Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов
Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение.
Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): 
Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Транзисторы можно разделить на два класса — биполярные и униполярные. В биполярных транзисторах как положительные, так и отрицательные носители принимают участие в работе прибора, отсюда и термин «биполярный». Заряд избыточных неосновных носителей, инжектированных в базу, компенсируется равным по величине зарядом основных носителей, так что электрическая нейтральность в базе сохраняется. С другой стороны, в униполярных приборах ток обусловлен только свободными основными носителями в проводящем канале и влияние малого количества неосновных носителей несущественно, отсюда и термин «униполярный» [1].
Полевой транзистор (ПТ) является униполярным прибором, в котором количество носителей в токе через проводящую область определяется электрическим полем, приложенным к поверхности (или p-n-переходу) полупроводника. В полевом транзисторе поток электронов направлен от истока, представляющего омический контакт, через проводящий канал к стоку, также представляющему омический контакт (рис. 1). Канал имеет длину в направлении протекания тока и соответственно ширину в направлении, перпендикулярном току и поверхности.
В полевом транзисторе с p-n-переходом управляющим электродом (затвором) является слой полупроводника, тип проводимости которого (р-тип) противоположен типу проводимости канала (n-тип). Управляющий p-n-переход, обратно смещённый относительно канала, образует изолирующий обеднённый слой, который, распространяясь в проводящий канал, эффективно ограничивает его размеры. Увеличение отрицательного потенциала вызывает дальнейшее сужение канала, уменьшающее его проводимость, а уменьшение отрицательного потенциала наоборот, приводит к расширению канала, увеличивающему его проводимость.
При определённом значении напряжения на затворе, называемом напряжением отсечки, проводимость канала в идеальном случае уменьшается до нуля.
Нормальная работа ПТ с каналом р-типа обеспечивается подачей положительного смещения на затвор.
Рис. 1. Схематичное изображение полевого транзистора с p-n-переходом.
1 — исток; 2 — затвор p-типа; 3 — сток; 4 — обеднённая область; 5 — канал n-типа; 6 — затвор p-типа.
Максимальный ток стока и максимальная крутизна у ПТ с управляющим р-n-переходом (как с каналом р-типа, так и с каналом n-типа) наблюдается при нулевом смещении на затворе. При подаче прямого смещения на затвор ПТ появляется прямой ток через участок затвор-исток и резко уменьшается входное сопротивление транзистора.
На сток полевого транзистора с каналом n-типа необходимо подавать напряжение положительной полярности, а с каналом p-типа — отрицательной полярности.
Рис. 2. Условные обозначения ПТ с р-n-переходом.
а — с каналом p-типа; б — с каналом n-типа.
Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 2.
CONTENTS NEXT
Принцип действия . Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи
В настоящее время в микрофонных усилителях в качестве усилительных каскадов низкочастотного сигнала широко используются обычные транзисторные усилители, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Именно такие усилительные каскады, по сравнению со схемами с общей базой и с общим коллектором, обеспечивают наибольшее усиление по мощности.
Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.1а.
Рис. 2.1. Принципиальные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (а) и усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (б)
В данной схеме коэффициент усиления по току представляет собой отношение амплитуд (действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих тока коллектора и тока базы транзистора.
Главным параметром, характеризующим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ, который обозначается как b. Этот параметр для того или иного типа биполярного транзистора при необходимости можно найти в любом справочнике.
В транзисторном усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим эмиттером, между входным и выходным напряжениями имеется фазовый сдвиг, составляющий 180°. Наличие указанного фазового сдвига объясняется особенностями функционирования такого каскада. При поступлении на базу транзистора VТ1 положительной полуволны входного сигнала происходит увеличение напряжения на переходе база-эмиттер. В результате возрастает ток эмиттера, и, соответственно, ток коллектора транзистора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1, который является коллекторной нагрузкой. Иными словами, на нагрузочном резисторе дополнительно к уже имеющемуся постоянному напряжению добавляется переменное напряжение с той же полярностью.
Достоинством схемы с общим эмиттером, помимо наибольшего усиления по мощности, является удобство питания от одного источника, так как на базу и коллектор транзистора подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам данной схемы включения следует отнести сравнительно малое входное сопротивление транзистора, определяемое особенностями конструкции биполярных транзисторов. Помимо этого, схема с общим эмиттером имеет худшие, по сравнению, например, со схемой с общей базой, частотные и температурные характеристики. С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером снижается в значительно большей степени, чем, в схеме с общей базой.
Усилительные каскады на биполярных транзисторах, включенных по схемам с общей базой и с общим коллектором, практически не применяются в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков.
Поэтому подробное рассмотрение особенностей функционирования таких каскадов выходит за рамки данной книги. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе.
Тем не менее, схемы включения биполярного транзистора с общей базой и с общим коллектором широко используются в схемотехнических решениях активного элемента высокочастотных генераторов маломощных радиопередающих устройств, о которых будет рассказано в одной из следующих глав. Поэтому автор считает необходимым хотя бы весьма коротко отметить основные преимущества и недостатки таких схем включения.
Усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, по сравнению со схемой с общим эмиттером, обеспечивает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление. Однако его температурные и частотные свойства значительно лучше. Помимо этого в схеме с общей базой отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами. Достоинством усилительного каскада по схеме с общей базой также является внесение значительно меньших искажений при усилении сигнала.
В усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором, нагрузка включена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. В схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Нередко в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков применяются усилительные каскады на полевых транзисторах. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, имеют большое входное сопротивление, чем значительно облегчается решение задачи согласования каскадов. Обычно предпочтение отдается схемотехническим решениям, в которых полевой транзистор включен по схеме с общим истоком.
Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с каналом n-типа, включенном по схеме с общим истоком, приведена на рис. 2.1б.
Принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, заключается в следующем. С увеличением потенциала затвора ток в цепи стока и, соответственно, падение напряжения на резисторе R1 в цепи нагрузки возрастают. При этом напряжение между стоком и истоком уменьшается. В результате переменное напряжение между стоком и истоком оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно переменного напряжения между затвором и истоком.
Для оценки работы усилительного каскада на полевом транзисторе обычно используют такие характеристики, как коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление каскада. Необходимо отметить, что значения входной, проходной и выходной емкостей полевого транзистора весьма малы и обычно не превышают нескольких пикофарад. Поэтому их влиянием на работу низкочастотного усилительного каскада можно пренебречь.
Принцип действия усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, рассмотрим на примере простейшего микрофонного усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Принципиальная схема простейшего микрофонного усилителя на n-p-n-транзисторе
В рассматриваемой схеме сигнал, сформированный на выходе микрофона BM1, через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VТ1, включенного по классической схеме с общим эмиттером. Конденсатор С1 обеспечивает развязку входной цепи усилителя и выходной цепи источника сигнала (микрофон BM1) по постоянному току. При отсутствии этого конденсатора сопротивление резистора R3 совместно с малым сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора VТ1 шунтирует выход источника сигнала. Помимо этого выходное сопротивление микрофона оказало бы неприемлемое влияние на положение рабочей точки транзистора VТ1, изменив режим его работы. Аналогичные функции выполняет разделительный конденсатор С2, обеспечивая развязку по постоянному току выходной цепи микрофонного усилителя и входных цепей подключаемых к его выходу каскадов.
Через резистор R1 на соответствующий вывод электретного микрофона BM1 подается напряжение, необходимое для штатного функционирования микрофона.
При отсутствии входного сигнала на базе транзистора VТ1, включенного по схеме с общим эмиттером, присутствует напряжение смещения, формируемое делителем R2, R3 из напряжения питания. Наличие напряжения смещения обеспечивает протекание тока между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этого тока, который обычно называют коллекторным током, зависит от соотношения величин сопротивлений резисторов R2 и R3. Изменение этого соотношения приводит к смещению рабочей точки на характеристике транзистора VТ1 и, соответственно, к изменению его режима работы.
При поступлении сигнала на базу транзистора VТ1 происходит изменение тока базы, что вызывает соответствующее изменение величины коллекторного тока. В результате по аналогичному закону происходит изменение разности потенциалов на резисторе R4, выполняющем функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1.
Как уже отмечалось, при возрастании напряжения на базе транзистора VТ1 происходит падение напряжения на его коллекторе, и, наоборот, при падении напряжения на базе, напряжение на коллекторе увеличивается. Таким образом, выходное напряжение однокаскадного транзисторного усилителя будет находиться в противофазе входному напряжению.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРесКонспект по теме: «Биполярные транзисторы»
Биполярные транзисторы
Общие сведения о биполярном транзисторе
Основные определения
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто — транзистором.
Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии, приведена на рис .1. Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область — противоположный. Структура транзистора, приведенная на рис.1, называется n-p-n-структурой. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора (см. рис.1). Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина WБ делается очень маленькой ( WБ<< Ln). Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, — коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (N DЭ >>N АБ) он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.
Режимы работы транзистора
В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный — в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного , выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.
Наряду с транзисторами n-p-n- структуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов, используемые в электрических схемах, приведены на рис.2. Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзистора, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, не используется. Принцип работы n-p-n- и p-n-p-транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В современной электронике наибольшее распространение получили транзисторы n-p-n-структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента диффузии электронов по сравнению с дырками (m n> m p; Dn>Dp) , обладают большим усилением и меньшей инерционностью, чем транзисторы p-n-p- структуры. Поэтому ниже рассматриваются именно n-p-n- транзисторы.
Схемы включения биполярного транзистора
В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис.3 показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода (см. рис.3).
В схеме с общей базой (см. рис.3,а) входной цепью является цепь
Рис.3.
эмиттера, а выходной — цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение uЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение uКБ — к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (uЭБ<0; uКБ>0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.
В схеме с общим эмиттером (см. рис.3,б) входной цепью является цепь базы, а выходной — цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение uБЭ>0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами: uКЭ = uКБ + uБЭ . Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо uКБ = uКЭ – uБЭ > 0 , что обеспечивается при uКЭ > uБЭ > 0.
В схеме с общим коллектором (см. рис.3,в) входной цепью является цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.
Принцип работы биполярного транзистора
Рассмотрим в первом приближении физические процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме, и постараемся оценить, каким образом эти процессы позволяют усиливать электрические сигналы.
Рис.4.
Для простоты анализа будем использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис.4. Эта модель предполагает, что p-n- переходы транзистора являются плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x , что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора (см. рис.1) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения uЭБ и uКБ — см. рис. 4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения uЭБ <0 и uКБ >0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Как уже отмечалось, из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу — см. рис.4. Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе uЭБ, экспоненциально возрастая с увеличением uЭБ . Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями — дырками. Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов, движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи iЭ и iК , направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора iК, являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением uЭБ и не зависят от выходного напряжения uКБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.
Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 5. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напряжения uЭБ- , а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор RК. Переменное напряжение uЭБ- наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся
Рис.5.
из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую iК– , которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине uЭБ- . При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую uКБ- = iК– RК. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении RК может значительно превосходить величину входного переменного напряжения uЭБ- (uКБ- >>uЭБ- ). Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу ( iЭ » iК ).
Принцип работы биполярного переходного транзистораи его эквивалентной схемы
Биполярный переходной транзистор (BJT):
Биполярный транзистор (BJT) имеет три вывода, подключенных к трем областям легированного полупроводника. В транзисторе N-P-N тонкая и слегка легированная база P-типа зажата между сильно легированным N-образным эмиттером и другим коллектором N-типа ; в то время как в транзисторе PNP тонкая и слегка легированная база N-типа зажата между сильно легированным P-типом эмиттер r и другим P-типа collecto r .Далее мы будем рассматривать только NPN BJT.
Рисунок 1. Биполярный переходной транзистор (BJT)Принцип работы BJT:
Рис 2. Биполярный транзистор n-p-n (BJT)На рисунке 2 показан транзистор n-p-n r, смещенный в активной области (см. смещение транзистора), переход BE смещен в прямом направлении, а переход CB с обратным смещением. 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 коллекторный ток.Таким образом, по KCL,
Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.
Здесь основными носителями заряда являются 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
.Схема эквивалента BJT:
Инжир.3 Эквивалентная схема BJTp-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, это эквивалентно двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.
Обратная связь важна для нас.
Биполярный переходной транзистор (BJT) — базовая структура…
Транзистор — это электронное устройство, которое может использоваться как усилитель или как электронный переключатель. Его способность усиливать сигнал или переключать нагрузки большой мощности с помощью слабого сигнала делает его очень полезным в области электроники.Существует два основных типа транзисторов: биполярный переходной транзистор, или BJT, и полевой транзистор, или FET. В этом руководстве мы сосредоточимся только на биполярном переходном транзисторе и обсудим его основную структуру и работу.
Термин биполярный относится к использованию дырок и электронов в качестве носителей тока в структуре транзистора.
Структура биполярного переходного транзистора (BJT)
Биполярный переходный транзистор (BJT) изготавливается с тремя полупроводниковыми областями, которые имеют различное легирование.Если мы уже потеряли вас с этим последним предложением, пожалуйста, ознакомьтесь с некоторыми из наших других руководств по основам полупроводников, так как они сделают это намного проще для понимания. Эти три области, которые легированы по-разному, известны как база, коллектор и эмиттер. Базовая область слегка легирована и очень тонкая по сравнению с областями коллектора и эмиттера. Коллекторная область умеренно легирована, а эмиттерная — сильно легирована.
NPN и PNP BJT Физическое представлениеТранзисторы с биполярным переходом могут быть типа npn или pnp.Тип npn состоит из двух n областей, разделенных p областью. Базовая область представляет собой материал p-типа, а области коллектора и эмиттера — материалы n-типа. В pnp-типе транзистор состоит из двух областей p-типа, коллектора и эмиттера, разделенных базовой областью n-типа. Независимо от типа, BJT имеет два pn перехода, которые для правильной работы должны быть правильно смещены внешним напряжением постоянного тока. Один из этих переходов называется переходом база-эмиттер, соединяющим области базы и эмиттера, а другой — переходом база-коллектор, соединяющим области базы и коллектора.
Базовая работа BJT
Чтобы биполярный переходный транзистор работал в качестве усилителя, его переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении — обратите внимание, что это означает, что npn-транзистор и pnp-транзистор расположены наоборот. И, как упоминалось ранее, эмиттерная область сильно легирована. Таким образом, в транзисторе npn эмиттерная область n-типа имеет очень высокую плотность свободных электронов, в то время как в транзисторе pnp эмиттерная область p-типа имеет очень высокую плотность дырок.
NPN BJT Bias ArrangementЗдесь я хотел бы напомнить вам, что ток и поток электронов идут в обратном направлении, что может вызвать путаницу. Поскольку переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, свободные электроны из области эмиттера легко пересекают переход база-эмиттер и попадают в очень тонкую и слегка легированную область базы p-типа. Базовая область p-типа слегка легирована, что означает, что в ней не так много дырок. В этом случае только небольшой процент свободных электронов из эмиттерной области может рекомбинировать с дырками в базовой области.
Небольшое количество свободных электронов из области эмиттера, которые рекомбинируются с дырками в базовой области, перемещаются через базовую область как валентные электроны. Но когда они покидают базовую область и движутся через металлический базовый вывод, они становятся свободными электронами и производят внешний базовый ток, который затем выходит через металлический вывод во внешнюю цепь, а затем, в конечном итоге, возвращается в эмиттерную область. .
NPN BJT Electron Flow OperationСвободные электроны, которые вошли в базовую область, но не рекомбинировали с дырками, движутся к переходу база-коллектор с обратным смещением.Поскольку область коллектора подключена к положительной стороне внешнего напряжения смещения, свободные электроны притягиваются к положительной стороне и перемещаются в область коллектора. Они выходят из области коллектора, а также проходят через металлический вывод коллектора в цепь и возвращаются в область эмиттера. Итак, в этом случае мы знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. Следовательно, ток эмиттера немного больше, чем ток коллектора.
Работа внутри pnp-транзистора очень похожа на работу npn-транзистора. Но роли электронов и дырок поменялись местами. Напряжения внешнего смещения и направления тока меняются местами.
PNP BJT Bias ArrangementЕсли вы попытаетесь понять это, реверсирование внешних напряжений смещения приведет к прямому смещению перехода база-эмиттер PNP-транзистора и обратному смещению перехода база-коллектор. Поскольку переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, отверстия в области эмиттера могут перемещаться через переход база-эмиттер и входить в базовую область.В то же время электроны в базовой области также могут перемещаться в эмиттерную область. Внутри PNP-транзистора ток эмиттера возникает из-за перемещения отверстий от эмиттера к области базы. Но внешне эмиттерный ток связан с движением электронов из области эмиттера к положительной клемме внешнего напряжения смещения. Базовый ток, создаваемый в PNP-транзисторе, возникает из-за движения электронов от внешнего напряжения смещения в базовую область.
Поскольку базовая область слегка легирована, только небольшое количество электронов в базовой области рекомбинирует с дырками из эмиттерной области, а остальные дырки перемещаются в коллекторную область.Внутри это движение отверстий в область коллектора создает ток коллектора, но снаружи ток коллектора — это поток электронов от внешнего напряжения смещения в область коллектора.
Направление токов в транзисторе NPNЕсли мы сравним направление токов транзистора npn и pnp, используя обычный поток тока, мы увидим, что течение токов в транзисторе pnp прямо противоположно потоку токи в npn-транзисторе.
Направления токов в транзисторе PNPРезюме
В этом руководстве мы обсудили базовую структуру и основные операции транзистора с биполярным переходом. Мы узнали, что транзистор с биполярным переходом состоит из трех легированных полупроводниковых областей, имеет два основных типа — npn и pnp, и оба типа имеют два pn перехода. Мы также узнали, как смещать биполярный переходной транзистор, чтобы он работал как усилитель, и обсудили, что происходит внутри npn-транзистора.Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях ниже, и если вы нашли это интересным или полезным, поставьте лайк и подпишитесь на наш канал!
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;
- 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.
- Запретная область: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор обратное смещение, и транзистор действует как разомкнутый переключатель. (Я С = 0)
- 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 и обычно называется коэффициентом β. 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
- 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. - 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. Увеличивайте 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. значения β с измеренными данными. График β по сравнению с V BE . - Измерение I C по сравнению с V CE , характеристика 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 Выполняется в 2.
Рисунок 1 — Упрощенная схема и подключение выводов транзистора 2N3904
Рисунок 2 — Тестовая схема для измерения характеристик биполярного транзистора V BE и I C
Биполярный переходной транзистор (BJT) | Semiconductor Theory
Биполярный переходной транзистор (BJT) | Теория полупроводниковNPN (и PNP) транзисторов.
Транзистор NPN можно грубо описать как состоящий из слоя полупроводника P-типа, «зажатого» между двумя частями Полупроводник N-типа.(Транзистор PNP имеет противоположное расположение). В этом разделе мы опишем принципы работы транзистора NPN. (PNP имеет тот же принцип работы, за исключением того, что роль носителей заряда меняется, а приложенные напряжения имеют противоположные полярность).
Термин биполярный относится к тому факту, что в этом типе транзистора поток тока включает два типа основных носителей заряда (то есть электроны и дырки).
На рисунке ниже показана схема NPN-транзистора вместе с обозначением цепи.Три разные области транзистора называются эмиттер, база и коллектор. Очень важно отметить, что диаграмма не отражает фактические сравнительные размеры каждой области / слоя. внутри транзистора. Фактически, разница в размерах, а также разница в уровнях легирования между каждой областью, имеют решающее значение для функция устройства.
Прямое смещение базы эмиттерного перехода.
Если внешнее напряжение применяется для прямого смещения перехода база-эмиттер, то, как и ожидалось, через него будет протекать ток.Однако эмиттер намного более сильно легированный, чем базовая область. Следовательно, ток, который течет в базе (Ib) (и через переход базы-эмиттера) ограничивается меньшим легированием базовой области.
Коллекторный переход базы с обратным смещением.
Можно видеть, что приложенная полярность вызывает обратное смещение коллекторного перехода базы. Базовый ток все еще течет из-за смещения базы в прямом направлении. эмиттерный переход.Он состоит из дырок, текущих в базе, и электронов, текущих в эмиттере, которые рекомбинируют на стыке. Однако большой количество электронов от эмиттера, перемещаются через базу положительным напряжением коллектора, прежде чем они получат возможность встретиться а затем соедините с отверстиями. Это связано с очень низкой плотностью отверстий в области основания и тем фактом, что она очень тонкая. Конечный результат состоит в том, что большое количество электронов, которые вводятся в эмиттер, «перемещаются» через базу положительным напряжением коллектора, прежде чем они смогут встретиться с отверстием и воссоединиться с ним.Это вызывает протекание большого тока между коллектором и эмиттером.
Работа транзистора.
Выше мы описали функцию транзистора с точки зрения факторов, влияющих на поведение мобильных носителей заряда в базе, эмиттере и коллекторские регионы. Теперь мы рассмотрим обзор работы транзистора с точки зрения обычного протекания тока.
Напряжение база-эмиттер Vbe заставляет ток (Ib) течь в базу транзистора.Этот ток обеспечивает напряжение между коллектором и
эмиттер (Vce), чтобы произвести ток (Ic,), который течет в коллектор. Из-за разных уровней легирования (как описано выше) и большего потенциала
от Vce ток коллектора Ic намного больше, чем ток базы Ib.
В соответствии с действующим законом Кирхгофа ток, текущий из эмиттера
(Ie) будет суммой базового и коллекционного тока (т.е. Ie = Ib + Ic).
В конечном итоге в транзисторе с правильным смещением небольшой базовый ток Ib вызывает протекание гораздо большего тока коллектора Ic.
(Мы можем думать о Иб как об эффективном контроле сопротивления, «испытываемого» Все)
Сохраняя Vce постоянным, тогда, если Ib увеличивается, Ic увеличивается (до максимального значения, достигаемого, когда транзистор является «полностью проводящим» (т. Е. Когда он оказывает незначительное сопротивление Vce)). Если Ib уменьшается, то Ic уменьшается (до тех пор, пока Ib в конечном итоге не уменьшит Ic до нуля).
Это приводит к двум применениям транзистора.
- Транзистор как коммутирующее устройство .
Базовый ток можно переключить с нуля на значение, при котором транзистор полностью проводит ток. Это вызовет сопротивление «замеченный» Vce для перехода от фактически разомкнутой цепи к замкнутой. т.е. транзистор будет действовать как переключатель (управляемый Ib и управление Ic). - Транзистор как усилитель сигнала .
Если базовый ток установлен на среднюю точку рабочего диапазона, изменение базового тока вызовет пропорциональное изменение в ток коллектора, при условии, что базовый ток не приближается к своим верхним и нижним рабочим пределам.Если выйти за пределы этого диапазона, то изменение Ic больше не будет пропорционально изменению Ib. В конце концов мы могли бы достичь точки, когда транзистор был переключен. полностью включен или выключен, как описано выше, поэтому дальнейшие изменения в Ib не могут привести к дальнейшим изменениям в Ic.
Транзистор PNP.
На схемах ниже показано устройство смещения и обозначение схемы транзистора PNP.
Режимы работы БЮТ
BJT операция режимы
Транзистор может работать в трех режимах:
- Режим отключения
- Насыщенность режим
- Активный режим
В чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любом из этих регионов.
Применение постоянное напряжение на транзисторе — это не что иное, как смещение транзистор.
Режим отсечки
В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратные пристрастный.Другими словами, если предположить, что два p-n переходы как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.
режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.
Насыщенность режим
В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед пристрастный. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения через устройство протекает ток.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.
В насыщенность режим, бесплатно электроны (носители заряда) перетекают от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.
Следовательно, в транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.
насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.
От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.
Активный режим
В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный пристрастный.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.
активный режим работы используется для усиления Текущий.
От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, тогда как он работает как усилитель тока в активном режиме.
(PDF) Биполярные транзисторы, теория и основные приложения
112
Резюме
На этапах с 1 по 11 этого эксперимента вы наблюдали работу
усилителя с общим эмиттером NPN. RC соединен с общим эмиттерным усилителем
PNP.Этот тип соединения является одним из наиболее широко используемых методов соединения
. Когда транзисторы NPN и PNP используются попарно, они имеют размер
, и говорят, что это комплементарная пара.
Вы должны были измерить амплитуду синусоидального сигнала
при размахе приблизительно 1,75 В на TP102. Затем вы на мгновение выключили SW101 позицию 8, чтобы изолировать
первую ступень от второй. При разрыве между ступенями выход
первой ступени увеличился примерно до 2 вольт.Это увеличение связано с удалением
нагрузки переменного тока второй ступени. В этой схеме использована емкостная связь
. Нет нагрузки постоянного тока, потому что конденсаторы блокируют постоянный ток.
Вход на второй этап на TP105 примерно такой же, как на выходе
на TP102. Конденсатор C102 передает весь сигнал. Потери переменного тока на конденсаторах связи
очень малы.
Когда вы настраивали потенциометр 100 кОм (R808) во время шага 1,
выходной сигнал искажался при увеличении входного напряжения.Без ввода Q101 — это
, работающий около средней точки своего рабочего диапазона. По мере увеличения входного сигнала
Q102 поочередно переводится в режим насыщения и отсечки. Это вызывает ограничение как положительных, так и отрицательных пиков выходного сигнала
.
Поскольку входная частота была изменена на шаге 11,
практически не изменилось ни в амплитуде, ни в форме выходного сигнала. Емкостная связь
может использоваться для широкого диапазона частот.Однако на более низких частотах
требуется конденсатор связи большой емкости. Нижний предел составляет
несколько Гц для этого типа муфты. Верхний предел частоты задается характеристиками
транзистора, используемого в усилителе.
На шагах с 12 по 16 вы исследовали связь трансформатора.
Трансформаторная муфта используется для соединения выхода с высоким импедансом с несколькими входами с импедансом
, в идеале это достигается путем регулировки соотношения витков входной и выходной обмоток трансформатора
.Однако точное совпадение практически невозможно из-за допусков компонентов. Трансформаторная муфта имеет преимущество
, заключающееся в возможности повышать или понижать сигнальные напряжения. Он также
обеспечивает изоляцию между ступенями, потому что одинаковый ток не течет в
на обеих ступенях.
На этапе 11 было обнаружено, что выходной сигнал первого каскада составляет около 1,9 В от пика до пика
. Затем вы удалили первый этап из второго и обнаружили небольшое изменение
в выходных данных TP102.Вторая стадия не нагружает первую стадию до
в какой-либо степени, как это было в первой части этого эксперимента.
Другие проблемы, возникающие при использовании трансформатора, заключаются в том, что он не может соединять сигналы постоянного тока
и что это относительно дорого по сравнению с резистивным
или RC-соединением.
Когда вы поменяете местами провода (TP810 и TP811), вы измените полярность
выходного сигнала. Таким образом, с трансформаторной связью вы также можете подключить
сигнал в синфазном или противофазном направлении.
Поваренная книга по биполярным транзисторам— Часть 1
Биполярный транзистор — самый важный «активный» элемент схемы, используемый в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых ИС, операционных усилителей и т. Д. В дискретной форме он может функционировать либо как цифровой переключатель, либо как как линейный усилитель и доступен во многих формах низкой, средней и высокой мощности. В этом вступительном эпизоде основное внимание уделяется базовой теории транзисторов, их характеристикам и конфигурациям схем. Остальные семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.
ОСНОВЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Биполярный транзистор (впервые изобретен в 1948 году) представляет собой трехконтактное (база, эмиттер и коллектор) устройство усиления тока, в котором небольшой входной ток может управлять величиной гораздо большего выходного тока. Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.
Обычный транзистор сделан из трехслойного полупроводникового материала n-типа и p-типа, с базовым или «управляющим» выводом, подключенным к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям.Если он использует многослойную конструкцию n-p-n, как на рис. 1 (a) , он известен как транзистор n-pn и использует стандартный символ на рис. 1 (b) .
РИСУНОК 1. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) npn-транзистора.
Если он использует структуру p-n-p, как на рис. 2 (а) , он известен как pnp-транзистор и использует символ на рис. 2 (b) .
РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) pnp-транзистора.
При использовании для транзисторов npn и pnp требуется источник питания соответствующей полярности, как показано на , рис. 3, .
РИСУНОК 3. Подключения полярности к (a) npn-транзисторам и (b) pnp-транзисторам.
Устройству npn требуется источник питания, который делает коллектор положительным по отношению к эмиттеру — его выходной или выходной ток сигнала (I c ) течет от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда регулируется входным «управляющим» током ( I b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний токоограничивающий резистор (R b ) и положительное напряжение смещения.Транзистору pnp требуется отрицательное питание — ток его основного вывода течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттер-база, который течет до отрицательного напряжения смещения.
В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. Такие устройства имели много практических недостатков: они были хрупкими, чрезмерно чувствительными к температуре, с электронным шумом и имели очень низкую мощность передачи. Германиевые транзисторы уже устарели.Практически все современные биполярные транзисторы изготовлены из кремниевых полупроводниковых материалов. Такие устройства надежны, обладают хорошей мощностью, не слишком чувствительны к температуре и генерируют незначительный электронный шум.
Сегодня доступно очень большое количество превосходных типов кремниевых биполярных транзисторов. На рис. 4 перечислены основные характеристики двух типичных маломощных типов общего назначения — 2N3904 (npn) и 2N3906 (pnp), каждый из которых размещен в пластиковом корпусе TO-92 и имеет штифт на нижней стороне. соединения показаны на схеме.
РИСУНОК 4. Общие характеристики и схема маломощных кремниевых транзисторов 2N3904 и 2N3906.
Обратите внимание, что при чтении списка Рисунок 4 , что V CEO (max) — это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда база разомкнута, и V CBO (max) — максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. I C (макс.) — это максимальный средний ток, который может протекать через клемму коллектора устройства, а P T (макс.) — максимальная средняя мощность, которую устройство может рассеять без использования внешний радиатор, при нормальной комнатной температуре.
Одним из наиболее важных параметров транзистора является его коэффициент передачи прямого тока, или h fe — это коэффициент усиления по току или отношение выходного / входного тока устройства (обычно от 100 до 300 в двух перечисленных устройствах). Наконец, цифра f T показывает доступное произведение коэффициента усиления / ширины полосы частот устройства, т. Е. Если транзистор используется в конфигурации обратной связи по напряжению, которая обеспечивает усиление по напряжению x100, ширина полосы составляет 1/100 от f T цифра, но если коэффициент усиления по напряжению уменьшается до x10, полоса пропускания увеличивается до f T /10 и т. Д.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА
Чтобы получить максимальное значение от транзистора, пользователь должен понимать как его статические (постоянный ток), так и динамические (переменный ток) характеристики. На рисунке 5 показаны статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.
РИСУНОК 5. Статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.
Стабилитрон неизбежно формируется каждым из np- или pn-переходов транзистора, и, таким образом, транзистор (в статических терминах) равен паре обратно соединенных стабилитронов, подключенных между выводами коллектора и эмиттера, с выводом базы. подключены к их «общей» точке.В большинстве маломощных транзисторов общего назначения переход база-эмиттер имеет типичное значение стабилитрона в диапазоне от 5 В до 10 В — типичное значение стабилитрона перехода база-коллектор находится в диапазоне от 20 В до 100 В.
Таким образом, переход база-эмиттер транзистора действует как обычный диод при прямом смещении и как стабилитрон при обратном смещении. В кремниевых транзисторах смещенный в прямом направлении переход пропускает небольшой ток, пока напряжение смещения не возрастет примерно до 600 мВ, но при превышении этого значения ток быстро увеличивается.При прямом смещении фиксированным током прямое напряжение перехода имеет тепловой коэффициент около -2 мВ / 0 C. Когда транзистор используется с разомкнутой цепью эмиттера, переход база-коллектор действует так же. описан, но имеет большее значение стабилитрона. Если транзистор используется с разомкнутой базой, путь коллектор-эмиттер действует как стабилитрон, включенный последовательно с обычным диодом.
Динамические характеристики транзистора можно понять с помощью , рис. 6, , на котором показаны типичные характеристики прямого перехода маломощного кремниевого npn-транзистора с номинальным значением 100 h fe (коэффициент усиления по току).
РИСУНОК 6. Типичные передаточные характеристики маломощных npn-транзисторов со значением h fe , равным 100 номиналу.
Таким образом, когда ток базы (I b ) равен нулю, транзистор пропускает только небольшой ток утечки. Когда напряжение коллектора превышает несколько сотен милливольт, ток коллектора почти прямо пропорционален токам базы и мало зависит от значения напряжения коллектора. Таким образом, устройство можно использовать в качестве генератора постоянного тока, подавая фиксированный ток смещения в базу, или можно использовать как линейный усилитель, наложив входной сигнал на номинальный входной ток.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Транзистор может использоваться во множестве различных конфигураций основных схем, и оставшаяся часть этого вступительного эпизода представляет собой краткое изложение наиболее важных из них. Обратите внимание, что хотя все схемы показаны с использованием транзисторов типа npn, их можно использовать с типами pnp, просто изменив полярность схемы и т. Д.
ДИОД И ЦЕПИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Переход база-эмиттер или база-коллектор кремниевого транзистора может использоваться как простой диод или выпрямитель, или как стабилитрон, используя его с соответствующей полярностью. Рисунок 7 показывает два альтернативных способа использования npn-транзистора в качестве простого диодного зажима, который преобразует прямоугольный входной сигнал, связанный по переменному току, в прямоугольный выходной сигнал, который колеблется между нулем и положительным значением напряжения, т. Е. Который «фиксирует» выходной сигнал. к нулевой контрольной точке либо через внутреннюю базу-эмиттер транзистора, либо через «диодный» переход база-коллектор.
РИСУНОК 7. Схема ограничивающего диода, использующая npn-транзистор в качестве диода.
На рисунке 8 показан npn-транзистор, используемый в качестве стабилитрона, который преобразует нерегулируемое напряжение питания в стабилизированный выходной сигнал с фиксированным значением с типичным значением в диапазоне от 5 В до 10 В, в зависимости от конкретного транзистора. Для этого приложения подходит только переход база-эмиттер транзистора с обратным смещением. Если используется переход база-коллектор с обратным смещением, значение стабилитрона обычно возрастает до диапазона 30–100 В, и транзистор может самоуничтожиться (из-за перегрева) при довольно низких уровнях тока стабилитрона.
РИСУНОК 8. Транзистор, используемый в качестве стабилитрона.
На рисунке 9 показан транзистор, используемый в качестве простого электронного переключателя или цифрового инвертора. Его база приводится в действие (через R b ) цифровым входом, имеющим либо нулевое напряжение, либо положительное значение, а нагрузка R L подключается между коллектором и положительной шиной питания. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор отключен и через нагрузку протекает нулевой ток, поэтому между коллектором и эмиттером появляется полное напряжение питания.Когда на входе высокий уровень, транзисторный ключ полностью включен (насыщен), и в нагрузке протекает максимальный ток, и между коллектором и эмиттером вырабатывается всего несколько сотен милливольт. Таким образом, выходное напряжение представляет собой инвертированную форму входного сигнала.
РИСУНОК 9. Транзисторный переключатель или цифровой инвертор.
Базовая схема Figure 9 предназначена для использования в качестве простого цифрового переключателя или инвертора, управляющего чисто резистивной нагрузкой.Его можно использовать в качестве электронного переключателя, который приводит в действие катушку реле или другую высокоиндуктивную нагрузку (например, двигатель постоянного тока), подключив его, как показано на рис. , рис. 10, , в котором диоды D1 и D2 защищают транзистор от высокоточного переключателя. — индуцированные обратные ЭДС от индуктивной нагрузки в момент отключения питания.
РИСУНОК 10. Транзисторный переключатель (цифровой инвертор), управляющий катушкой реле (или другой индуктивной нагрузкой).
ЦЕПИ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя тока или напряжения, подав соответствующий ток смещения в его базу, а затем подав входной сигнал между соответствующей парой клемм.В этом случае транзистор может использоваться в любом из трех основных режимов работы, каждый из которых обеспечивает уникальный набор характеристик. Эти три режима известны как «общий эмиттер» (, рисунок 11, ), «общая база» (, рисунок 12, ) и «общий коллектор» (, рисунки 13 и 14, ).
В схеме с общим эмиттером (которая показана в очень простой форме на рис. 11 ) резистивная нагрузка R L подключена между коллектором транзистора и положительной линией питания, а ток смещения подается в базу через резистор R b , значение которого выбирается для установки коллектора на значение половины напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала).Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттером через конденсатор C, а выходной сигнал (который инвертирован по фазе относительно входа) принимается между коллектором и эмиттером. Эта схема дает среднее значение входного импеданса и довольно высокий общий коэффициент усиления по напряжению.
РИСУНОК 11. Линейный усилитель с общим эмиттером.
В схеме с общей базой в рис. 12 база смещена через R b и развязана по переменному току (или заземлена по переменному току) через конденсатор C b .Входной сигнал эффективно применяется между эмиттером и базой через C1, а усиленный, но не инвертированный выходной сигнал эффективно берется между коллектором и базой. Эта схема отличается хорошим коэффициентом усиления по напряжению, почти единичным коэффициентом усиления по току и очень низким входным сопротивлением.
РИСУНОК 12. Линейный усилитель с общей базой.
В цепи общего коллектора постоянного тока в рис. 13 коллектор закорочен на низкоомную положительную шину питания и, таким образом, фактически находится на уровне импеданса «виртуальной земли».Входной сигнал подается между базой и землей (виртуальный коллектор), а неинвертированный выход берется между эмиттером и землей (виртуальный коллектор). Эта схема дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению, а ее выход «следует» за входным сигналом. Таким образом, он известен как повторитель постоянного напряжения (или эмиттерный повторитель) и имеет очень высокий входной импеданс (равный произведению значений R L и h fe ).
РИСУНОК 13. Линейный усилитель постоянного тока с общим коллектором или повторитель напряжения.
Обратите внимание, что приведенная выше схема может быть модифицирована для использования переменного тока, просто смещая транзистор на половину напряжения питания и соединяя входной сигнал с базой по переменному току, как показано в базовой схеме на рис. 14 , в котором делитель потенциала R1-R2 обеспечивает смещение половинного напряжения питания.
РИСУНОК 14. Усилитель с общим коллектором переменного тока или повторитель напряжения.
В таблице на рис. 15 приведены характеристики трех основных конфигураций усилителя.Таким образом, усилитель с общим коллектором дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению и высокий входной импеданс, в то время как усилители с общим эмиттером и общей базой дают высокие значения усиления по напряжению, но имеют значения входного сопротивления от среднего до низкого.
РИСУНОК 15. Сравнительные характеристики трех основных схемных конфигураций.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Рисунок 16 показывает — в базовой форме — как пару усилителей базового типа Рисунок 11 можно соединить вместе, чтобы образовать «дифференциальный» усилитель или «длиннохвостую пару», которая выдает пропорциональный выходной сигнал. на разницу между двумя входными сигналами.В этом случае Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а схема смещена (через R1-R2 и R3-R4), так что два транзистора пропускают одинаковые токи коллектора (таким образом, обеспечивая нулевую разницу между токами коллектора). два напряжения коллектора) в условиях покоя с нулевым входом.
РИСУНОК 16. Дифференциальный усилитель или длиннохвостая пара.
Если в приведенной выше схеме возрастающее входное напряжение подается только на вход одного транзистора, это приводит к падению выходного напряжения этого транзистора и (в результате действия связи эмиттеров) вызывает выходное напряжение другого транзистора. транзистор поднимается на аналогичную величину, что дает большое дифференциальное выходное напряжение между двумя коллекторами.С другой стороны, если на входы обоих транзисторов подаются идентичные сигналы, оба коллектора будут перемещаться на одинаковые величины, и, таким образом, схема будет производить нулевой дифференциальный выходной сигнал. Таким образом, схема выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.
ДАРЛИНГТОНСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Входной импеданс схемы эмиттерного повторителя , рисунок 13, равен произведению значений R L и значений h fe транзистора — если требуется сверхвысокий входной импеданс, его можно получить, заменив одиночный транзистор на пара транзисторов, подключенных по схеме «Дарлингтон» или «Супер-Альфа», как показано на Рис. 17 .Здесь эмиттерный ток входного транзистора подается непосредственно на базу выходного транзистора, и пара действует как один транзистор с общим значением h fe , равным произведению двух отдельных значений hfe, т. Е. Если каждое из них Транзистор имеет значение h fe , равное 100, пара действует как одиночный транзистор с h fe , равным 10 000, а полная схема имеет входное сопротивление 10 000 x R L .
РИСУНОК 17. Эмиттерный повторитель Дарлингтона или Супер-Альфа постоянного тока.
ЦЕПИ МУЛЬТИВИБРАТОРА
Мультивибратор, по сути, представляет собой цифровую схему с двумя состояниями, которую можно переключать из состояния с высоким выходом в состояние с низким уровнем выхода или наоборот, с помощью триггерного сигнала, который может быть получен от внешнего источника или с помощью автоматического или срабатывающий механизм синхронизации. Транзисторы могут использоваться в четырех основных типах схем мультивибратора, как показано на рисунках 18-21 .
Схема Рис. 18 Схема представляет собой простой бистабильный мультивибратор с перекрестной связью, запускаемый вручную, в котором смещение базы каждого транзистора происходит от коллектора другого, так что один транзистор автоматически отключается при включении другого. , наоборот.
РИСУНОК 18. Бистабильный мультивибратор с ручным запуском.
Таким образом, выходной сигнал может быть понижен путем кратковременного отключения Q2 через S2, таким образом закорачивая путь Q2 база-эмиттер. Когда Q2 отключает привод базы питания R2-R4 на базу Q1, схема автоматически блокируется в этом состоянии до тех пор, пока Q1 не будет аналогичным образом отключен через S1, после чего выход снова блокируется в высоком состоянии, и так до бесконечности.
На рис. 19 в базовой форме показан моностабильный мультивибратор или схема генератора однократных импульсов.Его выход (от коллектора Q1) обычно низкий, так как Q1 обычно смещается через R5, но переключается на высокий уровень в течение заданного периода (определяемого значениями компонентов C1-R5), если Q1 на короткое время выключается посредством кратковременного закрытия кнопки « Пуск »переключатель S1.
РИСУНОК 19. Моностабильный мультивибратор с ручным запуском.
Фактический период времени моностабильности начинается при отпускании кнопочного переключателя «Пуск» и имеет период (P) приблизительно 0.7 x C1 x R5, где P выражено в мкСм, C в мкФ, а R в килом.
На рисунке 20 показан нестабильный мультивибратор или автономный генератор прямоугольной волны, в котором периоды включения и выключения прямоугольной волны определяются значениями компонентов C1-R4 и C2-R3. По сути, эта схема действует как пара перекрестно связанных моностабильных схем, которые последовательно автоматически запускают друг друга. Если периоды синхронизации C1-R4 и C2-R3 идентичны, схема генерирует свободный прямоугольный выходной сигнал.Если два периода синхронизации не идентичны, схема генерирует асимметричный выходной сигнал.
РИСУНОК 20. Нестабильный мультивибратор или автономный прямоугольный генератор.
Наконец, На рисунке 21 показан базовый триггер Шмитта или схема преобразователя синусоидальной формы сигнала в прямоугольную. Действие схемы здесь таково, что Q2 внезапно переключается из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот, когда база Q1 поднимается выше или ниже заранее определенных уровней «триггерного» напряжения.
РИСУНОК 21. Триггер Шмитта или преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.
Если на вход схемы подается синусоидальный сигнал разумной амплитуды, схема, таким образом, генерирует выходной сигнал симпатической прямоугольной формы. NV
.