Site Loader

Содержание

Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

Предисловие


Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история


Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики



Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?

Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом,

произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется

коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется

граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора


Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
  1. Инверсный активный режим
    . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером


Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой


Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором


Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором 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.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах


Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов


Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка


Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Характеристики и параметры биполярных транзисторов — Студопедия

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода и служащий для усиления и генерирования электрических колебаний.

Основным элементом транзистора является кристалл полупроводникового материала, в котором созданы три области различных проводимостей. Средняя область, образованная полупроводником с электронным или дырочным типом проводимости, называется базой. Ширина базы делается очень малой. Две крайние области, одна из которых называется эмиттером, а другая — коллектором, обладают проводимостью одинакового типа, противоположной проводимости базы, и на несколько порядков выше проводимости базы. Эмиттер является источником основных носителей заряда (электронов или дырок), а коллектор их приемником. Если внешние области имеют проводимость p типа — прибор называют транзистором типа p-n-p, если же внешние области имеют проводимость типа n, то прибор называют транзистором типа n-p-n.

  а) б)   Рис.1. Графическое изображение транзисторов

Условное графическое изображение транзистора типа p-n-p приведено на рис.1,а, транзистора типа n-p-n на рис.1,б. Дальнейшее изложение дается применительно к транзистору типа p-n-p.

Наиболее важным режимом работы транзистора является активный. В этом режиме к эмиттерному переходу приложено напряжение в прямом направлении, то есть положительный полюс эмиттерного источника энергии Еэ подключен к эмиттеру. (В литературе часто употребляется термин ’’переход смещен в прямом направлении’’).


К коллекторному переходу приложено напряжение в обратном направлении, то есть отрицательный полюс коллекторного источника энергии Ек подключен к коллектору (переход смещен в обратном направлении). Под действием напряжения эмиттерного источника энергии Еэ происходит инжекция (переход) дырок из эмиттера в базу, для которой они являются неосновными носителями.

Электроны базы инжектируются в эмиттер, в котором они также становятся неосновными. Но так как проводимость базы много меньше проводимости эмиттера, число дырок, поступающих из эмиттера в базу, значительно превышает число электронов, перешедших из базы в эмиттер. Следовательно, ток через эмиттерно-базовый переход обусловлен практически одними дырками. Дырки, инжектированные в базу, частично рекомбинируют с электронами базы, которые образуют ток базы (рис. 2). Но так как ширина базы мала, почти все дырки пересекают базу и достигают коллекторного перехода. В области коллекторного перехода дырки попадают в электрическое поле, создаваемое источником Ек. Это поле является для дырок ускоряющим и они втягиваются в коллектор, создавая ток коллектора Iк. Величина тока Iк, как следует из первого закона Кирхгофа, определяется уравнением 1:


а так как ток базы мал, можно считать, что

  а) б)   Рис. 2. а) токораспределение в транзисторе; б) включение транзистора по схеме с общей базой. о — дырки, · — электроны

Изменяя напряжение, приложенное к эмиттерно-базовому переходу, можно менять количество дырок, поступающих из эмиттера в базу, и, следовательно, изменять ток коллектора. Таким образом, принцип действия транзистора заключается в управлении потоком неосновных носителей базы, поступающих в коллектор.

Так как сопротивление коллекторного перехода на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода, в цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением Rн, больше чем сопротивление эмиттерного перехода Rэ. Включение такой нагрузки не изменит режима работы переходов. В этом случае падение напряжения на нагрузочном резисторе будет Uн = Iк Rн, а напряжение на эмиттерном переходе Uэ = IэRэ, а так как Rн >> Rэ, и с учетом соотношения (2),

то есть имеет место усиление по напряжению.

Входная мощность, затрачиваемая в эмиттерной цепи Pвх = Iэ Uэ выходная мощность, выделяющаяся в нагрузочном резисторе будет Pвых = Iк Uн. С учетом соотношений (2) и (3)

и, следовательно, имеет место усиление по мощности.

  Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Аналогичные результаты получаются и в случае подачи на эмиттерный переход переменного напряжения.

Дополнительная мощность, выделяющаяся на нагрузочном резисторе получается за счет коллекторного источника энергии Ек. Транзистор, таким образом, управляет энергией коллекторного источника, заставляя ее изменяться по закону изменения входного напряжения.

Очевидно, что усиление по напряжению и мощности будет тем больше, чем больше ток коллектора, то есть чем большая часть дырок, инжектированных эмиттером, будет переноситься в коллектор. Эффективность этого процесса характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера ( ), которым называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении между коллектором и базой, то есть

Ясно, что чем больше коэффициент передачи тока, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Как следует из выражений (1) и (5), коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Для современных транзисторов он достигает значений 0,950 — 0,998.

В рассматриваемой схеме общей точкой входной и выходной цепей является база, поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Однако на практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис.3).

Физические процессы в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, аналогичны описанным выше. Но так как входным током в этой схеме является ток базы, который как указывалось выше, очень мал, коэффициент передачи тока базы ( ) значительно больше, чем коэффициент передачи тока эмиттера .

Uк.э. = const. (6)  

Совместное решение уравнений (1),(5) и (6) дает:

. (7)

Анализ уравнения (7) показывает, что b может достигать нескольких десятков. Поэтому коэффициенты усиления по напряжению и по мощности в этом случае также будут значительно выше.

Независимо от схемы включения транзистора, величина выходного тока (i2) (в рассмотренных схемах — ток коллектора), определяется величинами входного тока (i1) (в схеме с ОБ — ток эмиттера, в схеме с ОЭ — ток базы) и выходного напряжения (u2) (в схеме с ОБ — напряжение между коллектором и базой, в схеме с ОЭ — напряжение между коллектором и эмиттером), то есть

. (8)

Функцией тех же переменных является величина входного напряжения (u1) (в рассмотренных схемах напряжение на эмиттерном переходе), то есть

(9)

Следовательно, для входного напряжения и выходного тока можно записать выражения полных дифференциалов

  (10)
  (11)

Частные производные, входящие в уравнения (10) и (11), называются h — параметрами транзистора. Их величины характеризуют качество транзистора и возможность его работы в том или ином устройстве.

Частная производная определяет зависимость входного падения напряжения от входного тока при постоянном выходном напряжении u2; этот параметр называется входным сопротивлением и обозначается h11.

У современных транзисторов входное сопротивление в схеме с ОЭ должно составлять несколько сотен Ом.

Частная производная определяет зависимость входного напряжения от выходного напряжения при постоянном входном токе i1; этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом обратной связи и обозначается h12.

Величина коэффициента обратной связи обычно очень мала и в большинстве практических расчетов транзисторных устройств им пренебрегают.

Частная производная определяет зависимость выходного тока от входного при постоянном выходном напряжении u2. Этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом передачи тока и обозначается h21.

Чем больше этот параметр, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Частная производная определяет зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Этот параметр имеет размерность проводимости, называется выходной проводимостью транзистора и обозначается h22.

Рис. 4. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Значение этого параметра определяет величину сопротивления нагрузочного резистора, который может быть включен в выходную цепь.

h — параметры легко рассчитать по семействам характеристик транзистора.

Различают входные характеристики, которые определяют зависимость входного тока i1 от входного напряжения u1 при постоянном выходном напряжении u2; а также выходные характеристики, определяющие зависимость выходного тока i2 от выходного напряжения u2 при постоянном входном токе i1.

Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ — Iб = f(Uэ.б.) при Uк.э. = 0 подобна вольтамперной характеристике полупроводникового диода в прямом направлении (рис.4).

Так как коллекторно-базовый переход включен в обратном направлении, при увеличении напряжения на коллекторе ширина запирающего слоя коллекторного перехода будет расти, а ширина базы соответственно — уменьшаться. За счет этого уменьшится рекомбинация носителей в базе и ток базы. Следовательно, характеристика сместится вниз (рис. 4, кривая Uк.э.1).

Для определения параметров транзистора, на прямолинейном участке входных характеристик строится треугольник АВС. Сторона ВС этого треугольника дает приращение тока базы при изменении напряжения на величину =АВ при Uкэ = сonst. Тогда

h11 = Uкэ = сonst.   (16)

При неизменном токе базы, например, Iб1 = const, изменение коллекторного напряжения на величину как видно из рис.4, должно приводить к изменению входного напряжения на величину =АВ. Тогда

h12 = Iб = const (17)

Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, представляет зависимость Iк = f(Uкэ) при Iб = const. Так как коллектор образован дырками эмиттера, он мало зависит от коллекторного напряжения. Тем не менее при увеличении коллекторного напряжения, как уже говорилось, происходит уменьшение ширины базы и уменьшение рекомбинации в базе.

  Рис. 5. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

В силу постоянства базового тока число электронов, поступающих в базу остается неизменным. За счет этого потенциал базы относительно эмиттера понижается и увеличивается число дырок, поступающих в базу из эмиттера. В соответствии с уравнением (2) это приводит к росту тока коллектора.

При постоянном напряжении между эмиттером и коллектором, например, при Uкэ1 = const (рис.5), изменение тока базы от Iб1 до Iб2, то есть на величину = Iб2 — Iб1, приводит к увеличению тока коллектора на величину = Iк2 — Iк1. Тогда

При постоянном токе базы , например Iб1 = const изменение напряжения между коллектором и эмиттером на величину приводит к изменению тока коллектора на величину = Iк3 — Iк1 (рис.5). Тогда

Основные параметры биполярного транзистора — Студопедия

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β. β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.


Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

8 Основные параметры биполярных транзисторов

Параметры и обозначения параметров биполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 20003-74. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы.

  1. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся:

    1. Обратный ток коллектора (IКБ0) – ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера.

    2. Обратный ток эмиттера (IЭБ0) – ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

    3. Обратный ток коллектор-эмиттер (IКЭ0) – ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

Обратные токи коллектора и эмиттера зависят от температуры переходов и могут быть определены по приблизительным эмпирическим формулам:

(5.34)

где и — обратные токи коллектора и эмиттера при температуре 250С;

k – коэффициент, равный 0,06…0,09 1/0С для германия и 0,08…0,12 1/0С для кремния;

ТП – температура перехода, 0С.

  1. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 5.

Обычно в справочниках приводятся значения h-параметров для схемы включения с общей базой или общим эмиттером. Для пересчета используют выражение:

(5.35)

Малосигнальные параметры транзистора зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h21Е прямо пропорционален, а параметр h11Б обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.

  1. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах. К ним относятся:

    1. Граничная частота по определенному параметру (fГР) – это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером равен единицы.

    2. Предельная частота по определенному параметру – это частота, при которой этот параметр уменьшится на 3 дБ по сравнению с первоначальным (низкочастотным) значением. Предельная частота передачи тока при включении с общей базой – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока меньше на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне характеристики – это частота, при которой модуль крутизны передаточной характеристики при включении с общим эмиттером меньше на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте.

    3. Максимальная частота генерации (fмах) – это наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в автогенераторе.

    4. Емкость коллекторного перехода (СК) – это емкость между выводами базы и коллектора при заданных обратных напряжениях эмиттер-база и режиме с общим эмиттером. Емкость коллекторного перехода является функцией напряжения коллектор-эмиттер:

(5.36)

где СКсправ – емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного напряжения коллектор-эмиттер UКЭ.

    1. Сопротивление базы (rБ) – это сопротивление между выводом базы и переходом база-эмиттер.

    2. Постоянная времени обратной связи на высокой частоте К) – это произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода.

    3. Коэффициент шума Ш) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума указывается только для малошумящих транзисторов.

  1. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются:

    1. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер.

    2. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-база.

    3. Постоянный (импульсный) ток коллектора.

    4. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность.

    5. Температура перехода.

    6. Диапазон температур окружающей среды.

    7. Общее тепловое сопротивление корпуса транзистора (переход — окружающая среда). Оно определяется из:

, (5.37)

где ТП и ТСР – температура перехода и окружающей среды соответственно;

РП –мощность рассеиваемая на переходе.

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является трехэлектродным прибором. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо входных электрода и с двух выходных электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

Рис. 5 Схемы включения транзисторов.

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания.

Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора Uи. п. подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах знаком . Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме: эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. Выходное сопротивление каскада достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями.

Когда на вход усилителя подается напряжение с источника входного сигнала, обладающего сопротивлением Rвх., на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада по напряжению.

При включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в) база транзистора через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Схема обладает очень малым входным сопротивлением, порядка нескольких десятков Ом (30-100) Ом.

Режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора.

Параметры схем включения биполярных транзисторов

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Область транзистора, расположенную между p-n переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы соответствующий p-n переход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.

Биполярные транзисторы являются основными активными элементами биполярных ИМС. Транзисторы n-p-n типа используются гораздо чаще, чем p-n-p, так как у n-p-n структуры проще обеспечить необходимые характеристики.

Планарно-эпитаксиальный транзистор со скрытым слоем и изоляциейp-n-перехода является наиболее широко распространённой разновидностью биполярного транзистора ИМС. Его физич. структура дана на рис.1,а одномерное распределение легирующих примесей на рис. 2.

Рис. 1 Физическая структура n-p-n интегрального транзистора

со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

Взаимодействие междуp-n-переходами будет существовать, если толщина области между переходами (толщина базы) будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным смещением, и изменить его ток. Таким образом, взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Рис. 2 Распределение примесей в активной области транзистора.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

  1. режим отсечки – оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

  2. режим насыщения – оба электронно-дырочных перехода открыты;

  3. активный режим – один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение, и т.п.).

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и параметры БП – соотношения между его постоянными токами и напряжениями.

Существенно снизить последовательное сопротивление коллектора удается, перейдя к конструкции транзистора типа n-p-n со скрытым слоем. Сопротивление rк пос. такого транзистора становится пренебрежимо малым, благодаря чему эти транзисторы используются в составе биполярных ИС.

Ниже представлен еще один вариант выполнения БТ, который также часто применяется в ИМС:

Рис.3 Поперечное сечение типичного n-p-n -транзистора, входящего в состав ИС.

Теоретически профили распределения примесей в активной области данного прибора описываются следующим графиком:

Рис.4 Профили распределения примесей под эмиттерным переходом.

Глубина проникновения примеси вглубь полупроводника определяется температурой, при которой происходит диффузия примесей, так как коэффициент диффузии сильно зависит от температуры. Равномерность распределения примеси по глубине слоя зависит от длительности действия факторов диффузии. Все эти факторы определяются технологией производства биполярного транзистора. Следует отметить, что тяжело добиться концентрации примесей выше

9 Классификация биполярных транзисторов

Классификация биполярных транзисторов проводится по следующим признакам:

  1. По роду исходного материала – германиевые, кремниевые, арсенидогаллиевые.

  2. По типу полярности – р-п-р и п-р-п транзисторы.

  3. По технологическим особенностям – сплавные, планарные, эпитаксиально-планарные, диффузионно-сплавные, меза-планарные, меза-эпитаксиально-планарные и т.п.

  4. По рассеиваемой мощности – маломощные (до 300 мВт), средней мощности (от 0,3 Вт до 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

  5. По граничной частоте – низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 МГц до 30 МГц), высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц).

  6. По функциональному назначению. По этому признаку биполярные транзисторы подразделяются на 13 групп:

    1. Усилительные низкочастотные (менее 30 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    2. Усилительные низкочастотные (менее 30 МГц) с ненормированным коэффициентом шума.

    3. Усилительные высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    4. Усилительные высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    5. Усилительные сверхвысокочастотные (более 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    6. Усилительные сверхвысокочастотные (более 300 МГц) с ненормированным коэффициентом шума.

    7. Усилительные мощные высоковольтные.

    8. Высокочастотные генераторные.

    9. Сверхвысокочастотные генераторные.

    10. Переключающие маломощные.

    11. Переключающие мощные высоковольтные.

    12. Импульсные мощные высоковольтные.

10 Система обозначений биполярных транзисторов

В основу системы обозначений полупроводниковых биполярных транзисторов согласно ОСТ 11 336.038-77 положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква – для приборов широкого применения, цифра – для приборов специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент обозначения – буква, определяет подкласс приборов (для биполярных транзисторов буква Т), третий элемент – цифра или буква, определяет один из основных характеризующих данный прибор признаков. Четвертый, пятый и шестой элемент – трехзначной число, обозначающее порядковый номер разработки. Седьмой элемент – буква, характеризует классификацию по параметрам приборов единой технологии.

Для обозначения материала (первый элемент) используют: Г или 1 – германий и его соединения; К или 2 – кремний и его соединения; А или 3 – арсенид галлия; И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения подклассов приборов (второй элемент) используются букву Т – биполярный транзистор.

Значение третьего элемента (цифра), характеризующего основной признак прибора, для биполярных транзисторов определяет рассеиваемую мощность транзистора и его граничную частоту:

1 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц;

2,3 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц;

4,5 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц;

6,7 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц;

8 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц;

9 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц;

Примеры обозначений:

КТ3107Е – кремниевый среднечастотный маломощный транзистор, номер разработки 107, группа Е. 2Т922В – кремниевый высокочастотный мощный транзистор, номер разработки 15, группа В.

Как работает биполярный транзистор?

bipolar transistor

Биполярный транзистор — трехконечный (три электрода), управляемый током полупроводник электронный компонент, который имеет способность усиливать сигналы постоянного тока и переменного тока, поэтому каждый транзистор принадлежит Семейство усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при использовании меньшей мощности.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторов N-P-N и транзисторов P-N-P .Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: — C — коллектор, B — база, E — эмиттер. Чаще всего используются кремниевые Si-транзисторы (пороговое напряжение V T = 0,6 — 0,7 В), реже — германий Ge (V T = 0,2 — 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем электропитания до компьютеров и более продвинутых систем.


Биполярный транзистор — Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи по биполярному транзистору, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


Биполярный транзистор — Конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с различными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n-перехода ( диодов ): базовый излучатель (BE) и базовый коллектор (BC).

npn bipolar transistor symbol

Рис. 1. Символ биполярного транзистора NPN и конструкция его контактов

pnp bipolar transistor symbol

Рис. 2. Символ биполярного транзистора PNP и конструкция его контактов

Diode replacement models of transistors

Рис.3. Модель с заменой диода NPN-транзистора

pnp Diode replacement models of transistors

Рис. 4. Модель с заменой диода PNP-транзистора

Distribution of currents in NPN transistor

Рис. 5. Распределение токов в NPN-транзисторе

Биполярный транзистор — принцип действия o peration

Main Особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может работать в четырех режимах:

  • Режим отсечки — Соединение база-эмиттер вообще не смещено или имеет обратное смещение.Текущие значения коллектора очень малы:
  • ,
  • , , прямой активный режим (чаще всего называемый , активный режим ). Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение база-коллектор имеет обратное смещение. Здесь стоит отметить, что не следует превышать напряжение на стыке (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого базового тока и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, увеличенное в β раз по сравнению с базовым значением тока.Напряжение базы-эмиттера вводит большинство носителей из эмиттера через переход к базе — (в электронах N-P-N и в отверстиях P-N-P). Носители вводят из излучателя в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область соединения база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под воздействием электрического поля в области истощения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяя току, протекающему между коллекторным и эмиттерным электродами, протекать сильнее.
  • Обратно-активный режим (инвертированный режим) — Соединение база-эмиттер смещено в обратном направлении, а коллектор базы-коллектора имеет прямое смещение. Усиление тока небольшое,
  • Режим насыщения — Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшого значения. Ток базы настолько велик, что схема коллектора не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор — Вольт-амперные характеристики

bipolar transistor characteristics

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (ОЭ)

bipolar transistor characteristics ob

Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с необходимостью, например:

  • Транзистор в качестве усилителя — транзистор, работающий в прямой активной области, может использоваться для построения системы, которая будет усиливать электрический ток.
  • В качестве переключателя (клапана) — здесь используется переход между областью насыщения (вкл) и отсечкой (выкл). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор — Ограничивающие параметры

  • В EB0max максимально допустимое обратное смещение базы-эмиттера,
  • В CB0max — максимально допустимое обратное смещение базы-коллектора ,
  • В CE0max — максимально допустимое прямое смещение базового эмиттера,
  • I Cmax — максимальный ток коллектора,
  • I Bmax — максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор — Операционные системы

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, тогда как сигнал после усиления поступает между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения в этой цепи близко к единице, поэтому выход усилителя получает «повторное» напряжение от входа, отсюда и второе общепринятое название этого усилителя — излучатель.

amplifier system with common emitter

Рис. 8. Схема переменного переменного напряжения системы усилителя с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал получен между базой и коллектором после усиления.

amplifier system with common base

Рис. 9. Схема переменного переменного напряжения системы усилителя с общей базой (OB)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал после усиления поступает между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «общим» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

OC common collector

Рис. 10. Схема общего коллектора OC

Биполярный транзистор в качестве переключателя

Биполярный транзистор предназначен для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отключение и насыщение. Под воздействием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отключения через активное состояние в состояние насыщения.Когда управляющего напряжения больше нет, транзистор возвращается в состояние отключения. Находясь в отключенном состоянии, транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропустит никакого сигнала (это можно рассматривать как обрыв в цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление и ситуация противоположная.

Идеальный транзисторный переключатель должен почти мгновенно менять состояния и иметь очень крутые (вертикальные) переходные характеристики, а время переключения должно равняться нулю.

Существуют способы значительно ускорить процесс переключения транзистора:

  • Уменьшить значение базового резистора транзистора,
  • Включить параллельную емкость с базовым резистором транзистора. Устраняет эффект интегрирования и сокращает время включения транзистора.
  • Подключите базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квази-насыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и более коротким временем переключения. ,Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
  • Подключение источника питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор — Поляризационные системы

Наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов представлены ниже:

system with potentiometric base power

Рис. 11. Система с потенциометрической базой питания

system with forced base current

Рис. 12. Система с принудительной базой ток

system with coupling collector

Рис.13. Система с коллектором связи

system with potentiometric base power and coupling emitter

Рис. 14. Система с потенциометрическим базовым источником питания и эмиттером связи

.
биполярный переходной транзистор (BJT) — рабочий, типы и применения и Джон Бардин. Хотя первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир от таинственных больших компьютеров к маленьким смартфонам. Изобретение транзистора изменило концепцию электрических цепей на интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT уменьшается, потому что технология CMOS имела место в разработке цифровых ИС.

Что такое BJT — биполярный переход ?

Биполярный транзистор

(BJT) представляет собой двунаправленное устройство, которое использует как электронов и дырок в качестве носителей заряда. В то время как униполярный транзистор, то есть полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда. BJT — устройство, контролируемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения.Этот основной ток контролируется очень малым током на базовой клемме.

Конструкция

Биполярный переходный транзистор образован комбинацией двух легированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT сформирован из «сэндвичей» спина к спине внешних полупроводниковых материалов. Эти внешние полупроводники представляют собой PN-диоды. Два диода PN переходов соединены вместе, чтобы сформировать трехполюсное устройство, известное как BJT транзистор .BJT — это трехконтактное устройство с двумя контактами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получают полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если число электронов больше, чем число дырок (положительных носителей), то это называется полупроводниковым материалом N-типа. В то время как в полупроводнике P-типа, число дырок больше, чем число электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединены вместе, он становится PN-переходным диодом .Транзисторы BJT формируются после соединения двух PN переходов спина к спине. Эти транзисторы известны как биполярные транзисторы PNP или NPN с биполярным переходом, в зависимости от того, расположены ли они в P или N-типа.

BJT Transistor Construction BJT Transistor Construction

По существу, транзисторы состоят из трех частей и двух переходов. Эти три части называются Emitter , Collector, и Base . Излучатель и коллектор сэндвич базы между ними. Средняя часть (основание) образует два соединения с эмиттером и коллектором.Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , в то время как соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база.

Терминалы BJT

Есть три терминала BJT. Эти терминалы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко обсуждаются здесь.

Эмиттер

Эмиттер — это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки для двух других частей.База всегда имеет обратное смещение относительно излучателя, так что она может излучать большое количество из основных несущих . Это наиболее сильно легированный регион БЮТ. Соединение эмиттер-база всегда должно иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN. Эмиттер подает электроны к переходу эмиттер-база в NPN, в то время как он подает отверстия в тот же контакт в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает испущенные носители заряда (т.е.е. электроны или дырки) известен как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между слегка легирующим уровнем основания и сильно легированным уровнем эмиттера. Соединение между коллектором и базой должно быть всегда смещено в транзисторах PNP и NPN. Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из соединения коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в PNP-транзисторе, он собирает отверстия, испускаемые излучателем.

База

База является средней частью между коллектором и эмиттером и образует два PN-соединения между ними. Основание является наиболее легированной частью BJT. Быть средней частью BJT позволяет ему контролировать поток носителей заряда между эмиттером и коллектором. Соединение база-коллектор показывает высокое сопротивление, потому что это соединение является обратным смещением.

Тип BJT

Это трехслойное устройство, образованное сквозным соединением, имеет конкретные названия.Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь кратко не используются.

Конструкция PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа расположен между двумя полупроводниками P-типа. PNP-транзисторы могут быть сформированы путем соединения катодов из двух диодов. Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как , база . Тогда как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор , и эмиттер .

PNP Transistor - Construction & Working PNP Transistor - Construction & Working

Соединение база-эмиттер является прямым смещением, а соединение коллектор-база — обратным смещением. Таким образом, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. В этом случае излучатель имеет высокий потенциал как для коллектора, так и для основания.

Конструкция NPN

Тип NPN полностью противоположен типу PNP. В NPN-биполярном транзисторе полупроводник P-типа расположен между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор.Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что клемма коллектора является более положительной, чем эмиттер в соединении NPN.

NPN Transistor - Construction & Working NPN Transistor - Construction & Working

Разница между символами PNP и NPN заключается в метке стрелки на эмиттере, которая показывает направление потока тока. Ток будет либо течь от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру. Стрелка на PNP-транзисторе направлена ​​внутрь, что показывает поток тока от эмиттера к коллектору. В случае NPN-коллектора, стрелка маркируется наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

NPN & PNP Transistor NPN & PNP Transistor

Работа BJT

Слово «транзистор» является комбинацией двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор). Таким образом, это означает, что транзистор может преобразовать свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая небольшое сигнальное напряжение. Эта изменяющая способность позволяет ему работать как «Усилитель » или «Коммутатор ». Его можно использовать как переключатель или усилитель одновременно.Следовательно, BJT может работать в трех разных регионах для выполнения упомянутой операции.

Активный регион:

В Активный регион одно из соединений находится в прямом смещении, а другое — в обратном смещении. Здесь базовый ток I b может использоваться для управления величиной тока коллектора I c . Поэтому активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с усилением β с использованием уравнения;

i c = β x I b

Он также известен как линейная область .Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения . Нормальная работа BJT происходит в этом регионе.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния коммутатора, где;

i c = i sat

I sat — это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения.Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечки:

В области отсечки оба соединения BJT находятся в обратном смещении. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключатель . Этот режим достигается уменьшением базового напряжения меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.

V be <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеют два соединения, образованные комбинацией двух спиновых соединений PN. Соединение база-эмиттер (BE) — прямое смещение, а соединение коллектор-эмиттер (CE) — обратное смещение. На переходе BE потенциальный барьер уменьшается с прямым смещением. Итак, электрон начинает течь от эмиттерного терминала к базовому.Поскольку основание представляет собой слегка легированную клемму, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера соединяется с отверстиями в базовой клемме. Из-за комбинации электронов и дырок ток от базовой клеммы начнет течь, известный как Базовый ток (i b ) . Базовый ток составляет всего 2% от тока эмиттера I e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллектора обратного смещения, известного как ток коллектора ( i c ).Общий ток эмиттера будет представлять собой комбинацию тока базы и тока коллектора, определяемого как;

i e = i b + i c

Где i e приблизительно равен i c , поскольку I b составляет почти 2% от I C .

Working of BJT Working of BJT

Конфигурация BJT

BJT — это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом один терминал является общим для других.Другими словами, один терминал является общим для входа и выхода. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

каких-нибудь
Конфигурации Напряжение Gain Текущая прибыль коэффициент усиления мощности Входное сопротивление Выходное сопротивление Сдвиг фазы
конфигурация Общая база High Low Low Низкий Очень высокая 0 градусов
Общая конфигурация эмиттера Средняя Средняя Высокая Средняя Высокая 180 градусов
Высокий Низкий 0 градусов
Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовая клемма является общей для входных и выходных сигналов.Входной сигнал подается между основанием и выводом эмиттера, а вывод — между основанием и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше, чем входной сигнал на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он « ослабляет» сигнал.

Имеет неинвертирующий выход, что означает, что входной и выходной сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого усиления по напряжению.

Благодаря очень высокочастотной характеристике эта конфигурация используется для одноступенчатого усилителя. Эти одноступенчатые усилители могут быть использованы в качестве радиочастотного усилителя, предварительного микрофонного усилителя.

Общая конфигурация Базовая Прибыль

Напряжение Gain Voltage Gain Equation Voltage Gain Equation
Текущая прибыль I гр / я е
Сопротивление Gain R L / R в

Common Base Configuration Common Base Configuration

Конфигурация с общим эмиттером

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим для входа и выхода.Ввод применяется между базой и эмиттером, а вывод — между коллектором и эмиттером. Это можно просто узнать, взглянув на схему. Если излучатель заземлен, то вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет максимальный ток и коэффициент усиления мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится в прямом смещении, поэтому его входной импеданс очень низок .Хотя выходной сигнал берется из обратного смещения, поэтому его выходной импеданс очень высок.

Common Emitter Configuration Common Emitter Configuration

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Дано в уравнении как;

I e = i c + i b

Где i e — ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i c / i b Причиной этого огромного усиления тока является то, что сопротивление нагрузки подключено последовательно с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, где выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° относительно своего входного сигнала.

Общая конфигурация коллектора

Общая конфигурация коллектора, известная как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей для входа и выхода. Выход берется с клеммы эмиттера с нагрузкой, подключенной последовательно, а вход подается непосредственно на базовую клемму.

Common Collector Configuration Common Collector Configuration

Имеет высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Это позволяет ему выполнять функции согласования импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импедансов.

BJT Biasing

Процесс настройки напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного переменного сигнала.Более подробно, смещение — это метод, используемый для предотвращения работы транзистора либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

BJT Biasing Graph BJT Biasing Graph

Для сохранения выходного сигнала без потерь после усиления необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i c ), базового тока ( i b ) и напряжения коллектор-эмиттер ( В ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Тогда эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или Q-точка для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенное на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и вызывает обрезание верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Таким образом, для правильной цели усиления BJT смещен с помощью различных методов. Хотя существует много разных техник, но кратко обсуждаются лишь некоторые из них.

Fixed Bias

Для коллектора и основания используется один источник питания. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного напряжения постоянного тока (V cc ). Это зависит от выбора резистора таким образом, чтобы для точки Q был зафиксирован фиксированный и, следовательно, он был известен как с фиксированной конфигурацией .Значение резистора смещения можно найти по

(V cc -V ) / I b .

, где В = = 0,7 В для стандартных транзисторов и

I b = I c / β .

Fixed Biased Configuration Fixed Biased Configuration

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

  • Без эффекта загрузки: Нет эффекта загрузки.Где эффект загрузки может быть определен как влияние нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от снижения уровня напряжения источника напряжения.
  • Простая схема: Его схема очень проста, поскольку для нее требуется только один постоянный резистор RB.
  • Простой расчет: Метод расчета очень прост.
Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированной смещенной цепи, в которой внешнее сопротивление подключено к клемме эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, который обеспечивает отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В BB -V BE = I B R B + I E R0004 через RE установить I E ≈I c .

Цепь с фиксированным смещением с сопротивлением эмиттера

Fixed Bias with Emitter Configuration Fixed Bias with Emitter Configuration

Преимущества с фиксированным смещением с конфигурацией эмиттера
  • Без теплового разгона: Недостаток теплового прогона при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с конфигурацией сопротивления эмиттера.Тепловой убег можно определить как увеличение тока коллектора с увеличением температуры. Это вызывает самоуничтожение, потому что перегрузка по току вызывает перегрев.
  • Проблема этой конфигурации заключается в том, что она уменьшает усиление усилителя BJT. Эту проблему можно легко преодолеть, минуя сопротивление эмиттера.
Коллектор к смещению базы

Базовый резистор подключен к клемме коллектора в этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловое убегание, используя отрицательную обратную связь.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Смещающий резистор подключен между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Коллектор к базовому смещению является улучшенной техникой по сравнению с фиксированным смещением.

Эта конфигурация также известна как схема обратной связи смещения напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и на входе. Другими словами, часть вывода обратная связь с вводом. Так что отрицательная обратная связь существует в цепи.

Collector to Base Bias Collector to Base Bias

Если есть изменение в бета-версии из-за частичного изменения или повышения температуры в бета-версии и I co , то ток коллектора пытается еще больше увеличиться, вследствие чего падение напряжения на R с увеличивается.В результате V ce и I b уменьшаются. Следовательно, конечное значение значения I c коллектора поддерживается стабильным с помощью схемы, которая сохраняет точку Q фиксированной.

Эта схема также известна как Схема смещения обратной связи по напряжению , потому что R b появляется непосредственно через вход и выход в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает базовый ток.

Смещение делителя напряжения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R 1 и R 2 .Напряжение на R 2 вперед смещает эмиттерный переход. При правильном выборе R 1 и R 2 рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от бета-версии. Смещение потенциального делителя является наиболее популярным и используемым методом смещения транзистора. Излучающий диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R 2 .

R b = R 1 || R 2

В цепи смещения делителя напряжения значение R b равно параллельной комбинации R 1 и R 2 .

Цепь смещения делителя напряжения:

Voltage Divider Configuration of BJT Voltage Divider Configuration of BJT

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета: Основное преимущество цепи смещения делителя напряжения заключается в том, что транзистор больше не будет зависеть от бета , Причина состоит в том, что напряжения на клеммах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление излучателя R и обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания в бета-версии.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

  • Громоздкий: BJT громоздки, требуют больше места и, следовательно, очень редко используются в производстве интегральных микросхем (ИС).
  • Низкая частота переключения: его время переключения очень мало, что является еще одной причиной, по которой редко используется в IC . По сравнению с MOSFETs, частота очень низкая
  • Ток утечки: токи утечки с BJT достаточно, поэтому они не может быть использован для высокой частоты.
  • Термостабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термостабильность BJT очень низкая и это шумное устройство.
  • Тепловое убегание: BJT испытывает проблему теплового убегания, которая приводит к избыточному выделению тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку выделяемое тепло равно I 2 Итак, избыточный ток вызовет чрезмерное тепло, которое сожжет BJT.
  • Ранний эффект: Ток между эмиттером и коллектором регулируется током базы.Если базовая ширина смещается к нулю, известному как , через пробой , то соединение коллектора и эмиттера касается друг друга. После этого от эмиттера к коллектору начинает протекать огромный ток, который не может контролироваться базовым током. Это из-под контроля известно как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Повреждение радиатора у транзистора, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновной несущей уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере коэффициента усиления транзистора.

Транзистор

имеет номинальной мощности и обратного пробивного напряжения , выше которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может быть поврежден навсегда.

В случае обратного смещения, соединение эмиттер-база вызовет лавинного пробоя , что приведет к необратимому повреждению усиления тока транзистора с биполярным переходом.

Преимущества BJT

  • Большая полоса усиления: Полоса усиления — это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Усиление на частоте среза составляет 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза, соответственно, коэффициент усиления уменьшается, что неприменимо. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Таким образом, BJT имеет огромную полосу пропускания .
  • Низкое падение прямого напряжения: BJT имеют 0,6 В падения прямого напряжения, что является очень низким и довольно важным моментом. Эта точка имеет большое значение, потому что большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности в соответствии с P = VI . Это означает, что для одного и того же типа нагрузки устройство с высоким падением прямого напряжения вызовет ненужную потерю мощности.
  • Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить коэффициент усиления по току .
  • Длительный срок службы: BJT имеют относительно длительный срок эксплуатации. Устройство нагнетается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для преодоления этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться разные методы смещения.

Применение BJT

Вот некоторые из применений биполярного переходного транзистора;

  • Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть различных типов, таких как инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
  • Датчики температуры: Определение температуры является одним из других приложений BJT. Где это может быть найдено двумя напряжениями на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитается
  • Высокая способность вождения : У этого есть Высокая способность вождения. Для работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно соответственно.Но способность вождения отдельных устройств всегда учитывается.
  • Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, главным образом из-за задержки хранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, поэтому максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
  • Цифровой коммутатор : в семействе цифровой логики используется логика с эмиттерной связью, используемая в BJT в качестве цифрового коммутатора.
  • Цепь колебаний : Они предпочтительны в цепях колебаний.
  • Машинки для стрижки: BJT могут использоваться в цепях ограничения для изменения формы волн. Это может использоваться в качестве простого диода для цели ограничения, но проблема с диодом состоит в том, что диод не контролируется.
  • Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в цепях демодуляции и модуляции. BJT все еще используют в очень старой известной технике модуляции, известной как « амплитудная модуляция ».
  • Схемы обнаружения : BJT могут использоваться в схемах обнаружения. BJT может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
  • Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда оно используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. такие как в аудио усилителях, эти крошечные компоненты усиливают очень низкий звуковой сигнал до слышимого диапазона.
  • Электронные выключатели: Может использоваться в качестве электронного выключателя.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока и превращения в переменный ток.
  • Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Тем не менее, эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Как BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Похожие сообщения:

.
BJT Параметры
BJT Параметры
ESP Logo
верхний Параметры биполярного переходного устройства
Elliott Sound Products

Copyright © 2018 — Rod Elliott (ESP)
Страница создана в декабре 2018 г.
Обновлено февраль 2020 г. (Переключающие транзисторы)


ESP Logo Предметный указатель
ESP Logo Главный указатель

Содержание
Введение

В транзисторах есть много вещей, которые путают новичка и совсем не новичка.Некоторые схемы просты и не требуют намного большего, чем закон Ома, в то время как другие кажутся намного сложнее. Как это ни парадоксально, но часто схемы, которые кажутся самыми простыми, вызывают наибольшее количество проблем. Прекрасным примером является схема усилителя BJT, использующая только один транзистор и пару резисторов (как показано на рисунке 1). Несмотря на то, что эта топология в большинстве случаев легко преодолевается даже самым пешеходным операционным усилителем, она предлагает довольно простой способ определения параметров транзистора. Есть даже приложения, где это полезно, особенно когда в схеме нет операционных усилителей, и вам нужна ступень усиления.

Требуется всего несколько простых вычислений, чтобы определить коэффициент усиления постоянного тока (также известный как β / h FE ), с тем преимуществом, что вы можете установить фактические рабочие условия транзистора при настройке теста. Это полезный инструмент, который поможет вам понять, как функционирует транзистор, и его легко адаптировать к задаче подбора устройств, если это то, что вам нужно сделать. Хотя большинству микросхем не требуются согласованные устройства, в некоторых случаях это повышает производительность.

В схемах, показанных ниже, был выбран конденсатор входной связи, чтобы дать низкочастотную частоту -3 дБ около 10 Гц.Это не является частью процесса определения характеристик постоянного тока, а необходимо только для измерения характеристик переменного тока. Хотя это и не требуется, я ожидаю, что большинство читателей захотят проводить тесты переменного тока, и они информативны (даже если на самом деле не очень полезны). Если ничего другого, тест переменного тока, который включает измерения искажения, полезен, чтобы определить полную линейность — действительно линейная цепь не вносит искажения.

Транзистор может находиться в одном из трех возможных состояний: отключенное (мало или нет тока коллектора), активное (или «линейное») и насыщенное (напряжение коллектора на минимально возможном уровне).Для усиления нам нужно находиться в активной области. Обрезанные и насыщенные области важны только в коммутационных цепях. В этих случаях общепринято, что базовый ток должен составлять около 1/10 тока коллектора, независимо от β транзистора. Это означает, что почти любой транзистор будет работать, если он рассчитан на ток и напряжение, используемые в цепи. Хотя часто задают вопросы о заменах, если вы знаете эти основные факты, вы можете сами решить, что будет (или не будет) работать.


1 — Определение характеристик

Пока мы будем игнорировать характеристики переменного тока и просто изучим требования к смещению. Схема показана ниже, и ее было бы довольно легко проанализировать, потому что она очень проста. Однако внешность обманчива. Не требуется много предварительных знаний, чтобы определить, что схема на рисунке 1 будет в активной области. Вам нужно только посмотреть на значения резисторов в коллекторе и базовых цепях. Поскольку R2 в 24 раза больше значения R1, из этого следует, что базовый ток будет в более или менее одинаковом соотношении.Если транзистор имеет β около 250 (что не редкость), схема должна смещаться в направлении центра диапазона питания (то есть где-то между 5 В и 7 В).


Рисунок 1 — Смещение обратной связи коллектор-база

Проблема анализа заключается в слове «обратная связь». Что бы ни происходило на коллекторе, оно отражается обратно на базу, поэтому напряжение на коллекторе зависит от тока на базе, которое, в свою очередь, зависит от … напряжения на коллекторе! Транзистор h FE меняет соотношение между коллектором и базой, и, не зная заранее одного из параметров, просто невозможно предсказать, что именно будет делать схема.

Будет ли напряжение на коллекторе равным или близким к напряжению питания (отключено), заземлению (насыщено) или где-то посередине (активно)? Единственное, что мы знаем наверняка, — это то, что он будет где-то посередине между двумя крайностями. При условии, что транзистор функционирует (это должно быть задано), напряжение коллектора не может упасть до нуля и не может достичь напряжения питания. В первом случае базе всегда требуется некоторый ток для проведения транзистора, а во втором случае, если транзистор имеет ток базы, он должен потреблять ток коллектора.Поэтому на резисторе коллектора всегда должно быть некоторое напряжение (пусть и небольшое).

Даже знание усиления транзистора не очень помогает, потому что процесс итеративный. Вам нужно будет сделать предположение о напряжении коллектора и выполнить несколько вычислений, чтобы увидеть, дал ли он разумный ответ, а затем скорректировать свое предположение вверх или вниз, в зависимости от ситуации, пока не получите окончательную цифру. Намного проще построить (или смоделировать) схему, чем попытаться угадать (несколько нелинейную) сеть обратной связи.

Обычно можно предположить, что напряжение коллектора будет примерно вдвое меньше напряжения питания для транзисторной цепи, которая предназначена для линейного усилителя. Конечно, могут быть исключения, и фактическое напряжение на коллекторе может сильно отличаться от вашего первого предположения. Посмотрите на рисунок 1 еще раз и примите β 240 для Q1 (на основе отношений между R1 и R2). Это означает, что его базовый ток составляет 1/240 от тока коллектора. Поскольку R1 (резистор коллектора) составляет около 6 В, ток должен быть около 6 мА.Это означает, что базовый ток может быть оценен в 25 мкА. Напряжение на R2 (коллектор к базе) может быть рассчитано по закону Ома (но мы будем игнорировать напряжение база-эмиттер) …

V = I × R = 25 мкА × 240 к = 6 В

Если бы это было ваше первое предположение, вы были бы очень близки! Ваша первоначальная оценка может оказаться невозможной, если вы недооцените усиление, потому что мы знаем, что напряжение на R2 может быть не более Vce-Vbe (около 5,3 В). Например, если ваше первое предположение при усилении было 150, напряжение на R2 было бы слишком высоким (около 9.6 В при 40 мкА). Если вам не нужно точное определение (которое ни нужно, ни полезно), это на самом деле достаточно близко! Я знаю, что на первый взгляд это может показаться не так, но учтите, что в производстве транзисторы одного и того же базового типа имеют коэффициент усиления, который означает, что ни один из двух транзисторов не может гарантировать одинаковые результаты.

Важно то, что большая точность не имеет значения. Если схема спроектирована правильно (и на самом деле это трудно сделать «неправильно» с этой конкретной топологией схемы), она будет работать так, как задумано, почти независимо от используемого транзистора.Никогда не следует ожидать, что схема, подобная показанной, будет иметь выход переменного тока более чем от 500 мВ до 1 В RMS, а ее искажение должно оставаться ниже 1%.


2 — Согласующий транзистор

Может быть не очевидно, что схема, показанная на рисунке 1, может быть чрезвычайно полезной . Хотя это не будет усилитель, но он позволяет очень точно согласовать транзисторы. Прежде всего необходимо определить ожидаемый ток коллектора, и знание напряжения базы коллектора, которое будет применяться в цепи, требующей согласованных устройств, также может помочь.Например, усилитель мощности может использовать рельсы питания ± 35 В, а входной каскад может работать с общим током 4 мА (установленным током «хвостовой части» длиннохвостой пары). Однако вам не нужно предоставлять полное напряжение на базе коллектора, которое в конечном итоге будет использоваться.

Теперь вы знаете, что ток через каждый транзистор должен составлять 2 мА. Блок питания 20 В подходит для большинства тестов, и хорошие результаты можно получить при более низком напряжении. Основываясь на спецификации транзистора, вы можете получить разумную начальную оценку h FE и использовать резистор коллектора, который снизится примерно на 2 В при 2 мА (1 кОм).Затем выберите соответствующий резистор на базе коллектора или чит-код и используйте резистор 1 МОм, последовательно подключенный к корпусу 1 МОм. Транзистор должен быть установлен в три гнезда для микросхемы или использовать макет без припоя. Например, если используемые транзисторы имеют значение h FE , равное 200, то вы знаете, что сопротивление должно составлять около 1,72 МОм.

После того, как вы установили уставку, которая падает на 2 В на резисторе 1 кОм, ток составляет 2 мА. Затем просто установите транзисторы, пока не найдете пару с одинаковым падением напряжения на сопротивлении коллектора и одинаковым напряжением базы-эмиттера.Неизбежно будет небольшое расхождение, потому что найти два, которые являются идентичными , маловероятно, но если они находятся в пределах (скажем) 5% друг от друга, то это вполне приемлемо. При установке на печатной плате два транзистора должны быть термически связаны, и это гарантирует, что тепловые изменения одинаково влияют на оба устройства.


3 — AC Performance

При моделировании с тремя различными типами транзисторов (2N2222, BC547 и 2N3904) выходное напряжение переменного тока составляет 161 мВ, 170 мВ и 132 мВ (среднеквадратическое значение) для входа 1 мВ от источника 50 Ом.Отклонение от наивысшего к наименьшему усилению составляет всего лишь долю от 2 дБ, а это или различных устройств. Учебно смотреть на их таблицы данных, чтобы увидеть, насколько они разные, но все они работают почти так же хорошо, как и другие, не меняя схемы. 2N3904 обладает меньшим усилением, но два других работают почти одинаково. Искажение — это не то, что нужно, но это ожидается от этапа с высоким коэффициентом усиления без обратной связи.

Обратите внимание, что одноступенчатый усилитель, такой как , инвертирует , и не имеет значения, используете ли вы клапан (вакуумная трубка), BJT, JFET или MOSFET.При работе с заземленным излучателем, катодом или источником все устройства являются инвертирующими. Положительный входной сигнал вызывает отрицательный выходной сигнал и наоборот.


Рисунок 2 — Смещение обратной связи на основе коллектора (измерения переменного тока)

Заманчиво думать, что усиление переменного тока транзисторной ступени определяется усилением постоянного тока (β или h FE ). Это совсем не так, хотя оба связаны. Транзистор функционирует как преобразователь тока в ток, где малый ток на базе контролирует больший ток в коллекторе (и эмиттере).Хотя это описывает действия, которые происходят внутри самого устройства, мы склонны прилагать большую часть наших усилий к усилителям напряжения . Однако одно не существует без другого.

Например, мы можем легко вычислить, что β 2N3904 составляет около 200, но если коллектор питается от очень высокого импеданса, мы можем довольно легко получить усиление переменного тока более 3300. Эта техника удивительно распространена, и она используется почти во всех усилителях мощности в качестве каскада «усилитель класса A» (он же VAS — «усилитель напряжения»).Коллектор питается от источника постоянного тока. Это обеспечивает желаемый ток, но с исключительно высоким сопротивлением. («Идеальный» источник тока имеет бесконечный выходной импеданс.)

Я сказал выше, что схемы, показанные здесь, включают обратную связь. Это может быть не сразу очевидно, но R2 (коллектор на базу) является резистором обратной связи. Обратная связь отрицательна, поэтому, если напряжение коллектора пытается возрасти, доступно большее базовое напряжение (через R2), и транзистор включается немного сильнее, пытаясь поддерживать стабильное напряжение коллектора.Эта обратная связь действует как на сигналы переменного, так и постоянного тока, а входное сопротивление очень низкое. Фактически входной импеданс в показанной схеме составляет менее 1 кОм (в диапазоне от 650 до 750 Ом), что делает его полезным только для источников с низким импедансом. Это одна из многих разных причин того, что показанная схема не является общей — очень низкий входной импеданс, схемы с высоким искажением обычно не считаются полезными для большинства аудио приложений.

Не то чтобы это мешало использовать его обратно, когда транзисторы были дорогими и все еще находились в процессе понимания большинством проектировщиков.Однако даже тогда он использовался только для «нетребовательных» приложений, где его ограничения не были бы замечены. Сегодня большинство людей не будут беспокоиться, потому что есть операционные усилители, которые настолько дешевы, гибки и точны, что нет смысла использовать непредсказуемый канал с таким количеством ограничений.


4 — Измеренные результаты

Просто для удовольствия я настроил схему выше, точно так, как показано на рисунке. Питание было 12 В постоянного тока, и я использовал несколько транзисторов. Большинство из них были BC546 (показаны только 4 результата теста), но от двух разных производителей, и я также протестировал несколько устройств BC550C.Я даже протестировал BC550C с обращенными эмиттером и коллектором (в конце концов, они — это биполярные транзисторы). Результаты измерений показаны в таблице (я не измерял искажения). Напряжение базового эмиттера (Vbe) было около 680 мВ для тестов BC546, но оно не измерялось для BC550.

В CE (DC) ч FE (рассчитано) Выход переменного тока (RMS) Усиление переменного тока
BC546
5.94 В 276 1,52 В 152
5,80 В 291 1,52 В 152
5,77 В 293 1,52 В 152
7,20 В 177 1,24 В 124 (-1,8 дБ)
BC550C
4,36 В 498 2,04 В 204
4.31 В 508 2,04 В 204
3,65 В 675 2,12 В 212 (+0,3 дБ)
4,83 В 414 1,92 В 192 (-0,5 дБ)
BC550C Реверс!
8,39 В 112 255 мВ 25,5
Таблица 1 — Измеренные характеристики постоянного и переменного тока

Результаты интересные.Совершенно очевидно, что когда измеряется низкое напряжение на коллекторе, транзистор имеет высокое (постоянное) усиление и наоборот. Что не так очевидно, так это причина изменения выходного напряжения переменного тока на входе среднеквадратичного значения 10 мВ, поступающего от генератора на 50 Ом. Точно так же несколько транзисторов показывают одинаковое усиление напряжения, даже если очевидно, что их h FE отличается. Можно ожидать, что усиление напряжения переменного тока будет связано с транзистором h FE , но это, очевидно, более сложный процесс.

Частично причина этого заключается в собственном сопротивлении излучателя « r e » (широко известном как «little r e»), которое составляет примерно 26 / Ie (в миллиамперах). Если ток эмиттера составляет 2,6 мА, то значение или равно 10 Ом. Это не точная цифра, но обычно она достаточно близка для грубых вычислений. Поскольку он изменяется с током эмиттера, из этого следует, что коэффициент усиления по напряжению также изменяется вместе с током эмиттера, поэтому коэффициент усиления отличается для положительного входного сигнала (который увеличивает Ie) и отрицательного входного напряжения (которое уменьшает Ie).В результате r e изменяется с уровнем сигнала, вызывая искажения. Стоит также отметить, что тест с «настоящими» транзисторами и симуляция дают ответы, которые на удивление близки.

Многие ранние аудио конструкции использовали сравнительно высокие напряжения питания, чтобы минимизировать изменение r e за счет уменьшения изменения тока для данного выходного напряжения. Большая часть этого стала ненужной, когда более усовершенствованные схемы с высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура и отрицательной обратной связью заменили простые транзисторные каскады.Они подробно описаны в статье Альтернативы Opamp.

Конечным результатом всего этого является то, что вы можете определить параметры транзистора, установив его в схему, подобную показанной здесь. Вам не нужен тестер транзисторов, и результаты, которые вы получите, будут настолько точными, насколько вам когда-либо понадобится. Это базовый анализ цепей, и он поможет вам понять более сложные схемы и оценить ценность основных математических функций. В основном, вам нужно немного больше, чем закон Ома, чтобы определить характеристики транзистора.

Основным параметром (и тем, который, как кажется, интересует большинство людей), является усиление постоянного тока — h FE или β. Вам нужно только два показания напряжения, чтобы определить усиление (при условии, что напряжение питания фиксированное и известное значение, например, 12 В). Измерьте напряжение на коллекторе и базе, с общей точкой, являющейся эмиттером (это , в конце концов, — стадия с общим эмиттером). Теперь у вас есть все, что вам нужно для отработки выигрыша.

Сначала определим ток коллектора, Ic.Это устанавливается напряжением на R1, которое составляет Vcc — Vce (для этого примера предположим, что Vcc составляет 12 В). Затем отработайте токосъемник. Я буду использовать Vce 6 В, но это редко будет ровно половина напряжения питания.

Ic = (Vcc — Vce) / R1
Ic = (12 — 6) / 1k = 6 мА

Теперь вы измеряете базовое напряжение и определяете ток через R2 (240 кОм). Для примера возьмем 0,68 В. Ток в R2 является базовым током.

Ib = (Vce — Vb) / R2
Ib = (6 — 0.68) / 240k = 22,17 мкА
Усиление

— это просто Ic / Ib, равно как и 6 мА / 22,17 мкА, что составляет 270. Это усиление постоянного тока транзистора. Да, это более утомительно, чем чтение из тестера транзисторов, но это точная цифра, полученная в тестируемой цепи. Он будет меняться в зависимости от температуры и тока коллектора, поэтому в данном конкретном случае применяется только , только . В конечном счете, точная цифра не особенно полезна. Это даже не очень полезно как «показатель качества», потому что усиление переменного напряжения схемы не сильно меняется, даже если h FE отличается.

Вы можете использовать такую ​​схему для согласования транзисторов, как описано в разделе 2, если это важно для схемы, которую вы строите. Обратите внимание, что Vbe по-прежнему является переменной, и это должно соответствовать независимо от h FE .


5 — стабилизация напряжения

В большинстве случаев требуется определенный коэффициент усиления, и это достигается добавлением другого резистора. На рисунке ниже я добавил резистор эмиттера на 100 Ом. Коэффициент усиления теперь определяется отношением R1 к R3 плюс к (внутреннее базовое сопротивление).С показанными 100 Ом, теоретическое усиление составляет около 9,57, но это не совсем так, потому что транзистор имеет конечное усиление, поэтому обратная связь не может дать точный результат. Тем не менее, это не так уж плохо, и гораздо более предсказуемо, чем можно было ожидать в противном случае.


Рисунок 3 — Резистор эмиттера стабилизирует усиление

Как видно из рисунков, в идеале схемы должны быть смещены, чтобы получить напряжение коллектора, близкое к 6,5 В (на резисторе эмиттера небольшое падение напряжения).Однако, даже с одной и той же партией очень разных транзисторов, изменение усиления между самым высоким и самым низким усилением теперь составляет всего 0,15 дБ. Искажение также уменьшается, но , а не в том же соотношении, что и уменьшение усиления. Добавление резистора эмиттера называется вырождением эмиттера, и это не то же самое, что отрицательная обратная связь. Это эффективно для стабилизации усиления (например), но не уменьшает искажения, а также «истинную» отрицательную обратную связь. Шум от R3 фактически усиливается этой схемой и всеми подобными устройствами, поэтому, несмотря на уменьшение усиления, шум не будет уменьшен пропорционально.

Не сразу видно, что входной импеданс намного выше и составляет более 11 кОм для каждого моделируемого транзистора. Входной импеданс (очень приблизительно) определяется сопротивлением эмиттера (как внутренним, так и внешним), умноженным на коэффициент усиления постоянного тока. Однако на него также влияет отрицательная обратная связь через R2, так что это не простой расчет.

Коэффициент усиления дополнительно уменьшается при добавлении внешней нагрузки, поскольку она эффективно параллельна резистору коллектора (R1).Выходной импеданс (почти) равен значению R1. Это на самом деле чуть меньше из-за отрицательной обратной связи через R2 (около 990 Ом, как смоделировано). Вырождение излучателя не влияет на выходное сопротивление, в отличие от отрицательной обратной связи, которая уменьшает его пропорционально отношению обратной связи.

Я измерил искажения как с резистором эмиттера, так и без него. При уровне сигнала всего около 230 мВ без R3 искажение составило 2,5%. Когда R3 был включен. усиление упало до 9, и даже при выходной мощности 900 мВ искажение было «всего» 0.25%. Хотя это выглядит довольно значительным улучшением, учтите, что ни один из операционных усилителей не имеет такого большого искажения на любом уровне выходного сигнала. Стоит также отметить, что симулятор на удивление хорошо оценивает искажение — для тех же условий симулятор требовал около 0,24%, что очень близко к измеренному значению.


6 — Ранний эффект

Ранний эффект назван в честь его первооткрывателя Джеймса Раннего. Это вызвано изменением эффективной ширины основания в BJT, из-за изменения приложенного основания к коллекторному напряжению.Помните, что при нормальной работе соединение база-коллектор имеет обратное смещение, поэтому обратное смещение , большее , через это соединение увеличивает ширину истощения коллектор-база. Это уменьшает ширину несущей части заряда базы, и коэффициент усиления транзистора увеличивается.

Ранний эффект транзистора оказывает некоторое влияние на производительность (для переменного и постоянного тока). При напряжении коллектора 5 В усиление почти точно равно 200 (как смоделировано, Ib = 20 мкА), и оно увеличивается до 215 при 10 В, а при 50 В оно увеличивается до 317.Как видно из графика, наклон довольно линейный. Отсюда следует, что с изменением напряжения на коллекторе изменяется и эффективная величина h FE . Графики показаны для трех разных базовых токов — 15 мкА, 20 мкА и 25 мкА (схема показывает только источник тока 20 мкА). Ток коллектора ниже 2 мА (при напряжении коллектора менее 500 мВ) не показан, поскольку здесь он не имеет значения. Форма сигнала переменного тока не включена в тестовую схему или график. Примечательно, что даже при напряжении коллектора 500 мВ транзистор работает нормально.


Рисунок 4 — Схема проверки раннего эффекта (2N2222)

Существует также изменение r e при изменении тока коллектора, но я не пытался определить это количественно в показанных тестах (это становится актуальным только тогда, когда ожидается увеличение напряжения при напряжении ). Нагрузочный резистор коллектора не используется, поскольку базовый ток поддерживается на постоянном (и очень низком) значении. Во всем диапазоне, показанном ниже, усиление переменного тока изменяется примерно в 1,6: 1 для диапазона тока, показанного на рисунке 5, и при напряжении коллектора от 1 до 50 В.Усиление переменного напряжения практически прямо пропорционально току коллектора. Хотя это не показано в тестовой схеме или графике, было измерено усиление переменного тока. При подаче сигнала 1 мкА (пиковый) в базу усиление переменного тока изменяется от низкого уровня около 110 при токе коллектора 4 мА до 165 при токе коллектора 6,5 мА. Усиление напряжения не имеет отношения к этому тесту, потому что контролируется только ток.


Рисунок 5 — Ранний эффект (2N2222)

Хотя взгляд на ранний эффект является интересным наблюдением, он не особенно полезен для простых этапов усиления.В более сложных схемах (особенно в линейных микросхемах) обычно поддерживается постоянное напряжение на коллекторе транзистора. Это можно увидеть на входном каскаде большинства усилителей мощности, например, где на входном каскаде вырабатывается значительная часть полного усиления схемы. Когда для входа используется длиннохвостая пара, напряжение на коллекторе входных транзисторов не сильно изменяется (если вообще изменяется), поэтому колебания усиления из-за напряжения на базе коллектора сводятся к минимуму — но только при использовании в инвертирующей конфигурации.

Это , а не , если операционный усилитель работает в неинвертирующем режиме. Следовательно, для усилителя с единичным усилением напряжение между коллектором и базой может варьироваться от примерно 28 В (пиковый отрицательный вход) до всего лишь 2 В (пиковый положительный вход). Эта модуляция напряжения может привести к тому, что коэффициент усиления входных транзисторов изменится на ± 10% или более из-за раннего эффекта (хотя это, вероятно, не единственная причина повышенного искажения). Более высокое искажение в неинвертирующей конфигурации является хорошо известным явлением для операционных усилителей, хотя в компетентных устройствах любое искажение, которое составляет и , остается значительно ниже порога слышимости.Некоторые устройства имеют настолько низкое искажение, что практически невозможно измерить его, независимо от топологии.

Стоит также отметить, что если для переключения используется транзистор, вам необходимо подавать гораздо больший базовый ток, чем вы считаете достаточным. Это связано с тем, что при очень низких напряжениях на коллекторе коэффициент усиления по току на транзисторе намного ниже, чем на рисунке. «Общепринятым» является обеспечение того, чтобы базовый ток для коммутирующей цепи составлял примерно 1/10 -го тока коллектора, хотя при низком токе часто можно избежать этого.Для показанного 2N2222, если ток коммутируемого коллектора составляет 50 мА, вы должны обеспечить базовый ток около 5 мА, чтобы гарантировать, что напряжение коллектора во включенном состоянии составляет не более 100 мВ. В спецификации утверждается, что напряжение насыщения (транзистор полностью включен) составляет 300 мВ, с током коллектора 150 мА и током базы 15 мА. Это указывает на h FE , равное всего 10, для получения полного насыщения. Таблица данных только уводит вас, и вы должны запустить свои собственные тесты, чтобы получить реалистичные цифры. Важно проверить несколько устройств — тест, основанный на одном транзисторе, не показывает вероятные результаты для разных устройств, даже если они все из одной партии.


7 — Транзисторы с переключением

Раньше BJT были преобладающей технологией для переключения в цифровых системах (TTL — транзисторно-транзисторная логика). В то время как КМОП (комплементарные металлооксидные полупроводниковые) устройства в настоящее время занимают львиную долю в цифровых цепях, транзисторные переключатели остаются очень распространенными. Для высокой мощности мы склонны думать о полевых МОП-транзисторах как о наиболее распространенном переключателе, но IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) в настоящее время являются лучшим вариантом для приложений с высоким напряжением и током.

Транзисторы, используемые в коммутационных системах, не работают в линейном режиме — это для усилителей. Транзистор либо выключен (ток коллектора отсутствует, кроме крошечного тока утечки, который почти всегда можно игнорировать), либо он полностью включен в состоянии, известном как насыщение. Бета (или h FE ) важна только для того, чтобы позволить разработчику определить, какой базовый ток необходим для принудительного насыщения. Все коммутационные системы будут подвергаться большему, чем ожидалось, рассеянию в момент их включения или выключения.Это потому, что переходы не являются мгновенными. В основном это не проблема, но она может стать важной, если сигнал переключения (управляющий транзистором) имеет медленные переходы. Если в активной области тратится слишком много времени (между «вкл» и «выкл»), пиковая диссипация может быть намного выше, чем ожидалось.

Транзисторные переключатели

очень распространены для включения светодиодов и реле, а также для многих других простых задач коммутации. Транзисторы NPN или PNP могут использоваться в зависимости от полярности, и многие простые схемы в большой степени зависят от BJT в качестве переключателей.Есть несколько сюрпризов, и обычно схемы легко рассчитать, чтобы получить соответствующий базовый ток, соответствующий нагрузке. Следующая схема распространена в проектах из бесчисленных источников, а также используется для переключения реле с выходов микроконтроллера (часто только 3,3 В при довольно низком токе).


Рисунок 6 — Базовая схема переключения

Нагрузка показана в виде реле, но она также может быть вентилятором постоянного тока, светодиодом или небольшой лампой накаливания. Мы будем знать напряжение питания и (обычно) ток нагрузки.Используя пример реле, если катушка имеет сопротивление 250 Ом и рассчитана на 12 В, мы можем определить ток по закону Ома (48 мА). Если мы используем микроконтроллер с выходами 3,3 В, нам нужно знать только усиление «худшего случая» (h FE ) для транзистора, чтобы определить значение R b . Если Q1 — BC546, мы можем взглянуть на таблицу данных и увидеть, что он может выдерживать 65 В (V CEO при напряжении до 100 мА. Минимальное значение h FE составляет 110, поэтому для управления реле базовый ток должен быть по крайней мере, вдвое меньше минимально допустимого.При нагрузке 48 мА базовый ток не будет превышать 436 мкА, поэтому мы допустим 2 мА.

Поскольку напряжение базового эмиттера будет равно 0,7 В, а у нас есть напряжение питания «3,3 В» от микроэлемента, закон Ома говорит нам, что значение R b должно быть 1,3 кОм (2,6 В при 2 мА). Мы будем использовать ближайшее стандартное значение 1.2k для удобства. Это простое упражнение демонстрирует, как легко определить значения, необходимые для 100% надежной работы. Любое другое приложение переключения так же просто.

Одна из интересных особенностей простых транзисторных переключателей (в отличие от пар Дарлингтона или Шиклая) заключается в том, что напряжение коллектор-эмиттер упадет до нескольких милливольт. Вы можете ожидать, что напряжение коллектора будет основано на напряжении базового эмиттера, но это не так. При описанных значениях V CE будет около 110 мВ, но при увеличении базового тока он будет падать еще больше. Даже как показано, мощность, рассеиваемая в Q1, составляет всего 5,28 мВт, что незначительно.

Конечно, это не всегда так, потому что транзистор имеет конечное время переключения, а наихудший случай — когда он «наполовину включен» (т.е.е. напряжение коллектора 6В, как идет высокая или низкая). В показанной схеме нагрузка будет 24 мА при напряжении коллектора 6 В, поэтому пиковое рассеивание составляет 144 мВт. Это очень удобно меньше, чем максимальное непрерывного рассеяния (500 мВт), и нам не нужно ничего менять. 144 мВт — это переходное состояние, и обычно оно длится менее 100 мкс, если вход переключается достаточно быстро.

Точно такой же набор простых расчетов можно использовать для любой схемы переключения транзисторов.Эти схемы очень просты в разработке, но для обеспечения надежности необходимо выполнить все шаги. Если реле должно быть заменено вентилятором, потребляющим 200 мА, то в техническом описании говорится, что BC546 нельзя использовать (максимум 100 мА), и для выбранного транзистора потребуется больший базовый ток. BC639 может справляться с рассеянием тока в наихудшем случае. Тем не менее, минимальное усиление (в соответствии с таблицей данных) составляет всего 40, поэтому вам понадобится не менее 5 мА базового тока, но предпочтительно 10 мА. Это может быть больше, чем может предоставить микроконтроллер (или другой источник), и я оставляю читателю в качестве упражнения выработать способ достижения желаемых результатов.

Помните, что для переключения необходимо подавать , как минимум, на , в два раза больше ожидаемого базового тока, и обычно для обеспечения полного насыщения транзисторного переключателя требуется в десять раз больше. Коммутационные цепи BJT становятся менее привлекательными при очень высоком токе, потому что базовый ток эффективно «теряется». Он не влияет на ток нагрузки и является просто другой частью цепи, которая должна питаться от источника питания. Использование транзистора Дарлингтона является (или использовалось) обычным делом, поскольку h FE очень высок (до 1 кОм), поэтому для насыщения требуется гораздо меньший базовый ток. Однако, , Дарлингтон не может снизить напряжение на своем коллекторе ниже 700 мВ, а при высоком токе он может достигать 3 В.

Например, TIP141 рассчитан на ток коллектора 10А, а усиление 1000 на 5А. Напряжение насыщения с током коллектора 5А и базовым током 10 мА составляет 2 В, поэтому оно рассеивает 10 Вт, даже если его вводить в насыщение. Это потерянная мощность, которая должна предоставляться источником, но не может использоваться нагрузкой. Время переключения также довольно медленное, поэтому высокая скорость работы не рекомендуется.Транзистор должен быть установлен на радиаторе для поддержания безопасной рабочей температуры.

Это одна из многих причин, по которой полевые МОП-транзисторы предпочтительны для коммутации с высоким током. Современный МОП-транзистор может иметь сопротивление включения (R DS-on ), возможно, 40 мОм, а при нагрузке 5 А напряжение на устройстве будет составлять всего 200 мВ, рассеивая 1 Вт. Ток затвора в установившемся режиме равен нулю, но должен быть достаточно высоким во время переключения (до 2 А или около того, в зависимости от скорости переключения).Однако этот высокий ток длится только в течение очень короткого периода, обычно значительно ниже 100 мкс. Пиковая рассеиваемая мощность (во время переключения) может составлять до 15 Вт в описанной схеме, но в среднем она будет меньше 600 мВт. Сравните это с рассеиванием 10 Вт для транзистора Дарлингтона, и легко понять, почему МОП-транзисторы стали выбором № 1 для переключения. При таком низком суммарном рассеянии небольшого сечения плоскости печатной платы обычно достаточно в качестве радиатора!


Выводы

Главное здесь — продемонстрировать основы очень базового смещения транзистора и узнать, как много можно извлечь из некоторых простых наблюдений.Хотя я настоятельно рекомендую собрать и протестировать его, я рекомендую против , используя if для чего-либо. Его можно использовать для согласования, но основная цель — узнать, как работает транзистор в цепи. Фактическая топология не имеет значения, если речь идет о транзисторе. Он может выполнять только одну задачу — преобразовать небольшой базовый ток в гораздо больший ток коллектора. Создавая его, вы узнаете, что он делает на самом фундаментальном уровне.

Также поучительно посмотреть на характеристики переменного тока.В частности, обратите внимание, что вырождение излучателя (или «локальная обратная связь») не так эффективно для уменьшения искажений по сравнению с «истинной» отрицательной обратной связью. В то время как два показанных теста показывают, что усиление переменного тока уменьшается примерно в 17 раз (усиление напряжения снижается с 160 до 9,3), искажения уменьшаются менее чем в 6 раз. При отрицательной обратной связи улучшение примерно пропорционально уменьшение усиления разомкнутого контура. Не менее важно, что отрицательная обратная связь также уменьшает шум , тогда как вырождение излучателя часто ухудшает его.

Ни в одну из вышеперечисленных не включена какая-либо попытка количественно оценить коэффициент отклонения питания (PSRR) цепей. Это мера того, насколько хорошо схема может ослабить шум источника, пульсации и т. Д. Он не был включен по одной простой причине — он настолько плох, что это означает, что регулируемый (или очень хорошо сглаженный) источник питания необходим. Напряжение на шине питания должно быть полностью свободным от каких-либо шумов, потому что 50% от всех всех помех питания заканчиваются на выходе.

Транзисторы намного более линейны, чем обычно считается, если напряжение и / или ток коллектора не изменяются.Это невозможно в реальной цепи, но большинство входных каскадов усилителя мощности и операционного усилителя работают с почти постоянным напряжением, и изменяется только ток. Ситуация меняется на каскаде усилителя класса A (он же VAS — каскад усилителя напряжения), но он всегда работает с постоянным током (близким к нему), и на этот раз меняется только напряжение. Большинство входных каскадов усилителя мощности и операционного усилителя обеспечивают значительный коэффициент усиления и работают только с небольшими (часто пренебрежимо малыми) изменениями напряжения из-за сигнала, а также с очень небольшими изменениями тока.При принудительной работе в широком диапазоне напряжений синфазное входное напряжение значительно изменяется, что приводит к более высоким искажениям (синфазному искажению).

Выполнение тестов, подобных описанным здесь, важно не только для вашего собственного понимания, но и для обеспечения согласованности результатов, если цепь будет построена другими (возможно, как проект). Например, все проекты, опубликованные на веб-сайте ESP, учитывают обычные варианты транзисторов. Поскольку мы знаем, что никакие два компонента никогда не будут идентичны, проектировщик должен учитывать типичное распределение параметров частей, полученных конструкторами.Если бы это было не так, многие проекты ESP не сработали бы!

Обратите внимание, что крики «Я знал это — JFET (или клапаны / вакуумные трубки) звучат лучше!» неуместны, потому что их искажения, как правило, выше, чем BJT, и существуют различные нелинейные эффекты. Нет сомнений в том, что JFET (и, в меньшей степени, IMO, клапаны) имеют свое место в схемотехнике (в том числе внутри операционных усилителей), но «превосходное» качество звука не является их достоинством. Нельзя сказать, что входные операционные усилители JFET звучат «плохо» на любом отрезке — есть несколько таких операционных усилителей, которые имеют отличные характеристики (и качество звука).Каждое известное усилительное устройство нелинейно, и только причины (и способы устранения) различны. Использование клапанов в схемах с очень низким искажением обычно обеспечивает производительность, которая даже близко не подходит к приличному операционному усилителю.

Коммутационные цепи остаются очень распространенными, и для работы с низким током BJT трудно победить. Ток базы низкий, и его можно получить из низкого напряжения. Если у вас есть доступное напряжение более ~ 1,5 В, легко создать надежный коммутатор, который может работать с напряжением до 100 мА.Процесс проектирования прост, и результат обычно очень надежен, если дизайн оптимизирован.


Рекомендации

Эта статья была частично вдохновлена ​​Гарри Пауэллом (доцентом и доцентом для программ бакалавриата) из UVA (Университет Вирджинии) и основана (частично) на лаборатории «Основы 2» в области электротехники и вычислительной техники. Оригинал озаглавлен «Лаборатории ECE 2660 для модуля 6». Материал был передан благодаря тому, что Гарри увидел статью, описывающую постоянный ток коллектора h FE Тестер для транзисторов — проект 177.

  1. Ранний эффект (Википедия)
  2. Проектирование с низким уровнем искажений с помощью высокоскоростных операционных усилителей (Джеймс Л. Карки — Texas Instruments SLYT113)

Других ссылок нет, поскольку показанные методы довольно распространены, и представленные данные были результатами моделирования и экспериментов на рабочем месте для проверки результатов.



Index Главный указатель
Articles Предметный указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь всеми текстами и диаграммами, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиота и защищена авторским правом © 2005. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает делать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Rod Elliott.

Страница создана и защищена авторским правом © Dec 2018./ Обновлено февраль 2020 — добавлены переключающие транзисторы.


.

% PDF-1.2 % 1269 0 объектов > endobj Xref 1269 125 0000000016 00000 n 0000002875 00000 n 0000003052 00000 n 0000003193 00000 n 0000006435 00000 n 0000006597 00000 n 0000006666 00000 n 0000006766 00000 n 0000006922 00000 n 0000007088 00000 n 0000007263 00000 n 0000007391 00000 n 0000007583 00000 n 0000007694 00000 n 0000007810 00000 n 0000007939 00000 n 0000008062 00000 n 0000008192 00000 n 0000008319 00000 n 0000008456 00000 n 0000008602 00000 n 0000008755 00000 n 0000008902 00000 n 0000009052 00000 n 0000009199 00000 n 0000009348 00000 n 0000009497 00000 n 0000009643 00000 n 0000009788 00000 n 0000009930 00000 n 0000010072 00000 n 0000010215 00000 n 0000010352 00000 n 0000010490 00000 n 0000010628 00000 n 0000010769 00000 n 0000010906 00000 n 0000011044 00000 n 0000011184 00000 n 0000011322 00000 n 0000011489 00000 n 0000011643 00000 n 0000011758 00000 n 0000011899 00000 n 0000012092 00000 n 0000012225 00000 n 0000012358 00000 n 0000012486 00000 n 0000012617 00000 n 0000012756 00000 n 0000012894 00000 n 0000013028 00000 n 0000013161 00000 n 0000013288 00000 n 0000013421 00000 n 0000013568 00000 n 0000013703 00000 n 0000013858 00000 n 0000014007 00000 n 0000014157 00000 n 0000014305 00000 n 0000014451 00000 n 0000014578 00000 n 0000014741 00000 n 0000014933 00000 n 0000015073 00000 n 0000015189 00000 n 0000015357 00000 n 0000015462 00000 n 0000015632 00000 n 0000015811 00000 n 0000015929 00000 n 0000016056 00000 n 0000016255 00000 n 0000016379 00000 n 0000016504 00000 n 0000016680 00000 n 0000016798 00000 n 0000016932 00000 n 0000017091 00000 n 0000017257 00000 n 0000017420 00000 n 0000017610 00000 n 0000017720 00000 n 0000017838 00000 n 0000017987 00000 n 0000018128 00000 n 0000018281 00000 n 0000018414 00000 n 0000018546 00000 n 0000018701 00000 n 0000018839 00000 n 0000018972 00000 n 0000019091 00000 n 0000019236 00000 n 0000019380 00000 n 0000019521 00000 n 0000019655 00000 n 0000019798 00000 n 0000019932 00000 n 0000020068 00000 n 0000020191 00000 n 0000020347 00000 n 0000020499 00000 n 0000020673 00000 n 0000020839 00000 n 0000020996 00000 n 0000021121 00000 n 0000021275 00000 n 0000021392 00000 n 0000021542 00000 n 0000022709 00000 n 0000024036 00000 n 0000024237 00000 n 0000024824 00000 n 0000025035 00000 n 0000026211 00000 n 0000027383 00000 n 0000027594 00000 n 0000028007 00000 n 0000029686 00000 n 0000029834 00000 n 0000030819 00000 n 0000003236 00000 n 0000006411 00000 n прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 1270 0 объектов > >> endobj 1271 0 объектов ¯u ܲ к «Qd}) / U (rд! ^ J Ը¹ ׇ +) / P -60 >> endobj 1272 0 объектов > endobj 1392 0 объектов > поток 7 $ & -_- IED0 [wY9dI3҈ & Bj & аХ> TL # eldbrd `矺 c1hajOn + mb>% M0mp-H9Q (pr

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *