Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Биполярные транзисторы: схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

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

Как работают транзисторы?

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

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

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

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

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

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

Параметры транзисторов

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

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

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

1. Схема с ОК

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

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

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С₁, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

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

3. Схема с ОЭ

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

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V_in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V_CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R_L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С₁, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R₁, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R_L вместе равны величине ЭДС: V_CC = I_CR_L + V_CE.

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

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

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

Режимы работы

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

1. Режим отсечки

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

2. Активный режим

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

3. Режим насыщения

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

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

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

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

Зона между осью V_CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I_В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I_C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

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

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

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

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

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

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

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

Работа в режиме переключения

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

Заключение

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

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

Схемы включения биполярного транзистора.

1) С общим эмиттером

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (

2) С общим коллектором

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

3) С общей базой

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 10266 —

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Схемы включения биполярных транзисторов

Усилительные свойства биполярного транзистора

Независимо от схемы включения транзистор характе­ризуется тремя коэффициентами усиления:

Назва­ния схемы включения транзисторов зависит от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепей.

Схема включения с общей базой

Любой усилительный транзисторный каскад харак­теризуется двумя основными показателями:

1. коэффициентом усиления по току, равным отношению выходного тока к входному току I_вых/I_вх, для каскада по схеме с общей базой коэффициент усиления по току

причем α меньше 1;

2. входным сопротивлением, равным отношению в­ходного напряжения к входному току

Входное сопротивление для каскада по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 7.4) мало и составляет десятки ом ввиду того, что входная цепь в этом случае представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Рис.7.4. Включение транзистора по схеме с общей базой

Если сопротивление R_н достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, так как i_вых ≈ i_вх. При этом можно утверждать, что схема обеспечивает усиления напряжения, но не обеспечивает усиления тока. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

Для схемы с общей базой:

Недо­статки усилительного каскада по схеме с общей базой:

1. каскад не усиливает ток α

Коэффициент усиления по току β такого каскада представляет собой отношение выходного переменного тока (или действую­щего значения) к входному переменнному току (или действую­щего значения), т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

Коэффициент усиления по току β каскада обычно составляет от десятков до сотен для транзисторов ма­лой и средней мощности, а для мощных приборов часто находится в пределах от единиц до десятков.

Входное сопротивление каскада по схеме с ОЭ можно найти по формуле

Обычно входное сопротивление каскада с ОЭ мало и составляет от сотен до тысяч ом. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер транзистора U_бэ, а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки R_н или, что то же самое, между коллектором и эмиттером биполярного транзистора U_кэ. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источ­ника Е_к достигает единиц, а иногда десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности полу­чается равным сотням, тысячам или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к мощности, потребляемой входной цепью каскада. Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход­ным и входным напряжением образуется сдвиг фазы величиной в 180 °. Так как i_вых >> i_вх, а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Для схемы с общим эмиттером:

Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером:

1. большой коэффициент усиления по току;

2. большее, чем у схемы с общей базой, входное со­противление;

3. для питания каскада по такой схеме включения требуются два однополярных источника, что поз­воляет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки усилительного каскада по схеме с общим эмиттером заключаются в худших, чем у каскада по схеме с общей базой, температурных и частотных свойствах. Следует заметить, что каскады по схеме с ОЭ применя­ются наиболее часто за счет своих преимуществ.

Схема включения с общим коллектором

В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 7.6) коллек­тор является общей точкой

Рис.7.6. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

входа и выхода, поскольку источники питания базы Еб и коллектора Ек всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться замкнутыми нако­ротко.

Особенность этой схемы в том, что входное напря­жение полностью передается обратно на вход. Входной ток уси­лительного каскада с ОК — ток базы транзистора, выход­ной — ток эмиттера транзистора, входное напряжение — напряжение, приложенное к переходу база-коллектор, выходное напряжение на переходе коллектор-эмиттер. Отношение выходного тока к входному току каскада можно найти по формуле

Коэффициент усиления по току каскада с ОК обычно составляет от 10 до 100. Входное сопротивление каскада с ОК можно найти по формуле

Из формулы, можно сделать вывод, что чем меньше ток базы транзистора и больше напряже­ние база-коллектор, тем выше входное сопротивление. Входной ток минимальной величины можно получить, соединив два или более транзисторов по схеме Дарлинг­тона. В общем случае составной транзистор состоит из нескольких транзисторов. Соеди­нение электродов следующее: эмиттер каж­дого последующего транзистора соединен с базой предыдущего, а коллекторы всех транзисторов соединены между собой. Эмит­тером составного транзистора является эмиттер первого транзистора, а базой — база последнего транзистора. На рис. 7.7 показано распределение токов в транзисторе, состоящем из двух транзисторов.

Рис. 7.7. Схема состав­ного транзистора

Коэффициент усиления по току составного тран­зистора можно выразить

Входное сопротивление составного транзистора также увеличивается.

Для обеспечения состояния насыщения первого транзистора в его коллекторную цепь вклю­чено сопротивление R_к, величина которого должна быть такой, чтобы падение напряжения на этом сопротивлении превышало падение напряжения на втором транзисторе, находящемся в со­стоянии насыщения, т. е.

Составной транзистор аналогичен обычному транзистору с повышенным коэффициентом усиления по току.

Преимуществом использования составного транзистора является чрез­вычайно маленький ток базы, а следовательно, весьма высокое входное сопротивление усилительного каскада по схеме с ОК, недостатком — низкое быстродействие. Низкое быстродействие составного транзистора в линей­ных усилителях звуковой частоты является несуществен­ным, но в высокочастотных и тем более в импульсных устройствах данный недостаток может иметь решающее значение.

Нетрудно увидеть, что входное напряжение равно сум­ме переменного напряжения база-эмиттер транзистора U_бэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в каскаде по схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам, однако в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению каскада по схеме с ОК близок к 1, при­чем всегда меньше ее, т. е. есть каскад не дает усиления по» напряжению. Коэффициент усиления по мощности, поданной на вход транзистора, равен, как и в каскаде по схеме с ОЭ, примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в усилительном каскаде, можно установить, что нет фа­зового сдвига на относительно низких частотах между выходным напряжением U_вых и входным напряжением U_вх, значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему, т е. выходное напряжение повторяет входное. Данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем, потому, что резистор нагрузки включен в вывод эмиттера и выходное напря­жение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет сотни тысяч ом, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение напряжения u_вых, что является важным достоинством такого включения транзистора.

Выходное сопротивление каскада по схеме с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства каскада по схе­ме с ОК побуждают использовать его для согласования различных устройств по входному сопротивлению.

Недостатком каскада по схеме с ОК является то, что он не усиливает напряжение — коэффициент усиления чуть меньше 1.

Для схемы с общим коллектором:

Дата добавления: 2014-01-05 ; Просмотров: 2150 ; Нарушение авторских прав? ;

Схема с общей базой (каскад с общей базой)

Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общей базой — это усилитель, где база транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с ОБ приведена на рисунке 2.

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общей базой может подойти любая из рассмотренных нами схем: схема с фиксированным током базы, схема с фиксированным напряжением на базе, схема с коллекторной стабилизацией или схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общей базой проводится точно так же как и для схемы с общим эмиттером. На рисунке 3 показана принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с ОБ.

В усилительном каскаде, изображенном на рисунке 3, используется схема эмиттерной стабилизации тока коллектора, обладающая наилучшими характеристиками по стабильности режима транзистора. В ряде случаев достаточно коллекторной стабилизации. Схема каскада усиления с коллекторной стабилизацией и схемой включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 4.

Отличительной особенностью схемы с общей базой является малое входное сопротивление. Входным сопротивлением этого усилительного каскада является эмиттерное сопротивление транзистора. Его можно определить по следующей формуле:

При токе эмиттера 5 мА входное сопротивление каскада с общей базой составит 5 Ом. Это накладывает определенные ограничения на применение данной схемы. Сопротивление источника сигнала должно быть малым. Это может быть полезным для реализации высокочастотных усилителей. Часто приходится использовать на входе схемы с ОБ трансформатор сопротивления. Это может быть как обычный широкополосный трансформатор, так и фильтр с различными входным и выходным сопротивлением.

По току схема усилительного каскада с общей базой усилением не обладает. Более того, коэффициент передачи этой схемы меньше единицы! Коэффициент усиления по току схемы включения транзистора с общей базой можно определить по следующей формуле:

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада, собранного по схеме с общей базой совпадает с коэффициентом усиления по напряжению схемы с общим эмиттером. Его можно определить по следующей формуле:

Учитывая, что коэффициент усиления по току h_21б схемы с общей базой близок к единице, то коэффициент усиления по напряжению будет равен отношению сопротивления нагрузки R_н к входному сопротивлению этого транзисторного каскада r_э. Отсюда следует вывод: если вы нагрузите усилительный каскад с ОБ, на точно такой же каскад усиления, то коэффициент усиления первого каскада будет равен единице (он не будет усиливать, так как ).

Учитывая, что ток коллектора в схеме с общей базой протекает по сопротивлению R1, включенному параллельно источнику сигнала, получается, что данный усилительный каскад охвачен 100% параллельной отрицательной обратной связью по току. Это приводит к расширению полосы пропускания усилителя. Малое входное сопротивление усилительного каскада не позволяет шунтировать входной сигнал паразитными емкостями печатной платы и других электронных компонентов схемы. Кроме того, малая проходная емкость C_кэ, образованная последовательным включением эмиттерного и коллекторного переходов, уменьшает значение входной паразитной емкости схемы с общей базой. Все эти факторы приводят к исключительной широкополосности амплитудно-частотной характеристики данного каскада.

Схема включения транзистора с общей базой используется обычно в высокочастотных усилителях. Для приведения входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному волновому сопротивлению линий передачи 50 Ом обычно используются фильтры нижних или верхних частот. При индуктивном сопротивлении базы и коллектора транзистора в рабочем диапазоне частот усилителя, эти реактивности могут быть включены в состав индуктивности фильтра, как это показано на рисунке 5

В схеме усилителя, изображенной на рисунке 5, индуктивность L1 служит для обеспечения пути протекания эмиттерного тока, а индуктивность L2 служит для обеспечения пути протекания коллекторного тока, поэтому дополнительных сопротивлений, таких как R1 и R2 в схеме на рисунке 3 не требуется. Резисторы R1 и R2 образуют схему коллекторной стабилизации режима работы. Еще один вариант высокочастотного усилителя, выполненного по схеме с общей базой, приведен на рисунке 6.

В настоящее время в СВЧ усилителях в основном используются SiGe, GaAs, GaN МОП-транзисторы, однако их схемы включения практически совпадают со схемами включения биполярных транзисторов. Схеме включения транзистора с общей базой соответствует схема усилительного каскада с общим затвором. В этих схемах для стабилизации режима работы транзистора применяется схема истоковой стабилизации (аналог эмиттерной стабилизации). Схема усилительного каскада с общим затвором приведена на рисунке 7.

По подобным схемам ряд зарубежных фирм выпускает готовые СВЧ усилители. Границы усилителя показаны на рисунках 6 и 7 пунктирной линией. В качестве примера на рисунке 8 показана схема высокочастотного интегрального усилителя радиочастоты.

Подобные усилители широко применяются для увеличения уровня сигнала GPS, GSM, WiFi и др. систем связи и беспроводного интернета. В качестве примера подобных усилителей можно назвать усилители радиочастоты фирмы MAXIM, VISHAY или RF Micro Devices.

Дата последнего обновления файла 30.06.2019

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
3. Схемы включения транзистора

Вместе со статьей «Схема с общей базой (каскад с общей базой)» читают:

Схемы включения биполярного транзистора.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению ) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо ) Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу Если резисторы

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот ) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p—n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p—n—p и n—p—n типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы n—p—n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p—n—p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:

1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I_К,I_Б,U_КЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности Р_К, температуре, U_БЭ и др.
2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β = α/(1–α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е₁ и Е₂ всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

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

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют

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

Режим насыщения

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

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен

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

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

naf-st >> Радиокомпоненты >> Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема изображена на рисунке 1. Во всех книжках написано, что эта схема является наиболее распространненой, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 1 — Схема включения транзистора с общим эмиттером

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров — статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению k_u равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение u_б-э, а выходным — переменное напряжение на резике, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E₂). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°

К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например, в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.

Рис. 2 — Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 3. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

Рис. 3 — Схема включения транзистора с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

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

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное — сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

        Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как , а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

       Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

     После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения u_вх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.

       Напряжение

       Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

       Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения u_бэ, так и напряжения u_вых.

       На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

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.

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

1. Активный.
2. Отсечки (РО).
3. Насыщения (РН).
4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
2. Особенности изготовления.
3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
4. Усилительные мощные высоковольтные.
5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

1. Р-n-p.
2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

1. Общая Б.
2. Общий Э.
3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

1. Низкое усиление по I.
2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
2. Один источник питания.
3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

1. Коэффициент усиления по I.
2. Входное и выходное R.
3. Обратный Iк-э.
4. Время включения.
5. Частота передачи Iб.
6. Обратный Iк.
7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

Биполярные транзисторы — презентация онлайн

2. Общие сведения.

3. Обозначения транзистора

4. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

9. Режим отсечки

10. Режим насыщения

11. Активный режим

12. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе .

14. Схемы включения биполярного транзистора

15. Схемы включения биполярного транзистора

16. Схемы включения биполярного транзистора

17. Сравнительная оценка схем включения биполярных транзисторов

18. Влияние температуры на характеристики транзисторов

19. Влияние температуры на характеристики транзисторов

20. Выходная и входная характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при различных температурах:

21. Классификация транзисторов

— Часть 1

Биполярный транзистор является наиболее важным «активным» элементом схемы, используемым в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых ИС, операционных усилителей и т. Д. В своей дискретной форме он может функционировать либо как цифровой переключатель, либо как как линейный усилитель и доступен во многих формах низкой, средней и высокой мощности. В этом вводном эпизоде ​​основное внимание уделяется теории, характеристикам и конфигурациям схем транзисторов. Остальные семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.

ОСНОВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (впервые изобретен в 1948 году) представляет собой трехполюсное устройство усиления тока (база, эмиттер и коллектор), в котором небольшой входной ток может управлять величиной гораздо большего выходного тока. Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.

Обычный транзистор изготовлен из трехслойного полупроводникового материала n-типа и p-типа, с базовым или «управляющим» выводом, подключенным к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям.Если он использует многослойную конструкцию n-p-n, как на рис. 1 (a) , он известен как npn-транзистор и использует стандартный символ на рис. 1 (b) .

РИСУНОК 1. Базовая конструкция (а) и обозначение (б) npn-транзистора.

Если он использует структуру p-n-p, как на рис. 2 (а) , он известен как pnp-транзистор и использует символ на рис. 2 (b) .

РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) pnp-транзистора.

При использовании для транзисторов npn и pnp требуется источник питания соответствующей полярности, как показано на рис. 3 .

РИСУНОК 3. Подключения полярности к (a) npn-транзисторам и (b) pnp-транзисторам.

Устройству npn требуется источник питания, который делает коллектор положительным по отношению к эмиттеру — его выходной ток или ток сигнала главного вывода (I _c ) протекает от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда регулируется входным «управляющим» током ( I _b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний токоограничивающий резистор (R _b ) и положительное напряжение смещения.Транзистору pnp требуется отрицательное питание — ток его основного вывода течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттер-база, который течет до отрицательного напряжения смещения.

В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. У таких устройств было много практических недостатков: они были хрупкими, чрезмерно чувствительными к температуре, с электронным шумом и очень низкими показателями мощности. Германиевые транзисторы уже устарели.Практически все современные биполярные транзисторы изготовлены из кремниевых полупроводниковых материалов. Такие устройства надежны, обладают хорошими показателями мощности, не слишком чувствительны к температуре и генерируют незначительный электронный шум.

Сегодня доступно очень большое количество превосходных типов кремниевых биполярных транзисторов. На рис. 4 перечислены основные характеристики двух типичных маломощных типов общего назначения — 2N3904 (npn) и 2N3906 (pnp), каждый из которых размещен в пластиковом корпусе TO-92 и имеет нижний штифт. соединения показаны на схеме.

РИСУНОК 4. Общие характеристики и схема маломощных кремниевых транзисторов 2N3904 и 2N3906.

Обратите внимание, при чтении списка Рисунок 4 , что V _{CEO (max)} — это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда база разомкнута, а V _{CBO (max)} — максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. I _{C (макс.)} — это максимальный средний ток, который может протекать через клемму коллектора устройства, а P _{T (макс.)} — максимальная средняя мощность, которую устройство может рассеять без использования внешний радиатор, при нормальной комнатной температуре.

Одним из наиболее важных параметров транзистора является его коэффициент передачи прямого тока, или h _fe — это коэффициент усиления по току или отношение выходного / входного тока устройства (обычно от 100 до 300 в двух перечисленных устройствах). Наконец, цифра f _T показывает доступное произведение коэффициента усиления / ширины полосы частот устройства, т. Е. Если транзистор используется в конфигурации обратной связи по напряжению, которая обеспечивает усиление по напряжению x100, ширина полосы составляет 1/100 от f _T цифра, но если коэффициент усиления по напряжению уменьшается до x10, полоса пропускания увеличивается до f _T /10 и т. Д.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Чтобы получить максимальное значение от транзистора, пользователь должен понимать как его статические (постоянный ток), так и динамические (переменный ток) характеристики. На рисунке 5 показаны статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.

РИСУНОК 5. Статические эквивалентные схемы npn и pnp транзисторов.

Стабилитрон неизбежно формируется каждым из np- или pn-переходов транзистора, и, таким образом, транзистор (в статических терминах) равен паре обратно соединенных стабилитронов, подключенных между выводами коллектора и эмиттера, с выводом базы. подключены к их «общей» точке.В большинстве маломощных транзисторов общего назначения переход база-эмиттер имеет типичное значение стабилитрона в диапазоне от 5 В до 10 В — типичное значение стабилитрона перехода база-коллектор находится в диапазоне от 20 В до 100 В.

Таким образом, переход база-эмиттер транзистора действует как обычный диод при прямом смещении и как стабилитрон при обратном смещении. В кремниевых транзисторах смещенный в прямом направлении переход пропускает небольшой ток, пока напряжение смещения не возрастет примерно до 600 мВ, но при превышении этого значения ток быстро увеличивается.При прямом смещении фиксированным током прямое напряжение перехода имеет тепловой коэффициент около -2 мВ / ⁰ C. Когда транзистор используется с разомкнутой цепью эмиттера, переход база-коллектор действует так же. описан, но имеет большее значение стабилитрона. Если транзистор используется с разомкнутой базой, путь коллектор-эмиттер действует как стабилитрон, включенный последовательно с обычным диодом.

Динамические характеристики транзистора можно понять с помощью , рис. 6, , на котором показаны типичные характеристики прямого перехода маломощного кремниевого npn-транзистора с номинальным значением h _fe (коэффициент усиления по току), равным 100.

РИСУНОК 6. Типичные передаточные характеристики маломощных npn-транзисторов со значением h _fe , равным 100 номиналу.

Таким образом, когда ток базы (I _b ) равен нулю, транзистор пропускает только небольшой ток утечки. Когда напряжение коллектора превышает несколько сотен милливольт, ток коллектора почти прямо пропорционален токам базы и мало зависит от значения напряжения коллектора. Таким образом, устройство можно использовать в качестве генератора постоянного тока, подавая фиксированный ток смещения в базу, или можно использовать как линейный усилитель, наложив входной сигнал на номинальный входной ток.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Транзистор может использоваться во множестве различных конфигураций основных схем, и оставшаяся часть этого вступительного эпизода представляет собой краткое изложение наиболее важных из них. Обратите внимание, что хотя все схемы показаны с использованием транзисторов типа npn, их можно использовать с типами pnp, просто изменив полярность схемы и т. Д.

ДИОД И ЦЕПИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Переход база-эмиттер или база-коллектор кремниевого транзистора может использоваться как простой диод или выпрямитель, или как стабилитрон, используя его с соответствующей полярностью. Рисунок 7 показывает два альтернативных способа использования npn-транзистора в качестве простого диодного зажима, который преобразует прямоугольный входной сигнал, связанный по переменному току, в прямоугольный выходной сигнал, который колеблется между нулем и положительным значением напряжения, т. к нулевой контрольной точке либо через внутреннюю базу-эмиттер транзистора, либо через «диодный» переход база-коллектор.

РИСУНОК 7. Схема ограничивающего диода, использующая npn-транзистор в качестве диода.

На рисунке 8 показан npn-транзистор, используемый в качестве стабилитрона, который преобразует нерегулируемое напряжение питания в стабилизированный выходной сигнал с фиксированным значением с типичным значением в диапазоне от 5 В до 10 В, в зависимости от конкретного транзистора. Для этого приложения подходит только переход база-эмиттер транзистора с обратным смещением. Если используется переход база-коллектор с обратным смещением, значение стабилитрона обычно возрастает до диапазона 30–100 В, и транзистор может самоуничтожиться (из-за перегрева) при довольно низких уровнях тока стабилитрона.

РИСУНОК 8. Транзистор, используемый в качестве стабилитрона.

На рисунке 9 показан транзистор, используемый в качестве простого электронного переключателя или цифрового инвертора. Его база приводится в действие (через R _b ) цифровым входом, имеющим либо нулевое напряжение, либо положительное значение, а нагрузка R _L подключается между коллектором и положительной шиной питания. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор отключен и через нагрузку протекает нулевой ток, поэтому между коллектором и эмиттером появляется полное напряжение питания.Когда на входе высокий уровень, транзисторный ключ полностью включен (насыщен), и в нагрузке протекает максимальный ток, и между коллектором и эмиттером вырабатывается всего несколько сотен милливольт. Таким образом, выходное напряжение представляет собой инвертированную форму входного сигнала.

РИСУНОК 9. Транзисторный переключатель или цифровой инвертор.

Базовая схема Рисунок 9 предназначена для использования в качестве простого цифрового переключателя или инвертора, управляющего чисто резистивной нагрузкой.Его можно использовать в качестве электронного переключателя, который приводит в действие катушку реле или другую высокоиндуктивную нагрузку (например, двигатель постоянного тока), подключив его, как показано на рис. 10 , в котором диоды D1 и D2 защищают транзистор от высокоточного переключателя. — индуцированные обратные ЭДС от индуктивной нагрузки в момент отключения питания.

РИСУНОК 10. Транзисторный переключатель (цифровой инвертор), управляющий катушкой реле (или другой индуктивной нагрузкой).

ЦЕПИ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя тока или напряжения, подав соответствующий ток смещения в его базу, а затем подав входной сигнал между соответствующей парой клемм.В этом случае транзистор может использоваться в любом из трех основных режимов работы, каждый из которых обеспечивает уникальный набор характеристик. Эти три режима известны как «общий эмиттер» (, рисунок 11, ), «общая база» (, рисунок 12, ) и «общий коллектор» (, рисунки 13 и 14, ).

В схеме с общим эмиттером (которая показана в очень простой форме на , рис. 11, ) резистивная нагрузка R _L подключена между коллектором транзистора и положительной линией питания, а ток смещения подается в базу через резистор R _b , значение которого выбирается для установки коллектора на значение половины напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала).Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттером через конденсатор C, а выходной сигнал (который инвертирован по фазе относительно входа) принимается между коллектором и эмиттером. Эта схема дает среднее значение входного импеданса и довольно высокий общий коэффициент усиления по напряжению.

РИСУНОК 11. Линейный усилитель с общим эмиттером.

В схеме с общей базой в Рис. 12 база смещена через R _b и развязана по переменному току (или заземлена по переменному току) через конденсатор C _b .Входной сигнал эффективно применяется между эмиттером и базой через C1, а усиленный, но не инвертированный выходной сигнал эффективно берется между коллектором и базой. Эта схема отличается хорошим коэффициентом усиления по напряжению, почти единичным коэффициентом усиления по току и очень низким входным сопротивлением.

РИСУНОК 12. Линейный усилитель с общей базой.

В цепи общего коллектора постоянного тока в рис. 13 коллектор закорочен на низкоомную положительную шину питания и, таким образом, фактически находится на уровне импеданса «виртуальной земли».Входной сигнал подается между базой и землей (виртуальный коллектор), а неинвертированный выход берется между эмиттером и землей (виртуальный коллектор). Эта схема дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению, а ее выход «следует» за входным сигналом. Таким образом, он известен как повторитель постоянного напряжения (или эмиттерный повторитель) и имеет очень высокий входной импеданс (равный произведению значений R _L и h _fe ).

РИСУНОК 13. Линейный усилитель постоянного тока с общим коллектором или повторитель напряжения.

Обратите внимание, что приведенная выше схема может быть модифицирована для использования переменного тока, просто смещая транзистор на половину напряжения питания и связывая входной сигнал с базой по переменному току, как показано в базовой схеме в , рис. 14, , в которой используется делитель потенциала. R1-R2 обеспечивает смещение половинного напряжения питания.

РИСУНОК 14. Усилитель с общим коллектором переменного тока или повторитель напряжения.

Диаграмма на рис. 15 суммирует характеристики трех основных конфигураций усилителя.Таким образом, усилитель с общим коллектором дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению и высокий входной импеданс, в то время как усилители с общим эмиттером и общей базой дают высокие значения усиления по напряжению, но имеют значения входного импеданса от среднего до низкого.

РИСУНОК 15. Сравнительные характеристики трех основных схемных конфигураций.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рисунок 16 показывает — в базовой форме — как пару усилителей базового типа Рисунок 11 можно соединить вместе, чтобы образовать «дифференциальный» усилитель или «длинно-хвостовую пару», которая выдает пропорциональный выходной сигнал. на разницу между двумя входными сигналами.В этом случае Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а схема смещена (через R1-R2 и R3-R4), так что два транзистора пропускают идентичные токи коллектора (таким образом, обеспечивая нулевую разницу между токами коллектора). два напряжения коллектора) в условиях покоя с нулевым входом.

РИСУНОК 16. Дифференциальный усилитель или длиннохвостая пара.

Если в приведенной выше схеме возрастающее входное напряжение подается только на вход одного транзистора, это приводит к падению выходного напряжения этого транзистора и (в результате действия связи эмиттера) вызывает выходное напряжение другого транзистора. транзистор поднимается на аналогичную величину, что дает большое дифференциальное выходное напряжение между двумя коллекторами.С другой стороны, если на входы обоих транзисторов подаются идентичные сигналы, оба коллектора будут перемещаться на одинаковые величины, и, таким образом, схема будет производить нулевой дифференциальный выходной сигнал. Таким образом, схема выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.

ДАРЛИНГТОНСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Входное сопротивление схемы эмиттерного повторителя Рис. 13 равно произведению значений R _L и значений h _fe транзистора — если требуется сверхвысокий входной импеданс, его можно получить, заменив одиночный транзистор на пара транзисторов, подключенных по схеме «Дарлингтон» или «Супер-Альфа», как показано на Рис. 17 .Здесь эмиттерный ток входного транзистора подается непосредственно на базу выходного транзистора, и пара действует как отдельный транзистор с общим значением h _fe , равным произведению двух отдельных значений hfe, т. Е. Если каждое из них Транзистор имеет значение h _fe , равное 100, пара действует как одиночный транзистор с h _fe , равным 10 000, а полная схема имеет входное сопротивление 10 000 x R _L .

РИСУНОК 17. Эмиттерный повторитель Дарлингтона или Супер-Альфа постоянного тока.

ЦЕПИ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибратор — это, по сути, цифровая схема с двумя состояниями, которая может переключаться из состояния с высоким выходом в состояние с низким уровнем выхода или наоборот, с помощью триггерного сигнала, который может быть получен от внешнего источника или с помощью автоматического или срабатывающий механизм синхронизации. Транзисторы могут использоваться в четырех основных типах схем мультивибратора, как показано на рис. 18–21 .

Схема , рис. 18 Схема представляет собой простой бистабильный мультивибратор с перекрестной связью, запускаемый вручную, в котором смещение базы каждого транзистора происходит от коллектора другого, так что один транзистор автоматически отключается при включении другого. , и наоборот.

РИСУНОК 18. Бистабильный мультивибратор с ручным запуском.

Таким образом, выход может быть понижен путем кратковременного отключения Q2 через S2, таким образом закорачивая путь Q2 база-эмиттер. Когда Q2 отключает привод базы питания R2-R4 на базу Q1, схема автоматически блокируется в этом состоянии до тех пор, пока Q1 не будет аналогичным образом отключен через S1, после чего выход снова блокируется в высоком состоянии, и так до бесконечности.

Рисунок 19 показывает — в базовой форме — моностабильный мультивибратор или схему генератора однократных импульсов.Его выход (от коллектора Q1) обычно низкий, так как Q1 обычно смещается через R5, но переключается на высокий уровень в течение заданного периода (определяемого значениями компонентов C1-R5), если Q1 на короткое время выключается посредством кратковременного закрытия кнопки « Пуск »переключатель S1.

РИСУНОК 19. Моностабильный мультивибратор с ручным запуском.

Фактический период времени моностабильности начинается при отпускании кнопочного переключателя «Пуск» и имеет период (P) приблизительно 0.7 x C1 x R5, где P выражено в мкСм, C в мкФ, а R в килом.

На рисунке 20 показан нестабильный мультивибратор или автономный генератор прямоугольной волны, в котором периоды включения и выключения прямоугольной волны определяются значениями компонентов C1-R4 и C2-R3. По сути, эта схема действует как пара перекрестно связанных моностабильных схем, которые последовательно автоматически запускают друг друга. Если периоды синхронизации C1-R4 и C2-R3 идентичны, схема генерирует свободный прямоугольный выходной сигнал.Если два периода синхронизации не идентичны, схема генерирует асимметричный выходной сигнал.

РИСУНОК 20. Нестабильный мультивибратор или автономный прямоугольный генератор.

Наконец, На рисунке 21 показан базовый триггер Шмитта или схема преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный. Действие схемы здесь таково, что Q2 внезапно переключается из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот, когда база Q1 поднимается выше или ниже заранее определенных уровней «триггерного» напряжения.

РИСУНОК 21. Триггер Шмитта или преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.

Если на вход схемы подается синусоидальный сигнал разумной амплитуды, схема, таким образом, генерирует выходной сигнал симпатической прямоугольной формы. NV

Symbol, конструкция, работа, характеристики и применение

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

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

Обозначение биполярных транзисторов

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

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

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

  I  E  = I  B  + I  C   

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

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

Входные характеристики

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

Выходные характеристики

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

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

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

Для лучшего использования в различных приложениях, BJT доступны в различных пакетах, таких как TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52. , ТО-66, ТО-72, ТО-92, ТО-126, ТО-202, ТО-218, ТО-220, ТО-226, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, ТО -264 и ТО-267. Вы также можете ознакомиться с нашими статьями о различных типах пакетов IC, чтобы узнать о популярных типах и их названиях.

»Примечания по электронике

Условные обозначения для различных форм биполярных транзисторов: NPN, PNP, Дарлингтона, светочувствительный транзистор или фототранзистор..

Цепи, схемы и символы Включает:
Обзор схемных символов Резисторы Конденсаторы Индукторы, катушки, дроссели и трансформаторы Диоды Биполярные транзисторы Полевые транзисторы Провода, переключатели и соединители Блоки аналоговых и функциональных схем Логика

Для биполярных транзисторов не так много условных обозначений схем. Конечно, существуют разные символы схем для обозначения транзисторов NPN и PNP.

В дополнение к этому, некоторые символы схем транзисторов имеют кружок вокруг них, а другие нет. Те, у которых нет, широко используются в схемах, детализирующих внутреннюю схему ИС, поскольку легче включить несколько эмиттеров и другие варианты базового транзистора, если круг не включен.

Другие символы схем биполярных транзисторов включают символы фототранзисторов, транзисторов Дарлингтона и т. Д.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Биполярный переходной транзистор — Engineering LibreTexts

Биполярный переходной транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из двух P-N-переходов, соединяющих три клеммы, называемые клеммами базы, эмиттера и коллектора. Расположение трех выводов влияет на ток и усиление транзистора. Поведение транзисторов с биполярным переходом также сильно различается для каждой конфигурации схемы. Три разные конфигурации схемы дают разные характеристики схемы в отношении входного сопротивления, выходного сопротивления и усиления.Эти характеристики влияют на то, демонстрирует ли транзистор усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности. Одна из основных операций транзистора с биполярным переходом — усиление сигнала тока. Транзисторы с биполярным переходом могут регулировать ток так, чтобы величина тока была пропорциональна напряжению смещения, приложенному к клемме базы транзистора. Применение биполярных переходных транзисторов можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

СТРУКТУРА

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

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

Биполярный переходной транзистор NPN

NPN-транзистор с биполярным переходом имеет полупроводниковую базу, легированную P, между эмиттером, легированным азотом, и областью коллектора, легированным азотом. Биполярные транзисторы NPN являются наиболее часто используемыми биполярными транзисторами из-за легкости подвижности электронов над подвижностью электронов-дырок.

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

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

Рисунок 2 Схема биполярного транзистора NPN.

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

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» — это ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» — это ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — это ток, вытекающий из вывода эмиттера.

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

Альфа (α) = Ic / Ie (2)

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

Бета (β) = Ic / Ib (3)

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

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

Бета = (α) / (1-α) (4)

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

PNP Биполярный переходной транзистор

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

Рисунок 3 Схема транзистора PNP Рисунок 4 Схема транзистора PNP

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

РЕГИОНЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

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

1. Отсечка : Область отсечки — это когда транзистор неактивен из-за минимального тока, проходящего через транзистор, из-за чего транзистор выглядит как разомкнутая цепь.И VBE, и VBC имеют обратное смещение, поэтому все края обедненной области имеют небольшую плотность неосновных носителей. Эта область имеет условия смещения, противоположные насыщению.

2. Прямая активность : Прямая активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, что позволяет транзистору усиливать колебания напряжения, присутствующие на базе. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение, транзистор может усиливать напряжение, потому что напряжение между коллектором и эмиттером больше, чем напряжение между базой и эмиттером, а также находится между состояниями отсечки и насыщения.Выходной ток пропорционален базовому току и может быть извлечен на коллекторе.

3. Обратно-активный : Обратно-активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, но максимальный коэффициент усиления по току в обратном активном режиме намного меньше, чем в прямом активном режиме. Условия смещения меняются на противоположные, так что коллекторный переход базы имеет прямое смещение, а база-эмиттерный переход — обратное, что меняет роли коллекторной и эмиттерной областей.База содержит гораздо более низкое обратное напряжение смещения, чем в прямой активной области.

4. Насыщение : Область насыщения позволяет транзистору проводить ток от эмиттера к коллектору. При прямом смещении как базового коллекторного перехода, так и базового эмиттерного перехода ток базы настолько велик, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате в цепи между выводами коллектора и эмиттера возникает короткое замыкание из-за перенасыщения тока.

КОНФИГУРАЦИИ

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

Общая базовая конфигурация

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

Рисунок 5 Схема транзистора с общей базой

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

Конфигурация общего эмиттера

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

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

Рисунок 6 Схема усилителя с общим эмиттером

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

Конфигурация общего коллектора

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

Рисунок 7 Схема транзистора с общим коллектором

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

вопросов

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

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

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

ответов

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

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

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

Список литературы

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

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

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

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

Авторы

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

Биполярные переходные транзисторы (BJT) — Учебники по аналоговой электронике

Биполярный переходной транзистор — это активный полупроводниковый прибор с тремя выводами, образованный двумя встречно расположенными p-n переходами. Три клеммы обозначены как база, эмиттер и коллектор. Его основная функция — усиление тока между токами коллектора или эмиттера и током базы.

Существует 2 типа биполярных переходных транзисторов (BJT): NPN и PNP.

Анализ цепей

Чтобы проанализировать схему транзистора,
1. Проведите анализ постоянного тока, перерисовав схему
   • заменяет символ BJT на его модель постоянного тока.
   • Обрыв любой конденсатор и короткое замыкание любой индуктивности.
2. Если требуется анализ переменного тока, перерисуйте схему
   • , заменив символ BJT на модель малого сигнала.
   • вычислить r _e , используя I _E из анализа постоянного тока и v _T = 26 мВ. \ begin {уравнение} r_e = {v_ {T} \ over I_E} \ end {уравнение} обратите внимание, что анализ переменного тока действителен только для v _— T
   • закоротить любой конденсатор и разомкнуть цепь индуктивности. Замкните накоротко любой источник питания постоянного тока.

Конфигурация одной цепи BJT

Существует 3 конфигурации схем с одним биполярным переходным транзистором.Это схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

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

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

Я хочу дать!

© 2021 Emant Pte Ltd Co., рег. № 200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас

Shahram Marivani — ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ЗАДАЧИ:

Ознакомиться с теорией работы биполярных переходных транзисторов (БЮТ). и изучить V-I характеристики BJT

ВВЕДЕНИЕ:

Тип транзистора (NPN или PNP) можно определить с помощью мультиметра.Тест проверяет полярность переходов база-эмиттер и база-коллектор. Этот тест должен быть выполнен в начале лабораторного сеанса. Для BJT есть три региона работы;

1. Активная область: в этой области базовый эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение. Эта область — нормальный транзистор режим работы на усиление и характеризуется коэффициентом усиления транзистора по току значение, бета.
2. Область отсечки: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор обратное смещение, и транзистор действует как разомкнутый переключатель. (Я _С = 0)
3. Область насыщения: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор смещен в прямом направлении, и транзистор действует как замкнутый переключатель. (V _CE = 0)

В активной области транзистора была определена добротность для количественной оценки способность транзистора усиливать входной сигнал.Этот параметр определяется как соотношение между I _C и I _B , которое обычно называется β-фактором. Точно так же коэффициент α равен определяется как отношение между I _C и I _E . Таким образом;

β = I _C / I _B и α = I _C / I _E

Легко показать, что β = α / (1 — α) и α = β / (β + 1). Как показывает опыт, чем больше значение β, тем выше коэффициент усиления транзистор, т.е.е. тем лучше транзистор. Типичные значения β находятся в диапазоне от 80 до 300 или выше.

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

1. Определите тип транзистора, используя сопротивление перехода постоянного тока транзистора:
   Проверьте тип транзистора для каждого блока, проверив полярность базы-эмиттера соединение. Используйте мультиметр Fluke в режиме сопротивления. Сведите ваши измеренные данные в таблицу. Для данного транзистора (2N3904) измерьте сопротивление прямого и обратного смещения. между базой и эмиттером, базой и коллектором и коллектором и эмиттером.Выводы этого транзистора показаны на Рисунок 1.

Рисунок 1 — Упрощенная схема и подключение выводов транзистора 2N3904
2. I _C — В _BE Характеристика биполярного переходного транзистора:
   Подключите испытательную схему транзистора, как показано на рисунке 2. Установите напряжение постоянного тока (В _B ) на нулевого напряжения и V _CC до 10 В. Увеличьте V _B с шагом 0,1 В и измерьте напряжение постоянного тока между базой и эмиттером (V _BE ), постоянный ток через коллектор I _C и ток через базу I _B .Сведите свои показания в ясную таблицу и нанесите на график зависимости I _C от V _BE . Убедитесь, что вы взяли достаточно точек данных, чтобы построить типичную характеристику. БЮТ. Вычислить β для каждой измеренной точки данных и свести в таблицу рассчитанные значения β с измеренными данными. График β по сравнению с V _BE .

Рисунок 2 — Испытательная схема для измерения характеристики V _BE и I _C биполярного транзистора
3. Измерение I _C в сравнении с характеристикой V _CE биполярного транзистора:
   Используя испытательную схему на Рисунке 2, отрегулируйте V _B для генерирования тока 50 мкА в базе транзистор.Измените V _CC , чтобы изменить V _CE . Выберите разумные шаги для V _CE (маленькие шаги при более низких напряжениях; 0,1 В для значений от 0 до 1,0 В и большие шаги при более высоких напряжениях; 1,0 В для значений выше 1,0 В). Измерьте V _CE и I _C .
   Повторите вышеуказанное измерение для I _B = 100 мкА, 150 мкА и 200 мкА. Постройте набор кривые для I _C в сравнении с V _CE для постоянного I _B .
   По измеренным данным определите диапазон V _CE , в котором I _C близок к нулю ампер.
   Найдите значение α из этого набора измеренных данных, затем вычислите β. Сравните значение β, полученное в результате этого измерения, и значение, полученное в результате измерения выполнено в 2.

Что такое биполярные транзисторные переключатели

by Lewis Loflin

Здесь будет представлено широкое представление переключающих транзисторов PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры. Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат широкому кругу электронных применений от аудиоусилителей до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они бывают в различных упаковках и стилях корпусов.

На табличке 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей. Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание, что ток на этих иллюстрациях изменяется от отрицательного до положительного.

Обратите внимание на стрелки, обозначающие протекание тока — с PNP ток коллектора (Ic) идет от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic — от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока.Работая как переключатель для включения-выключения двигателя, транзистор PNP расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, потребляет ток.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет ток от GND через R1, и смещает в прямом направлении базу (B) относительно эмиттера.Это объединяется с током коллектора, чтобы произвести ток эмиттера обратно к источнику питания 12 В.

Push Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN. Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление по постоянному току — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.

На четвертой пластине показано, как проверить PN полупроводниковый переход. Диод — это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен выполнять функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона является отрицательной, а анодная — положительной.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на смещенном в прямом направлении PN-переходе составляет приблизительно 0,6В.

На пластине 5 показано, как два PN-перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды. (Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь через эмиттер-коллектор или коллектор-эмиттер. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN номиналом 6 ампер с минимальной hfe 20. Всегда принимайте наименьшее hfe из листов характеристик транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы определить ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0,1 A / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите на 4.4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.

2N3055 — это транзистор очень высокой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В этом случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА. Это никак не сработает, потому что вывод Arduino, PIC и т. Д. Просто не может обеспечить такой уровень тока привода.

На рисунке 8 представлена ​​так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора.Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на , чтобы получить значительное усиление по току в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.

На пластине 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP для формирования транзистора Дарлингтона.Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected].