Режимы работы транзистора: схемы, стабилизация, формулы, классы

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_кэн, I_кн), где U_кэн и I_кн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

● с фиксированным током базы;

● с коллекторной стабилизацией;

● с эмиттерной стабилизацией.

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Е_к обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа i_к· R_к + u_кэ− Е_к = 0
Отсюда находим ток коллектора i_к: i_к= − ( 1 / R_к ) · u_кэ+ ( 1 / R_к ) · Е_к что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа i_б · R_б + u_бэ − Е_к = 0

Отсюда находим ток базы i_б:
i_б = − u_бэ / R_б + Е_к / R_б

Будем пренебрегать напряжением u_бэ так как обычно u_бэ << Е_к. Тогда i_б = Е_к / R_б

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i_б задается величинами Е_к и R_б (ток «фиксирован»). При этом i_к= β_ст · i_б + Í_ко

Пусть i_б = i_б2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, i_б = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, i_б > i_б4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

● при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины β_ст и Í_ко, что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки.

● для каждого значения β_ст необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

(рис. 2.16). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помощью сопротивления R_б.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере.

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток i_к начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u_Rк, уменьшению напряжения u_кэ и уменьшению тока i_б ( i_б = u_кэ/ R_б), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_к, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией

(рис. 2.17).

В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток i_э и через это ток i_к ( i_к = i_э ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение u_Rэ. При этом оказывается, что i_э= u_Rэ/ R_э= const. Для создания требуемого напряжения u_R используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Сопротивления R₁и R₂ выбирают настолько малыми, что величина тока i_б практически не влияет на величину напряжения u_R2. При этом u_R2= Eк · [ R₂/ ( R₁+ R₂)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа u_Rэ= u_R2– u_б

При воздействии дестабилизирующих факторов величина u_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина u_Rэ. На практике обычно напряжение u_Rэ составляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

В режиме «А» ток коллектора всегда больше нуля (i_к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.

В режиме «В» I_кн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.

Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.

В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.

Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

Как работает биполярный транзистор | Volt-info

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

 Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

 Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы),

что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

 Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

U_БЭ<0,6 В

или

I_Б=0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

I_Э=I_К+I_Б

Ток коллектора можно выразить соотношением:

I_К=αI_Э

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

 

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

 

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории, поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

Работа транзистора в активном режиме

В этой статье мы рассмотрим и даже посчитаем небольшой каскад, а также соберем его в реале и испытаем на практике.

Активный режим транзистора

Если вы читали прошлую статью, то наверняка помните, что транзистор в режиме усиления работает только в активном режиме. Этот активный режим находится между режимами отсечки и насыщения:

Следовательно, выходной усиленный сигнал должен находиться в области активного режима, иначе он будет сильно искажаться.

Далее вспоминаем нехитрую формулу

Коэффициент бета  – это коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Ну и что все это значит? А значит это то, что в любом транзисторе в активном режиме ток коллектора в β (бета) раз больше, чем ток базы. Задав крохотную силу тока через базу, мы в бета раз можем увеличить силу тока в цепи коллектора.

Что будет, если на базу мы подадим переменный сигнал напряжения? Следовательно, в цепи базы переменный сигнал будет либо увеличивать, либо уменьшать силу тока, протекающую через базу, а переменная сила тока через базу в свою очередь будет “тащить” за собой  силу тока в цепи коллектора, который будет в бета раз больше, чем базовый ток.

Если вставить резистор в цепь коллектора, то можно будет с него снимать переменное напряжение. Ну разве не замечательно? А откуда возьмется напряжение на резисторе? Дело в том, что резистор и переход коллектор-эмиттер обладают   сопротивлением  . Самый прикол в том, что переход коллектор-эмиттер – это управляемое сопротивление, зависящее от тока базы. Получаем простой делитель напряжения 😉

Но для того, чтобы усиливать переменный сигнал правильно, есть одно НО… И это “НО” заключается еще в одном резисторе.

Двухрезисторная схема смещения

Я хочу усилить синусоидальный сигнал и поэтому подаю его на базу транзистора. На выходе хочу получить усиленную копию.

Для того, чтобы получить красивую усиленную копию, надо чтобы эта копия не выходила за границы режима отсечки и насыщения и желательно, чтобы она располагалась посередине активной области. То есть надо этот сигнал сместить в середину активной области:

Поэтому, требуется добавить к схеме еще один резистор, чтобы получилась схема смещения.

Итак, давайте рассмотрим самую простую схему смещения и на ее примере разберемся, что к чему

Что здесь имеем?

U_пит  – напряжение питания. На U_вх подаем  переменный сигнал, на U_вых получаем усиленную копию. Или более понятно:

Итак, давайте рассмотрим назначение радиоэлементов в этой схеме. Транзистор используется для усиления. Я думаю, вы это уже поняли 🙂  Резистор  R2  служит для того, чтобы у нас получился делитель напряжения и  потом можно будет снять с резистора это напряжение.

Конденсаторы  С1  и С2 у нас пропуска ют переменный ток, а постоянный не пропускают. А нам постоянный ток на входе и на выходе не нужен. Мы ведь хотим усиливать переменный ток, не так ли?

И самый главный радиоэлемент в этой схеме считается резистор R1, который как раз и задает режим работы усилителя. Зачем он здесь нужен?

Во-первых, чтобы отпереть транзистор. Вывести его из режима отсечки в активный режим. А для этого, как вы помните, достаточно подать напряжение более, чем падение напряжения на переходе база – эмиттер, которое для кремниевых транзисторов составляет 0,6-0,7 Вольт. Поэтому, U_пит  должно быть больше, чем падение напряжения на переходе база-эмиттер.

Во-вторых, задать базовый ток, так как через цепь +Uпит —-> R1—-> база —-> эмиттер —-> земля потечет ток, сила тока которого будет зависеть от того, какой резистор мы туда воткнем.

В-третьих, задавая нужный базовый ток этим резистором, мы выбираем режим работы нашего усилителя. Сейчас нас интересует режим, при котором сигнал будет “болтаться” между режимами отсечки и насыщения примерно в середине активного режима.

Как этого добиться?

Для удобства пусть у нас R1 называется R_Б  (базовый резистор), а R2  назовем R_к (коллекторный резистор):

Так как мы хотим получить усиленную копию сигнала в активном (линейном) режиме транзистора, следовательно, нам надо добиться того, чтобы через базу протекала такая сила тока,  чтобы напряжение на коллекторе (в узле, куда цепляется конденсатор С2) было ровнёхонько половинка от U_пит.

Не забываем, что у нас входной сигнал, подаваемый на базу, может принимать как положительные значения, так и отрицательные. Следовательно, напряжение на коллекторе будет принимать меньшее или большее значение. А чтобы уже усиливаемый сигнал не доходил до режима отсечки или насыщения, мы его как раз и будем держать в серединке активной области.

Расчет каскада c двумя резисторами

Берем рыжий советский транзистор КТ315Б  и рассчитаем вот такую схемку  при напряжении питания в 9 Вольт

Для того, чтобы рассчитать схему, надо действовать с конца, то есть с выхода схемы.

Для получения усиленной копии сигнала, нам надо, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания, то есть получаем U_к = 9 В/2 = 4,5  Вольт. Это значит, что на R_к падает напряжение в 4,5 Вольт и на транзисторе между выводами коллектора и эмиттера тоже падает 4,5 Вольт. Для маломощных усилительных каскадов в основном ток коллектора I_к берут в 1 миллиампер, это значит, что ток потечет по цепи +9 В —> R_к —-> коллектор—> эмиттер—->земля и если его замерить в этой цепи, то получим 1мА.

Долго не думая, находим, чему равняется R_{к .}  Вспоминаем дядюшку Ома  и получаем, что R_к = U_к /I_к =4,5 В/1 мА=4,5 кОм. Берем ближайший из ряда, то есть на 4,7 кОм.

Следующим шагом нам надо приблизительно узнать коэффициент бета. В этом нам может помочь простой мультиметр с функцией замера H_FE (β) либо RLC-транзистор метр. В моем случае на RLC-транзистор-метре получилось что-то около 142.

Высчитываем ток  базы. Так как мы знаем, что

Из этой формулы находим I_Б. Получается, что I_Б = I_к / β = 1мА/142 = 7 микроампер.

Следующим делом находим сопротивление базового резистора: R_Б =(U_пит -0,6)/ I_Б = 9 В/7мкА=1,2 Мегаом. В этой формуле 0,6 В мы берем, как падение напряжения на переходе база-эмиттер.

Следующим шагом вставляем ближе к номиналу этот резистор из ближайшего ряда и замеряем  силу тока по цепи +9 В —> R_к —-> коллектор—> эмиттер—->земля с помощью миллиамперметра. Скорее всего вы не получите на миллиамперметре значение в  1мА, поэтому надо будет подгонять значение R_Б либо с помощью потенциометра либо магазина сопротивления, чтобы амперметр показал нам 1 мА на табло. В моем случае R_Б я подобрал номиналом в 1 Мегаом.

Ну теперь дело за малым. Конденсаторы  С1  и С2 используются для того, чтобы пропускать  и снимать только переменное напряжение, так как мы с вами знаем, что конденсатор постоянный ток через себя  не пропускает. Для усиления звуковых частот (от 20 и до 20 000 Герц) , а также частот более 20 000 Гц вполне подойдут конденсаторы в 10 мкФ.

Вот фото моего усилителя, амперметр показывает ток в 1,04 миллиампер.

Теперь подаю на вход конденсатора С1 слабый синусоидальный сигнал. У нас получается интересная штука. После того, как я настроил каскад, на базе  имеется постоянное напряжение. Если добавить к этому напряжению еще напряжение, ток базы увеличится, что приведет к увеличению коллекторного тока. Если же уменьшить, то наоборот у нас ток базы уменьшится и следовательно, коллекторный ток тоже уменьшится. Переменный сигнал, подаваемый на базу уменьшается и увеличивается поочередно, следовательно, получается типа что-то этого:

А вот и осциллограммы, которые у меня получились. Красный сигнал – это входной, который мы подаем на  С1 , а желтый – выходной, который снимаем с С2. Частота сигнала и его цена деления показаны в нижнем левом уголке скриншота осциллографа. 

Ну вот! Более менее похоже на правду!

Если вы заметили своим наблюдательным глазом, есть одно НО… Фаза усиленного сигнала противоположна фазе исходного сигнала. Если еще помните алгебру, то можно сказать, что фаза усиленного сигнала и фаза исходного различаются на 180 градусов. Получается, что усилитель по схеме с ОЭ (Общим Эмиттером) инвертирует фазу сигнала.

Давайте увеличим амплитуду исходного сигнала:

Как мы видим, усиленный сигнал исказился. В дело вступили так называемые нелинейные искажения, потому что наш усиленный сигнал добрался до области отсечки (верхний уровень желтого графика) и до области насыщения (нижний уровень желтого графика). Вы ведь не забыли, что сигнал инвертированный? В режиме отсечки, как мы видим, синусоида закруглилась, а в режиме насыщения она не могла стать более 9 Вольт, то есть больше, чем U_пит, поэтому ее резко срезало.

Давайте усилим треугольный сигнал

Получились чуток “пухловатые” горки. Как мы видим, данный тип усилителя обладает плохой линейностью. Это значит, что он не пропорционально увеличивает исходный сигнал.

Давайте усилим прямоугольный сигнал

Вроде бы нормально.

Даже если добавить амплитуду, то сигнал остается по форме таким же.

Прямоугольные сигналы усиливать, передавать, обрабатывать намного проще, поэтому цифровая электроника шагнула далеко вперед.

Данный тип усилителя,  работает в классе “А” , то есть в режиме линейного усилителя. Это означает, что мы полностью усиливаем форму сигнала, который подаем на вход такого усилителя. Есть также усилители B,C,D класса и другие. В этих усилителях усиливается  не вся форма сигнала, а остатки сигнала срезаются в области отсечки.

Минусы схемы

В чем минусы этой схемы? В этой схеме рабочий режим  зависит от коэффициента бета.  Это не есть гуд.

“Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра бета”

Хорвиц и Хилл “Искусство схемотехники”

Дело в том, что коэффициент бета “гуляет” в зависимости от температуры. Следовательно, наш график будет смещен, что приведет к нелинейным искажениям, так как он будет ближе находится или к области насыщения, либо к области отсечки

Заключение

Что хочу сказать по этой схеме? Схема – какашка. Она годится только для усиления сигналов с малой амплитудой. Этот пример я показал, чтобы вам было понятнее, что и как происходит в  простой усилительной схеме на транзисторе. Собирать ее не стоит, потому что в этой статье она показана, чтобы вы понимали процесс усиления. На практике лучше ее не использовать. В следующей статье мы разберем  и рассчитаем  качественный усилитель, который не боится коэффициента бета,  а также проверим этот усилитель в деле.

Режимы работы биполярного транзистора:

— Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;

— Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

— Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

— Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

— Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а вколлекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

— Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

— Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

— Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

— Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]

— Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

— Хорошие температурные и частотные свойства.

— Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

— Малое усиление по току, так как α < 1

— Малое входное сопротивление

— Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых = Iк

Iвх = Iб

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

— Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

— Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

Достоинства:

— Большой коэффициент усиления по току

— Большой коэффициент усиления по напряжению

— Наибольшее усиление мощности

— Можно обойтись одним источником питания

— Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

— Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором

Iвых = Iэ

Iвх = Iб

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

— Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]

— Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб

Достоинства:

— Большое входное сопротивление

— Малое выходное сопротивление

Недостатки:

— Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

Основные параметры

— Коэффициент передачи по току

— Входное сопротивление

— Выходная проводимость

— Обратный ток коллектор-эмиттер

— Время включения

— Предельная частота коэффициента передачи тока базы

— Обратный ток колектора

— Максимально допустимый ток

— Граничная частота коэффициента передачи по схеме с общим эмитером

Технология изготовления транзисторов

— эпитаксиально-планарная

— сплавная

— диффузионный

— диффузионносплавной

Применение транзисторов

— Усилители, каскады усиления

— Генератор

— Модулятор

— Демодулятор (Детектор)

— Инвертор (лог. элемент)

— Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Полевой транзистор

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Как устроен биполярный транзистор. Транзисторы

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор , один из типов транзисторов . В полупроводниковой структуре сформированы 2 p-n перехода и перенос заряда в приборе осуществляется носителями 2 видов — электронами и дырками . Именно поэтому прибор получил название «биполярный».

Применяется в электронных устройствах для усиления генерации электрических колебаний и в качестве переключающего ток элемента, например, в логических электронных схемах .

Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости . По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative ) — электронный тип примесной проводимости, p (positive ) — дырочный).

Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора , основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к среднему слою, называют базой , электроды, подключённые ко внешним слоям, называют эмиттером и коллектором . С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы. Но практически, при изготовлении транзисторов, для улучшения электрических параметров прибора они существенно различаются степенью легирования примесями. Эмиттерный слой сильно легированный, коллекторный легируется слабо, что обеспечивает повышение допустимого коллекторного напряжения. Величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода некритична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещенным эмиттерным p-n-переходом , кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Кроме того, площадь коллекторного p-n-перехода при изготовлении делается существенно больше площади эмиттерного перехода, что обеспечивает лучший сбор неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи.

Для повышения быстродействия (частотных параметров) биполярного транзистора толщину базового слоя нужно делать тоньше, так как толщиной базового слоя, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей, но, при снижении толщины базы, снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

Устройство и принцип действия

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий . В настоящее (2015 г.) время их изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия . Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ -усилителей .

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n -полупроводник, база − p -полупроводник, коллектор − n -полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты .

Слой базы расположен между эмиттерным и коллекторным слоями и слаболегирован, поэтому имеет большое электрическое сопротивление . Общая площадь контакта база-эмиттер выполняется значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, при работе в коллекторном переходе выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, повышение площади способствует лучшему отводу тепла от коллекторного перехода), поэтому реальный биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (технически нецелесообразно менять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение).

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I э =I б + I к ).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I к = α I э ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера . Численное значение коэффициента α 0,9-0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ()	Смещение перехода база-эмиттер для типа n-p-n	Смещение перехода база-коллектор для типа n-p-n	Режим для типа n-p-n
	прямое	обратное	нормальный активный режим
	прямое	прямое	режим насыщения
	обратное	обратное	режим отсечки
	обратное	прямое	инверсный активный режим
Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ()	Смещение перехода база-эмиттер для типа p-n-p	Смещение перехода база-коллектор для типа p-n-p	Режим для типа p-n-p
	обратное	прямое	инверсный активный режим
	обратное	обратное	режим отсечки
	прямое	прямое	режим насыщения
	прямое	обратное	нормальный активный режим

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

U ЭБ > 0; U КБ 0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид U ЭБ U КБ > 0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: U КБ > 0; U ЭБ 0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n -переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э. нас) и коллектора (I К. н

BIPOLYaRNYE_TRANZISTORY

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

1. Общие сведения, конструкция биполярных транзисторов.

2. Принцип работы и схемы включения транзисторов.

3. Статические характеристики транзистора.

4. Динамический режим работы транзистора.

Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности.

Устройство биполярных транзисторов

Схематическое устройство плоскостного биполярного транзистора с двумя p-n переходами показано на рисунке. Основным элементом транзистора является кристалл германия или кремния, в котором созданы три области различных проводимостей. Две крайние области всегда обладают проводимостью одинакового типа, противоположного средней области.

Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов — аналогичны. Средняя область транзистора называется базой. Одна крайняя область называется эмиттером, другая – коллектором. Из рисунка видно, что в транзисторе имеется два p—n перехода:

эмиттерный – между эмиттером и базой, коллекторный – между базой и коллектором.

Расстояние между ними очень мало – порядка несколько микрометров. Следовательно, область базы представляет собой очень тонкий слой.

Кроме того, концентрация атомов примеси в области базы очень незначительна – во много раз меньше, чем в эмиттере. Это является важнейшим условием работы транзистора.

Принцип работы транзистора

Для рассмотрения принципа работы биполярного транзистора воспользуемся схемой приведенной на рис. 2, из которого видно, что транзистор представляет собой по существу два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область – базу, причем к эмиттерному p—n переходу приложено напряжение Е1 в прямом (пропускном) направлении, а к коллекторному переходу приложено

Рис. 2. К пояснению принципа работы транзистора

напряжение Е2 в обратном направлении.

Обычно Е2 >> Е1. При замыкании выключателей SA1 и SA2 через эмиттерный p—n переход пойдет ток по следующему пути: +Е1, миллиамперметр мА1, эмиттер, база, мА2, выключатели SA2 и SA1, и –Е1.

Если выключатель SA1 разомкнуть, а выключатели SA2 и SA3 то в коллекторной цепи пройдет незначительный обратный ток, вызванный направленным движением неосновных носителей заряда – дырок базы и электронов коллектора.

Путь тока: +Е2, выключатели SA3 и SA2, миллиамперметр mA2, база, коллектор, mA3, —Е2.

Рассмотрим прохождение токов в цепях транзистора при замыкании всех трех ключей.

Ток проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока (Iэ). Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих

I_Э = I_Эp + I_Эn.

И как было сказано выше концентрация носителей заряда в базе значительно меньше чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный p-n переход обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ, который у транзисторов типа p—n—p равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера

и у современных транзисторов γ = 0,999. Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы и, подойдя к коллектору, начинают испытывать действие электрического поля коллекторного перехода. Это поле для дырок является ускоряющим, поэтому они в результате экстракции быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора.

Цепь коллекторного тока: +Е2, выключатели SA3 и SA1, мА1, эмиттер, база, коллектор, мА3, -Е2.

Те дырки, которые рекомбинируют в области базы с электронами, участвуют в создании тока базы I_б, проходящего по цепи: +Е1, мА1, эмиттер, база, мА2, выключатели SA2, SA1, -Е1. Следовательно, ток базы равен

I_б = I_Э — I_К.

Нетрудно заметить, что ток эмиттера I_Э = I_б + I_К.

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на усилительные свойства транзистора используется коэффициент переноса носителей в базе, который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода. Этот коэффициент определяется по формуле.

Коэффициент переноса δ тем ближе к единице, чем меньше толщина базы и концентрация электронов в базе по сравнению с концентрацией дырок в эмиттере.

Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера, который равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:

Этот коэффициент может быть выражен через величины γ и δ следующим соотношением

Так как γ и δ меньше единицы, то коэффициент передачи тока эмиттера α тоже меньше единицы и обычно α = 0,95 0,99.

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода Iкбо, то обратный ток коллектора

Так как ток I_КБО незначителен, поэтому можно принять

Из последнего выражения следует, что транзистор представляет собой управляемый прибор, так как величина его коллекторного тока зависит от величины тока эмиттера.

Четыре режима работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы в коллекторной цепи может оказаться намного больше, чем во входной эмиттерной цепи транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Практически транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода оказываются в под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практически не регулируется током входной цепи. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному — прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями – эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

Схемы включения транзисторов

Различают три возможные схемы включения транзисторов (рис. 1): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Такая

терминология указывает, какой из элек­тродов транзистора является общим для его входной и выходной цепей.

На рис. 1, а показана схема с общей базой, во входную (эмиттерную) цепь последовательно с источ­ником питания Е₁ включен источник входного сигнала, вырабаты­вающий некоторое переменное напряжение U_ВХ.

Обратим внимание на то, что в этой схеме через источник вход­ного сигнала (точнее, через внутреннее сопротивление этого источ­ника) проходит ток эмиттера I_Э.

Ток, проходящий через источник входного сигнала, называют входным током.

I_ВХ = I_Э

Выходным током в этой схеме является ток коллектора.

I_ВЫХ = I_К

Если под воздействием U_ВХ ток эмиттера возрастет (уменьшится) на некоторую величину, то соответственно возрастут (уменьшатся) и остальные токи транзистора.

Независимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока, который представляет собой отношение выходного тока к вызвавшему его приращению входного тока при постоянном напряжении в выходной цепи. Для схемы с общей базой коэффициентом прямой передачи тока может служить коэффициент передачи тока эмиттера.

при Е₂ = const.

Поскольку ток эмиттера наибольший из всех токов транзистора, то схема с общей базой имеет малое входное сопротивление для переменной составляющей тока сигнала. Фактически это сопротивление равно сопротивлению r_э эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, т.е.

Низкое входное сопротивление схемы с общей базой (единицы – десятки Ом) является ее существенным недостатком, так как во многокаскадных схемах это низкое сопротивление оказывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего каскада и резко снижет усиление этого каскада по напряжению и мощности.

В схеме с общим эмиттером, показанной из рис.1 б, вход­ной сигнал также прикладывается к выводам эмиттера и базы, а источник питания коллектора включен между выводами эмиттера и коллектора. Таким образом, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней является не ток эмиттера, а малый по величине ток базы. Выходным током в этой схеме, как и в схеме с общей базой, является ток коллектора. Следовательно, коэффи­циент прямой передачи тока для схемы с общим эмиттером

Найдем соотношение между β и α.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером можно получить коэффициент прямой передачи тока порядка нескольких десятков. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Это следует из очевидного неравенства

Достоинством схемы с общим эмиттером следует также считать возможность питания ее от одного источника напряжения, по­скольку на базу и на коллектор подаются питающие напряжения одного знака. Поэтому схема с общим эмиттером в настоящее время является наиболее распространенной.

Следует отметить, однако, что температурная стабильность схе­мы с общим эмиттером оказывается несколько хуже, чем схемы с общей базой.

В схеме с общим коллектором (рис.1, в) входной сигнал по­дается на участок база — коллектор. Входным током является ток базы, а выходным —ток эмиттера. Поэтому коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

Несмотря на сравнительно большие значения коэффициента пря­мой передачи тока и входного сопротивления, схема с общим кол­лектором практически не позволяет получить усиления по напря­жению и поэтому применяется значительно реже, чем две преды­дущие.

Статические характеристики транзистора

Статические характеристики транзистора

для схемы с общим эмиттером:

а) – входные; б) — выходные

Динамический режим работы транзистора

В практических схемах транзисторных усилителей в выходную цепь транзистора наряду с источником питания включают сопротивление нагрузки, а во входную источник усиливаемого сигнала.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Рассмотрим работу транзистора, включенного по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером (ОЭ), в динамическом режиме. В этой схеме напряжение источника питания Ек распределяется между участками коллектор – эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлением R_н так, что напряжение

Данное выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменение напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора I_к. Это приводит к изменению напряжения на Rн, в результате чего изменяется напряжение U_кэ.

Обратим внимание на то, что питание транзистора в рассматриваемой схеме (как и в любой другой схеме с общим эмиттером) производится от одного источника Ек. Напряжение на эмиттерный переход подается через резистор R_б в цепи базы. Величина сопротивления этого резистора определяет исходную величину постоянного тока базы транзистора при отсутствии входного сигнала.

Характеристики транзистора, находящегося в динамическом режиме, отличаются от характеристик статического режима, так как они определяются не только свойствами самого транзистора, но и свойствами элементов схемы.

Наиболее часто используются выходные и входные динамические характеристики.

На рисунке изображены выходные статические характеристики транзистора и приведена динамическая характеристика (нагрузочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки R_н.

Положение нагрузочной прямой на статических характеристиках однозначно определяется напряжением источника питания Е_К и сопротивлением резистора R_н.

Точка В пересечения нагрузочной прямой с осью напряжений Uкэ совпадает с точкой, в которой напряжение на коллекторе равно Е_к. Действительно, эта точка соответствует случаю, когда ток коллектора равен нулю. При этом ток в нагрузочном сопротивлении отсутствует и падение напряжения на сопротивлении нагрузки равно нулю. Следовательно, все напряжение источника питания Е_К оказывается приложенным к участку коллектор – эмиттер транзистора.

Точка А пересечения нагрузочной прямой с осью токов I_к совпадает с точкой, для которой выполняется условие

.

Так как ток коллектора в случае, если бы транзистор можно было открыть полностью (или закоротить), ограничивался бы только величиной сопротивления R_Н.

Все промежуточные положения точек на линии характеризуют возможные напряжения и токи в соответствующих цепях транзистора при подаче сигнала с учетом сопротивления нагрузки. Любому току базы соответствуют вполне определенные значения тока коллектора и коллекторного напряжения.

Например, если в режиме покоя (до поступления входного сигнала – исходный режим) был установлен ток базы I_бр, то рабочая точка Р на нагрузочной прямой укажет соответствующие этому току значения I_КР и U_КЭР.

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме.

Чтобы построить входную динамическую характеристику, нужно для каждого напряжения на коллекторе (для которого имеется статическая входная характеристика) определить по выходной динамической характеристике соответствующий ток базы. Затем на входных статических характеристиках следует отметить точки, которые соответствуют найденным значениям токов базы. Если теперь соединить эти точки , , плавной кривой линией, то получим входную динамическую характеристику транзистора. (Для упрощения расчета транзисторного каскада входную динамическую характеристику обычно не строят – берут из справочника.

Для этой схемы исходный режим задается фиксированным током базы.

11

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I_С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

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

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

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

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

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

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