

Но

Для выходного контура КВЛ дает

Обратите внимание, что v o = V CE в данном случае.

Вы поняли, что такое транзисторные схемы постоянного тока? Не забудьте поделиться и подписаться! Приятного обучения!

Ссылка: Основы электрических цепей Чарльза К.Александр и Мэтью Н. О. Садику

Руководство по использованию транзисторов

В качестве коммутатора и не только

В наши дни с электроникой можно многое сделать без знаний уровня EE. Но некоторые концепции могут быть сложными, например, выбор транзистора для сильноточной или высоковольтной конструкции. В этой статье Джефф рассказывает об истории транзистора как устройства. Затем он расскажет вам, как выбрать и использовать транзистор в качестве переключателя или для других функций.

Многие из сегодняшних молодых хакеров не знакомы со многими основами, доступными тем, кто получает высшее образование в области электроники. Они могут исследовать использование микроконтроллеров (MCU) без этих знаний из-за низкой стоимости входа. С бесплатными инструментами и печатными платами стоимостью менее 20 долларов базовая программа «hello world» или «blinky» не требует никаких знаний, кроме подключения нескольких кабелей к их ПК. Я думаю, это здорово. Будем надеяться, что это дает искру воображения, которая вызовет идеи о том, как они могут использовать эту вновь обретенную силу.

Действительно, это правда. Эти живые умы могут легко подключать периферийные устройства, такие как моторы, динамики, кнопки, фонари и другие вкусности, не задумываясь о напряжении, токе, сопротивлении, мощности и других параметрах, составляющих схему нашего воображения. Пока они могут следовать рецептам ведущих, новички могут воспроизводить тысячи экспериментов других. И благодаря сообществу обмена этот список продолжает расти. Для тех, кто полностью на крючке, это может в конечном итоге завести в тупик, где их воображение, наконец, упрется в пресловутую каменную стену.Они захотят управлять чем-то, что не является «подключи и работай», или просто захотят сделать это сами.

Например, хотя большинство микроконтроллеров могут управлять светодиодом с током 10 мА, для более высоких токов требуется несколько внешних компонентов. Управление устройствами с более высокими токами или напряжениями требует использования транзистора того или иного типа. Но какой? С тысячами вариантов, с чего начать? Небольшая предыстория может помочь вам понять выбор, который вы должны сделать.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛАПАНЫ

В начале 1900-х годов английский физик Джон Амброуз Флеминг обнаружил, что нагретая нить испускает электроны.В сочетании с отдельным контактом или пластиной в вакуумированной стеклянной колбе эти испускаемые электроны притягивались через зазор, когда пластина или анод были положительно заряжены по отношению к нити накала или катоду. Ток протекал только в одном направлении, и была создана первая диодная лампа (, рис. 1, ). Это было не самое эффективное устройство, так как требовался один источник питания для нити накала и дополнительный для смещения.

Несколько лет спустя американский изобретатель Ли де Форест добавил в смесь третий электрод, создав первую триодную лампу.Третий электрод или «управляющая сетка» или «сетка» позволяли использовать вакуумную лампу не только как выпрямитель, но и как переключатель или усилитель электрического тока. Это стало возможным за счет регулировки отдельного смещения на сетке, расположенной между катодом и анодом. Электроны будут предотвращены или им будет позволено течь через сетку к аноду.

В конечном итоге это привело к созданию двух самых технологически невероятных машин в нашей истории — радио и компьютера.Хотя многие ранние радиоустройства были портативными, они были довольно большими и тяжелыми, поскольку требовалось несколько батарей (, рис. 2, ). Ранние вычислительные машины были массивными, занимали много места и выделяли тысячи ватт тепла ( Рисунок 3 ).

Рисунок 1
В 1904 году Амброуз Флеминг изобрел и запатентовал устройство, которое он назвал колебательным клапаном или термоэмиссионным диодом. Сегодня в США устройство Флеминга более известно как вакуумная трубка, а в Великобритании оно до сих пор известно как термоэмиссионный клапан или вентиль.Мы думаем о диоде как о двух выводах. Но у вакуумной лампы должна быть нагретая нить накала, чтобы испускать электроны, таким образом, три провода — два для нити (катод) и один для пластины (анод) [1]. Рисунок 2
Радиоприемники 1930-х годов, работающие от батареек, в основном продавались для использования в сельской местности, где еще не было электричества. Эти радиостанции обычно назывались «фермерскими радиостанциями» и питались от так называемого «аккумуляторного блока», который содержал все батареи, необходимые для работы радиостанции [2].Рисунок 3
Во время Второй мировой войны для взлома немецких и японских шифров использовались специальные цифровые компьютеры на электронных лампах, такие как Colossus. Военная разведка, собранная этими системами, была необходима для военных действий союзников. Каждый Колосс использовал от 1600 до 2400 электронных ламп [3].

Начало эры полупроводников наступило только в 1960-х годах. Отличительным отличием полупроводников от предыдущих ламповых или газообразных устройств была новая технология, основанная на полупроводнике и известная как твердотельные устройства.Полупроводниковое устройство работает, управляя электрическим током внутри твердого кристаллического куска полупроводникового материала, такого как кремний.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

Все элементы (например, кислород, углерод и алюминий) состоят из атомов. Атом — это наименьшая частица материи, которая сохраняет свойства, необходимые для определения элемента. Он состоит из двух основных частей. Центр или «ядро» состоит из двух частиц, протона и нейтрона, а «оболочка» содержит вращающиеся по орбите частицы, называемые электронами.Существуют и другие субатомные частицы, но для обсуждения нам нужно рассмотреть только эти три.

Каждый элемент идентифицируется по его «атомному номеру», который представляет собой число протонов в его ядре, например, 8 для кислорода (O), 6 для углерода (C) и 13 для алюминия (Al). Элемент наиболее стабилен или «счастлив», когда количество его протонов (с положительным зарядом) и электронов (с отрицательным зарядом) равно, потому что заряды компенсируют друг друга. Элемент с зарядом называется ионом.Анионы лишены электронов и имеют положительный заряд. Катионы имеют дополнительные электроны и имеют отрицательный заряд. Любой элемент может иметь заряд, если число электронов не равно числу протонов в атоме.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра, обычно вращаются в нескольких оболочках и подоболочках, каждая из которых может содержать максимальное количество электронов. Если у элемента более 2 электронов (что-то тяжелее водорода или гелия), дополнительные электроны не поместятся в ближайшую к ядру оболочку.Эта самая внутренняя оболочка, обозначенная «К», имеет единственную подоболочку «s», которая может содержать максимум 2 электрона.

Вторая оболочка, обозначенная «L», имеет две подоболочки, подоболочку «s» с 2 электронами и подоболочку «p» с 6 электронами. Третья оболочка, «M», имеет три подоболочки, подоболочку s» с 2 электронами, подоболочку «p» с 6 и подоболочку «d» с 10. Независимо от того, о каком элементе мы говорим, каждая оболочка (K, L, M и т. д.) содержит одинаковое максимальное количество электронов, а каждая подоболочка (s, p, d и т. д.) содержит одинаковое максимальное количество электронов.Однако распределение оболочек, подоболочек и электронов зависит от атомного номера (числа протонов) элемента.

Электроны в каждой подоболочке имеют некоторый энергетический уровень, основанный на расстоянии подоболочки от ядра — более низкая энергия для внутренних подоболочек и более высокая энергия для внешних подоболочек. Самые внутренние подоболочки заполняются до того, как какие-либо дополнительные электроны вынуждены перемещаться во внешнюю подоболочку или следующую оболочку. Следовательно, самая внешняя оболочка — единственная, которая может иметь меньше, чем максимальное количество электронов в подоболочке.Их называют «валентными электронами», и именно здесь происходит волшебство. Давайте посмотрим на некоторые примеры. В дальнейших обсуждениях в скобках указано количество электронов в соответствующих оболочках, от ближайшего к самому дальнему от ядра.

Медь

(Cu) широко используется в качестве проводника. Его атомный вес равен 29, и у него 29 электронов на 4 оболочках (2-8-18-1). Единственный электрон в его самой внешней оболочке делает его нестабильным. Следовательно, это хороший проводник, поскольку его единственный валентный электрон может свободно перемещаться среди других атомов меди, стремящихся заполнить свои внешние оболочки.Когда больше электронов заполняет внешнюю оболочку, свободных валентных электронов становится меньше, и элемент становится более стабильным и хорошим изолятором. Нас интересуют элементы с обоими этими аспектами.

Углерод (C, 2-4), кремний (Si, 2-8-4), германий (Ge, 2-8-18-4) и олово (Sn, 2-8-18-18-4) четыре такие элементы. Атомы каждого из них имеют по 4 валентных электрона на своих внешних оболочках. Их ковалентная связь (обмен электронами) создает полную структуру решетки, что не обязательно является хорошим проводником.

ДОПИНГ И ДРУГИЕ

Начнем с хорошего изолятора, кремния, атомный номер 14 (Si, 2-8-4). Атом кремния был бы счастлив иметь 8 электронов на своей внешней оболочке, поэтому он разделит свои 4 валентных электрона с 4 другими атомами кремния, образуя кристаллическую структуру ковалентной связи ( рис. 4 ).

Для превращения Si в материал, который может проводить электричество, требуются свободные электроны, которые могут двигаться внутри кристалла. Процесс, известный как «легирование», может увеличить проводимость полупроводникового кремния.Существует два различных типа легирования: N-легирование и P-легирование. При обоих видах легирования в кристалл Si добавляется примесь (вещество, не являющееся кремнием).

P-легирование происходит, когда к Si добавляется такой элемент, как бор (B) с 3 валентными электронами ( рис. 5 ). Обратите внимание, что кристаллическая структура не завершена; атом B связывается только с 3 атомами Si, оставляя «дырку» (отсутствующий электрон), которая ищет дополнительный электрон. Если электрон кремния заполняет эту дырку, создается другая дырка, и дырка блуждает в поисках нового дома.

Легирование азотом происходит, когда фосфор (P) с 5 валентными электронами добавляется к Si, как показано на рис. 6 . Обратите внимание, что кристаллическая структура завершена, но каждый атом фосфора добавил дополнительный электрон, которому не с чем связываться. Этот электрон бродит вокруг в поисках нового дома.

Теперь магия. Когда материал, легированный фосфором, и материал, легированный азотом, соединяются, мы получаем «PN-переход» или «диод» (, рис. 7, ). Контакт двух легированных материалов создает область, в которой свободные электроны в материале, легированном N, диффундируют через переход, чтобы заполнить дырки в материале, легированном P, а дырки в материале, легированном P, диффундируют через переход, чтобы рекомбинировать с свободные электроны, как показано на рис. 8 .

Рисунок 7
. Представление PN-перехода вместе со схематическим символом и фактическим диодом, чтобы показать, как они связаны [5] Рисунок 8
Вверху: Представление материала N-типа и P-типа. Внизу: в PN-переходе лишние электроны и дырки мигрируют в переходе, вызывая обедненную область, которая препятствует дальнейшему движению. [4].

Эта миграция создает электрическое поле в небольшой области вокруг перехода, называемой «областью обеднения», и блокирует любую дальнейшую диффузию электронов в область, легированную фосфором.Приложенное внешнее смещение может либо усиливать, либо противодействовать, в зависимости от полярности. Приложение внешнего положительного потенциала к аноду (обратное смещение) усиливает обедненную область, создавая лучший изолятор и предотвращая протекание тока. Однако приложение внешнего положительного потенциала к аноду (прямое смещение) ослабляет обедненную область, создавая лучший проводник, по которому может течь ток. Для PN-перехода в кремнии область обеднения исчезает, когда потенциал превышает 0.7В. Диод сам по себе является простым и чрезвычайно полезным полупроводниковым устройством, но он также является основой для других устройств.

ТРАНЗИСТОРЫ NPN И PNP

Мы можем сделать диод еще дальше, добавив к устройству второй переход, создав транзистор. Если мы добавим материал N-типа на P-сторону диода, мы получим NPN-транзистор. Если мы добавим материал P-типа к N-стороне диода, мы получим PNP-транзистор. Эти устройства добавляют контроль к току, протекающему через них.Концы каждого устройства (эмиттер и коллектор) одного типа, но имеют различное количество легирования. Эмиттеры более сильно легированы, и у N-типа (NPN) или «донора» больше свободных электронов, тогда как у P-типа или «акцептора» больше дырок.

Центральный и противоположный тип («база») имеют наименьшее количество легирования и позволяют контролировать поток тока. При отсутствии (или обратном) смещении базы по отношению к эмиттеру потенциал перехода может только усиливаться, а ток не течет.Когда мы помещаем небольшое прямое смещение на базу по отношению к эмиттеру, мы позволяем смещению база-эмиттер преодолевать потенциал перехода и усиливать ток через переход. Если коллектор также смещен в прямом направлении по отношению к эмиттеру, ток коллектора будет протекать через переход коллектор-база к эмиттеру. Размер базы определяет отношение тока базы (I B ) к току коллектора (I C ). Эти два тока равны току в эмиттере (I E ). На рис. 9 показано соединение, схематический и физический вид каждого из этих двух устройств.

Рис. 9
BJT доступен как в вариантах PNP, так и в вариантах NPN, чтобы удовлетворить все ваши потребности в коммутации. Показаны оба типа вместе с их схемами и реальными корпусами TO-92, чтобы показать, как они связаны.

На рисунке 9 направление стрелки каждого излучателя определяет тип устройства. В устройстве NPN ток течет из эмиттера, а в устройстве PNP ток течет в эмиттер.Для простоты давайте использовать источник питания 5В. В большинстве цепей заземление (или V SS ) подключено к отрицательной стороне источника питания, а положительная сторона подключена к V CC .

Три вывода транзистора можно рассматривать как вход, выход и общий вывод. Таким образом, они могут быть подключены одним из трех способов — с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. Конфигурация с общим эмиттером является наиболее распространенной и будет использоваться в этом обсуждении.Пожалуйста, не стесняйтесь исследовать другие форматы самостоятельно, если вам интересно. Эта конфигурация позволит нам управлять некоторым током, протекающим через нагрузку, с лишь частью этого тока на базе. Нагрузкой может быть светодиод, реле или любое другое устройство на 5В. Чуть позже мы обсудим высоковольтные устройства.

Простейшей нагрузкой может быть светодиод, так что давайте начнем с него. В этой конфигурации база является входом, коллектор — выходом, а эмиттер — общим для обоих. Эмиттер почти всегда подключается напрямую к источнику питания.Для устройства NPN эмиттер соединен с землей, и ток течет из эмиттера (обратите внимание на схематическую стрелку, указывающую на рис. 9). Для PNP-устройства эмиттер подключается к V CC , и ток течет через эмиттер (обратите внимание на стрелку, указывающую внутрь).

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАНЗИСТОРА

На рис. 10 мы видим, как два типа транзисторов можно использовать для управления светодиодом. В схеме слева эмиттер транзистора 2N3906 (PNP) подключен к V CC .Без драйвера на базе (или R1, подключенного к V CC ), транзистор закрыт (высокий импеданс), и ток не может течь к светодиоду через R2. Когда R1 подключен к земле, ток может течь через базу, открывая транзистор и позволяя 10-кратному току течь через коллектор, через R2 и светодиод.

Рис. 10
Минимальные расчеты, необходимые для определения номинальных резисторов, которые вам потребуются для обеспечения управления светодиодом, работающим при токе 10 мА. Попробуйте изменить ток на 100 мА, чтобы увидеть, как изменяются значения резисторов базы и коллектора.Помните, что большинство светодиодов выйдут из строя при токе 100 мА, если только вы не используете их с малым рабочим циклом.

В схеме справа эмиттер транзистора 2N3904 (NPN) подключен к GND. Без драйвера на базе (или R3, подключенного к GND) транзистор выключен (высокий импеданс), и ток не может течь к светодиоду через R4. Когда резистор R3 поднят вверх, ток может течь в базу, открывая транзистор и пропуская в коллектор ток в 10 раз больше через светодиод и резистор R2.Оба типа транзисторов можно приобрести у различных дистрибьюторов электроники, включая Digi-Key и Mouser Electronics.

Эти два транзистора симметричны и имеют схожие параметры. В таблице 1 показаны параметры, которые необходимо проверить перед использованием в вашей схеме. Обратите внимание, что при использовании с питанием логики 5 В мы не превысим параметры максимального напряжения. Максимальный ток 200 мА. Мне нравится держать максимум 100 мА, чтобы избежать «горячих» устройств. Коэффициент усиления важен для определения минимальных токов смещения для требуемых токов нагрузки.Есть некоторые частотные параметры, которые вам нужно учитывать только при работе на радиочастотах. Вы можете игнорировать их при работе на частоте менее 1 МГц.

Таблица 1
Здесь показаны параметры, которые необходимо проверить перед использованием в вашей схеме.

Вы можете видеть, что они также подходят для источников питания 12 В и 24 В, которые, скорее всего, покроют большинство устройств, которыми вы хотите управлять. Сегодня многие микроконтроллеры могут подавать или потреблять 20 мА, что достаточно для простого светодиода. Но когда вам нужен больший ток — скажем, для короткого рабочего цикла, потребляющего ток 100 мА, — вам нужно будет использовать транзистор.

ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ

Что происходит, когда вам нужен ток больше 100 мА? Можно выбрать более мощный транзистор. Сидней Дарлингтон изобрел составной транзистор, известный нам как Дарлингтон (пара). Два однотипных транзистора включены по схеме эмиттерный повторитель. Первый транзистор подает большой ток на базу второго транзистора. Коэффициенты усиления многократно увеличиваются и могут быть довольно высокими вместе с током через второй транзистор. Небольшой пластиковый корпус ТО-2 больше не может выдерживать более высокие токи, потому что мощность, рассеиваемая на устройстве, может быть довольно высокой.Корпуса размеров T0-220 и T0-3 распространены и могут потребовать соответствующего теплоотвода. Использование двойных транзисторов повышает напряжение V BE примерно до 1,4 В, а при токе, который теперь находится в диапазоне ампер, рассеяние является значительным.

Как и наш BJT (транзистор с биполярным переходом), транзистор Дарлингтона (DT) доступен как в PNP, так и в NPN. Хотя у него есть преимущества в управлении током, у него также есть недостатки, такие как более медленное время выключения, что ограничивает использование на высокой скорости. Но для многих приложений этим можно пренебречь.

Сегодня можно рассматривать другие полупроводниковые устройства для более высоких токов, но они также имеют свои недостатки. Полевой транзистор, например, имеет гораздо более низкий импеданс перехода (сопротивление в открытом состоянии), и хотя это создает гораздо меньшее рассеивание, его также сложнее использовать. Оставим это на другой раз. Эта колонка посвящена использованию этих двух простых устройств — BJT и DT. Они помогут вам справиться с большинством проектов, не заморачиваясь математикой. Вам остается только принять два решения.

ДВА РЕШЕНИЯ

Нужно ли включать устройство с активным высоким сигналом (высокий логический уровень), а затем выбирать устройство NPN? Или мне нужно включить мое устройство с активным низким сигналом (логический низкий уровень), а затем выбрать устройство PNP? Если вы можете выбрать полярность, выберите маршрут NPN. Они не только немного дешевле, но и их проще использовать с устройствами с более высоким напряжением. Требуется ли моему устройству менее 100 мА (BJT) или больше (DT)? Здесь самым большим вопросом будет: нужен ли теплоотвод для устройства DT?

Хотя речь идет об использовании транзистора в качестве цифрового переключателя, на самом деле транзистор является аналоговым устройством.Существует область между отсутствием тока (ВЫКЛ.) и насыщением или максимальным протеканием тока (ВКЛ.), при этом доля базового тока будет давать долю максимального тока. Это довольно линейно, как только начинается проведение, вплоть до точки насыщения. Таким образом, транзистор можно использовать как усилитель для аналоговых целей. Поскольку смещение имеет решающее значение, оно требует немного больше математики и вспомогательной схемы. Как только вы освоите использование транзистора в качестве переключателя, вы можете исследовать его использование в качестве усилителя сигнала.

А пока позвольте мне оставить вас с несколькими примерами того, как вы можете исследовать использование транзисторов для управления устройствами. На рис. 11 показано несколько различных нагрузок, которыми вы, возможно, захотите управлять. Слева направо — простая резистивная нагрузка, светодиод, реле, пьезопреобразователь, пьезозуммер и двигатель постоянного тока. +V может быть любым напряжением до V CE  max транзистора. Ток ограничен примерно 100 мА для 2N3904/6 NPN/PNP или многими амперами, в зависимости от DT, такого как TIP3x.

Пьезоустройства бывают двух видов: 1) преобразователь, которым можно управлять с помощью частоты; и 2) бипер, который имеет внутренний драйвер и будет звучать на заданной частоте, просто подав напряжение. Пьезопреобразователь представляет собой емкостную нагрузку и требует параллельного резистора, тогда как реле и двигатели являются индуктивными и требуют обратного диода для защиты транзистора от индуктивных пиков при выключении.

Шаговые двигатели можно запустить, подав последовательность импульсов, активирующих обмотки шагового двигателя.Последовательность позволяет контролировать направление вала двигателя. Скорость последовательности определяет число оборотов в минуту. На рис. 12 показан униполярный шаговый двигатель, для которого требуется одинаковая полярность на каждой катушке, но катушки с отводом от центра. Биполярный шаговый двигатель имеет одиночные катушки, но требует, чтобы схема изменяла полярность на каждой катушке. Для этого требуются устройства NPN и PNP, подключенные к каждому концу каждой катушки. Он похож на Рисунок 13 , на котором показан полный мост для управления направлением вращения двигателя постоянного тока.Там, где двигатель постоянного тока имеет одно соединение, для биполярного шагового двигателя требуется в два раза больше транзисторов — по две пары на каждую катушку.

ЭЛЕКТРОН ПРОТИВ. ТЕКУЩИЙ ПОТОК

По соглашению направление тока на диаграммах всегда указывалось как направление движения положительного заряда. Сегодняшние знания говорят нам, что поток электронов на самом деле противоположен обычному потоку тока. Хотя это может показаться неправильным, некоторые вещи лучше не исправлять, и поэтому мы можем более точно определить текущий поток как «дырочный» поток.

Теперь вам не нужно думать, что использование транзистора — это безумно сложно.

  • Если ваша нагрузка находится на стороне земли, используйте PNP. И если ваша нагрузка находится на высокой стороне, используйте NPN.
  • Если ваша нагрузка составляет 10 мА при 5 В (или 3,3 В), ваш MCU может обрабатывать ее напрямую. Если устройство, которым вы хотите управлять, требует более высокого напряжения или тока, используйте транзистор. Большинство BJT хороши до 100 мА.
  • Для больших токов используйте транзистор Дарлингтона. Просто помните, что вам, вероятно, понадобится радиатор, если вам нужно избавиться от тепла из-за высокого рассеяния перехода!

Для многих проектов вам понадобятся только транзисторы 2N3904 и 2N3906.Для большего тока используйте стандартные транзисторы Дарлингтона TIP33 и TIP34. Не бойтесь заменять, в зависимости от ваших требований или доступности! Тогда расширьте свой мир и рассмотрите возможность изучения полевых транзисторов (FET). Слишком многому нужно научиться, слишком мало времени.

РЕСУРСЫ

Каталожные номера:
[1] Рисунок 1 en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube
[2] Рисунок 2 www.radiolaguy.com/images/tubePortables/Silvertone30sBatterySet.jpg
[3] Рисунок 3 en.wikipedia.org/wiki/Colossus_computer
[4] Рисунки 5, 6 и 8 www.schoolsobservatory.org/learn/tech/instruments/inst_ccd/semiconductors
[5] Рисунок 7 www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/diode- представления.jpg

Цифровой ключ | www.digikey.com
Mouser Electronics | www.mouser.com

ОПУБЛИКОВАН В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR MAGAZINE • МАЙ 2021 № 370 – Получить PDF-файл номера

Спонсор этой статьи

Джефф Бачиочи (произносится как BAH-key-AH-key) пишет для Circuit Cellar с 1988 года.Его опыт включает в себя дизайн и производство продукции. Вы можете связаться с ним по адресу: [email protected] или по адресу: www.imaginethatnow.com.

Транзисторная схема — обзор

Программируемые логические устройства представляют собой тип полузаказного подхода к проектированию, при котором транзисторные схемы реализуются непосредственно из заданных логических функций, минуя проектирование и компоновку транзисторных схем.

VIII.A.1 Программируемые логические массивы

Программируемые логические массивы (PLA) представляют собой полунестандартный подход к проектированию, при котором транзисторные схемы могут быть реализованы немедленно из минимальной суммы для заданных логических функций без проектирования логических цепей и проектирования и компоновки транзисторных схем. Заданный набор логических функций обычно имеет множество различных выражений, но минимальную сумму, самое простое выражение среди них можно быстро вывести с помощью программы САПР. Прямые линии предварительно разложены по вертикали и горизонтали в матричной форме на микросхеме вместе с полевыми МОП-транзисторами в фиксированных точках, как показано на рис.19. Затем горизонтальная и вертикальная линии соединяются через МОП-транзисторы (реализованные, как показано на рис. 12б) в некоторых пересечениях, как указано полученной минимальной суммой. Таким образом, используя PLA, проектирование логических сетей, электронных схем и компоновки можно полностью пропустить, а время работы программы САПР очень короткое. Таким образом, время разработки самое короткое (порядка минут), хотя размер чипа самый большой, а скорость самая низкая среди чипов, разработанных с использованием других полузаказных подходов.

РИСУНОК 19. PLA без триггеров.

В PLA горизонтальные линии (металлическая линия) и вертикальные линии (рассеянные области) являются прямыми линиями, как показано на рис. 12b и 19, в отличие от макетов в других подходах к проектированию, таких как рис. 18, где линии не всегда прямые.

Предположим, что логические функции

f1=xy¯z¯∨xyzf2=xy¯z¯∨x¯z

должны быть реализованы в PLA, где «∨» обозначает операцию ИЛИ. Все отдельные продукты xy¯z¯, , xyz и x¯z представлены вертикальными линиями, которые называются линиями продуктов, в верхней части PLA на рис.19. Входы x , y , z и далее x¯,y¯,z¯ через инверторы имеют горизонтальные линии в верхней части ПЛМ. Продукт xy¯z¯, например, представлен линией продукта (первая вертикальная линия слева на рис. 19), которая имеет точки на пересечениях с горизонтальными линиями для x , y¯ и z ¯. Хотя определенный продукт, такой как xy¯z¯, появляется более одного раза в f 1 и f 2 , нам нужно реализовать только одну линейку продуктов для каждого из них.Верхняя часть PLA называется массивом И, потому что реализуются такие продукты, как xy¯z¯, операция И x , y¯ и z¯. Нижняя часть PLA называется массивом ИЛИ, реализующим операцию ИЛИ «∨» для каждой функции. Горизонтальная линия для каждой функции в массиве ИЛИ имеет точки на пересечении с линиями продуктов, которые представляют продукты, содержащиеся в этой функции. Например, горизонтальная линия для функции f 1 имеет точку (реализован МОП-транзистор) на пересечении с линией произведения для xy¯z¯, поскольку произведение xy¯z¯ находится в выражении для функции f 1 .Выражение минимальной суммы для функций минимизирует размер PLA, потому что минимальная сумма имеет наименьшее количество различных произведений (таким образом, количество строк продукта) среди всех возможных выражений для данных функций (обратите внимание, что количество горизонтальных строк равно фиксированный).

Программируемые логические массивы обычно реализуются в PLA с динамической КМОП для снижения энергопотребления.

В дополнение к короткому времени проектирования, PLA имеют преимущества, заключающиеся в том, что только одна маска должна быть изготовлена ​​​​на заказ, а точечный рисунок не меняется даже при использовании новой технологии обработки.PLA часто используются в таких местах, как блоки управления в микропроцессорах, где ожидаются изменения конструкции микросхемы, разработанной с использованием полностью нестандартных или других полузаказных подходов к проектированию.

В случае описанных выше ПЛК производители полупроводников должны хранить информацию с помощью масок, поэтому такие ПЛК называются программируемыми по маске ПЛК. В отличие от этого, программируемые на месте PLA — это PLA, в которых соединения отключаются путем отключения предохранителей или антипредохранителей в нужных местах.Эти PLA больше, чем PLA, программируемые по маске, из-за дополнительного места для предохранителей (или антипредохранителей) и электронных схем для отключения.

PAL (программируемая матричная логика) представляет собой PLA, что его массив OR не программируется

Проверка транзисторов в цепях с помощью мультиметров, омметров и характериографов

Транзистор представляет собой небольшое полупроводниковое устройство, которое может быть повреждено при неправильном подключении. Транзистор также может выйти из строя, если на вход подать более высокий ток или напряжение.Предлагается проверить транзистор. Эффект горения транзистора можно наблюдать, взглянув на схему. Проверка транзисторов в цепях с помощью мультиметров является хорошей идеей, если на печатной плате не видно визуального эффекта.

В зависимости от функциональности цифрового мультиметра можно проверить работоспособность транзистора в виде прохождения и отказа. Другие мультиметры также могут проверять усиление транзистора, установив его в режим hFE.

  • Расчет кВА трансформатора: калькулятор кВА трансформатора
  • Классификация трансформаторов тока на основе четырех параметров

Транзистор также можно проверить с помощью омметра и анализатора характеристик.Омметр проверяет подключение двух клемм. Где трассировщик кривой использует разные точки тока и напряжения для построения характеристик VI транзистора.

Проверка транзисторов в цепи с помощью мультиметра

Этапы проверки транзисторов в цепи с помощью мультиметра

Выполните следующие шаги для проверки транзистора в цепи с помощью мультиметра.

Отключение

Отсоедините транзистор, который вы хотите проверить, от печатной платы. В противном случае мультиметр может выйти из строя, и правильный результат не будет отображаться.

Установка транзистора

Если ваш цифровой мультиметр имеет порт для проверки транзисторов, используйте его. И вставьте транзистор в выделенный порт тестирования транзисторов. Вставьте транзистор в соответствии с обозначениями NPN или PNP. Если порта для транзистора нет, вместо этого проверьте транзистор с помощью омметра.

Установка транзистора в порт тестирования транзистора
Установка режима

Теперь поверните ручку, чтобы правильно установить режим тестирования транзистора. Используйте символ hFE, чтобы получить коэффициент усиления транзистора.

Чтение

На этом этапе цифровой мультиметр покажет коэффициент усиления транзистора. Если показания не отображаются, измените конфигурацию транзистора с конфигурации E-B-C на B-C-E.

Различные конфигурации портов NPN и PNP

Проверка транзисторов с помощью омметра

Проверка транзистора с помощью омметра — это старый способ проверки транзистора. Омметр для проверки транзистора имеет два PN перехода база-эмиттер и база-коллектор.Обработка этих двух переходов как отдельных диодов может помочь в определении работы транзистора.

  • Знакомство с усилителем TPA3116D2DADR
  • Разница между CAT5 и CAT6 Какой из них лучше для новой домашней электропроводки

Этапы проверки транзистора с помощью омметра .

Шаг 1. Проверка база-эмиттер

Для NPN-транзистора подключите положительный вывод к базе, а отрицательный — к эмиттеру транзистора.Хороший транзистор должен показывать связность. И наоборот для транзистора PNP.

Для NPN-транзистора поменяйте местами выводы, т. е. подключите плюс к эмиттеру, а минус к базе транзистора. В этом случае не будет подключения для хорошего транзистора.

Проверка транзистора с помощью омметра
Шаг 2. Проверка база-коллектор

Для транзистора NPN подключите положительный вывод к базе, а отрицательный вывод к коллектору. Хороший транзистор должен показывать связность.И наоборот для транзистора PNP.

  • Аналоговая и цифровая электроника для инженеров pdf Книга
  • Справочник по силовой электронике Мухаммеда Х. Рашида

Для транзистора NPN, теперь перепутать вывод, т.е. подключить положительный вывод к коллектору, а отрицательный вывод к базе транзистора . Хороший транзистор не должен иметь никаких подключений.

Проверка транзистора с помощью анализатора характеристик

Проверка транзистора с помощью анализатора характеристик

Анализатор кривой похож на осциллограф с различными функциями, такими как временная выборка, развертка по списку и многоканальная развертка.Кривые используются для анализа диодов, транзисторов, тиристоров и т. д. Используйте соответствующие настройки, установите напряжение и проанализируйте ток коллектора. Точно так же используйте различные базовые токи, проанализируйте ток коллектора и начертите кривые характеристик VI.

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 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 может поддерживаться работа.

Обычно выделяют 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 синфазных конфигурации:

В 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.

Схемы с общим эмиттером страдают двумя распространенными проблемами, обе из которых можно смягчить путем правильного проектирования 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 усиления.)

Усилитель с общим эмиттером часто имеет узкую полосу пропускания из-за эффекта Миллера, применимого 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 электроники, которые часто должны работать близко к минимальному уровню 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.

Маркировка эмиттерного повторителя связана с тем, что выходной сигнал 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 базового, 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 (адмиттанса/короткого замыкания), коэффициент напряжения и коэффициент тока для представления взаимосвязи 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 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 GaN или SiC, и даже более конкретно 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.

Введение в транзисторы

Схемы, о которых я расскажу в этой статье, более сложны, чем обсуждалось ранее. Вы узнаете о функциональности и применении транзисторов с биполярным переходом (BJT) и полевых транзисторов (FET).

В моей предыдущей статье Введение в основные электронные схемы вы познакомились с самыми простыми, самыми основными типами электронных схем. Это отличное место для начала изучения электроники, но в конечном итоге любая реальная схема будет более сложной, чем те, что обсуждались в первой статье.

В этой статье я сосредоточился на так называемых пассивных схемах . К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и т. д. С другой стороны, активная схема использует более сложные компоненты, такие как транзисторы.Электронный компонент считается активным, если он позволяет устройству управлять током в других частях цепи.

Схемы, о которых я расскажу в этой статье, будут более сложными, но все они по-прежнему относительно простые схемы. Я не хочу вас перегружать, очень важно начать с простого и постепенно переходить к более сложным схемам.

Существует две широкие классификации транзисторов, которые мы будем анализировать: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).Транзисторы могут работать как цифровые переключатели или использоваться в аналоговых приложениях, таких как усилители и регуляторы мощности.

В этой вводной статье я не буду вдаваться в низкоуровневую физику этих транзисторов, что, скорее всего, только вызовет путаницу, а вместо этого сосредоточусь на их функциональности и применении.

Биполярные переходные транзисторы (BJT)

Давайте сначала рассмотрим транзисторы с биполярным переходом, которые названы так потому, что состоят из двух диодных переходов.Биполярный транзистор бывает двух видов: NPN и PNP. N и P относятся к тому, легирована ли область полупроводникового кремния отрицательно или положительно.


Рис. 1. Биполярные переходные транзисторы (BJT) (тип n = NPN и тип p = PNP)

 

Биполярный транзистор состоит из трех выводов: коллектора, базы и эмиттера. Для биполярного транзистора NPN ток будет течь от коллектора к эмиттеру. Для транзистора PNP ток будет течь от эмиттера к коллектору.

Для включения транзистора NPN напряжение базы должно быть больше напряжения эмиттера. Противоположное верно для транзистора PNP, где базовое напряжение должно быть меньше напряжения эмиттера.

В большинстве схем эмиттер NPN будет привязан к земле (или к резистору, который подключается к земле), а эмиттер PNP будет привязан к положительному источнику питания (опять же, возможно, через резистор).

Биполярный транзистор имеет три области работы:

Активная область:

При работе в активной области транзистор действует как усилитель.Напряжение между выводами базы и эмиттера (обычно называемое V или ) управляет величиной тока, протекающего между коллектором и эмиттером.

Это экспоненциальная зависимость, поэтому малейшее изменение Vbe может оказать огромное влияние на ток коллектора. Поскольку этот переход база-эмиттер на самом деле представляет собой просто диод, напряжение (V будет ) всегда будет близко к 0,7 В. Это отношение регулируется следующим уравнением:

I
C = I S * exp (V be /V T )

Где I C = ток коллектора, I S = обратный ток насыщения (известная константа порядка от 10 −15 до 10 −12 ампер), а V T называется тепловым напряжением. что пропорционально температуре (приблизительно 26 мВ при комнатной температуре).

Биполярный транзистор, работающий в активной области, также обеспечивает усиление тока. Ток, протекающий через базовый вывод, будет увеличиваться параметром транзистора, известным как β (бета) или иногда h FE . Затем этот накопленный ток будет течь между коллектором и эмиттером. Уравнение для этого:

I
C = β * I B

Где I C = ток коллектора, β — коэффициент усиления по току для транзистора, а I B = ток базы.

Наконец, ток эмиттера для BJT равен сумме токов базы и коллектора:

I
E = I C + I B

Насыщенность и отсечка:

В области насыщения биполярный транзистор полностью открыт и действует как замкнутый переключатель между выводами коллектора и эмиттера. Принимая во внимание, что в области отсечки транзистор полностью закрыт и действует как открытый ключ.

Однако для приложений с цифровым переключением я предпочитаю использовать полевые транзисторы вместо транзисторов с биполярным переходом.

Полевые транзисторы (FET)

Другая широкая классификация транзисторов называется полевыми транзисторами. Как и в случае с BJT, полевой транзистор имеет три контакта, которые служат для аналогичных целей. Управляющий штифт называется затвором (вместо основания). Ток в полевом транзисторе протекает между стоком (аналогично коллектору биполярного транзистора) и истоком (аналогично эмиттеру биполярного транзистора).

Одно из наиболее значительных функциональных различий между биполярными транзисторами и полевыми транзисторами заключается в том, что контакт управления (затвор) электрически изолирован изолирующим оксидным слоем.Через затвор не протекает ток, как через базу биполярного транзистора. FET — это чисто управляемое напряжением устройство.

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы бывают двух видов: n-типа и p-типа. Доступны различные типы полевых транзисторов, но наиболее распространенный тип называется MOSFET. MOS расшифровывается как Metal-Oxide Semiconductor и просто относится к изоляционному материалу, который образует изолированный затвор.

Полевой транзистор n-типа обычно называют NFET или NMOS для полевых МОП-транзисторов n-типа.Полевой транзистор p-типа называется PFET или PMOS для полевых МОП-транзисторов p-типа.


Рис. 2. Полевые транзисторы (FET) (тип n = NFET и тип p = PFET)

 

Полевые транзисторы имеют три области работы:

Зона отсечки:

Важным параметром полевого транзистора является пороговое напряжение (V t ). Это минимальное напряжение между выводами затвора и истока (называемое V GS ), при котором устройство начинает включаться.Если V GS меньше, чем V t , то между стоком и истоком не будет протекать ток. Эта область известна как режим отсечки или подпороговый режим:

Если V
GS < V t , то Id=0 (зона отсечки)

В области отсечки полевой транзистор действует как открытый переключатель.

Как только V GS станет больше порогового напряжения (V t ), полевой транзистор войдет либо в линейную область, либо в активную область в зависимости от напряжения между выводами стока и истока.

Линейная область (также называемая омическим режимом или триодным режимом):

Когда V GS больше порогового напряжения, но напряжение на выводах сток-исток меньше, чем разница между V GS и V t , то полевой транзистор работает в линейной области.

Если V
GS > V t и V DS < V GS – V t = Линейная область

В линейной области полевой транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.В этой области, если напряжение затвора достаточно велико, полевой транзистор будет действовать как замкнутый переключатель (т.е. резистор с низким сопротивлением).

Активная область

Когда V GS больше, чем V t , а напряжение сток-исток (V DS ) больше, чем разница между V GS и V t , то полевой транзистор находится в активной области .

Если V
GS > V t и V DS > V GS – V t = активная область

В активной области полевой транзистор может выполнять такие функции, как усиление напряжения.

Биполярный транзистор известен как экспоненциальное устройство из-за экспоненциальной зависимости между выходным током и управляющим напряжением (уравнение 1) при работе в активной области.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов по разработке нового электронного оборудования .

С другой стороны, полевой транзистор представляет собой устройство с квадратичным законом, что означает, что выходной ток пропорционален квадрату управляющего напряжения (V GS ) при работе в активной области.Уравнение для полевого транзистора выглядит следующим образом:

I
D = k’ * (V GS – V t ) 2

, где I D = ток стока, а k’ — константа, связанная с конкретным полевым транзистором.

Это было лишь очень базовое введение в некоторые фундаментальные концепции, связанные с транзисторами. В зависимости от того, насколько глубоко вы хотите пойти, вам предстоит еще многому научиться. Фактически, было написано много книг, посвященных физике транзисторов и/или конструкции транзисторных схем.

Теперь, когда у вас есть общее представление о биполярных и полевых транзисторах, давайте найдем им применение, соединив их в электронную схему.

Транзисторные переключатели

Простое и распространенное применение транзистора — включение и выключение светодиодного индикатора. Схема ниже показывает, как для этой цели можно использовать биполярный NPN-транзистор и NFET-транзистор. Сигнал прямоугольной формы, показанный ниже, может быть контактом ввода-вывода, поступающим от микроконтроллера.

Многие микроконтроллеры могут подавать/принимать ток в несколько миллиампер, поэтому в некоторых случаях вы можете просто подключить светодиод напрямую к контакту ввода-вывода без использования транзистора.Но в тех случаях, когда вам нужен ток светодиода выше, чем может поддерживать ваш микроконтроллер, вы должны использовать транзисторный переключатель.


Рисунок 3 – Транзисторные переключатели драйверов светодиодов

 

Когда сигнал прямоугольной формы (управляющее напряжение) высокий, Q1 (биполярный NPN) и Q2 (NFET) полностью включены и выглядят как замкнутый переключатель. Это позволяет току течь через каждый светодиод. Резисторы, включенные последовательно со светодиодами, используются для установки уровня тока, который течет, когда транзисторы закрыты.

Обратите внимание на резистор (R4) в базе транзистора NPN. Базовый резистор, подобный этому, требуется на биполярном транзисторе, чтобы ограничить ток и предотвратить повреждение. Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора — это просто диод.

Как вы, вероятно, уже знаете, для диода требуется токоограничивающий резистор, и это верно и для биполярных транзисторов. Напряжение на переходе база-эмиттер очень близко к 0,7 В, поэтому, если вы попытаетесь подать 5 В на этот переход (без базового резистора), это приведет к серьезным повреждениям.

Транзисторные инверторы

Инвертор — одна из самых простых схем, которые вы можете разработать. Инвертор берет 0 и превращает его в 1 или наоборот. Мы собираемся использовать только полевые транзисторы для создания инвертора.

Схема, показанная на рисунке 4, состоит всего из двух инверторов. Первый инвертор состоит из Q1 и R1, а второй инвертор использует Q2 и Q3. Q1 и Q3 — это NFET, тогда как Q2 — это PFET.

Если на затворе NFET высокий уровень (по сравнению с выводом истока), то транзистор полностью открыт и выглядит как замкнутый переключатель.Когда затвор низкий, полевой транзистор полностью выключен и выглядит как разомкнутый переключатель.

PFET работает как раз наоборот. Если ворота низкие, то включается PFET. Если он высокий, то он выключен. Для PFET источник, скорее всего, будет привязан к положительному источнику питания.


Рис. 4 – Цифровые инверторы на полевых транзисторах

 

Когда V1 равен нулю, Q1 выключен и выглядит как разомкнутая цепь; это означает, что напряжение в узле V2 подтягивается до напряжения питания наверху через резистор R1, потому что теперь Q1 выключен.Если V1 высокий, теперь Q1 полностью включен, что притягивает V2 к земле.

Итак, если V1 равно нулю, V2 равно единице. Если V1 равно единице, то V2 равно нулю. Это инвертор.

Лучший способ сделать инвертор — заменить верхний резистор (R1) на PFET. Проблема с использованием резистора для функции подтяжки заключается в том, что ток подтяжки будет довольно мал. Небольшой подтягивающий ток означает, что выход инвертора будет медленно изменяться с нуля на единицу.

Реакция этого первого инвертора будет асимметричной.Он очень быстро потянет узел V2 вниз через Q1, но будет намного медленнее поднять V2 вверх. Эта проблема устраняется путем использования PFET вместо резистора для этой функции подтяжки.

Для инвертора NFET/PFET (Q2 и Q3), когда его входное напряжение (V2) низкое, NFET полностью отключается, а PFET полностью включается. Таким образом, выходное напряжение (V3) будет высоким.

С другой стороны, если V2 имеет высокий уровень, теперь PFET отключается, а NFET включается, поэтому V3 становится низким.Ставишь единицу, получаешь ноль. Ставишь ноль, получаешь единицу. Он выполняет ту же функцию, что и Q1 и R1, но с симметричным временем нарастания и спада на выходе.

Схема биполярного транзистора

Наконец, мы рассмотрим схему с биполярным транзистором или, в частности, с NPN.


Рисунок 5 – Простая схема NPN

 

Как обсуждалось ранее в уравнении 2, бета — это коэффициент усиления по току для биполярного транзистора.Например, если бета равна 100, а ток базы равен 1 мкА, это означает, что ток коллектора будет равен 100 мкА, а ток эмиттера будет равен 101 мкА.

Для схемы, показанной на рис. 5, ток, протекающий через резистор R1 в базу, усиливается бета, а затем течет через резистор R2.

Если вы хотите рассчитать выходное напряжение этой схемы, первым шагом будет вычисление базового тока. Для этого вам нужно найти падение напряжения на R1, а затем использовать закон Ома для расчета тока.Левая сторона R1 подключается к напряжению питания, а правая сторона идет к базе NPN.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой просто диодный переход с напряжением примерно 0,7 В. Таким образом, чтобы рассчитать базовый ток, вы должны использовать следующее уравнение:

I
B = (VS1 – 0,7 В) / R1

Чтобы вычислить ток коллектора, вы просто умножаете ток базы на коэффициент бета транзистора, как показано ранее в уравнении 2.

Ток, протекающий через резистор R2, равен току коллектора транзистора. Чтобы рассчитать выходное напряжение этой схемы, вам теперь нужно рассчитать падение напряжения на резисторе R2 и просто вычесть его из положительного напряжения питания:

.
В
вых = VS1 – (I C * R2)

Это очень простая схема, которая не имеет большого практического применения, но она знакомит вас с некоторыми основами биполярных транзисторов.

Заключение

Эта статья познакомила вас с самыми основными понятиями активных транзисторных схем.Типы схем, которые можно построить с использованием транзисторов, действительно захватывают дух. Транзисторы лежат в основе каждого электронного устройства.

При этом с момента изобретения интегральных схем (ИС) потребность в разработке сложных дискретных транзисторных схем сводилась в основном к инженерам, проектирующим микросхемы ИС.

Однако базовые знания о транзисторах по-прежнему необходимы, и во многих конструкциях будет использоваться несколько дискретных транзисторов. Но в настоящее время в большинстве конструкций для любых сложных функций используются интегральные схемы вместо дискретных транзисторных схем.

Если вы не планируете стать разработчиком интегральных схем, вам, скорее всего, потребуется только начальное понимание транзисторных схем.

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею, а если у вас есть какие-либо вопросы, просто оставьте комментарий ниже, и я отвечу на ваши вопросы.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатное руководство в формате PDF : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *