Site Loader

Содержание

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так – для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер (U_{бэ}) и ток базы (I_{б}), а выходными – напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название

статических. Другими словами статические характеристики транзистора – это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

I_{КБО} (I_{CBO}) – обратный ток коллектора – ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.
I_{ЭБО} (I_{EBO}) – обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.
I_{КЭО} (I_{CEO}) – аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер – ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.
U_{БЭ} (V_{BE}) – напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.
U_{КБ \medspace проб} (V_{(BR) CBO}) – напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:
U_{ЭБ \medspace проб} (V_{(BR) EBO}) – напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.
U_{КЭ \medspace проб} (V_{(BR) CES}) – напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.
Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер – U_{КЭ \medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ \medspace нас} (V_{BEsat}).
Конечно же, важнейший параметр – статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером – h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.
f_{гр} (f_{T}) – граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.
И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим – I_{К} (I_{C}) – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Рис.7. Схема включения транзистора с ОЭ.  

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

 

Входная статическая

характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при постоянном выходном напряжении UКЭ. Для схемы с общим эмиттером:

IБ = f (UБЭ) при UЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для UКЭ> 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I

К от выходного напряжения UКЭ при постоянном входном токе IБ. Для схемы включения с общим эмиттером:

IК = f (UКЭ) при IБ = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера IЭ.

 

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор RК, за счёт которого изменение входного тока или напряжения UВХ будет вызывать изменение выходного напряжения

UВЫХ = UКЭ (Рис.10).

 

 

— 9 –


Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

 

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

IБ = f (UБЭ)

Поскольку в статическом режиме для UКЭ> 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

 

Выходная

динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения UКЭ от выходного тока IК при фиксированных значениях входного тока IБ (Рис.11б):

UКЭ = EК – IКRК

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А, В на Рис.11б.

Координаты точки А [UКЭ = 0; IK = ЕКRК ] – на оси IK.

Координаты точки В [IK = 0; UКЭ = ЕК] – на оси UКЭ.

Координаты точки Р [U; I0K] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

— 10 —

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току IК0, а напряжение UКЭ = EК.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

IБ = max; IК ≈ IКН; UКЭ = EК – IКН RН; UКЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: IК доп, UКЭдоп, PК доп (Рис.11б) и IБ нас, UБЭдоп(Рис.11а) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.


Узнать еще:

Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение  u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.

Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |б = const,где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )

Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

∆iк ≈ β · ∆ iб

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.

Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi >1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).

Выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме оэ.

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

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

при Uк-э = const

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

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

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

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

10) Частотные свойства биполярного транзистора.

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидаль­ного сигнала, в

пределах которого прибор может выполнять харак­терную для него функцию

преобразования сигнала. Принято частот­ные свойства приборов характеризовать

зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов

использует­ся зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в

схе­мах ОБ и ОЭ Н21Б и Н21Э. Обычно рассматривается

нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ

и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные

амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно

зависимыми) величинами: Н21Б и Н21Э.

Величины Н21Б и Н21Э могут быть найдены двумя способами:

-решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из

них токов;

-анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н21Б и Н21Э будут

выражены через величины элек­трических элементов схемы. Мы проведем анализ

частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель

(эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют СЭ, СК и r½

ББ, а также время пролета носителей через базу tБ.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого

элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент

передачи тока эмиттера Н21Б, который становится комплексным.

Обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования

или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент

усиления по мощности равен единице.

Как построить вах транзистора — Инженер ПТО

Схемы включения транзистора с ОЭ представлены на рис.2 (L7_1.ewb) и рис.3 (L7_2.ewb).

Построить статические вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в схеме с ОЭ.

Задание 2. Определить семейство входных характеристик ВАХ при фиксированных значениях напряжения UКЭ, путем изменения тока IБ, и напряжения UБЭ, (L7_1.ewb).

Рис.2. Исследование входных ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Входные статические характеристики транзистора снимать для трех значений UКЭ, которые выбрать с помощью ключей (10В, 20В, 30В). Поддерживая это напряжение неизменным, изменять напряжение между базой и эмиттером UБЭ (потенциометр R1 от 0 до 100%), следить за показаниями амперметра и вольтметра:

Используя результаты измерений построить входные статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

UК, В Входная цепь
потенциометр R1 IБ, мА UБЭ, В
0%
50% 0.0005 0.499
100% 61.70 1.0
0%
50% 0.0005 0.499
100% 61.70 1.0
0%
50% 0.0005 0.499
100% 61.70 1.0

Входная характеристика транзистора

В качестве примера, входные характеристики строятся автоматически (L7_1_vax.ewb) для разных значений напряжения UКЭ.

Задание 3. Определить семейство выходных ВАХ при фиксированных значениях IБ, путем изменения UКЭ, и IК, (L7_2.ewb).

Рис.3. Исследование выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Выходные характеристики транзистора: IК = ƒ(UКЭ) при IБ = const.

Значения IБ установить с помощью ключей (50 мА, 100 мА, 150 мА). Поддерживая IК постоянным, изменять UКЭ (значение R1 от 0 до 100%). Построить выходные статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

IБ, мА Выходная цепь
потенциометр R1 IК, мА UКЭ, В
0% 0.048 0.049
50% 4.922 3.69
100% 4.928 10.00
0% 0.098 0.098
50% 9.918 2.520
100% 9.927 10.00
0% 0.014 0.148
50% 14.92 1.271
100% 14.93 10.00

Выходная характеристика транзистора

В качестве примера, выходные характеристики строятся автоматически (L7_2_vax.ewb) для разных значений тока базы.

Задание 4. По семействам входных и выходных характеристикам определить значение малосигнальных сигналов: h21э; h22э ; h11 ; h12

Сделать вывод по работе.

Контрольные вопросы

1. Как называются слои полупроводниковой структуры транзистора и почему?

2. Что такое коэффициент передачи тока?

3. Чем обусловлено усиление по току в схеме включения транзистора с ОЭ?

4. Назовите основные параметры биполярных транзисторов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10615 — | 7340 — или читать все.

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

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p — n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ 0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы Iбвызывают значительные изменения коллекторного тока Iк. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор — исток и затвор — сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество — отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме, представленной на рис. 6.

Эта схема получила название «схема с общим эмиттером» (ОЭ), так как эмиттер является общим во входной и выходной цепях.

Рис. 6 – Схема с общим эмиттером

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер Uбэ и ток базы Iб , а выходными – напряжение коллектор-эмиттер Uкэ и ток коллектора Iк .

Входная характеристика биполярного транзистора – это зависимость тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер Uкэ:Iб = f(Uбэ )Uкэ = const .

ЕслиUкэ = 0 то поскольку база-эмиттерный переход смещён в прямом направлении — входная характеристика похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.7).

Рис. 7 – Входная характеристика биполярного транзистора

При этом ток эмиттера и напряжение база-эмиттер связаны экспоненциальной зависимостью, описывающей вольтамперную характеристику диода, смещенного в прямом направлении

, (3)

где — обратный ток база-эмиттерного перехода, – температурный потенциал.

При Uкэ>0 возникает тепловой ток через закрытый база-коллекторный переход, который направлен встречно Iб, что вызывает смещение входной характеристики транзистора вправо и вниз.

Учитывая (1), получаем связь между током коллектора и напряжением база-эмиттер

(4)

Из (4) следует, что в активном режиме ток коллектора зависит от напряжения Uбэ и не должен зависеть от Uкэ.

По входной характеристике можно рассчитать дифференциальное сопротивление база-эмиттерного перехода , величина которого существенно зависит от IБ.

Выходная характеристика биполярного транзистора показана на рис. 8.

Рис. 8– Выходная характеристика биполярного транзистора

В активном режиме ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе, так как практически все заряды, выходящие из эмиттера попадают в коллектор. В активном режиме ток коллектора в основном зависит от тока базы.

Незначительный наклон выходных характеристик связан с уменьшением толщины базы при росте Uэк, что в свою очередь уменьшает количество рекомбинаций зарядов в базе и соответственно ток через база-эмиттерный переход.

Область отсечки лежит ниже кривой Iб = 0. В области насыщения величина напряжения Uкэ столь мала, что становится недостаточной для создания обратного смещения на коллекторном переходе. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы, и все ветви выходной характеристики сливаются в одну.

На рис. 9 показана характеристика прямой передачи транзистора по току, для схемы с общим эмиттером, которая представляет собой связь между входным и выходным токами при UКЭ = const.

Рис. 9 –Характеристика прямой передачи транзистора по току

По характеристике прямой передачи транзистора по току можно определить коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ.

Для использования биполярного транзистора в качестве усилителя в цепь коллектора подключается сопротивление Rк (рис. 10), величина напряжения на котором зависит от тока коллектора .

Выходное напряжение усилителя .

Рис. 10 – Усилитель на биполярном транзисторе

Для обеспечения работы усилителя в линейном режиме необходимо выбрать начальную рабочую точку на выходной характеристике, при помощи построения нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая проводится через точки Eк/Rк на оси коллекторных токов и Ек на оси коллекторных напряжений.

Точки пересечений нагрузочной прямой с выходными характеристиками показывают выходные напряжения при различных токах базы (рис. 11).

Рис. 11 – Выбор начальной рабочей точки

Обычно начальная рабочая точка выбирается посередине отрезка нагрузочной прямой между областью насыщения и областью отсечки, что позволяет получить максимальную амплитуду изменений Uвых.

После выбора начальной рабочей точки по выходной характеристике можно определить начальный ток базы Iб нач., по которому при помощи входной характеристики найти начальную величину Uбэ.

Для установки начальной рабочей точки обычно используют источник питания Eк и делитель напряжения. Следует учитывать, что входные характеристики существенно зависят от температуры P-N-перехода, при ее изменении начальная рабочая точка может сдвигаться. Необходимо принимать меры по температурной стабилизации рабочей точки.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме, показанной на рис.10 можно определить по формуле , коэффициент усиления по току по формуле .

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (рис.12) представляет собой кристалл полупроводника, очень слабо легированного примесью (на рисунке — акцепторной), что обуславливает его малую проводимость (в данном случае P-типа). В кристалле создана область с противоположной проводимостью, образующая с основной частью кристалла –N-P-переход. От противоположных концов области сделаны выводы: исток (И) и сток (С). От N-области третий вывод-затвор (3).

Рис. 12 –Полевой транзистор с P-N-переходом

Если напряжение на затворе относительно истока Uзи=0, вблизи P-N-перехода образуется обедненная зона (её граница в P-области показана штриховой линией). При подаче на сток напряжение относительно истока через область пойдет ток. В обедненной зоне основные носители отсутствуют, поэтому проводящим будет канал в P-области сечением, лежащий за пределами обедненной зоны.

Из теории P-N-перехода известно, что приложение к нему обратного (запирающего) напряжения приводит к расширению обедненной зоны и, следовательно, к уменьшению проводящего сечения канала. Его сопротивление возрастает, ток уменьшается. При увеличении до некоторого Uзи называемого напряжением отсечки, проводящее сечение станет равным нулю, ток практически прекратится. Таким образом, изменяя Uзи можно управлять Ic.

Подача прямого напряжения на P-N-переход полевого транзистора не применяется, так как при прямых Uзи>0,1 В, возникает значительный ток затвора и транзистор выходит из строя.

Полевой транзистор с P-N-переходом работает при обратном напряжении, поэтому ток затвора чрезвычайно мал (порядка 10нА), а входное сопротивление, в отличие от биполярных транзисторов, очень велико.

Полевые транзисторы изготавливаются из кремния, так как невозможно получить германиевый кристалл с достаточно большим сопротивлением. Полевые транзисторы могут быть как с P-каналом, так и с N-каналом. Для последних, полярность питающих напряжений — противоположная. Условные обозначения на принципиальных схемах показаны на рис.13

Рис. 13 –Условные обозначения полевых транзисторов с P-N-переходом

| следующая лекция ==>
Устройство и принцип действия биполярного транзистора | ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ c изолированным затвором

Дата добавления: 2018-10-18 ; просмотров: 864 | Нарушение авторских прав

Исследование биполярного транзистора. Приобретение практических навыков по методике снятия входных и выходных характеристик транзистора

Лабораторная работа № 4

Исследование биполярного транзистора.

1. Тема работы.

Биполярные транзисторы.

2. Требования к знаниям, умениям, навыкам.

Студент должен:

● иметь первоначальные навыки по пользованию ПК.

● уметь снимать параметры биполярного транзистора и анализировать его характеристики.

● знать классификацию биполярных транзисторов и назначение элементов в схеме.

3. Цель работы.

Закреплениетеоретических знаний и приобретение практических навыков по методике снятия входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и по расчету h-параметров.

4. Домашние задание.

4.1. По одному из рекомендованных литературных источников изучите:

●  устройство, принцип и особенности работы транзистора,

включенного по схеме с общим эмиттером;

●  входные   и   выходные   характеристики   транзистора   и схему для их снятия;

● h - параметры :  h11Э, — входное сопротивление, h21Э-коэффициент передачи тока эмиттера, h22Э — выходную проводимость;

4.2. Проверьте свои знания путем устного ответа на контрольные вопросы и подготовить бланк отчета по лабораторной работе.

5. Литература.

5.1. И.В. Сиренький, В.В. Рябинин, С.Н. Голощапов

Электронная техника. С.- Пб:. Питер, 2006г.

5.2. В.И. Лачин, Н.С. Савельев. Ростов – на – Дону: Феникс,2004г.

5.3. А.В. Андреев, М.И. Горлов. Ростов – на – Дону: Феникс,2003г.

6. Основное оборудование.

6.1. Персональный компьютер Pentium 3  1ГГц /256 ОЗУ.

7. Лабораторное задание.

7.1. Включить ЭВМ и запустить программу Electronics Workbench.

7.2. Смоделировать схему для исследования биполярного транзистора с

ОЭ, приведенную на рис.1.

7.3. Снять входные характеристики транзистора Iб = f (Uбэ) при Uкэ=

const, где Iб — ток базы;

Uб, - напряжение на базе относительно эмиттера;

Ukэ — напряжение на коллекторе относительно эмиттера;

7.4. Снять выходные характеристики транзистора IK = f(UKЭ) при

Iб =const, где Iк — ток коллектора.

7.5. Определить по статическим входным и выходным характеристикам:  h11Э, h21Э, h22Эи Рк — постоянная рассеиваемая мощность транзистора (рабочую точку выбрать самостоятельно).

7.6. Сдать зачет по лабораторной работе.

8. Порядок выполнения работы.

8.1. Смоделируйте схему для снятия входной характеристики транзистора приведенную на рис.1.

Рисунок 1 – Схема для снятия входной характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

8.2. Снимите входные характеристики биполярного транзистора Iб = f (Uбэ) при Uкэ= const.

● установите фиксированное напряжение коллектор - эмиттер Uкэ с помощью источника питания G1 согласно таблице 1 и контролируйте его по вольтметру PU2.

● измените напряжение база — эмиттер Uбэ с помощью источника напряжения G1 по таблице 1 и контролируйте его по вольтметру PU1.

● по амперметру PA1 определите изменения тока базы Iб.

● результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

Iб,мА

0

0,05

0,07

0,1

0,15

0,2

0,25

0,35

0,45

0,65

1

UKЭ=0В

Uбэ

UKЭ=12В

Uбэ

8.3. Смоделируйте схему для снятия выходной характеристики

транзистора приведенную на рис.2.

Рисунок 2 — Схема для снятия выходной характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

8.3.Снимите выходные характеристики биполярного транзистора

IK=f(UKЭ)  при Iб =const.

● установите фиксированный ток базы Iб с помощью источника тока Е1 согласно таблице 2 и контролируйте его по амперметру PA1.

● измените напряжение коллектор — эмиттер Uкэ с помощью источника напряжения G1 по таблице 2 и контролируйте его по вольтметру PU2.

● по амперметру PA2 определите ток коллектора Iк.

● результаты измерений Iк занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Входная выходная характеристика — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Входная выходная характеристика

Cтраница 1


Входные и выходные характеристики получают экспериментально, переходные характеристики могут быть построены на основе семейства выходных характеристик.  [2]

Входные и выходные характеристики показаны на рис. 65, д, е, а основные параметры приведены ниже.  [4]

Входные и выходные характеристики схемы ОК аналогичны характеристикам схемы ОЭ.  [6]

Знание входных и выходных характеристик логического семейства необходимо для организации любых взаимосвязей с внешним миром. Как обычно, мы подробно рассмотрим семейства ТТЛ и КМОП, так как они могут использоваться почти во всех применениях.  [7]

Семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора содержат подробную информацию, которая при анализе транзисторных схем в ряде случаев оказывается излишней.  [9]

Соответственно различают входные и выходные характеристики.  [11]

Если известны входные и выходные характеристики системы, проблемы ее оптимизации считаются во многом решенными.  [12]

В справочнике приводятся входные и выходные характеристики для схем с общей базой и общим эмиттером. На основании этих характеристик могут быть построены переходные характеристики и примерные зависимости от режима и температуры параметров четырехполюсника малого и большого сигналов в области усиления ( активная область) и параметров области насыщения — напряжений и сопротивлений.  [13]

Какой вид имеют входные и выходные характеристики плоскостного транзистора, включенного по схеме ОЭ. Как изменяется вид входных и выходных характеристик транзистора при повышении температуры окружающей среды.  [14]

Страницы:      1    2    3    4    5

Учебное пособие по биполярному транзистору

, БЮТ-транзистор

В обучающих материалах по диодам мы увидели, что простые диоды состоят из двух частей полупроводникового материала и образуют простой pn-переход, а также узнали об их свойствах и характеристиках.

Если мы теперь соединим вместе два отдельных сигнальных диода друг за другом, это даст нам два PN-перехода, соединенных вместе последовательно, которые будут иметь общий Positve , (P) или Negative , (N) терминал.Объединение этих двух диодов дает трехслойное устройство с двумя переходами и тремя выводами, образующее основу биполярного переходного транзистора или для краткости BJT .

Транзисторы — это активные устройства с тремя выводами, изготовленные из различных полупроводниковых материалов, которые могут действовать как изолятор или проводник за счет приложения небольшого напряжения сигнала. Способность транзистора переключаться между этими двумя состояниями позволяет ему выполнять две основные функции: «переключение» (цифровая электроника) или «усиление» (аналоговая электроника).Тогда биполярные транзисторы могут работать в трех разных регионах:

  • Активная область — транзистор работает как усилитель и Ic = β * Ib
  • Насыщение — транзистор «полностью включен», работает как переключатель и Ic = I (насыщение).
  • Отсечка — транзистор полностью выключен, работает как переключатель и Ic = 0

Типичный биполярный транзистор

Слово «транзистор» — это комбинация двух слов «варистор передачи», описывающая их режим работы еще на заре развития электроники.Существует два основных типа конструкции биполярных транзисторов, PNP и NPN, которые в основном описывают физическое устройство полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, из которых они сделаны.

Базовая конструкция биполярного транзистора состоит из двух PN-переходов, образующих три соединительных вывода, причем каждой клемме присвоено имя, чтобы отличить ее от двух других. Эти три терминала известны и обозначены как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) соответственно.

Биполярные транзисторы

— это устройства регулирования тока, которые регулируют величину тока, протекающего через них от эмиттера к клеммам коллектора, пропорционально величине напряжения смещения, приложенного к их базовым клеммам, таким образом действуя как переключатель с управляемым током. Поскольку небольшой ток, протекающий через клемму базы, управляет гораздо большим током коллектора, формирующим основу работы транзистора.

Принцип работы двух типов транзисторов PNP и NPN абсолютно одинаков, с той лишь разницей, что они отличаются смещением и полярностью источника питания для каждого типа.

Конструкция биполярного транзистора

Конструкция и обозначения схем для биполярных транзисторов PNP и NPN даны выше, где стрелка в обозначении схемы всегда показывает направление «обычного протекания тока» между выводом базы и выводом эмиттера. Направление стрелки всегда указывает от положительной области P-типа к отрицательной области N-типа для обоих типов транзисторов, точно так же, как для стандартного символа диода.

Конфигурации биполярных транзисторов

Поскольку биполярный транзистор представляет собой трехполюсное устройство, существует три основных способа его подключения к электронной схеме, при этом одна клемма является общей как для входных, так и для выходных сигналов. Каждый метод подключения по-разному реагирует на входной сигнал внутри схемы, поскольку статические характеристики транзистора меняются в зависимости от расположения схемы.

  • Общая базовая конфигурация — имеет усиление по напряжению, но без усиления по току.
  • Конфигурация с общим эмиттером
  • — имеет коэффициент усиления по току и напряжению.
  • Конфигурация с общим коллектором
  • — имеет усиление по току, но без усиления по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Как следует из названия, в конфигурации с общей базой или с заземленной базой соединение BASE является общим как для входного, так и для выходного сигнала. Входной сигнал подается между базой транзистора и выводами эмиттера, в то время как соответствующий выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора, как показано.Клемма базы заземлена или может быть подключена к некоторой фиксированной точке опорного напряжения.

Входной ток, протекающий в эмиттер, довольно велик, так как он представляет собой сумму как базового тока, так и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, в результате чего коэффициент усиления по току для этого типа схемы составляет «1. (Единица) или меньше, другими словами, общая базовая конфигурация «ослабляет» входной сигнал.

Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой схему неинвертирующего усилителя напряжения, в которой напряжения сигналов Vin и Vout являются «синфазными».Этот тип транзисторов не очень распространен из-за его необычно высоких характеристик усиления по напряжению. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода с прямым смещением, а выходные характеристики соответствуют характеристикам светодиода.

Также этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет высокое отношение выходного сопротивления к входному или, что более важно, «нагрузочное» сопротивление (RL) к «входному» сопротивлению (Rin), что дает ему значение «Resistance Gain». Таким образом, коэффициент усиления по напряжению (Av) для общей базовой конфигурации определяется как:

Коэффициент усиления общей базы

Где: Ic / Ie — коэффициент усиления по току, альфа (α) и RL / Rin — коэффициент усиления сопротивления.

Схема с общей базой обычно используется только в схемах однокаскадных усилителей, таких как микрофонный предусилитель или усилители радиочастоты (Rƒ), из-за ее очень хорошей высокочастотной характеристики.

Конфигурация общего эмиттера (CE)

В конфигурации с общим эмиттером или с заземленным эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал берется между коллектором и эмиттером, как показано. Этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для усилителей на базе транзисторов и представляет собой «нормальный» метод подключения биполярных транзисторов.

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов. Это в основном связано с тем, что входное сопротивление НИЗКОЕ, поскольку оно подключено к PN-переходу с прямым смещением, а выходное сопротивление ВЫСОКОЕ, поскольку оно снимается с PN-переходом с обратным смещением.

Схема усилителя с общим эмиттером

В этом типе конфигурации ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен токам, текущим в транзистор, поскольку ток эмиттера задается как Ie = Ic + Ib.

Поскольку сопротивление нагрузки (R L ) подключено последовательно с коллектором, коэффициент усиления по току в конфигурации транзистора с общим эмиттером довольно велик, так как это отношение Ic / Ib. Коэффициент усиления транзистора по току обозначается греческим символом Beta (β).

Поскольку ток эмиттера для общей конфигурации эмиттера определяется как Ie = Ic + Ib, отношение Ic / Ie называется Alpha, учитывая греческий символ α. Примечание: значение Alpha всегда будет меньше единицы.

Поскольку электрическая связь между этими тремя токами, Ib, Ic и Ie определяется физической конструкцией самого транзистора, любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к гораздо большему изменению тока коллектора (Ic ).

Тогда небольшие изменения тока, протекающего в базе, будут управлять током в цепи эмиттер-коллектор. Обычно для большинства транзисторов общего назначения Beta имеет значение от 20 до 200. Таким образом, если транзистор имеет значение бета, скажем, 100, то один электрон будет течь от вывода базы на каждые 100 электронов, проходящих между выводом эмиттер-коллектор.

Комбинируя выражения для Alpha, α и Beta, β, математическая взаимосвязь между этими параметрами и, следовательно, текущее усиление транзистора может быть задано как:

Где: «Ic» — ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» — ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — ток, протекающий через вывод эмиттера.

Тогда немного резюмирую. Этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет больший входной импеданс, ток и коэффициент усиления мощности, чем у конфигурации с общей базой, но его коэффициент усиления по напряжению намного ниже.Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Это означает, что результирующий выходной сигнал имеет фазовый сдвиг 180 o относительно сигнала входного напряжения.

Конфигурация общего коллектора (CC)

В конфигурации с общим коллектором или с заземленным коллектором коллектор подключается к земле через источник питания, таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Входной сигнал подключается непосредственно к клемме базы, а выходной сигнал берется через резистор нагрузки эмиттера, как показано.Этот тип конфигурации обычно известен как цепь повторителя напряжения или повторителя эмиттера .

Конфигурация с общим коллектором или эмиттерным повторителем очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень высокого входного импеданса, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Цепь транзистора с общим коллектором

Конфигурация с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по току, приблизительно равный значению β самого транзистора.Однако в конфигурации с общим коллектором сопротивление нагрузки подключено последовательно с выводом эмиттера, поэтому его ток равен току эмиттера.

Поскольку ток эмиттера представляет собой комбинацию тока коллектора и базы, сопротивление нагрузки в этом типе конфигурации транзистора также имеет как ток коллектора, так и входной ток базы, протекающий через него. Тогда текущий коэффициент усиления схемы определяется как:

Коэффициент усиления по току общего коллектора

Этот тип конфигурации биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны».Конфигурация с общим коллектором имеет коэффициент усиления по напряжению около «1» (единичное усиление). Таким образом, его можно рассматривать как буфер напряжения, поскольку коэффициент усиления по напряжению равен единице.

Нагрузочное сопротивление транзистора с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, что дает большое усиление по току (как в конфигурации с общим эмиттером), следовательно, обеспечивая хорошее усиление тока с очень небольшим усилением по напряжению.

Рассмотрев три различных типа конфигураций биполярных транзисторов, мы можем теперь суммировать различные отношения между отдельными токами постоянного тока транзисторов, протекающими через каждую ветвь, и их коэффициентами усиления постоянного тока, приведенными выше в следующей таблице.

Взаимосвязь между постоянным током и коэффициентом усиления

Обратите внимание, что хотя здесь мы рассмотрели конфигурации биполярного транзистора NPN , транзисторы PNP можно использовать в каждой конфигурации, поскольку все вычисления будут такими же, как и для неинвертирования усиленного сигнала. Единственная разница будет заключаться в полярностях напряжения и направлениях тока.

Обзор биполярных транзисторов

Подводя итог, можно сказать, что поведение биполярного транзистора в каждой из вышеперечисленных конфигураций схемы сильно различается и дает разные характеристики схемы в отношении входного импеданса, выходного импеданса и усиления, будь то усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности, и это кратко изложено в таблице ниже.

Конфигурации биполярных транзисторов

с обобщенными характеристиками различных конфигураций транзисторов, приведенными в следующей таблице:

Характеристика Общий
Базовый
Общий
Излучатель
Общий
Коллектор
Входное сопротивление Низкий Средний Высокая
Выходное сопротивление Очень высокий Высокая Низкий
Фазовый сдвиг 0 o 180 или 0 o
Коэффициент усиления напряжения Высокая Средний Низкий
Коэффициент усиления по току Низкий Средний Высокая
Коэффициент усиления Низкий Очень высокий Средний

В следующем руководстве о биполярных транзисторах мы рассмотрим NPN-транзистор более подробно при использовании в конфигурации с общим эмиттером в качестве усилителя, поскольку это наиболее широко используемая конфигурация из-за ее гибкости и высокого коэффициента усиления.Мы также построим графики кривых выходных характеристик, обычно связанных со схемами усилителя, в зависимости от тока коллектора и тока базы.

Учебное пособие по

NPN-транзисторам — Биполярный NPN-транзистор

В предыдущем уроке мы видели, что стандартный биполярный транзистор или BJT бывает двух основных форм.Тип NPN ( N положительный — P положительный — N положительный) и тип PNP ( P положительный — N исходный — P положительный) тип.

Наиболее часто используемая конфигурация транзисторов — это NPN Transistor . Мы также узнали, что переходы биполярного транзистора могут быть смещены одним из трех различных способов — с общей базой , с общим эмиттером и общим коллектором .

В этом руководстве по биполярным транзисторам мы более внимательно рассмотрим конфигурацию «Общий эмиттер» с использованием биполярного NPN-транзистора с примером конструкции NPN-транзистора вместе с характеристиками потока транзистора, приведенными ниже.

Конфигурация биполярного NPN-транзистора

(Примечание: стрелка определяет эмиттер и условный ток, «выход» для биполярного NPN-транзистора.)

Конструкция и напряжение на клеммах биполярного NPN-транзистора показаны выше. Напряжение между базой и эмиттером (V BE ) положительное на базе и отрицательное на эмиттере, потому что для NPN-транзистора клемма базы всегда положительна по отношению к эмиттеру.Также напряжение питания коллектора является положительным по отношению к эмиттеру (V CE ). Таким образом, для биполярного NPN-транзистора проводимость коллектора всегда более положительна как по отношению к базе, так и по отношению к эмиттеру.

Подключение транзистора NPN

Затем источники напряжения подключаются к NPN-транзистору, как показано. Коллектор подключается к источнику питания V CC через нагрузочный резистор RL, который также ограничивает максимальный ток, протекающий через устройство.Напряжение питания базы V B подключается к резистору базы R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Итак, в NPN-транзисторе именно движение отрицательных носителей тока (электронов) через базовую область составляет действие транзистора, поскольку эти подвижные электроны обеспечивают связь между цепями коллектора и эмиттера. Эта связь между входными и выходными цепями является основной особенностью работы транзистора, поскольку усилительные свойства транзисторов происходят из-за последовательного управления, которое база оказывает на ток коллектора-эмиттер.

Тогда мы можем видеть, что транзистор является устройством, управляемым током (бета-модель), и что большой ток (Ic) свободно течет через устройство между коллектором и выводами эмиттера, когда транзистор включен «полностью». Однако это происходит только тогда, когда небольшой ток смещения (Ib) протекает в выводе базы транзистора одновременно, что позволяет базе действовать как своего рода вход управления током.

Ток в биполярном NPN-транзисторе — это отношение этих двух токов (Ic / Ib), которое называется DC Current Gain устройства и обозначается символом hfe или в настоящее время Beta, (β).

Значение β может быть большим, вплоть до 200 для стандартных транзисторов, и именно это большое соотношение между Ic и Ib делает биполярный NPN-транзистор полезным усилительным устройством при использовании в его активной области, поскольку Ib обеспечивает вход, а Ic обеспечивает выход. Обратите внимание, что в бета-версии нет единиц измерения, так как это соотношение.

Кроме того, коэффициент усиления по току транзистора от вывода коллектора до вывода эмиттера, Ic / Ie, называется альфа, (α) и является функцией самого транзистора (электроны диффундируют через переход).Поскольку ток эмиттера Ie является суммой очень малого тока базы и очень большого тока коллектора, значение альфа (α) очень близко к единице, а для типичного маломощного сигнального транзистора это значение находится в диапазоне примерно 0,950. к 0,999

Взаимосвязь α и β в NPN-транзисторе

Комбинируя два параметра α и β, мы можем получить два математических выражения, которые дают соотношение между различными токами, протекающими в транзисторе.

Значения бета варьируются от примерно 20 для сильноточных мощных транзисторов до более 1000 для высокочастотных биполярных транзисторов малой мощности. Значение бета для большинства стандартных NPN-транзисторов можно найти в технических паспортах производителя, но обычно оно находится в диапазоне от 50 до 200.

Вышеприведенное уравнение для бета-версии также можно перестроить, сделав Ic объектом, и при нулевом базовом токе (Ib = 0) результирующий ток коллектора Ic также будет равен нулю (β * 0).Также, когда ток базы высокий, соответствующий ток коллектора также будет высоким, что приведет к тому, что ток базы будет управлять током коллектора. Одним из наиболее важных свойств биполярного переходного транзистора является то, что небольшой базовый ток может управлять гораздо большим током коллектора. Рассмотрим следующий пример.

Пример транзистора NPN No1

Биполярный NPN-транзистор имеет коэффициент усиления по постоянному току (бета), равный 200. Рассчитайте базовый ток Ib, необходимый для переключения резистивной нагрузки 4 мА.

Следовательно, β = 200, Ic = 4 мА и Ib = 20 мкА.

Еще один момент, о котором следует помнить о биполярных NPN-транзисторах . Напряжение коллектора (Vc) должно быть больше и положительно по отношению к напряжению эмиттера (Ve), чтобы позволить току течь через транзистор между переходами коллектор-эмиттер. Кроме того, существует падение напряжения между базой и выводом эмиттера около 0,7 В (падение напряжения на один диод) для кремниевых устройств, поскольку входные характеристики NPN-транзистора относятся к диоду с прямым смещением.

Тогда базовое напряжение (Vbe) NPN-транзистора должно быть больше, чем это 0,7 В, иначе транзистор не будет проводить с током базы, заданным как.

Где: Ib — ток базы, Vb — напряжение смещения базы, Vbe — падение напряжения база-эмиттер (0,7 В), а Rb — входной резистор базы. Увеличивая Ib, Vbe медленно увеличивается до 0,7 В, но Ic растет экспоненциально.

Пример транзистора NPN No2

NPN-транзистор имеет напряжение смещения базы постоянного тока, Vb, равное 10 В, и входной базовый резистор, Rb, равное 100 кОм.Каким будет значение тока базы в транзисторе.

Следовательно, Ib = 93 мкА.

Конфигурация общего эмиттера.

Помимо использования в качестве полупроводникового переключателя для включения или выключения токов нагрузки путем управления базовым сигналом транзистора либо в области его насыщения, либо в области отсечки, биполярные транзисторы NPN также могут использоваться в его активная область для создания схемы, которая будет усиливать любой слабый сигнал переменного тока, подаваемый на его базовый вывод с заземленным эмиттером.

Если подходящее «смещающее» напряжение постоянного тока сначала подается на базовый вывод транзистора, что позволяет ему всегда работать в своей линейной активной области, создается схема инвертирующего усилителя, называемая одноступенчатым усилителем с общим эмиттером.

Одна такая конфигурация усилителя с общим эмиттером NPN-транзистора называется усилителем класса А. Операция «Усилитель класса А» — это операция, при которой клемма базы транзистора смещена таким образом, чтобы смещать в прямом направлении переход база-эмиттер.

В результате транзистор всегда работает на полпути между областями отсечки и насыщения, что позволяет транзисторному усилителю точно воспроизводить положительную и отрицательную половины любого входного сигнала переменного тока, наложенного на это напряжение смещения постоянного тока.

Без этого «напряжения смещения» усилилась бы только половина входного сигнала. Эта конфигурация усилителя с общим эмиттером, использующая NPN-транзистор, имеет множество применений, но обычно используется в аудиосхемах, таких как каскады предварительного усилителя и усилителя мощности.

Что касается конфигурации общего эмиттера, показанной ниже, семейство кривых, известных как кривые выходных характеристик , связывает выходной ток коллектора (Ic) с напряжением коллектора (Vce) при различных значениях тока базы (Ib ). Кривые выходных характеристик нанесены на транзистор для транзисторов с одинаковым значением β.

«Линия нагрузки» постоянного тока также может быть нанесена на кривые выходных характеристик, чтобы показать все возможные рабочие точки при применении различных значений базового тока.Необходимо правильно установить начальное значение Vce, чтобы выходное напряжение изменялось как вверх, так и вниз при усилении входных сигналов переменного тока, и это называется установкой рабочей точки или точки покоя, для краткости Q-точка , и это показано ниже.

Схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером

Кривые выходных характеристик типичного биполярного транзистора

Наиболее важный фактор, на который следует обратить внимание, — это влияние Vce на ток коллектора Ic, когда Vce больше 1.0 вольт. Мы можем видеть, что Ic в значительной степени не зависит от изменений Vce выше этого значения, и вместо этого он почти полностью контролируется базовым током Ib. Когда это происходит, мы можем сказать, что выходная цепь представляет собой «источник постоянного тока».

Из приведенной выше схемы общего эмиттера также видно, что ток эмиттера Ie является суммой тока коллектора Ic и тока базы Ib, сложенных вместе, поэтому мы также можем сказать, что Ie = Ic + Ib для общего эмиттера (CE) конфигурация.

Используя кривые выходных характеристик в нашем примере выше, а также закон Ома, ток, протекающий через нагрузочный резистор (R L ), равен току коллектора, Ic, входящему в транзистор, который, в свою очередь, соответствует току коллектора. напряжение питания (Vcc) минус падение напряжения между коллектором и выводами эмиттера (Vce) и определяется как:

Кроме того, прямая линия, представляющая линию динамической нагрузки транзистора, может быть проведена непосредственно на графике кривых выше от точки «Насыщение» (A), когда Vce = 0, до точки «отсечки» ( B) когда Ic = 0, что дает нам «рабочую» или Q-точку транзистора.Эти две точки соединены прямой линией, и любое положение на этой прямой представляет «активную область» транзистора. Фактическое положение линии нагрузки на кривых характеристик можно рассчитать следующим образом:

Затем кривые коллекторных или выходных характеристик для NPN-транзисторов с общим эмиттером можно использовать для прогнозирования тока коллектора, Ic, при заданном Vce и ​​токе базы, Ib. Линия нагрузки также может быть построена на кривых для определения подходящей рабочей или Q-точки , которая может быть установлена ​​путем регулировки базового тока.Наклон этой линии нагрузки равен обратной величине сопротивления нагрузки, которая определяется как: -1 / R L

Затем мы можем определить транзистор NPN как обычно «ВЫКЛЮЧЕННЫЙ», но небольшой входной ток и небольшое положительное напряжение на его базе (B) относительно его эмиттера (E) включат его, позволяя использовать гораздо больший коллектор. -Эмиттер тока течет. NPN-транзисторы проводят, когда Vc намного больше Ve.

В следующем руководстве о биполярных транзисторах мы рассмотрим противоположную или дополняющую форму транзистора NPN , называемую транзистором PNP, и покажем, что транзистор PNP имеет очень похожие характеристики с биполярным транзистором NPN, за исключением того, что полярности или смещение) направления тока и напряжения меняются местами.

Шахрам Маривани — ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ЗАДАЧИ:

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

ВВЕДЕНИЕ:

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

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

В активной области транзистора определена добротность для количественной оценки способность транзистора усиливать входной сигнал.Этот параметр определяется как соотношение между I C и I B , которое обычно называется β-фактором. Аналогично коэффициент α равен определяется как отношение между I C и I E . Таким образом;

β = I C / I B и α = I C / I E

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

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

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

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

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

Работа схемы транзистора NPN, характеристики, применение

Введение

Транзистор NPN является одним из типов биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа.Здесь основными носителями заряда являются электроны. Течение этих электронов от эмиттера к коллектору формирует ток в транзисторе. Обычно NPN-транзистор является наиболее часто используемым типом биполярных транзисторов, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Транзистор NPN имеет три вывода — эмиттер, базу и коллектор. Транзистор NPN в основном используется для усиления и переключения сигналов.

На рисунке выше показаны символ и структура транзистора NPN.В этой структуре мы можем наблюдать три вывода транзистора, токи цепи и значения напряжения. Теперь давайте посмотрим на работу транзистора NPN с объяснением.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Цепь транзистора NPN

На приведенном выше рисунке показана схема транзистора NPN с напряжениями питания и резистивными нагрузками. Здесь клемма коллектора всегда подключена к положительному напряжению, клемма эмиттера подключена к отрицательному источнику питания, а клемма базы управляет состояниями ВКЛ / ВЫКЛ транзистора в зависимости от приложенного к нему напряжения.

НАЗАД В начало

Работа транзистора NPN

Работа транзистора NPN довольно сложна. В приведенных выше схемах подключения мы заметили, что напряжение питания VB подается на клемму базы через нагрузку RB. Вывод коллектора подключен к напряжению VCC через нагрузку RL. Здесь обе нагрузки RB и RL могут ограничивать ток, протекающий через соответствующие клеммы. Здесь клеммы базы и коллектора всегда содержат положительное напряжение по отношению к клемме эмиттера.

Если базовое напряжение равно напряжению эмиттера, то транзистор находится в выключенном состоянии. Если базовое напряжение увеличивается по сравнению с напряжением эмиттера, тогда транзистор становится более переключаемым, пока не перейдет в состояние полного включения. Если на клемму базы подается достаточное положительное напряжение, то есть в полностью включенном состоянии, то генерируются потоки электронов, и ток (IC) течет от эмиттера к коллектору. Здесь базовый вывод действует как вход, а область коллектор-эмиттер действует как выход.

Для правильного протекания тока между эмиттером и коллектором необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было положительным, а также превышало напряжение эмиттера транзистора.Между базой и эмиттером присутствует некоторое падение напряжения, например 0,7 В. Таким образом, базовое напряжение должно быть больше падения напряжения 0,7 В, иначе транзистор не будет работать. Уравнение для тока базы биполярного NPN-транзистора определяется следующим образом:

I B = (V B -V BE ) / R B

Где,

I B = базовый ток
В B = Напряжение смещения базы
В BE = Входное напряжение база-эмиттер = 0.7V
R B = Сопротивление базы

Выходной ток коллектора в NPN-транзисторе с общим эмиттером можно рассчитать, применив закон Кирхгофа для напряжения (KVL).

Уравнение для напряжения питания коллектора определяется как

В CC = I C R L + V CE ………… (1)

Из приведенного выше уравнения ток коллектора для NPN-транзистор с общим эмиттером имеет вид

I C = (V CC -V CE ) / R L

В NPN-транзисторе с общим эмиттером соотношение между током коллектора и током эмиттера определяется как

I C = β I B

В активной области NPN-транзистор действует как хороший усилитель.В NPN-транзисторе с общим эмиттером полный ток, протекающий через транзистор, определяется как отношение тока коллектора к току базы IC / IB. Это соотношение также называется «усилением постоянного тока» и не имеет единиц измерения. Это отношение обычно обозначается буквой β, а максимальное значение β составляет около 200. В NPN-транзисторе с общей базой общий коэффициент усиления по току выражается отношением тока коллектора к току эмиттера IC / IE. Это отношение обозначается буквой α, и это значение обычно равно единице.

НАЗАД В начало

Взаимосвязь α, β и γ в NPN-транзисторе

Теперь давайте посмотрим на взаимосвязь между двумя параметрами отношения α и β.

α = усиление постоянного тока для схемы с общей базой = выходной ток / входной ток

В общей базе NPN-транзистор выходной ток равен току коллектора (IC), а входной ток — току эмиттера (IE).

α = I C / I E ……… .. (2)

Это значение усиления по току (α) очень близко к единице, но меньше единицы.
Мы знаем, что ток эмиттера складывается из малого тока базы и большого тока коллектора.

I E = I C + I B

I B = I E — I C

из уравнения 2, коллектор

I C = αI E

I B = I E — αI E

I B = I E (1-α)

β = усиление постоянного тока для цепи с общим эмиттером = выходной ток / входной ток

Здесь выходной ток — это ток коллектора, а входной ток — ток базы.

β = I C / I B

β = I C / I E (1-α)

β = α / (1-α)

Из приведенных выше уравнений связь между α и β может быть выражено как

α = β (1-α) = β / (β + 1)

β = α (1 + β) = α / (1-α)

Значение β может варьируются от 20 до 1000 для транзисторов малой мощности, работающих на высоких частотах. Но в целом это значение β может иметь значения в диапазоне от 50 до 200.

Теперь мы увидим взаимосвязь между факторами α, β и γ.

В NPN-транзисторе с общим коллектором коэффициент усиления по току определяется как отношение тока эмиттера IE к базовому току IB. Этот коэффициент усиления по току представлен как γ.

γ = I E / I B

Мы знаем, что ток эмиттера

I E = I C + I B

γ = (I C + I B ) / I B

γ = (I C / I B ) + 1

γ = β +1

Следовательно, отношения между α, β и γ приведены ниже

α = β / (β + 1), β = α / (1-α), γ = β +1

НАЗАД В начало

Примеры транзисторов NPN

1.Вычислите базовый ток IB для переключения резистивной нагрузки 4 мА биполярного NPN-транзистора, имеющего коэффициент усиления по току (β) 100.

I B = I C / β = (4 * 10 -3 ) / 100 = 40 мкА

2. Рассчитайте ток базы биполярного NPN-транзистора с напряжением смещения 10 В и входным сопротивлением базы 200 кОм.

Мы знаем, что уравнение для базового тока IB:

I B = (V B -V BE ) / R B

Мы знаем значения,

V BE = 0 .7 В,

В B = 10 В,

R B = 200 Ом.

Теперь мы подставляем эти значения в приведенное выше уравнение,

Получаем,

I B = (V B -V BE ) / R B = (10-0,7) / 200 кОм = 46,5 uA.

Базовый ток NPN-транзистора 46,5 мкА.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Конфигурация общего эмиттера

Схема конфигурации общего эмиттера является одной из трех конфигураций BJT.Эти схемы с общей конфигурацией эмиттеров используются в качестве усилителей напряжения. Обычно биполярные транзисторы имеют три вывода, но при подключении к схеме мы должны использовать любую одну клемму как общую. Таким образом, мы используем одну из трех клемм в качестве общей клеммы как для входных, так и для выходных действий. В этой конфигурации мы используем терминал эмиттера в качестве общего терминала, поэтому он называется конфигурацией с общим эмиттером.

Эта конфигурация используется как одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером.В этой конфигурации основание действует как входной терминал, коллектор действует как выходной терминал, а эмиттер — как общий терминал. Работа этой схемы начинается со смещения клеммы базы, так что прямое смещение перехода база-эмиттер. Небольшой ток в базе управляет током, протекающим в транзисторе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов на выходной стороне.

Этот усилитель с общим эмиттером дает инвертированный выходной сигнал и может иметь очень высокое усиление.На это значение усиления влияют температура и ток смещения. Схема усилителя с общим эмиттером чаще всего используется в конфигурации, чем другие конфигурации BJT, из-за ее высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, а также эта конфигурация усилителя обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности.

Коэффициент усиления по току для этой конфигурации всегда больше единицы, обычно типичное значение составляет около 50. Эти усилители конфигурации в основном используются в приложениях, где требуются усилители низкой частоты и радиочастотные цепи.Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером показана ниже.

НАЗАД В начало

Выходные характеристики NPN-транзистора

Семейство кривых выходных характеристик биполярного транзистора приведено ниже. Кривые показывают взаимосвязь между током коллектора (IC) и напряжением коллектор-эмиттер (VCE) при изменении тока базы (IB). Мы знаем, что транзистор находится в состоянии «ВКЛ», только когда к его базовому выводу относительно эмиттера приложен хотя бы небольшой ток и небольшое количество напряжения, в противном случае транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ».

На ток коллектора (IC) больше всего влияет напряжение коллектора (VCE) на уровне 1,0 В, но это значение IC не сильно влияет выше этого значения. Мы уже знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. т.е. IE = IC + IB. Ток, протекающий через резистивную нагрузку (RL), равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора определяется следующим образом:

I C = (V CC -V CE ) / R L

Прямая линия обозначает «линию динамической нагрузки», которая соединяет точки A (где V CE = 0) и B (где I C = 0).Область вдоль этой линии нагрузки представляет собой «активную область» транзистора.

Кривые характеристик конфигурации общего эмиттера используются для расчета тока коллектора, когда заданы напряжение коллектора и ток базы. Линия нагрузки (красная линия) используется для определения точки Q на графике. Наклон линии нагрузки равен сопротивлению нагрузки, обратному сопротивлению. то есть -1 / RL.

НАЗАД В начало

Применение транзисторов NPN
  • Транзисторы NPN в основном используются в коммутационных приложениях.
  • Используется в схемах усиления.
  • Используется в парных схемах Дарлингтона для усиления слабых сигналов. Транзисторы
  • NPN используются в приложениях, где требуется отвод тока.
  • Используется в некоторых классических схемах усилителя, например, в двухтактных схемах усилителя.
  • В датчиках температуры.
  • Применения с очень высокой частотой.
  • Используется в логарифмических преобразователях.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ — ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩИЙ — PNP-ТРАНЗИСТОР

Биполярный переходной транзистор (BJT): что это такое и как это работает?

Что такое BJT?

Биполярный переходный транзистор (также известный как BJT или BJT-транзистор) — это трехконтактный полупроводниковый прибор, состоящий из двух p-n переходов, которые могут усиливать или усиливать сигнал.Это устройство, управляемое током. Три вывода BJT — это база, коллектор и эмиттер. BJT — это тип транзистора, в котором в качестве носителей заряда используются электроны и дырки.

Сигнал малой амплитуды, поданный на базу, доступен в усиленной форме на коллекторе транзистора. Это усиление, обеспечиваемое BJT. Обратите внимание, что для выполнения процесса усиления требуется внешний источник питания постоянного тока.

Есть два типа транзисторов с биполярным переходом — транзисторы NPN и транзисторы PNP.Схема этих двух типов транзисторов с биполярным переходом приведена ниже.
Из приведенного выше рисунка мы видим, что каждый BJT состоит из трех частей: эмиттер, база и коллектор. J E и J C представляют собой соединение эмиттера и соединение коллектора соответственно. Теперь для начала нам достаточно знать, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переходы коллектор-база — в обратном направлении. В следующей теме будут описаны два типа этих транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

В биполярном транзисторе npn (или npn-транзисторе) один полупроводник p-типа находится между двумя полупроводниками n-типа, схема ниже показана npn-транзистором

Теперь I E , I C — это ток эмиттера и ток сбора соответственно, а V EB и V CB — напряжение эмиттер-база и напряжение коллектор-база соответственно. Согласно соглашению, если для тока эмиттера, базы и коллектора I E , I B и I C ток идет в транзистор, знак тока считается положительным, и если ток выходит из транзистора, то знак принимается отрицательным.Мы можем свести в таблицу различные токи и напряжения внутри транзистора n-p-n.

9016 —
Тип транзистора I E I B I C V EB V CB V CE 16
+ + + +

PNP биполярный переходной транзистор

Аналогично для pnp биполярный переход транзистор (или pnp транзистор), между двумя полупроводниками n-типа полупроводниковый Полупроводники p-типа.Схема транзистора p-n-p показана ниже.

Для транзисторов p-n-p ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Как и любой транзистор с биполярным переходом, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном. Мы можем табулировать ток эмиттера, базы и коллектора, а также напряжение эмиттер-база, база коллектора и напряжение коллектор-эмиттер для p-n-p транзисторов.

— p
Тип транзистора I E I B I C V EB V CB V CE
+ +

Принцип работы BJT

На рисунке показан npn-транзистор, смещенный в активной области (см. Смещение транзистора), BE переход смещен в прямом направлении, тогда как переход CB имеет обратное смещение.Ширина обедненной области BE-перехода мала по сравнению с шириной CB-перехода.

Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе. Поскольку основание тонкое и слегка легированное, оно состоит из очень небольшого количества дырок, поэтому некоторые электроны из эмиттера (около 2%) рекомбинируют с дырками, присутствующими в области базы, и вытекают из вывода базы.

Это основной ток, он течет из-за рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление обычного тока противоположно направлению потока электронов).Оставшееся большое количество электронов пересечет коллекторный переход с обратным смещением и составит ток коллектора. Таким образом, KCL,

Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.

Здесь большинство носителей заряда — электроны. Транзистор p-n-p работает так же, как и транзистор n-p-n, с той лишь разницей, что большинство носителей заряда — это дырки, а не электроны. Лишь небольшая часть тока протекает из-за основных носителей заряда, а большая часть тока течет из-за неосновных носителей заряда в BJT.Следовательно, они называются устройствами неосновных носителей.

Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, он эквивалентен двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Характеристики биполярных переходных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех частей: коллектора, эмиттера и базы. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного переходного транзистора , мы должны знать о режимах работы для этого типа транзисторов.Режимы:

  1. Режим с общей базой (CB)
  2. Режим с общим эмиттером (CE)
  3. Режим с общим коллектором (CC)

Все три типа режимов показаны ниже. разные характеристики для разных режимов работы. Характеристики — это не что иное, как графические формы отношений между различными переменными тока и напряжения транзистора. Характеристики p-n-p транзисторов приведены для разных режимов и разных параметров.

Характеристики общей базы

Входные характеристики

Для p-n-p транзистора входной ток — это ток эмиттера (I E ), а входное напряжение — это напряжение базы коллектора (V CB ).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график зависимости I E от V EB аналогичен прямым характеристикам p-n диода. I E увеличивается для фиксированного V EB , когда увеличивается V CB .

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают соотношение между выходным напряжением и выходным током I C — это выходной ток и напряжение коллектор-база, а ток эмиттера I E — входной ток и работает как параметры. На рисунке ниже показаны выходные характеристики p-n-p транзистора в режиме CB.

Как мы знаем, для p-n-p транзисторов I E и V EB положительные, а I C , I B , V CB отрицательные.Это три области на кривой, область насыщения активной области и область отсечки. Активная область — это область, в которой транзистор работает нормально.

Здесь эмиттерный переход имеет обратное смещение. Теперь область насыщения — это область, где оба перехода эмиттер-коллектор смещены в прямом направлении. И, наконец, отсеченная область — это область, где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Общие характеристики эмиттера

Входные характеристики

I B (базовый ток) — входной ток, В BE (базовое — эмиттерное напряжение) — входное напряжение для режима CE (общий эмиттер).Таким образом, входные характеристики для режима CE будут отношениями между I B и V BE с V CE в качестве параметра. Характеристики приведены ниже.

Типичные входные характеристики CE аналогичны характеристикам p-n диода с прямым смещением. Но по мере увеличения V CB ширина основания уменьшается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики для режима CE — это кривая или график между током коллектора (I C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V CE ), когда базовый ток I B является параметром.Характеристики показаны ниже на рисунке.

Как и выходные характеристики транзистора с общей базой, режим CE также имеет три области: (i) активная область, (ii) области отсечки, (iii) область насыщения. Активная область имеет обратное смещение коллекторной области и прямое смещение эмиттерного перехода.

В области отсечки эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении, и ток коллектора не отсекается полностью. И, наконец, для области насыщения как коллектор, так и эмиттерный переход смещены в прямом направлении.

История БЮТ

В 1947 году Дж. Барден, У. Браттерин и У. Шокли изобрели транзистор. Термин транзистор был дан Джоном Р. Пирсом. Хотя изначально он назывался твердотельной версией вакуумного триода, термин «транзистор» сохранился. В этой статье мы рассматриваем транзистор Bipolar Junction Transistor (BJT) .

Слово «транзистор» образовано от слов «переход» и «резистор» и описывает работу BJT i.е. передача входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Этот тип транзистора состоит из полупроводников.

Транзисторы используются в конструкции интегральных схем (ИС). Количество транзисторов, которые мы смогли уместить в ИС, быстро увеличилось с момента их создания, удваиваясь примерно каждые 2 года (известный как закон Мура).

Итак, почему это называется переходным транзистором? Ответ кроется в конструкции.Мы уже знаем, что такое полупроводники p-типа и n-типа.

Теперь, в этом типе транзистора, любой один тип полупроводников зажат между другим типом полупроводников. Например, n-тип может быть зажат между двумя полупроводниками p-типа, или аналогично один p-тип может быть зажат между двумя полупроводниками n-типа.

Как обсуждалось выше, они называются pnp-транзисторами и npn-транзисторами соответственно. Теперь, когда есть два перехода разных типов полупроводников, это называется переходным транзистором.Это называется биполярным, потому что проводимость происходит за счет как электронов, так и дырок.

Применение BJT

BJT используются в дискретной схеме, разработанной из-за наличия многих типов, и, очевидно, из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления, которое лучше, чем у MOSFET. BJT также подходят для высокочастотного применения.

Вот почему они используются в радиочастоте для беспроводных систем. Другим применением BJT можно назвать усилитель слабого сигнала, металлический фотоэлемент приближения и т. Д.

Биполярный транзисторный усилитель

Чтобы понять концепцию биполярного транзисторного усилителя , мы должны сначала просмотреть схему p-n-p транзистора.


Теперь, когда входное напряжение немного изменяется, скажем, ΔV i напряжения эмиттер-база изменяет высоту барьера и ток эмиттера на ΔI E . Это изменение тока эмиттера вызывает падение напряжения ΔV O на сопротивлении нагрузки R L , где

ΔV O дает выходное напряжение усилителя.Имеется отрицательный знак, потому что ток коллектора дает падение напряжения на R L с полярностью, противоположной опорной полярности. Коэффициент усиления по напряжению A V для усилителя задается отношением выходных напряжений ΔV O к входному напряжению ΔV i , поэтому


называется коэффициентом усиления по току транзистора. Из приведенной выше диаграммы видно, что увеличение напряжения эмиттера уменьшает прямое смещение на переходе эмиттера, таким образом, уменьшает ток коллектора.

Указывает, что выходное напряжение и входное напряжение совпадают по фазе. Теперь, наконец, коэффициент усиления Ap транзистора представляет собой соотношение между выходной мощностью и входной мощностью

BJT (биполярный транзистор) в качестве усилителя

.

BJT-транзистор — это трехконтактный полупроводниковый прибор, основанный на трех слоях p- и n-слоев с разной концентрацией легирования. BJT-транзистор может быть двух типов — pnp и npn BJT-транзистор.

Биполярный транзистор (BJT) имеет три области — базу (B), коллектор (C) и эмиттер (E).Базовый и коллекторный слои слабо легированы, эмиттерный слой — сильно легирован.

Расходы на БЮТ показаны на рисунке ниже.

Рассмотрим транзистор pnp. Он состоит из двух pn-переходов. Один переход смещен в прямом направлении, а другой — в обратном. Большинство профессий перемещаются от E через pn-переход с прямым смещением. Слой B обычно тонкий, но характеризуется высоким удельным сопротивлением, поэтому большая часть карьера будет проходить через слой C (из-за различных уровней легирования этих материалов).

Токи в транзисторе BJT можно найти с помощью закона Кирхгофа: IE = IC + IB.

Обратите внимание, что ток коллектора будет состоять из тока утечки и основного тока карьерного выхода IC = ICMJ + ICMN.

В режиме постоянного тока эмиттерный и коллекторный токи будут связаны соотношением IC = αIE. Для переменного режима отношение более сложное и другое для различных значений токов ∆IC = αAC∆IE.

Для цепи постоянного тока существует коэффициент s, который показывает соотношение между токами базы и коллектора в цепи IC = βIB, β — коэффициент усиления общего эмиттера.В случае цепи переменного тока этот параметр будет изменяться по формуле ∆IC = βAC∆IB.

Эти два коэффициента усиления связаны формулой α = ββ + 1. Еще одно соотношение для токов БЮТ, которое мы можем вывести, это IE = (β + 1) IB.

Основная особенность BJT — малый ток база-коллектор, управляющий большим током коллектора.

Конфигурация с общим эмиттером

Эта конфигурация называется общим эмиттером, поскольку эмиттер является общим для входного и выходного напряжений. Конфигурация обычного эмиттера PNP BJT изображена на рисунке ниже.

Токи в цепи связаны соотношениями: IE = IC + IB, IC = αIB.

Здесь соединение коллектор-база смещено в обратном направлении, а переход база-эмиттер смещено в прямом направлении. Входными данными здесь будет база-эмиттер, а на выходе — коллектор-эмиттер.

В активной области здесь pn-переход база-коллектор смещен в обратном направлении, а pn-переход база-эмиттер смещен в прямом направлении.

Common — базовая конфигурация

Эта конфигурация называется таковой, потому что база подключена как к эмиттеру, так и к коллектору.Выходные характеристики BJT можно разделить на три области — отсечка, насыщенность и активная область.

В области отсечки pn-переходы коллектор-база и эмиттер-база имеют обратное смещение — транзистор выключен.

В активной области pn-переход база-коллектор имеет обратное смещение, а база-эмиттер — прямое смещение.

Представим себе идеальный источник напряжения, пропускающий ток iB через базовую область, переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении. Изменяя ток от идеального источника напряжения, вы можете управлять током iBE.Если этот идеальный источник напряжения подключен к коллекторной цепи, iCurrent также можно контролировать. Схема для определения ВАХ БЮТ изображена на рисунке ниже.

Наиболее важными динамическими характеристиками BJT являются его характеристики переключения. В стандартной работе транзистор BJT работает как усилитель.

Давайте применим к базовому сигналу переменного и постоянного тока, и мы увидим усиление на полученной кривой IC – VEC, так что все колебания базового тока приводят к усилению тока коллектора.

Важным моментом, который следует учитывать, является схема BJT с самосмещением, которая изображена ниже. Его можно преобразовать в схемы, которые намного проще рассмотреть с точки зрения точки работы БЮТ.

Используя теорему Теневина, мы можем преобразовать схему в следующую схему с эквивалентным сопротивлением и источником напряжения.

Здесь эквивалентное напряжение источника равно V1 = R2R1 + R2V, а Rb — эквивалентное сопротивление базы.Здесь V1 = IbRb + IeRe + Vbe.

Т.е. = (β + 1) Ib, тогда V1 = IbRb + Vbe + Ib (1 + β) Re. V = IeRe + Vce + IcRc, Ie = (1 + 1β) Ic. V = ReIc (1β + 1) + RcIc + Vce.

Тогда Ib = V1 – VbeRb + Re (1β + 1) и Vce = V – RcIc – ReIc (1β + 1).

BJT становится переключателем, как только база получает сигнал переменного тока, поэтому он будет работать от режима проводимости до режима блокировки. Характеристики динамического переключения здесь также очень важны, потому что высокочастотная скорость оказывает огромное влияние на потери устройства.

На рисунке ниже показаны вольт-амперные характеристики npn BJT.Чтобы использовать его как усилитель, транзистор должен находиться в линейной области. Для использования транзистора в качестве переключателя он должен работать от области отсечки до области насыщения — включаться и выключаться.

Область включения характеризуется увеличением тока коллектора, когда напряжение коллектор-эмиттер остается небольшим. Область обеднения в транзисторе становится очень маленькой, и по мере увеличения проводимости она соответствует области насыщения на Рисунке 1.

Область выключения характеризуется высоким напряжением коллектор-эмиттер и низким уровнем тока коллектора, что соответствует области отключения.Таким образом, коммутационные потери возникают, когда устройство переключается на высокой частоте. Время нарастания и спада сигнала играет очень важную роль.

Для расчета потерь мощности транзистора полезно использовать формулу PSlosses = VMIM2fstS, здесь VM и IM — максимальные значения напряжения и тока, ts и fs — время и частота переключения.

ВАХ BJT-переключателя 2SC5198 от Toshiba.

Symbol, конструкция, работа, характеристики и применение

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

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

Обозначение биполярных транзисторов

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

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

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

Конструкция биполярного переходного транзистора

BJT образован тремя слоями полупроводниковых материалов, если это транзистор PNP, он будет иметь две области P-типа и одну область N-типа, аналогично, если это транзистор NPN, он будет иметь две области N-типа. области и одна область P-типа.Два внешних слоя — это места, где фиксируются выводы коллектора и эмиттера, а вывод базы фиксируется на центральном слое.

Конструкция может быть просто объяснена аналогией с двумя диодами для транзистора , как показано на изображении выше. Если вы хотите узнать больше о диодах, вы можете прочитать его статью. Рассмотрим два диода, соединенных друг с другом с помощью катода, тогда точка встречи может быть расширена, чтобы сформировать базовый вывод, а два конца анода действуют как коллектор и эмиттер PNP-транзистора.Точно так же, если вы соединяете анодные концы диода, то точка встречи анодов может быть расширена до клеммы базы, а два катодных конца действуют как коллектор и эмиттер NPN-транзистора.

Работа транзистора (BJT)

Практически транзистор работает очень просто, его можно использовать как переключатель или как усилитель. Но для базового понимания давайте начнем с того, как транзистор в качестве переключателя работает в цепи.

Когда управляющее напряжение подается на базовый вывод, требуемый базовый ток (I B ) протекает на базовый вывод, который управляется базовым резистором . Этот ток включает транзистор (переключатель закрыт) и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Этот ток называется током коллектора (I C ) , а напряжение на коллекторе и эмиттере называется V BE . Как вы можете видеть на изображении, мы используем напряжение низкого уровня, например 5 В, для управления нагрузкой с более высоким напряжением 12 В с помощью этого транзистора.

Теперь для теории, рассмотрим транзистор NPN, переход BE — это с прямым смещением , а переход CB — с обратным смещением . Ширина области истощения в соединении CB больше по сравнению с областью истощения в соединении BE. Когда BE-переход смещен в прямом направлении, он уменьшает барьерный потенциал, следовательно, электроны начинают течь от эмиттера к базе. Базовая область очень тонкая и слабо легирована по сравнению с другими областями, следовательно, она состоит из очень небольшого количества дырок, электроны, которые текут из эмиттера, будут рекомбинировать с дырками, присутствующими в базовой области, и начнут течь. вне базовой области в виде базового тока.Большое количество оставшихся электронов будет перемещаться через коллекторный переход обратного смещения в форме коллекторного тока.

На основании закона Кирхгофа , мы можем сформулировать текущее уравнение как

  I  E  = I  B  + I  C   

Где, I E , I B, и I C — ток эмиттера, базы и коллектора соответственно. Здесь базовый ток будет очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора, поэтому I E ~ I C

Точно так же, когда вы рассматриваете транзистор PNP, они работают так же, как транзистор NPN, но в транзисторах NPN основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженная частица), но в транзисторе NPN носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные частица).

Характеристики БЮТ

BJT можно подключать в трех различных конфигурациях, сохраняя одну общую клемму и используя две другие клеммы для входа и выхода. Эти три типа конфигураций по-разному реагируют на входной сигнал, подаваемый на схему, из-за статических характеристик BJT. Три различных конфигурации BJT перечислены ниже.

  • Конфигурация Common Base (CB)
  • Конфигурация с общим эмиттером (CE)
  • Общий коллектор (CC) Конфигурация

Среди них конфигурации с общей базой будут иметь усиление по напряжению, но без усиления по току, тогда как конфигурация с общим коллектором имеет усиление по току, но без усиления по напряжению, а конфигурация с общим эмиттером будет иметь усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Конфигурация общей базы также называется конфигурацией с заземленной базой , где база BJT соединена как общая между входным и выходным сигналами. Входной сигнал BJT подается через клеммы базы и эмиттера, а выходной сигнал от BJT поступает через клеммы базы и коллектора. Входной ток (I E ), протекающий через эмиттер, будет значительно выше по сравнению с током базы (I B ) и током коллектора (I C ), поскольку ток эмиттера является суммой обоих Базовый ток и ток коллектора.Поскольку выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера, коэффициент усиления по току для этой конфигурации будет равен единице (1) или меньше .

Входные характеристики

Характеристическая кривая входа для конфигураций с общей базой проведена между током эмиттера I E и напряжением между базой и эмиттером V EB . Во время конфигурации с общей базой транзистор смещается в прямом направлении, поэтому он будет показывать характеристики, аналогичные характеристикам прямого действия p-n диода, где I E увеличивается для фиксированного V EB , когда увеличивается V CB .

Выходные характеристики

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

Конфигурация общего эмиттера (CE)

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

Входные характеристики

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

Выходные характеристики

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

Общий коллектор (CC) Конфигурация

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

Применение биполярных переходных транзисторов (BJT)

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

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *