Сравнение схем включения транзисторов | Основы электроакустики

Сравнение схем включения транзисторов

 

Схемы включения биполярных транзисторов.  Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ приведены в таблице

 

 

В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изме­нениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего вы­ходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до не­скольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопро­тивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных уси­лителях. 

Таблица

Параметры	Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах
	с общей базой	с общим эмитте­ром	с общим коллек­тором
Коэффициенты передачи по току	0,6 — 0,95	Десятки — сотни	Больше, чем в схеме с ОЭ
усиления по напря жению	Тысячи	Меньше, чем в схеме с ОБ	0,7 — 0,99
усиления по мощности	Менее чем на  схеме с ОЭ	Большое (тысячи)	Меньше, чем в схеме с ОЭ
Сопротивление:
входное	Малое (единицы — десятки омов)	Большое (десятки —тысячи омов)	Большое (сотни килоомов)
выходное	Большое (тысячи омов — единицы мегаомов)	Сотни омов, — десятки килоомов	Единицы омов — десятки килоомов
Сдвиг фаз	0°	180°	0°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, по­этому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следователь­но, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектиру­емых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) уси­ление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного по­рядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и до­стигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллектор­ного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, по­этому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вслед­ствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряже­ния сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, по­этому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смеще­ния, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к об­щей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сиг­нала (т. е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а вы­ходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для полу­чения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напря­жению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводи­мого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель). 

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи).

Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проход­ная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характе­ристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость пря­мой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм. Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэф­фициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Вход­ное сопротивление (если пренебречь областями очень низких и вы­соких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на па­раметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сиг­нала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично уси­лению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно боль­шого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным. Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной об­ратной связи по току (элементом которой является внутреннее со­противление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтиро­вана сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным со­противлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивле­нием r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор пред­ставляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соеди­ненных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора.

Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителяне изменяет полярности сигнала, об­ладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, име­ет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема пред­ставляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приве­денный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного тран­зистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора.

При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свой­ствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалент­на одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обла­дает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот

Схемы включения транзисторов

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора
(рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_кв > ΔU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_k ≈ ΔI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э – I_к << I_к (I_k ≈ I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б) и напряжения (ΔU_кэ > ΔU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_к >> ΔI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ(рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб< 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при
U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр
I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = αI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ(рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а)относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ В этом случае

U_кб = U_кэ – U_бэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 – α) I_э – I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен: I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 – α) I_э. Когда

(1 – α) I_э = I_кбо,

ток базы равен нулю:

I_б = 0.

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 – α) I_э> I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т. е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредставляет собой зависимости I_к = f(U_кэ) при заданном параметре I_б (см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Для увеличения I_б необходимо увеличивать |U_бэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_б = 0 («обрыв» базы), то

I_к = I_кэо = (β + 1) I_кбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_к = I_кбо, если задать отрицательный ток (I_б = -I_кбо)_. Выходная характеристика с параметром I_б = -I_кбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h_22э ~ βh_22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U_кзколлекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты α и β увеличиваются.

Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.

H-параметры транзистора

Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.

В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i₁) и выходное напряжение (u₂), а зависимыми являются: входное напряжение (u₁) и выходной ток (i₂). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:

.

Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:

(4.1)

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

–	входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
–	коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–	выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

H-параметры измеряются в различных единицах: h₁₁ измеряется в Омах, h₂₂ – в Сименсах, h₂₁ и h₁₂ – безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h₁₂u₂ учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u₂, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h₂₁i₁ учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h—параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов

h11э		h11б
h12э		h12б
h21э		h21б
h22э		h22б

 

Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h_21э широко используется обозначение b, а в схеме с ОБ – вместо обозначения h_21б обозначение a. Так как в в схеме с ОБ направление тока i_к противоположно базовому направлению тока i₂ исходного четырехполюсника, то h_21б < 0.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:

DU₁ = h₁₁DI₁ + h₁₂DU₂;

DI₂ = h₂₁DI₁ + h₂₂DU₂.

На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 – по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) – значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

---

Основные схемы включения транзисторов

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока). У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:

• Схема с общим эмиттером
• Схема с общей базой
• Схема с общим коллектором

Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией. Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.

Схема с общим эмиттером

Наиболее распространенной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером. Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора. Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.

Что касается амплитудно-частотной характеристики схемы с общим эмиттером, то в данном включении транзистора верхняя частота усиления будет минимальная по сравнению с остальными схемами включения транзистора. Верхняя частота усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, ограничена частотой f_β (f_h31э). [Подробнее]

Схема с общей базой

Схема с общей базой обычно применяется на высоких частотах. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общей базой не усиливает по току. В данной схеме производится усиление только по напряжению. Функциональная схема включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема включения транзистора с общей базой

На этой схеме цепи питания коллектора и базы тоже не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общей базой служит эмиттерное сопротивление транзистора, поэтому входное сопротивление схемы с общей базой мало. Её входное сопротивление самое маленькое из всех схем включения транзистора, однако для данной схемы это не является недостатком, т.к. входное сопротивление высокочастотных усилителей должно быть равно 50 Ом.

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой — самая широкополосная из всех схем включения транзистора, поэтому она широко используется в высокочастотных усилителях радиочастоты. Частотная характеристика схемы с общей базой ограничивается предельной частотой усиления транзистора f_α (f_h31б). [Подробнее]

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором обычно применяется для получения высокого входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления резистора в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.

Амплитудно-частотная характеристика схемы включения транзистора с общим коллектором достаточно широкополосна. Однако полоса пропускания усилителя может быть серьёзно ограничена из-за шунтирования высокого входного сопротивления схемы с общим коллектором паразитными емкостями, поэтому в основном схема с общим коллектором применяется в качестве буферного усилителя с высоким входным сопротивлением. Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. [Подробнее]

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. Биполярный транзистор. Часть 5

Вместе со статьей «Схемы включения транзистора» читают:

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление по схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы.

Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:

1 Каскад с общим эмиттером (на схеме показан каскад с фиксированным током базы – это одна из разновидностей смещения транзистора).

2 Каскад с общим коллектором

3 Каскад с общей базой

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен ом), высокое (порядка десятков Килоом) выходное сопротивление. Отличительная особенность – изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть – инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения – входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи – величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в Н21э раз . (Величина «Н21э» – это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером). Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем .

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это – способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого – же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+Н21э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+Н21э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

В практике радиолюбителя иногда приходится использовать параллельное включение транзисторов для увеличения выходной мощности (коллекторного тока). Один из вариантов данного включения приведен ниже:

При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами Вст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы. Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них (в интервале рабочих токов) около 1 вольта (или, по крайней мере, – не менее 0,7 вольта). Данная схема должна применяться с большой осторожностью, так как даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам. Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке. При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток коллектора не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора одного из транзисторов! Количество транзисторов, включенных по этой схеме может быть сколько угодно большим – все зависит от целесообразности.

В радиолюбительской практике иногда необходим транзистор с проводимостью, отличной от имеющегося (например – в выходном каскаде УЗЧ и проч.) . Выйти из положения позволяет схема включения, приведенная ниже:

В данном каскаде используется как правило маломощный транзистор VT1 необходимой проводимости, транзистор VT2 необходимой мощности , но другой проводимости. Данный каскад (в частности) эквивалентен транзистору с проводимостью N-P-N большой мощности с высоким коэффициентом передачи тока базы (h31Э). Если мы используем в качестве VT1, VT2 транзисторы противоположной проводимости – получим мощный составной транзистор с проводимостью P-N-P.

Если в данной схеме применить транзисторы одной структуры – получим так называемый Составной транзистор. Такое включение транзисторов называют Схемой Дарлингтона . Промышленность выпускает такие транзисторы в одном корпусе. Существуют как маломощные (типа КТ3102 и т.п.) так и мощные (например – КТ825) составные транзисторы.

А сейчас поговорим немного о температурной стабилизации усилителя.

Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин : при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора . Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток. Попросту говоря – каскад перестает быть усилительным. Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения. Рассмотренная нами выше схема каскада по схеме с общим эмиттером является схемой с фиксированным током базы. Ток коллектора в данной схеме зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора и должен устанавливаться индивидуально при помощи подбора величины резистора R1. При смене транзистора начальный (при отсутствии сигнала) ток коллектора приходится подбирать заново, так как транзисторы даже одного типа имеют очень большой разброс статического коэффициента усиления тока базы (h31 Э). Другая разновидность каскада – схема с фиксированным напряжением смещения. Эта схема также обладает недостатками, описанными выше:

Для повышения термостабильности каскада необходимо использовать специальные схемы включения:

Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада. Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения отрицательной обратной связи ) расширить диапазон рабочих температур каскада. При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом – осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.

Более качественную стабилизацию температурных параметров каскада усиления можно осуществить, если несколько усложнить схему и применить так называемую » эмиттерную » температурную стабилизацию . Данная схема, несмотря на сложность, позволяет каскаду сохранять усилительные свойства в очень широком интервале рабочих температур. Кроме того, применение данной схемы стабилизации дает возможность замены транзисторов без последующей настройки. Отдельно скажу о конденсаторе С3 . Этот конденсатор служит для повышения коэффициента усиления каскада на переменном токе. Он устраняет отрицательную обратную связь каскада. Емкость этого конденсатора зависит от рабочей частоты усилителя. Для усилителя звуковых частот емкость конденсатора может колебаться от 5 до 50 микрофарад, для диапазона радиочастот – от 0,01 до 0,1 микрофарады (но его в некоторых случаях может и не быть) .

Теперь давайте попробуем расчитать термостабильный каксад по постоянному току:

ВНИМАНИЕ! Данные расчета получаются довольно приблизительные! Окончательный номинал резистора R1 потребуется подобрать при наладке более точно!

Для начала нам нужно определиться с исходными данными для расчета. На верхнем прямоугольнике даны постоянные величины соответственно для германиевого (Ge) и кремниевого (Si) транзистора.

Теперь давайте расчитаем работу каскада по переменному току:

Сначала определяем сопротивление Rэ. Для нашего случая (ток коллектора 1 миллиампер) Rэ = 26 ом,
Далее определим проводимость S = 38.46 микросименса (ориентировочно),
Вычисляем значение R11. Для транзистора типа КТ315Б среднее значение параметра h31э равно 200, отсюда R11 равно 5200,
Величину Rb необходимо определить для вычисления входного сопротивления каскада, являющегося нагрузкой расчитываемого. Она равна (при номиналах резисторов, взятых в нашем примере) 5,75 килоом,
Для упрощения расчета можно не вычислять сопротивление Rн, а принять его равным R3.
Ожидаемый коэффициент усиления данного каскада на транзисторе типа КТ315Б со средним значением h31э равным 200 получается около 40.
Следует иметь в виду, что полученное значение коэффициента усиления каскада весьма приблизительно! На практике это значение может отличаться в 1,5 – 2 раза (иногда – больше) и зависит от конкретного экземпляра транзистора!
При расчете коэффициента усиления транзистороного каскада по переменному току следует учитывать, что этот коэффициент зависит от частоты усиливаемого сигнала. Максимальная частота примененного транзистора должна быть по крайней мере в 15-20 раз выше предельной частоты усиления (определяется по справочнику).

Для написания этой странички использовались материалы из книги «Краткий радиотехнический справочник.» Авторы Богданович и Ваксер, Издательство «Беларусь» 1976 год.

Литература по теме: Небольшой учебник «Азы транзисторной схемотехники» (около 380 килобайт), найденный мной в интернете, можно скачать по этой ссылке .

Книжка «Расчет схем на транзисторах» лежит здесь (довольно древняя – 1969 года издания, но вполне актуальная!) обьем около 8 мБайт.

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30. 50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1. 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — СЗ для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3. 3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 3.7 — 3.9).

Рис. 3.7. Схема с общим истоком (ОИ)

Рис. 3.8. Схема с общим стоком (ОС)

По аналогии со схемами включения биполярных транзисто ров полевые включают с общим истоком, общим стоком и с об щим затвором.

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Рис. 3.9. Схема с общим затвором (03)

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 3.7 — 3.9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 3.10 — 3.13). Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Транзистор как переключатель — Принципиальная схема, работа и применение

В основном транзистор представляет собой тип полупроводникового устройства. Эти устройства состоят из трех рядов клемм. Взаимодействие между двумя терминалами будет происходить таким образом, что в нем образуются два перехода. Эти переходы и клеммы в целом отвечают за генерацию тока, либо разработаны устройства, управляемые током, либо соответствующие устройства, управляемые напряжением. В этой статье ниже обсуждается транзистор как коммутатор, а также его работа и приложения.

Основное приложение, которое часто используется, это устройство, работающее как коммутатор. Основная концепция его функционирования зависит от режимов его работы. Устройство, которое предпочитает низкое значение напряжения постоянного тока, может быть включено или выключено с помощью транзисторов.

В основном, по мере того, как поколения электронных схем претерпевают революцию и улучшаются для лучшей и комфортной жизни, транзисторы играют заметную роль, заменяя себя электронными лампами.

Это приводит к повышению эффективности и уменьшению размера. Основные функциональные возможности транзистора можно наблюдать либо за счет его использования для усиления, либо для основного применения в цифровых схемах переключения.

Основная причина использования этого транзистора в качестве переключателя заключается в том, что ток на базе напрямую контролирует ток на коллекторе. Если ток на базе превышает минимальное пороговое значение напряжения, то поведение транзистора похоже на замкнутый переключатель, в противном случае он останется в состоянии открытого ключа.

Транзистор в качестве переключателя

При подаче смещения на базу транзистора оба типа биполярных переходных транзисторов могут использоваться в качестве переключателей. Области, в которых работа переключателя предпочтительна, — это либо он должен полностью находиться в области, называемой насыщением, либо в рабочей области отсечки. Основная идея использования этих регионов заключается в том, что режим переключения должен быть полностью включен или выключен.

Как работают транзисторы?

Работа транзистора основана на рабочих зонах. В области отсечки базовый ток будет равен нулю. Поскольку вход равен нулю, ток коллектора также будет равен нулю за счет поддержания максимального напряжения на коллекторе.

Это для транзистора N-P-N, тогда как для транзистора P-N-P значение напряжения на эмиттере должно быть отрицательным. Поскольку в этом состоянии нет потока носителей, ширина области, называемой истощением, увеличивается, что свидетельствует о том, что в этом состоянии не наблюдается никакого потока. Этот тип области называется областью отсечки.

Следующим условием, при котором работает переключатель, является насыщение. Здесь токи на базе и коллекторе максимальны, а напряжение на коллекторе поддерживается минимальным. Это рабочее состояние заставляет транзистор работать в полностью открытом режиме. Это для транзистора N-P-N, тогда как для P-N-P значение напряжения эмиттера должно оставаться положительным по отношению к напряжению базы.

Эта работа транзистора известна как однополюсный одноходовой (SPST). Это указывает на то, что при подаче нуля сигнала на базу транзистор будет включен, в противном случае он будет выключен.

Транзистор N-P-N в качестве переключателя

После подачи напряжения на область основания, на его основе, выполняется операция переключения. Как и в случае с диодом, существует напряжение включения. Между областью эмиттера и базы приложенное напряжение должно достигать напряжения включения. Если он пересекает его, говорят, что транзистор включен, в противном случае — выключен.

Когда транзистор находится в состоянии ON, генерируемый ток имеет тенденцию течь от источника к нагрузке. Нагрузкой может быть либо светодиод, либо резистор, нагрузка зависит от требований.

Транзистор P-N-P в качестве переключателя

Условия работы транзисторов P-N-P и N-P-N различаются в зависимости от приложения положительного или отрицательного напряжения. Но критерии операции остаются прежними. Если он находится во включенном состоянии, наблюдается протекание тока, в противном случае он выключен.

Здесь нагрузка подключается к соответствующему заземлению транзистора, а затем транзистор P-N-P переключает питание. В этом случае клеммная база соединена с землей

Выше приведено основное применение транзистора в качестве переключателя для транзисторов с биполярным переходом P-N-P и N-P-N.

Применение

Применение транзистора, используемого в качестве переключателя, следующее:

1. Наиболее часто используемое практическое применение, которое используется для транзистора в качестве переключателя, — это работа светодиода.
2. Работой реле можно управлять, внося необходимые изменения в схему, чтобы любое внешнее устройство подключалось по отношению к реле и управлялось.
3. Двигатели постоянного тока можно контролировать и контролировать с помощью этой концепции транзисторов. Это приложение используется для включения и выключения двигателя. Изменяя значения частот транзистора, можно изменять скорость двигателя.
4. Одним из примеров таких выключателей является лампочка. Это облегчает включение света при ярком освещении и отключение при наступлении темноты. Это делается с помощью светозависимого резистора (LDR).
5. С помощью этого метода переключения можно контролировать компонент, называемый термистором, который измеряет температуру окружающей среды. Термистор называется резистором. Это сопротивление имеет тенденцию увеличиваться, когда измеряемая температура низкая, и наблюдается уменьшение сопротивления, когда измеряемая температура высокая.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ для транзисторов и MCQ для смещения транзисторов.

В практическом мире существует множество применений реле, двигателей и т. д. В каждом практическом занятии важную роль играет переключение устройств. Это может быть либо переменная подача, либо постоянная подача. В настоящее время в вопросе обеспечения комфортного и безопасного проживания при проектировании систем автоматизации или систем обнаружения пожара этот способ коммутации устройств играет главенствующую роль. Можете ли вы объяснить основную цель использования реле в схемах автоматики?

Транзистор в качестве переключателя — транзисторы с биполярным соединением

Транзисторы с биполярным соединением

Идеальный переключатель характеризуется бесконечным сопротивлением в разомкнутом состоянии, равным нулю. сопротивление, когда он закрыт, и вход, с помощью которого он может быть открыт или закрыт. Транзисторы можно использовать как переключатели. Преимущества, которые транзистор переключатели предлагают вместо механических переключателей то, что нет движущихся или быстроизнашивающиеся детали, они легко активируются от различных электрических вводов, и связанные с этим проблемы, такие как дребезг контактов и искрение, по существу устранено. Конфигурация с общим эмиттером чаще всего используется для транзисторов. переключение. Коллектор и эмиттер соответствуют переключателю контакты; ток база-эмиттер выполняет входную функцию.

Выходные характеристики типичного NPN-транзистора с общим эмиттером: показано в части А рисунка ниже. Характеристики расположены в трех регионах; отсечки, активности и насыщения. Произвольно выбранная линия нагрузки и максимально допустимая рассеиваемая мощность также показаны кривые. Области отсечки и насыщения считаются стабильные или спокойные области работы. Транзистор считается в выключенном (непроводящем) или включенном (проводящем) состоянии, когда он работает в области отсечки или насыщения соответственно. Третий регион деятельности, называется активной областью, считается неустойчивой (переходной) область, через которую проходит работа транзистора при переходе из выключенного во включенное состояние.

Выходные характеристики и схема включения.

Типичная схема включения транзистора показана в части B рисунка выше. Переключатель S ₁ управляет полярностью и величиной базового тока. от аккумулятора В _В1 или В _В2 . Резисторы R _B1 и R _B2 токоограничивающие резисторы. Каждый регион операции обсуждается ниже.

Зона отсечки

Зона отсечки включает область ниже нулевого базового тока. кривая ( I _B = 0). В идеале без начального ток базы, ток коллектора будет нулевым; потенциал коллектора будет равно напряжению батареи В _CC . Однако в точке Х на линия нагрузки (вид А на рисунке выше), небольшой ток коллектора измеряется. Это ток коллектора обратного смещения для общего эмиттера. конфигурация. Напряжение коллектора V _CE обозначается вертикальная проекция из точки X на ось напряжения коллектора. Этот значение равно разнице в величине между напряжением батареи (в данном случае 12 вольт) и падение напряжения, вызванное коллектором обратного смещения. ток через нагрузочный резистор R _L . Нормальные условия покоя для транзисторного ключа в этом области требуют, чтобы как переход эмиттер-база, так и переход коллектор-база должен иметь обратное смещение.

С выключателем S ₁ (см. вид B на рисунке выше) в Положение OFF, переход эмиттер-база смещен в обратном направлении от батареи. В _В2 через резистор R _В2 . Переход коллектор-база имеет обратное смещение от батареи В _CC через нагрузочный резистор R _L ; транзистор в выключенном состоянии (отсечное) состояние. Цепь, как переключатель, разомкнута .

Активная область

Активная линейная область является единственной областью, обеспечивающей нормальное усиление усилителя. В линейной области переход коллектор-база обратный смещен, а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении. Переходный ответ выходной сигнал в основном определяется характеристиками транзистора в этой области. В схемах переключения эта область представляет собой переходная область.

Работа переключателя S ₁ (вид B на рисунке выше) на Положение ON устанавливает прямое смещение от батареи В _Б1 , через резистор R _B1 , на переходе эмиттер-база. Ток базы I _B и ток коллектора I _C приобретать переходный характер, перемещаясь из точки X на грузовой марке в точку Y; здесь ток коллектора достигает насыщения. Сигнал проходит через эту область быстро. В коммутационных схемах эта область имеет значение только для проектирования. соображения.

Область насыщения

В области насыщения (вид А на рисунке выше) увеличение базы ток не вызывает заметного увеличения тока коллектора I _C . В точке Y на линии нагрузки транзистор в области насыщения. Ток коллектора I _C (измеренный горизонтальной проекции из точки Y) максимально, а коллектор напряжение В _CE (измерено вертикальной проекцией из точки Y) находится на минимуме. Это значение коллекторного напряжения называется напряжение насыщения ( V _CE(SAT) ), и является важным характеристика транзистора. Обычно это доли вольта. Глубокого насыщения обычно избегают из-за его влияния на переходная характеристика транзистора.

Рабочая точка Y соответствует замкнутому выключателю. В идеале сопротивление и напряжение от коллектора к эмиттеру будет равно нулю. Для того, чтобы низкое сопротивление может быть достигнуто, необходимо, чтобы точка Y лежала ниже колена характеристические кривые (в области насыщения). Достаточный базовый ток должен быть предоставлен, чтобы убедиться, что эта точка достигнута. Это также важно что рабочие точки включения и выключения лежат в области ниже максимальное номинальное рассеивание, чтобы избежать разрушения транзистора.

При вычислении I _B , необходимого для достижения точки Y, необходимо знать текущее усиление ( ч _FE ). Зная h _FE , получаем I _Bmin , так как I _Bmin = I _C / h _FE . В общем I _B производится в два или три раза больше, чем I _Bmin чтобы учесть вариации в ч _FE с температурой.

Никогда не следует превышать максимальное номинальное напряжение коллектора, поскольку Нагрев может произойти после выхода из строя транзистора. Индуктивные нагрузки могут генерировать опасные скачки напряжения. Это может быть избежать, подключив диод через индуктивность для поглощения переходного процесса.

Характеристики переходного процесса

Когда переключатель S ₁ (вид B на рисунке выше) работает в последовательность от ВЫКЛ. к ВКЛ., а затем обратно к ВЫКЛ., результирующий импульс входного тока I _B похож на что показано на виде А на рисунке ниже. Тогда цепь характеризуется сильносигнальная, или нелинейная, работа транзистора. В режиме большого сигнала прямоугольный входной сигнал переводит транзистор из состояния отсечки в состояние насыщения и обратно на отсечку. Искаженный выходной импульс тока I _C (вид B на рисунке ниже) возникает из-за того, что транзистор не может реагировать мгновенное изменение уровня сигнала. Ответ транзистора во время подъема и спада называется переходная характеристика схема. Характеристики выходного импульса определяются главным образом переменным током. характеристики транзистора.

Характеристики импульса тока.

Время нарастания ( t _r ), также называемое временем нарастания или время включения, это время, необходимое для увеличения переднего фронта импульса по амплитуде от 10 до 90 процентов своего максимального значения. нелинейный характеристики транзистора, внешней цепи и накопителя энергии эффекты влияют на время. Носители, движущиеся от эмиттера к коллектору подвергаются столкновению и рассеиванию и не достигают коллектора в в то же время. Перегрузка транзистора приводит к уменьшению время нарастания. Тем не менее, овердрайв обычно держится на небольшое значение, так как время выключения (время хранения плюс время спада, см. ниже), затрагивается.

Время импульса ( t _p ) или продолжительность, это длина времени, что пульс остается на максимальном или близком к нему значении. Длительность импульса измеряется от точки на переднем фронте, где амплитуда пульса достигла 90 процентов от своего максимума значение до точки на заднем фронте, где амплитуда имеет упал до 90% от максимального значения.

Когда входной ток I _B отключается, выходной ток I _C , не сразу падает до нуля, а остается практически на его максимальное значение за определенный промежуток времени, прежде чем упасть до нуля. Этот период называется временем хранения ( t _с ) или временем задержки насыщения. Время хранения связано с тем, что введенные неосновные носители находятся в базовой области. транзистора в момент отключения входного тока. Эти перевозчики требуют определенного периода времени для сбора. Длина время хранения в основном определяется степенью насыщения в который транзистор управляется и время, проведенное в насыщении. Для высокоскоростного переключения время хранения является нежелательным условием. Меньшинство хранения несущей можно избежать, переключив транзистор из его выключенного состояния в точку активной области. Зажатие коллектора предотвращает работа транзистора в области насыщения.

В время спада (время затухания) t _f импульса, амплитуда падает с 90 до 10 процентов от своего максимального значения. Время падения пульса в основном определяется теми же факторами, которые определяют его время нарастания. Время падения можно немного сократить за счет применения обратный ток в конце входного импульса.

Схемы переключения транзисторов смещения | Цепь переключения с конденсаторной связью

Цепь переключения с прямой связью — Когда транзистор используется в качестве схемы переключения транзистора со смещением, он либо смещен до I _C = 0, либо смещен до максимального уровня тока коллектора. Рисунок 5-53 иллюстрирует два условия. Обратите внимание, что схема на рис. 5-53 называется коммутационной схемой с прямой связью, поскольку источник сигнала напрямую подключен к этой схеме. На рис. 5-53(a) отрицательная полярность базового входного напряжения (V _S ) отключает транзистор (Q ₁ ). В этом случае единственным протекающим током является ток утечки базы коллектора (I _CBO ), который обычно настолько мал, что им можно пренебречь.

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно,

С Q ₁ выкл [рис. 5-53(a)],

На рис. 5-53(b) V _S положительна и смещает Q ₁ на максимально возможный уровень I _C . Ток коллектора ограничен только напряжением питания коллектора (В _CC ) и коллекторный резистор (R _C ). Итак,

Теперь рассмотрим рис. 5-54, на котором показаны выходные характеристики и линия нагрузки по постоянному току для цепей переключения транзисторов смещения на рис. 5-53. Грузовая линия рисуется с помощью обычного процесса нанесения точки A в точке (I _C = 0 и V _CE = V _CC ) и точки B в точке (V _CE = 0 и I _C = V _CC /R _C ).

Линия нагрузки 1 кОм показывает, что при I _B = 0, I _C близка к нулю при,

В этот момент говорят, что транзистор отключен. Область характеристик ниже I _B = 0 называется областью отсечки. Когда I _C находится на максимальном уровне, транзистор считается насыщенным, а напряжение коллектор-эмиттер является напряжением насыщения (V _CE(sat) ).

Область характеристик транзистора при (V _CE(sat) ) называется область насыщения . Область между насыщением и отсечкой — это активная область , где транзистор обычно смещен для усиления. Из линии нагрузки видно, что V _CE(sat) зависит от уровня I _C . Для линии нагрузки 2 кОм, показанной пунктиром на рис. 5-54, V _CE(sat) меньше, чем для R _C =1 кОм.

Возвращаясь к рис. 5-53(b), видно, что I _B является постоянной величиной,

Также уровень I _C зависит от I _B ,

Ток коллектора можно определить по формуле 5-25 (в котором предполагается, что V _CE(sat) = 0), а базовый ток можно рассчитать по формуле 5-26. Тогда минимальный требуемый коэффициент усиления по току для транзистора составляет

. насыщение транзистора. Если фактическое h _FE транзистора больше расчетного h _FE(1) , I _C имеет тенденцию быть больше, чем уровень тока, необходимый для насыщения транзистора. Однако I _C не может превышать V _CC /R _C . Следовательно, значение h _FE , превышающее значение h _FE(1) , будет уменьшено до h _FE(1) . Значение h _FE ниже, чем значение h _FE(1) , не может быть скорректировано. Так, для обеспечения насыщения транзистора в схеме включения он должен иметь h _{Значение FE} , равное или превышающее расчетное значение h _FE(1) для канала.

V _CE(sat) обычно составляет 0,2 В для слаботочного кремниевого транзистора, а V _BE обычно составляет 0,7 В. Рассмотрим схему на рис. 5-53(b) еще раз. Если V _BE = 0,7 В и V _CE(sat) = 0,2 В, положительное значение базы транзистора на 0,5 В больше, чем у коллектора (см. рис. 5-55). Это означает, что переход коллектор-база, который обычно смещен в обратном направлении, смещен в прямом направлении, когда транзистор находится в состоянии насыщения. При прямом смещении перехода коллектор-база меньшее количество носителей заряда от эмиттера притягивается к коллектору, и коэффициент усиления по току устройства ниже, чем обычно.

 

Цепь переключения с конденсаторной связью:

Схема смещения базы на рис. 5-57 аналогична уже рассмотренным схемам этого типа, за исключением того, что транзистор смещен в сторону насыщения. Хотя базовое смещение слишком непредсказуемо для цепей усилителя со смещением, оно вполне удовлетворительно для схем переключения транзисторов со смещением. Транзистор на рис. 5-57 находится в нормально включенном состоянии с V _CE = V _CE(sat) . Вход с конденсаторной связью (импульсный сигнал) отключает устройство, давая V _CE = V _CC .

Ток базы транзистора Is

Ток коллектора можно определить по формуле 5-25, а затем минимально необходимое значение h _FE можно рассчитать по формуле 5-27.

Другой тип коммутационной схемы с конденсаторной связью показан на рис. 5-58. В этом случае резистор R _B удерживает напряжение база-эмиттер транзистора на нуле, чтобы гарантировать, что устройство находится в нормально выключенном состоянии. Входное напряжение, связанное с конденсатором, смещает транзистор в состояние насыщения.

Конструкция схемы переключения:

Сопротивление R _C для любой из обсуждаемых схем переключения транзисторов смещения можно рассчитать, используя указанные уровни V _CC и I _C по уравнению. 5-25. Значение транзистора h _FE(min) можно использовать с I _C для определения минимального уровня I _B , необходимого для насыщения транзистора. Тем не менее, можно избежать беспокойства по поводу фактического усиления тока транзистора, используя h _FE со значением 10. Очень маловероятно, что транзистор будет иметь h _FE(min) меньше 10, поэтому схема, разработанная таким образом, будет работать практически с любым слаботочным транзистором.

Сопротивление R _B для цепи с прямой связью на рис. 5-53 рассчитывается по уравнению. 5-26. Для нормально включенной цепи с конденсаторной связью на рис. 5-57 уравнение 5-28 используется для определения значения R _B .

Для расчета подходящего сопротивления для R 9 необходимо использовать другой подход.0073 B в нормально выключенной цепи с конденсаторной связью на рис. 5-58. Необходимо учитывать ток, протекающий через R _B , когда транзистор выключен, и допустимое падение напряжения на R _B (см.