Схема за свързване на транзистор с общ емитер. Комутационни схеми за биполярни транзистори

В началото на тази глава видяхме как транзисторите, работещи в режим на насищане или прекъсване, могат да се използват като ключове. IN последна секциявидяхме как се държат транзисторите в техните „активни“ режими, между крайностите на насищане и прекъсване. Тъй като транзисторите могат да контролират тока по аналогов (плавно променящ се) начин, те се използват и като усилватели за аналогови сигнали.

Една от най-лесните схеми за научаване транзисторен усилвателпо-рано показа комутационните възможности на транзистора (фигурата по-долу).

NPN транзистор като прост ключ (фигурата показва посоките на електронния поток)

Нарича се верига с общ емитер, тъй като (игнорирайки захранващата батерия) и източникът на сигнал, и товарът имат обща точка на свързване към транзистора - емитер (както е показано на фигурата по-долу). И както ще видим в следващите раздели на тази глава, това не е единственият начин да използвате транзистор като усилвател.

Усилвателно стъпало с общ емитер: входните и изходните сигнали, когато са свързани към транзистор, имат обща точка - емитер

Преди това малък ток от слънчева клетканасища транзистора, който свети лампата. Знаейки сега, че транзисторите са в състояние да "изтеглят" колекторния ток в съответствие с количеството базов ток, доставен от източника на входен сигнал, можем да видим, че в тази верига яркостта на лампата може да се контролира от яркостта на падащата светлина на слънчевата клетка. Когато малко светлина достигне слънчевата клетка, лампата ще свети слабо. Тъй като повече светлина попада върху слънчевата клетка, яркостта на лампата ще се увеличи.

Да приемем, че се интересуваме от използването на слънчева клетка като измервател на яркостта на светлината. Искаме да измерим яркостта на падащата светлина с помощта на слънчева клетка, като използваме нейния изходен ток за задвижване на индикаторна игла. За да направите това, можете да свържете индикатора директно към слънчевата клетка (фигурата по-долу). Всъщност най-простите измерватели на яркостта във фотографията работят по подобен начин.

Въпреки че този метод може да работи при измерване на светлина при умерена яркост, той няма да работи при ниска яркост. Тъй като слънчевата клетка трябва да осигури енергийните изисквания на индикатора за движение на иглата, тази система неизбежно ще бъде ограничена в своята чувствителност. Ако приемем, че трябва да измерим много ниска яркостсветлина, трябва да намерим друго решение.

Може би най-прякото решение на този проблем е използването на транзистор (снимката по-долу), за да печалбаток на соларната клетка, така че да може да се получи по-голямо отклонение на стрелката на индикатора при по-слаба светлина.

Токът на слънчевата клетка при ниска яркост на светлината трябва да се увеличи (фигурата показва посоката на движение на електронните потоци)

Токът през индикатора в тази верига ще бъде β пъти по-голям от тока през слънчевата клетка. За транзистор с β равно на 100 това дава значително увеличение на чувствителността на измерване. Разумно е да се отбележи, че допълнителната мощност за преместване на стрелката на индикатора идва от батерията от дясната страна на веригата, а не от самата слънчева клетка. Всичко, което токът на слънчевата клетка прави, е да контролира тока на батерията, за да осигури по-високо показание на измервателния уред, отколкото слънчевата клетка може да осигури без чужда помощ.

Тъй като транзисторът е устройство за регулиране на тока и тъй като движението на стрелката на индикатора се определя от тока през индикаторната намотка, показанието на измервателния уред трябва да зависи само от тока на слънчевата клетка, а не от количеството напрежение, осигурено от батерията . Това означава, че точността на веригата не зависи от състоянието на батерията, което е важна характеристика! Всичко, което се изисква от батерията, е определено минимално изходно напрежение и ток, които могат да отклонят стрелката на индикатора до пълната скала.

Друг начин за използване на обща емитерна верига е да се произведе изходно напрежение, определено от входа, а не специфичен изходен ток. Нека заменим циферблатния индикатор с обикновен резистор и измерим напрежението между колектора и емитера (снимката по-долу).

Когато слънчевата клетка е затъмнена (няма протичане на ток), транзисторът ще бъде в режим на изключване и ще се държи като отворен ключ между колектора и емитера. Това ще доведе до максимален спад на напрежението между колектора и емитера, което дава максимално Vout, равно на пълното напрежение на батерията.

При пълна мощност(максимална осветеност) слънчевата клетка ще задвижи транзистора в режим на насищане, карайки го да се държи като затворен ключ между колектора и емитера. Резултатът ще бъде минимален спад на напрежението между колектора и емитера или почти нула изходно напрежение. В действителност един отворен транзистор никога няма да може да постигне нулев спад на напрежението между колектора и емитера поради двата PN прехода, през които трябва да протича колекторният ток. Въпреки това, това "напрежение на насищане колектор-емитер" ще бъде доста ниско, около няколко десети от волта, в зависимост от конкретния използван транзистор.

За изходи на слънчеви клетки за нива на светлина някъде между нула и максимум, транзисторът ще бъде в активен режим и изходното напрежение ще бъде някъде между нула и пълно напрежение на батерията. Важно е да се отбележи, че в схема с общ емитер изходното напрежение обърнатспрямо входния сигнал. Тоест, когато входният сигнал се увеличава, изходното напрежение намалява. Поради тази причина се нарича схемата на усилвателя с общ емитер обръщанеусилвател.

Една бърза SPICE симулация на веригата (фигура и списък с мрежи по-долу) ще тества нашите заключения относно тази схема на усилвател.

Схема на усилвател с общ емитер с номера на възли в SPICE (списък на връзките по-долу) *усилвател с общ емитер i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u . графика dc v(2,0) .край

В началото на симулацията (на фигурата по-горе), когато източникът на ток (слънчева клетка) произвежда нулев ток, транзисторът е в режим на прекъсване и изходното напрежение на усилвателя (между възли 2 и 0) е равно на всички 15 волта напрежение на батерията. Когато токът на слънчевата клетка започне да нараства, изходното напрежение намалява пропорционално, докато транзисторът достигне насищане при базов ток от 30 µA (колекторен ток от 3 mA). Забележете как графиката на изходното напрежение е идеално линейна (1 волт преминава от 15 волта до 1 волт) до точката на насищане, където никога не достига нула. Този ефект беше споменат по-рано, напълно отворен транзистор не може да постигне точно нулев спад на напрежението между колектора и емитера поради наличието на вътрешни преходи. Това, което виждаме, е рязко намаляване на изходното напрежение от 1 волт до 0,2261 волта, тъй като входният ток се увеличава от 28 µA на 30 µA, и след това допълнително намаляване на изходното напрежение (макар и в много по-малки стъпки). Най-ниското изходно напрежение, получено от тази симулация, е 0,1299 волта, почти нула.

Досега видяхме как транзисторът действа като усилвател за постоянно напрежение и токови сигнали. В примера за измерване на осветеността на слънчевата клетка се интересувахме от усилване на изходния DC сигнал от слънчевата клетка за контрол циферблатен индикатор DC ток или получаване на постоянно напрежение на изхода. Това обаче не е единственият начин да използвате транзистор като усилвател. Често се случва да е необходим AC усилвател за усилване на сигналите променливиток и напрежение. Един от най-честите случаи е аудио електрониката (радио, телевизия). По-рано видяхме пример за аудио сигнал от камертон, който активира транзисторен превключвател (снимката по-долу). Нека да видим дали можем да променим тази верига, за да прехвърли мощност към високоговорителя, а не към лампата.

Транзисторен ключ, активиран от звук (фигурата показва посоките на движение на електронните потоци)

В оригиналната схема за преобразуване на сигнала е използван пълновълнов мостов токоизправител AC напрежениеот микрофона към постоянно напрежение за управление на транзисторния вход. Всичко, което трябваше да направим, беше да включим лампата с помощта на звуков сигналот микрофона, такава верига беше достатъчна за тези цели. Но сега искаме да усилим сигнала за променливо напрежение и да го подадем към високоговорителя. Това означава, че вече не можем да коригираме сигнала от изхода на микрофона, тъй като имаме нужда от неизкривен сигнал за захранване на транзистора! Нека премахнем мостовия токоизправител от веригата и сменим лампата с високоговорител.

Тъй като микрофонът може да генерира напрежение, по-голямо от падането на напрежението в посока на PN прехода база-емитер, поставих резистор последователно с микрофона. Нека симулираме веригата на фигурата по-долу с помощта на SPICE. Списъкът с връзки е даден по-долу.

SPICE модел на аудио усилвател с общ емитер усилвател с общ емитер vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02 m 0.74m .plot tran v(1,0) i(v1) .end

Симулационните графики (снимката по-горе) показват както входното напрежение (сигнал за променливо напрежение с амплитуда 1,5 волта и честота 2000 Hz), така и тока през 15-волтовата батерия, който е същият като тока през високоговорителя. Тук виждаме пълна синусоида на входното AC напрежение (с положителни и отрицателни полувълни) и полувълни на изходния ток само с една полярност. Ако действително подадем този сигнал към високоговорител, звукът, излизащ от него, ще бъде силно изкривен.

Какво не е наред с тази схема? Защо не възпроизвежда точно пълната форма на вълната на AC напрежение от микрофона? Отговорът на този въпрос може да се намери чрез внимателна проверка на модела на транзистора, базиран на диод и източник на ток (фигурата по-долу).

Токът на колектора се контролира или регулира в режим на постоянен ток в зависимост от количеството ток, протичащ през прехода база-емитер. Имайте предвид, че и двата пътя за протичане на ток през транзистора са еднопосочни: само една посока! Въпреки нашето намерение да използваме транзистор за усилване на променливотоков сигнал, по същество това е устройство с постоянен ток, което може да обработва токове само в една посока. Можем да приложим входен сигнал за променливо напрежение между базата и емитера, но електроните в тази верига няма да могат да текат по време на полупериода, когато връзката база-емитер е обратно предубедена. Следователно транзисторът ще остане в режим на прекъсване през тази част от периода. Ще се "включи" в активен режимсамо ако входното напрежение е с правилния поляритет, за да предразположи прехода база-емитер, и само ако това напрежение е достатъчно голямо, за да надвиши падането на напрежението в права посока на прехода. Не забравяйте, че биполярните транзистори са устройства, управлявани от ток: те регулират тока на колектора въз основа на потока на тока от основата към емитера, а не на наличието на напрежение между основата и емитера.

Единственият начин, по който можем да накараме транзистора да изведе сигнал към високоговорителя, без да изкриви формата на вълната, е да поддържаме транзистора активен през цялото време. Това означава, че трябва да поддържаме ток през базата за целия период на входния сигнал. Следователно PN преходът база-емитер трябва да бъде предубеден през цялото време. За щастие, това може да се постигне чрез използване на постоянно преднапрежение, добавено към входния сигнал. Чрез свързване на източник на постоянно напрежение с достатъчно високо ниво последователно с източник на сигнал за променливо напрежение, преднапрежението може да се поддържа във всички точки на синусоидата на сигнала (Фигурата по-долу).

V bias поддържа транзистора в активен режим усилвател с общ емитер vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end Благодарение на V отклонението, изходният ток I(v(1)) не е изкривен

При наличие на източник на напрежение от 2,3 волта, транзисторът остава в активен режим през целия период на синусоида, възпроизвеждайки правилно формата на вълната на високоговорителя (фигура по-горе). Обърнете внимание, че входното напрежение (измерено между възли 1 и 0) варира между около 0,8 волта и 3,8 волта, както се очаква, пиковата стойност е 3 волта (амплитудата на напрежението на източника е 1,5 волта). Изходният ток (течащ през високоговорителя) варира от нула до почти 300 mA и е 180° извън фаза спрямо входния сигнал (от микрофона).

Фигурата по-долу показва друг изглед на същата верига, този път с няколко осцилоскопа, свързани към интересните точки за показване на съответните сигнали.

Основният вход е изместен нагоре. Изходът е обърнат.

Важната част е необходимостта от отклонение във веригата на транзисторния усилвател, за да се получи пълно възпроизвеждане на формата на вълната. Отделен раздел от тази глава ще бъде изцяло посветен на обектите и методите на изместване. На този моментДостатъчно е да се разбере, че може да е необходимо отклонение, за да се получи правилната форма на напрежение и ток на изхода на усилвателя.

Сега, когато имаме работеща усилвателна верига, можем да изследваме нейното напрежение, ток и усилване. Типичен транзистор, използван в тези изследвания, има стойност β = 100, както се вижда от кратката разпечатка на параметрите на транзистора по-долу (този списък с параметри е съкратен за краткост).

Параметри на SPICE биполярен транзистор:

Тип npn е 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β е посочен под съкращението "bf", което всъщност означава "бета, напред". Ако искахме да вмъкнем собствен β коефициент за изследването, бихме могли да го направим в реда .model в списъка с мрежи на SPICE.

Тъй като β е съотношението на колекторния ток към базовия ток и имаме товара последователно с колектора на транзистора и нашия източник последователно с основата, съотношението на изходния ток към входния ток ще бъде бета. Така че текущото усилване в този примерен усилвател е 100.

Усилването на напрежението е малко по-трудно за изчисляване от усилването на тока. Както винаги, усилването на напрежението се определя като съотношението на изходното напрежение към входното напрежение. За да определим това експериментално, ще модифицираме последния си SPICE анализ, за ​​да начертаем не изходния ток, а изходното напрежение, за да сравним двете графики на напрежението (снимката по-долу).

Усилвател с общ емитер vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end Изходно напрежение V(1) през резистор r високоговорител за сравнение с входния сигнал

Когато се начертае в същата скала (от 0 до 4 волта), виждаме, че изходният сигнал на фигурата по-горе има по-малка амплитуда от входния сигнал и също така е по-голям високо нивоотместване спрямо входния сигнал. Тъй като усилването на напрежението за AC усилвател се определя от съотношението на амплитудите, можем да пренебрегнем всякаква разлика в DC отместванията между двата сигнала. Въпреки това, входният сигнал все още е по-голям от изходния сигнал, което показва, че усилването на напрежението е по-малко от 1 (отрицателни dB).

За да бъдем честни, това ниско напрежение не е типично за всички обикновени емитерни усилватели. Това е следствие от голямото несъответствие между входния импеданс и импеданса на товара. Нашето входно съпротивление (R1) тук е 1000 ома, а товарът (високоговорителят) е само 8 ома. Тъй като усилването по ток се определя единствено от β и тъй като този параметър β е фиксиран, усилването по ток за този усилвател няма да се промени с промяна в някое от тези съпротивления. Усилването на напрежението обаче зависи от тези съпротивления. Ако променим съпротивлението на натоварване, като го направим по-голямо, спадът на напрежението върху него ще се увеличи пропорционално при същите стойности на тока и ще видим сигнал с по-голяма амплитуда на графиката. Нека се опитаме отново да симулираме веригата, но този път с товар от 30 ома (снимката по-долу).

Усилвател с общ емитер vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end Увеличаването на високоговорителя до 30 ома увеличава изходното напрежение

Този път люлеенето на изходното напрежение е много по-голямо от входното напрежение (снимката по-горе). При по-внимателно разглеждане виждаме, че люлеенето на изходния сигнал е приблизително 9 волта, около 3 пъти люлеенето на входния сигнал.

Можем да извършим друг компютърен анализ на тази верига, като този път инструктираме SPICE от гледна точка на променливотоковото напрежение, давайки ни стойности на амплитудата на входното и изходното напрежение вместо вълнови форми (таблицата по-долу).

SPICE netlist за отпечатване на входни и изходни стойности на AC напрежение.

Усилвател с общ емитер vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(4,3) .end freq v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Измерванията на амплитудите на входния и изходния сигнал показаха 1,5 волта на входа и 4,418 волта на изхода. Това ни дава увеличение на напрежението от 2,9453 (4,418 V / 1,5 V), или 9,3827 dB.

Тъй като усилването по ток за етап на усилвател с общ емитер е фиксирано на β, а входното и изходното напрежение ще бъдат равни на входния и изходния ток, умножени по съответните съпротивления, можем да получим формула за приблизително усилване на напрежението:

Както можете да видите, изчисленото усилване на напрежението е доста близко до резултатите от симулацията. При перфектно линейно поведение на транзистора, тези два набора от стойности ще бъдат точно равни. SPICE го прави умна работакато се вземат предвид много „странности“ на работата на биполярен транзистор, когато се анализират, следователно има леко несъответствие между изчислените стойности и резултатите от симулацията.

Тези усилвания на напрежението остават същите, независимо къде във веригата измерваме изходното напрежение: между колектора и емитера или през товарния резистор, както направихме в последния анализ. Промяната в стойността на изходното напрежение за всяка дадена стойност на входното напрежение ще остане непроменена. Като доказателство за това твърдение, разгледайте следните два SPICE анализа. Първата симулация на фигурата по-долу се извършва във времевата област, за да се получат графики на входното и изходното напрежение. Ще забележите, че двата сигнала са извън фазата на 180°. Втората симулация в таблицата по-долу е анализ на променливотоково напрежение, като просто предоставя показания за пиково напрежение за входа и изхода.

Списък на SPICE съединения за първи анализ:

Усилвател с общ емитер vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end Стъпало на усилвател с общ емитер с R високоговорител усилва сигнала за напрежение

Списък на SPICE съединения за анализ от променлив ток:

Усилвател с общ емитер vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(3,0) .end freq v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Все още имаме пиково изходно напрежение от 4,418 волта с пиково входно напрежение от 1,5 волта. Единствената разлика от данните от последната симулация е, че в първата симулация можем да видим фазата на изходното напрежение.

Досега в примерните схеми, показани в този раздел, използвахме само NPN транзистори. PNP транзисторите могат също да се използват във всеки тип схема на усилвателно стъпало, стига полярностите и посоките на тока да са правилни и веригата с общ емитер не е изключение. Обръщането и усилването на изходния сигнал на усилвател на PNP транзистор е подобно на усилвател на NPN транзистор, само полярностите на батериите ще бъдат противоположни (фигурата по-долу).

Нека обобщим:

• Транзисторните усилвателни стъпала с общ емитер са наречени така, защото входното и изходното напрежение имат обща точка на свързване към транзистора - емитер (без да се включват захранващи устройства).
• Транзисторите по същество са устройства с постоянен ток: те не могат директно да се справят с напрежения или токове, които променят посоката. За да ги накарат да работят за усилване на сигнали за променливо напрежение, входният сигнал трябва да бъде предубеден с постоянно напрежение, за да поддържа транзистора активен през целия период на синусоида на сигнала. Това се нарича офсет.
• Ако изходното напрежение във веригата на усилвател с общ емитер се измерва между емитер и колектор, то ще бъде 180° извън фазата спрямо входното напрежение. По този начин усилвателят с общ емитер се нарича схема на инвертиращ усилвател.
• Текущото усилване на транзисторен усилвател с общ емитер с товар, свързан последователно с колектора, е β. Коефициентът на усилване на напрежението на транзисторен усилвател с общ емитер може да се изчисли приблизително по формулата:
  \
  където Rout е резистор, свързан последователно с колектора; и Rin е резистор, свързан последователно с основата.

Транзисторът се счита за електронен ключ. Но това не са всички възможности на биполярните транзистори; може дори да се каже, че ключовият режим на работа е само малка част от схемите, където се използват транзистори. В лъвския пай транзисторни веригиТранзисторът се използва като усилващо устройство. В тези схеми транзисторът се използва в така наречената активна област. Транзисторът, като усилващо устройство, е включен в усилвателното стъпало, което освен транзистора съдържа и силови вериги, товарни и комуникационни вериги с последващо стъпало.

Вериги за свързване на транзистори

За биполярни транзистори са възможни три схеми на свързване, които имат способността да усилват мощността: с общ излъчвател (CE), обща основа (OB)И общ колектор(ДОБРЕ). Веригите се различават по начина, по който свързват източника на сигнала и товара (R H).

Обща емитерна верига

Схема с обща основа

Верига с общ колектор.

За всички вериги за включване на транзистор при липса на сигнал, подаден от източника (e G), е необходимо да зададете първоначалната режим от DC – режим на почивка. В този случай, както беше споменато в предишния, емитерният преход трябва да бъде отворен, а колекторният преход трябва да бъде затворен. При pnp транзисторите това се постига чрез прилагане отрицателно напрежениекъм колектора (колекторно напрежение E 0C) и отрицателно напрежение към основата (преднапрежение E 0B). За транзистори n-p-n полярносттези напрежения трябва да са противоположни. Режимът на покой на транзистора се определя от положението на неговата работна точка, което зависи от емитерния ток I E (почти равен на колекторния ток I C и в зависимост от E 0B) и от напрежението E 0C.

Параметри на транзисторното усилване

Усилвателни свойства на транзисторите за малки AC сигналсе оценяват с помощта на различни системипараметри, свързващи входните токове и напрежения, но само два основни параметъра са нормализирани: h 21e и f T (или f h21b). Познавайки параметъра на транзистора h 21e за даден режимпочивка I E, можете да използвате следните формули, за да определите основните параметри на етапа на усилвателя в нискочестотната област:

където S е проводимостта на транзистора, r e е емитерното съпротивление на транзистора.

По този начин стойностите могат да бъдат изчислени |K|- усилване на напрежението на транзистора, |К и |- транзисторно усилване на тока, Z VX— входно съпротивление на транзистора:

Областите на приложение на усилвателните стъпала OE, OB и OK се определят от техните свойства.

Обща емитерна каскадаосигурява усилване на напрежение и ток. Входният му импеданс е от порядъка на стотици ома, а изходният му импеданс е десетки kOhm. Отличителна черта– променя фазата на усиления сигнал на 180°. Той има по-добри свойства на усилване в сравнение с OB и OK и следователно е основният тип каскада за усилване на малки сигнали.

Каскада с обща основаосигурява само усилване на напрежението (почти същото като OE). Входното съпротивление на каскадата е (1+h 21e) пъти по-малко от OE, а изходното съпротивление е (1+h 21e) пъти по-голямо. За разлика от OE, OB каскадата не променя фазата на усиления сигнал. Ниският входен импеданс на OB етапа ограничава използването му в ULF: на практика той се използва само като елемент на диференциален усилвател.

Каскада с общ колекторосигурява само текуща печалба (почти същото като OE). За разлика от OE каскадата, OK каскадата не променя фазата на усиления сигнал. При K = 1 каскадата OK изглежда повтаря усиленото напрежение по големина и фаза. Следователно такава каскада се нарича последовател на емитер. Входното съпротивление OK зависи от съпротивлението на натоварване R H и е голямо (почти h 21e пъти по-голямо от R H), и изходен импедансзависи от съпротивлението на източника на сигнал R Г и е малък (почти h 21e пъти по-малко от R Г). OK каскадата, поради големия си вход и нисък изходен импеданс, се използва както в предварителни, така и в мощни ULF.

Силови вериги на биполярни транзистори

За да се осигури даден режим на работа на биполярен транзистор, е необходимо да се зададе позицията на точката на покой, определена от тока на покой I C. За тази цел към електродите на транзистора трябва да се подадат две напрежения: колектор и база напрежение на смесване. Полярността на тези напрежения зависи от структурата на транзистора. За p-n-p транзисторите и двете от тези напрежения трябва да са отрицателни, а за n-p-n те трябва да са положителни спрямо емитера на транзистора Стойностите на колекторното и базовото напрежение трябва да са различни; Освен това изискванията за стабилност на тези напрежения също са различни. Следователно се използват две отделни вериги за захранване - колектор и база.

Колекторна мощност

Силови вериги колекторсъдържа елементите, показани по-долу.

Напрежението между колектора и емитера на транзистора U CE се избира в рамките

При което минимална стойност U C не трябва да бъде по-малко от 0,5 V, в противен случай работната точка преминава в областта на насищане и нелинейното изкривяване се увеличава.

Схема на основната захранваща верига

Силови вериги базисъдържа елементите, показани по-долу

Верига с постоянен ток

Верига с фиксирано напрежение

Верига за автоматично отклонение

Определеният режим на работа на транзистора се установява чрез подаване на необходимия преднапрежение U Bили създаване на необходимата база във веригата ток на отклонение I B. И в двата случая между емитера и основата се установява напрежение U BE, равно на (в зависимост от I B) 0,1...0,3 V (за германиеви транзистори) или 0,5...0,7 V (за силиций). Основното отклонение може да се извърши от общ източник на захранване E 0C с колектора или от отделен източник на захранване на базовите вериги E 0V.

Когато се захранва от E 0C, базовото отклонение може да бъде фиксирано (ток или напрежение) или автоматично. Схеми с фиксиран токи със фиксирано напрежениене осигуряват стабилност на работната точка на транзистора при температурни промени.

Изчисляване на усилвателното стъпало

Схема с автоматична смяна, който е най-разпространеният, съдържа три резистора: R b1, R b2 и RE. Благодарение на отрицателната обратна връзка, създадена от RE в емитерната верига, се постига необходимата стабилизация на работната точка. Заключване C Eизползвани за елиминиране на нежелана AC обратна връзка. Веригата е ефективна както за германиеви, така и за силициеви транзистори. За да се определят стойностите на R b1, R b2 и RE E, трябва да се знае захранващото напрежение E 0C и токът на покой I C. Приблизителните стойности на R b1, R b2 и RE могат да се определят с помощта на формулите по-долу .

Включени в горните формули b, ° СИ UBEзависят от вида на транзистора и режима му на работа.

За германиеви транзистори се избират: b ≈ 0,2; s – в рамките на 3…5; U BE – в рамките на 0,1…0,2.

За силициеви транзистори: b ≈ 0,1; s – в рамките на 10...25; U BE – в рамките на 0,6…0,7.

При увеличаване ° Си намаляване bСтабилността на веригата е намалена. Големи стойности на U BE се избират за големи стойности на I C.

Теорията е добра, но без практическо приложениетова са само думи.

Дадени са необходимите разяснения, да минем по същество.

Транзистори. Определение и история

Транзистор- електронно полупроводниково устройство, в което токът във верига от два електрода се управлява от трети електрод. (transistors.ru)

Първият изобретен полеви транзистори(1928), а биполярното се появява през 1947 г. в Bell Labs. И това беше, без преувеличение, революция в електрониката.

Много бързо транзисторите замениха вакуумните тръби в различни електронни устройства. В тази връзка надеждността на такива устройства се е увеличила и размерът им е намалял значително. И до днес, колкото и „сложна“ да е микросхемата, тя все още съдържа много транзистори (както и диоди, кондензатори, резистори и др.). Само много малки.

Между другото, първоначално „транзисторите“ бяха резистори, чието съпротивление можеше да се променя с помощта на количеството приложено напрежение. Ако пренебрегнем физиката на процесите, тогава модерен транзистор може да бъде представен и като съпротивление, което зависи от сигнала, който му се подава.

Каква е разликата между полеви и биполярни транзистори? Отговорът се крие в самите им имена. В биполярен транзистор преносът на заряд включва Иелектрони, Идупки (“бис” - два пъти). И в полето (известен още като еднополюсен) - илиелектрони, илидупки.

Освен това тези видове транзистори се различават по области на приложение. Биполярните се използват главно в аналогова технология, а поле - в цифров.

И накрая: основната област на приложение на всякакви транзистори- печалба слаб сигналпоради допълнителен източникхранене.

Биполярен транзистор. Принцип на действие. Основни характеристики

Биполярният транзистор се състои от три области: емитер, база и колектор, всяка от които се захранва с напрежение. В зависимост от вида на проводимостта на тези зони се разграничават n-p-n и p-n-p транзистори. Обикновено колекторната площ е по-широка от емитерната. Основата е направена от леко легиран полупроводник (поради което има висока устойчивост) и го направете много тънък. Тъй като контактната площ на емитер-база е значително по-малка от тази на база-колектор, е невъзможно емитерът и колекторът да се разменят чрез промяна на полярността на връзката. По този начин транзисторът е асиметрично устройство.

Преди да разгледаме физиката на това как работи транзисторът, нека очертаем общия проблем.


Това е следното: между емитера и колектора протича силен ток ( колекторен ток), а между емитера и основата има слаб управляващ ток ( базов ток). Токът на колектора ще се промени в зависимост от промяната в базовия ток. Защо?
Нека разгледаме p-n преходите на транзистора. Има две от тях: емитер-база (EB) и база-колектор (BC). В активния режим на работа на транзистора, първият от тях е свързан с предно пристрастие, а вторият с обратно пристрастие. Какво се случва в този случай? p-n преходХ? За по-голяма сигурност ще разгледаме n-p-n транзистор. За p-n-p всичко е подобно, само думата "електрони" трябва да бъде заменена с "дупки".

Тъй като EB преходът е отворен, електроните лесно „преминават“ към основата. Там те частично се рекомбинират с дупки, но ОПовечето от тях, поради малката дебелина на основата и ниското й допиране, успяват да достигнат прехода база-колектор. Което, както си спомняме, е обратно предубедено. И тъй като електроните в основата са малцинствени носители на заряд, електрическото поле на прехода им помага да го преодолеят. По този начин колекторният ток е само малко по-малък от емитерния ток. Сега гледайте ръцете си. Ако увеличите базовия ток, EB преходът ще се отвори по-силно и повече електрони ще могат да се плъзнат между емитера и колектора. И тъй като колекторният ток първоначално е по-голям от базовия ток, тази промяна ще бъде много, много забележима. По този начин, слабият сигнал, получен в основата, ще бъде усилен. Още веднъж, голяма промяна в тока на колектора е пропорционално отражение на малка промяна в базовия ток.

Спомням си, че принципът на работа на биполярен транзистор беше обяснен на моя съученик на примера на крана. Водата в него е колекторният ток, а базовият контролен ток е колко въртим копчето. Малка сила (контролно действие) е достатъчна, за да увеличи потока на водата от крана.

В допълнение към разглежданите процеси, редица други явления могат да възникнат в p-n преходите на транзистора. Например, при силно увеличение на напрежението на кръстовището база-колектор, може да започне лавинообразно умножаване на заряда поради ударна йонизация. И съчетано с тунелния ефект, това ще доведе първо до електрическа повреда, а след това (с увеличаване на тока) до термична повреда. Въпреки това, термичният срив в транзистора може да възникне без електрически срив (т.е. без увеличаване на напрежението на колектора до напрежение на пробив). Един ще бъде достатъчен за това прекомерен токпрез колектора.

Друго явление се дължи на факта, че когато напреженията на преходите на колектора и емитера се променят, тяхната дебелина се променя. И ако основата е твърде тънка, тогава може да възникне ефект на затваряне (така наречената „пробиване“ на основата) - връзка между колекторния преход и емитерния преход. В този случай базовата област изчезва и транзисторът спира да работи нормално.

Колекторният ток на транзистора в нормален активен режим на работа на транзистора е по-голям от базовия ток с определен брой пъти. Този номер се нарича текуща печалбаи е един от основните параметри на транзистора. Обозначава се h21. Ако транзисторът е включен без натоварване на колектора, тогава кога постоянно напрежениесъотношението колектор-емитер на колекторния ток към базовия ток ще даде статично усилване на тока. Може да са десетки или стотици единици, но си струва да се вземе предвид фактът, че в реални веригитози коефициент е по-малък поради факта, че когато товарът е включен, токът на колектора естествено намалява.

Вторият важен параметър е транзисторно входно съпротивление. Според закона на Ом това е съотношението на напрежението между базата и емитера към управляващия ток на базата. Колкото по-голям е, толкова по-нисък е базовият ток и толкова по-голямо е усилването.

Третият параметър на биполярен транзистор е усилване на напрежението. Тя е равна на отношението на амплитудата или ефективни стойностиизход (емитер-колектор) и вход (база-емитер) променливи напрежения. Тъй като първата стойност обикновено е много голяма (единици и десетки волта), а втората е много малка (десети от волта), този коефициент може да достигне десетки хиляди единици. Струва си да се отбележи, че всеки базов контролен сигнал има собствено усилване на напрежението.

Транзисторите също имат честотна характеристика , което характеризира способността на транзистора да усилва сигнал, чиято честота се доближава до граничната честота на усилване. Факт е, че с увеличаване на честотата на входния сигнал усилването намалява. Това се дължи на факта, че времето за преминаване на осн физически процеси(времето на движение на носителите от емитера към колектора, зареждането и разреждането на бариерните капацитивни преходи) става съизмеримо с периода на промяна на входния сигнал. Тези. транзисторът просто няма време да реагира на промените във входния сигнал и в даден момент просто спира да го усилва. Честотата, с която това се случва, се нарича граница.

Също така, параметрите на биполярния транзистор са:

• обратен ток колектор-емитер
• на време
• обратен колекторен ток
• максимално допустим ток

Условно n-p-n нотацияИ pnp транзисториТе се различават само по посоката на стрелката, показваща излъчвателя. Той показва как протича ток в даден транзистор.

Режими на работа на биполярен транзистор

Обсъдената по-горе опция представлява нормалния активен режим на работа на транзистора. Има обаче още няколко комбинации от отворени/затворени p-n преходи, всяка от които представлява отделен режим на работа на транзистора.

1. Инверсен активен режим. Тук преходът BC е отворен, но напротив, EB е затворен. Свойствата на усилване в този режим, разбира се, са по-лоши от всякога, така че транзисторите се използват много рядко в този режим.
2. Режим на насищане. И двата прелеза са отворени. Съответно, основните носители на заряд на колектора и емитера „бягат“ към основата, където активно се рекомбинират с основните му носители. Поради получения излишък от носители на заряд съпротивлението на основата и p-n преходите намалява. Следователно верига, съдържаща транзистор в режим на насищане, може да се счита за късо съединение и самият радиоелемент може да бъде представен като еквипотенциална точка.
3. Режим на прекъсване. И двата прехода на транзистора са затворени, т.е. токът на основните носители на заряд между емитер и колектор спира. Потоци от малцинствени носители на заряд създават само малки и неконтролируеми токове на топлинен преход. Поради бедността на основата и преходите с носители на заряд, тяхната устойчивост се увеличава значително. Поради това често се смята, че транзистор, работещ в режим на прекъсване, представлява отворена верига.
4. Бариерен режимВ този режим базата е директно или чрез ниско съпротивление свързана с колектора. В колекторната или емитерната верига е включен и резистор, който задава тока през транзистора. Това създава еквивалент на диодна верига с последователно свързан резистор. Този режим е много полезен, тъй като позволява на веригата да работи на почти всяка честота, в широк температурен диапазон и е неизискващ към параметрите на транзисторите.

Комутационни схеми за биполярни транзистори

Тъй като транзисторът има три контакта, като цяло захранването трябва да се подава към него от два източника, които заедно произвеждат четири изхода. Следователно един от контактите на транзистора трябва да бъде захранван с напрежение с еднакъв знак от двата източника. И в зависимост от това какъв контакт е, има три схеми за свързване на биполярни транзистори: с общ емитер (CE), общ колектор (OC) и обща база (CB). Всеки от тях има както предимства, така и недостатъци. Изборът между тях се прави в зависимост от това кои параметри са важни за нас и кои могат да бъдат пожертвани.

Схема на свързване с общ емитер

Тази схема осигурява най-голямото усилване на напрежението и тока (и следователно в мощността - до десетки хиляди единици) и следователно е най-често срещаната. Тук преходът емитер-база се включва директно, а преходът база-колектор се включва обратно. И тъй като и основата, и колекторът се захранват с напрежение от същия знак, веригата може да се захранва от един източник. В тази схема фазата на изходното AC напрежение се променя спрямо фазата на входното AC напрежение на 180 градуса.

Но в допълнение към всички благинки, OE схемата също има значителен недостатък. Това се крие във факта, че увеличаването на честотата и температурата води до значително влошаване на усилващите свойства на транзистора. По този начин, ако транзисторът трябва да работи при високи честоти, тогава е по-добре да използвате различна превключваща верига. Например с обща основа.

Схема на свързване с обща основа

Тази схема не осигурява значително усилване на сигнала, но е добра при високи честоти, тъй като позволява по-пълно използване на честотната характеристика на транзистора. Ако същият транзистор е свързан първо по схема с общ емитер, а след това с обща база, тогава във втория случай ще има значително увеличение на неговата гранична честота на усилване. Тъй като при такава връзка входното съпротивление е ниско и изходното съпротивление не е много високо, транзисторните каскади, сглобени съгласно схемата с OB, се използват в антенни усилватели, Където характерен импеданскабели обикновено не надвишава 100 ома.

В схема с обща база фазата на сигнала не се обръща и нивото на шума при високи честоти е намалено. Но, както вече споменахме, текущата му печалба винаги е малка по-малко от едно. Вярно е, че усилването на напрежението тук е същото като във верига с общ емитер. Недостатъците на веригата с обща база също включват необходимостта от използване на две захранвания.

Схема на свързване с общ колектор

Особеността на тази схема е, че входното напрежение се предава изцяло обратно към входа, т.е. отрицателната обратна връзка е много силна.

Нека ви напомня, че негативът се нарича такъв обратна връзка, при който изходният сигнал се връща обратно към входа, като по този начин се намалява нивото на входния сигнал. По този начин се извършва автоматична настройка, когато параметрите на входния сигнал случайно се променят

Коефициентът на усилване на тока е почти същият като в схемата с общ емитер. Но усилването на напрежението е малко (основният недостатък на тази схема). Доближава се до единството, но винаги е по-малко от него. По този начин усилването на мощността се равнява само на няколко десетки единици.

В обща колекторна верига няма фазово изместване между входното и изходното напрежение. Тъй като усилването на напрежението е близко до единица, изходното напрежение съвпада с входното напрежение във фаза и амплитуда, т.е. го повтаря. Ето защо такава верига се нарича емитерна повторител. Емитер - защото изходното напрежение се отстранява от емитера спрямо общия проводник.

Тази връзка се използва за съпоставяне на транзисторни етапи или когато източникът на входен сигнал има висок входен импеданс (например пиезоелектричен датчик или кондензаторен микрофон).

Две думи за каскадите

Има моменти, когато трябва да увеличите изходяща мощност(т.е. увеличаване колекторен ток). В този случай се използва паралелно свързване на необходимия брой транзистори.

Естествено, те трябва да бъдат приблизително еднакви по характеристики. Но трябва да се помни, че максималният общ колекторен ток не трябва да надвишава 1,6-1,7 от максималния колекторен ток на който и да е от каскадните транзистори.
Въпреки това (благодарение на wrewolf за бележката), това не се препоръчва в случай на биполярни транзистори. Защото два транзистора, дори от един и същи тип, поне малко се различават един от друг. Съответно, когато са свързани паралелно, през тях ще текат токове с различна величина. За да се изравнят тези токове, в емитерните вериги на транзисторите се монтират балансирани резистори. Стойността на тяхното съпротивление се изчислява така, че спадът на напрежението върху тях в диапазона на работния ток да е най-малко 0,7 V. Ясно е, че това води до значително влошаване на ефективността на веригата.

Може също да има нужда от транзистор с добра чувствителност и в същото време с добър коефициентпечалба. В такива случаи се използва каскада от чувствителен, но с ниска мощност транзистор (VT1 на фигурата), който контролира захранването на по-мощен колега (VT2 на фигурата).

Други приложения на биполярни транзистори

Транзисторите могат да се използват не само в схеми за усилване на сигнала. Например, поради факта, че те могат да работят в режим на насищане и прекъсване, те се използват като електронни ключове. Също така е възможно да се използват транзистори в схемите на генератор на сигнали. Ако работят в ключов режим, тогава ще се генерира правоъгълен сигнал, а ако в режим на усилване, тогава сигнал с произволна форма, в зависимост от управляващото действие.

Маркиране

Тъй като статията вече нарасна до неприлично голям обем, на този етап просто ще дам две добри връзки, които описват подробно основните системи за маркиране полупроводникови устройства(включително транзистори): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и file.xls (35 kb).

Полезни коментари:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Тагове: Добавете тагове

Диаграмата на свързване на биполярен транзистор с общ емитер е показана на фигура 5.15:

Характеристиките на транзистора в този режим ще се различават от характеристиките в режим на обща база. В транзистор, свързан във верига с общ емитер, има усилване не само на напрежението, но и на тока. Входни параметриза верига с общ емитер ще има базов ток I b и напрежение на колектора U k, а изходните характеристики ще бъдат колекторен ток I k и напрежение на емитер U e.

Преди това, когато се анализира биполярен транзистор във верига с обща база, връзката между тока на колектора и тока на емитера беше получена в следната форма:

В схема с общ емитер (в съответствие с първия закон на Кирхоф).

след пренареждане на факторите получаваме: (5.30)

Ориз. 5.15. Схема за свързване на транзистор с общ емитер

Коефициентът α/(1-α) преди коефициента Ib показва как колекторният ток Ik се променя с единична промяна в базовия ток Ib. Нарича се текущо усилване на биполярен транзистор в обща емитерна верига. Нека означим този коефициент с β.

Тъй като коефициентът на предаване α е близо до единица (α< 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). При стойности на коефициента на предаване α = 0,98÷0,99 усилването ще бъде в диапазона β = 50÷100.

Като се вземе предвид (5.31), както и I k0 * = I k0 /(1-α), изразът (5.30) може да бъде пренаписан като:

(5.32)

където I k0 * = (1+β)I k0 е топлинният ток на единичен p-n преход, който е много по-голям от топлинния ток на колектора I k0, а стойността на r k се определя като r k * = r k /( 1+β).

Диференцирайки уравнение (5.32) по отношение на базовия ток I b, получаваме β = ΔI k /ΔI b. От това следва, че коефициентът на усилване β показва колко пъти се променя токът на колектора I k, когато се променя базовият ток I b.

За да се характеризира стойността на β като функция от параметрите на биполярния транзистор, припомнете си, че коефициентът на пренос на ток на емитер се определя като α = γ·κ, където . следователно . За стойността β се получава следната стойност: β = α/(1-α). Тъй като W/L<< 1, а γ ≈ 1, получаем:

(5.33)

Фигура 5.16а показва ток-напрежението на биполярен транзистор, включен във верига с общ емитер с базов ток като параметър на кривите. Сравнявайки тези характеристики с подобни характеристики за биполярен транзистор във верига с обща база, може да се види, че те са качествено сходни.

Нека анализираме защо малки промени в базовия ток I b причиняват значителни промени в колекторния ток I c. Стойността на коефициента β, значително по-голяма от единица, означава, че коефициентът на предаване α е близо до единица. В този случай колекторният ток е близък до емитерния ток, а базовият ток (по своята физическа природа, рекомбинация) е значително по-малък от колекторния и емитерния ток. Когато коефициентът α = 0,99, от 100 дупки, инжектирани през емитерния преход, 99 се извличат през колекторния преход и само един ще се рекомбинира с електрони в основата и ще допринесе за основния ток.

Ориз. 5.16. Токово-напреженови характеристики на биполярния транзистор KT215V, свързан по схема с общ емитер: а) входни характеристики; б) изходни характеристики

Удвояването на базовия ток (две дупки трябва да се рекомбинират) ще доведе до два пъти повече инжектиране през емитерния преход (трябва да се инжектират 200 отвора) и съответно извличане през колекторния преход (извличат се 198 отвора). Така малка промяна в базовия ток, например от 5 до 10 µA, причинява големи промени в колекторния ток, съответно от 500 µA до 1000 µA.

Усилвателят е мрежа с четири извода, два извода от които са предназначени за свързване на входния сигнал, а останалите два извода се използват за отстраняване на усиления сигнал (напрежение или ток) от тях. Транзисторът има само три извода, така че за реализиране на мрежа с четири извода един от изводите трябва да бъде свързан както към входа, така и към изхода на усилвателя. В зависимост от това кой извод на транзистора е общ както за входа, така и за изхода на усилвателя, веригите за превключване на транзистора се наричат:

• Обща емитерна верига
• Схема с обща основа
• Верига с общ колектор

Трябва да се отбележи, че тези превключващи вериги се използват не само за биполярни транзистори, но и за всички видове транзистори с полеви ефекти. В тях тези вериги ще се наричат ​​съответно вериги общ източник, общ порт и общи вериги за изтичане. Във всички следващи диаграми границите на квадруполната мрежа на усилвателя ще бъдат показани с пунктирана линия. За да свържете източника на сигнал и товара, всеки от тях има два изхода.

Обща емитерна верига

Най-често срещаната схема за свързване на транзистори е (OE). Това се дължи на най-високото усилване на мощността на тази верига. Веригата с общ емитер има усилване както на напрежение, така и на ток. Функционалната схема на свързване на транзистор с общ емитер е показана на фигура 1.

Фигура 1. Функционална схема на транзистор с общ емитер

На тази диаграма не са показани захранващите вериги на колектора и основата на транзистора. Ще ги разгледаме по-късно в по-подробно изследване с общ излъчвател. Входното съпротивление на транзисторната верига с общ емитер се определя от входната характеристика на транзистора. Зависи от основата и следователно от колекторния ток на транзистора. За повечето усилватели с ниска мощност то е около 2,5 kOhm.

Схема с обща основа

Верига с общ колектор

Обикновено се използва за получаване на висок входен импеданс. Усилването на мощността на тази транзисторна верига е по-малко в сравнение с верига с общ емитер и е сравнимо с усилването на верига с обща база. Това се дължи на факта, че транзисторната верига с общ колектор не усилва напрежението. В тази схема се извършва само усилване на тока. Функционалната схема на свързване на транзистор с общ колектор е показана на фигура 3.

Фигура 3. Функционална схема на включване на транзистор с общ колектор

В диаграмата, показана на фигура 5, не са показани електрическите вериги на колектора и основата. Входното съпротивление на веригата за включване на транзистор с общ колектор е сумата от съпротивлението на основата на транзистора (както в схема с общ емитер) и съпротивлението в емитерната верига, преобразувано във входа, следователно входното съпротивление на веригата с общ колектор е много високо. Неговото входно съпротивление е най-голямото от всички транзисторни вериги.

Литература:

Прочетете заедно със статията „Схеми за свързване на транзистори“:

http://site/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

http://site/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/