Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

h-параметры и особенности включений биполярного транзистора

Транзисторы относятся  к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

Схемы включения биполярных транзисторов с общим эмиттером, общим коллектором и общей базойРисунок 1

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Эквивалентная схема h-параметров биполярного транзистораРисунок 2

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток Im1  и выходное напряжение

Um2 , а зависимыми переменными входное напряжение Um1 и выходной ток Im2  можно составить систему уравнений (1), задействуя  h-параметры:

Система уравнений для биполярного транзистора

где:

                                h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0, входное сопротивление;

                            h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0, коэффициент обратной связи по напряжению;

                            h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0, коэффициент передачи тока;

                            h

22 = Im2/Um2, при Im1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h11 — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h12 – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h21 — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h22 — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h11Э, h12Э, h21Э, h22Э ; для схемы с общим коллектором — h11К, h12К, h21К, h22К  ; для схемы с общей базой это h11б, h12б, h21б, h22б .

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

Схемы включения биполярных транзисторов с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой реальное применение
Рисунок 3

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

С общим коллектором (ОК)

Схему с общим коллектором часто называют “эмиттерным повторителем”. Она имеет высокое входное (порядка >200кОм) и низкое выходное (порядка <10кОм) сопротивления. Эта схема не даёт усиления по напряжению. Схему с общим коллектором используют во входных каскадах усилителей для согласования двух каскадов усилителя, из которых предыдущий имеет высокое выходное, а последующий, обычно выходной каскад, — малое входное сопротивление.  Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Выходное напряжение на выходе схемы с ОК (рисунок 3, общий коллектор), практически повторяет напряжение на базе транзистора, с учётом величины незначительного падения напряжения на переходе эмиттер-база, отсюда и название “эмиттерный повторитель”. Благодаря высокому усилению по току, схему с ОК применяют также и для управления токами различных устройств, например соленоидов.

С общей базой (ОБ)

Схема с ОБ имеет малое входное (порядка <100 Ом) и большое выходное (порядка до 1 Мом) сопротивления. В связи с большой разницей входного и выходного сопротивлений последовательное соединений целесообразно только при трансформаторной связи между каскадами., Усиление по току отсутствует, а усиление по мощности несколько ниже чем в схеме с ОЭ. Выходное напряжение по фазе повторяет входной сигнал. Преимуществом схемы является большая линейность характеристик и большая предельная частота усиления. Поэтому схему с ОБ наиболее часто применяют для усиления высоких частот особенно в антенных усилителях, где её параметры очень хорошо согласуются при работе с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 ом.

Следует отметить, что для биполярных транзисторов характерны следующие режимы работы:

— нормальный активный режим;

— инверсный активный режим;

— режим насыщения;

— режим отсечки;

— барьерный режим.

Но, это уже отдельная и весьма ёмкая тема.

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора и его цоколевка

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования 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.

Внешний вид биполярного транзистора и его цоколевка

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным 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. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, 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.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы 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.

Принцип работы

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).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) 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 обратносмещённого 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 (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), 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, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<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 (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью 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

  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по Схема включения с общей базой

    Схема включения с общей базой

    току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
  • Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]. Схема включения с общим эмиттером

    Схема включения с общим эмиттером

  • 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

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1]. Схема включения с общим коллектором

    Схема включения с общим коллектором

  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто 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 коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэrкrб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umб-эUm2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umэ-бUm2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τфВременем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

  • Эпитаксиально-планарная.
  • Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

  • Усилители, каскады усиления
  • Генератор сигналов
  • Модулятор
  • Демодулятор (детектор)
  • Инвертор (лог. элемент)
  • Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Коэффициент передачи тока базы. — Студопедия

Управление транзистором с помощью тока базы. Статический

В активном режиме током коллектора  можно управлять с помощью тока базы. В цепи базы включается управляющий источник тока, с помощью которого через вывод в базу вводятся электроны. Покажем, что при изменении тока базы будет изменяться ток коллектора (фактически сопротивление коллекторного перехода).

Qэ = Iб *t; С ­ t ® ­Qn = Qp ® ­Iэр,Iкр;

 
 

 

При введении в базу электронов в ней появляется электрическое поле, которое понижает оба потенциальных барьера. В активном режиме понижение высоты коллекторного барьера не приводит к заметным изменениям его высоты, так как коллекторное напряжение весьма велико по сравнению с этим изменением. Понижение эмиттерного барьера вызывает инжекцию дырок из эмиттерного перехода в количестве равном числу введённых в базу электронов. В результате база остаётся электрически нейтральной. Введенные электроны, находясь в потенциальной яме, поддерживают инжекцию дырок из эмиттера при непрерывном уходе дырок в коллекторный переход. Один электрон обеспечивает прохождение из эмиттера в коллектор одной дырки.

Ток базы обеспечивает поступление электронов в базу, но одновременно действуют механизмы их ухода из базы. Это инжекция электронов в эмиттер, так как эмиттерный переход смещён в прямом направлении, и рекомбинация в базе. Для простоты объяснения не будем учитывать инжекцию электронов из базы в эмиттер. Тогда основным механизмом ухода электронов из базы будет рекомбинация в базе.


Рассмотрим реакцию токов эмиттера и коллектора на ступеньку тока базы (рис…). Ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора пропорционален заряду электронов в базе. Каждый неравновесный электрон, введённый в базу, за время жизни обеспечивает проход определённого количества дырок. Чем больше заряд введённых в базу электронов Qe, тем больше ток эмиттера. Если бы рекомбинации не было бы, то при постоянном токе базы с течением времени заряд электронов в базе рос бы бесконечно. Одновременно также рос бы и равный ему заряд инжектированных дырок Qp. Токи эмиттера и коллектора стремились бы к бесконечности (пунктир на графике). Однако возрастающая с ростом заряда электронов и дырок скорость рекомбинации (она пропорциональна произведению концентрации электронов и дырок) ограничивает рост заряда электронов и дырок в базе. Если сразу после скачка ток электронов базы шёл на накопление заряда, то по мере увеличения заряда всё большая часть его идёт на восполнение возрастающих по мере роста заряда потерь от рекомбинации. Рост заряда прекращается, когда ток рекомбинации становится равным току базы. Время, за которое установится стационарное значение заряда в базе, а, следовательно, и ток коллектора, определяется процессом рекомбинации. Поэтому время, за которое ток коллектора вырастает до величины 0,63 своего стационарного значения после скачка тока базы, равно времени жизни электронов.


Изменение тока базы приводит к изменению заряда электронов в базе и, следовательно, к изменению тока коллектора и эмиттера. Следовательно транзистор управляется током базы.

Отметим, что поскольку в базе транзистора tp намного больше tпр, то управление транзистором с помощью тока базы более инерционно по сравнению с управлением с помощью тока эмиттера. Однако мощность затрачиваемая на управление существенно меньше, чем при управлении транзистором с помощью тока эмиттера. Время жизни электронов в базе tn равно времени жизни дырок tp [Тугов, с. 121]. За время жизни электрона в базе tp через базу пройдет tp/tпр дырок. Значит примерно (не учитывается инжекция электронов в эмиттер) во столько же раз ток базы меньше тока эмиттера, а, следовательно, меньше и мощность управления.

Качество управления транзистором с помощью тока базы характеризуется интегральным (статическим) коэффициентом передачи тока базы b. Коэффициент передачи тока базы определяется следующим соотношением

b= Iкp /Iб.

Поскольку в активном режиме Iкб намного меньше других компонент базового тока, а также Iкp, то

b= Iк /Iб,

и

Iб = Iрек + Iэn.

Тогда статический коэффициент передачи тока базы (ещё говорят коэффициент передачи по постоянному току или интегральный коэффициент передачи тока базы) равен

.

Разделим числитель и знаменатель на Iэ и получим соотношение, связывающее коэффициент передачи тока базы с коэффициентом передачи тока эмиттера

.

Статический коэффициент передачи тока базы для транзисторов малой мощности (меньше 0,3 Вт) находится в диапазоне 50 ¸ 100. В специальных микромощных транзисторах, называемых "супербета" он доходит до нескольких тысяч [Тугов, с. 121] .Для транзисторов большой мощности (больше 1,5 Вт) – в диапазоне 5 ¸ 20. Коэффициент передачи тока базы зависит от температуры и тока коллектора по тем же причинам, что и коэффициент передачи тока эмиттера. На рис.. приведена зависимость коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера. С ростом температуры на один градус b увеличивается примерно на 1 % .

Помимо статического для малосигнальных применений используется дифференциальный коэффициент передачи тока базы

bм = dIк /dIб.

На низких частотах, когда отсутствует фазовый сдвиг между током базы и током коллектора, связь между статическим и дифференциальным коэффициентами передачи устанавливается следующим соотношением

.

В справочниках по транзисторам в качестве малосигнального коэффициента передачи тока базы используется h-параметр h21э. Он получается при представлении транзистора четырёхполюсником и синусоидальной форме тока базы.

17.5. Коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора в схеме с об

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и βn были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где IKр - дырочный ток коллектора, IЭ — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

(17.9)

(17.10)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по IЭ, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то αст ≠ αдиф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы IБ, а выходным — ток коллектора IK. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения IК = αстIЭ + IКо, если подставить в него IЭ=IБ+IК. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение βст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с αдиф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβcт/dIБ) = 0, то βдиф = βст. В дальнейшем будем считать βст = βдиф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением RK, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если RK велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔUЭ вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔIЭ = ΔUЭ/RЭ. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔIK = ΔUЭ, а напряжение на нагрузке изменится на ΔUK = RKΔIK ≈ RKΔIЭ. Если подставить в ΔUК значение ΔIЭ, то ΔUK = RKΔUЭ/RЭ, откуда видно, что приращение напряжения на RK больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в RK/RЭ раз. А так как RK >> RЭ, то ΔUК >> ΔUЭ.

Приращение входной мощности ΔРВХ = RЭΔIЭ2, а приращение выходной мощности ΔРвых = RKΔIK2 ≈ RKΔIЭ2 = RK*ΔPвх/RЭ, т. е. оно больше ΔРвх в RK/RЭ раз. Следовательно, ΔPвых >> ΔPвх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе RK, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор RK с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

17.5. Коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора в схеме с об

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и βn были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где IKр - дырочный ток коллектора, IЭ — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

(17.9)

(17.10)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по IЭ, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то αст ≠ αдиф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы IБ, а выходным — ток коллектора IK. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения IК = αстIЭ + IКо, если подставить в него IЭ=IБ+IК. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение βст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с αдиф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβcт/dIБ) = 0, то βдиф = βст. В дальнейшем будем считать βст = βдиф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением RK, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если RK велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔUЭ вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔIЭ = ΔUЭ/RЭ. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔIK = ΔUЭ, а напряжение на нагрузке изменится на ΔUK = RKΔIK ≈ RKΔIЭ. Если подставить в ΔUК значение ΔIЭ, то ΔUK = RKΔUЭ/RЭ, откуда видно, что приращение напряжения на RK больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в RK/RЭ раз. А так как RK >> RЭ, то ΔUК >> ΔUЭ.

Приращение входной мощности ΔРВХ = RЭΔIЭ2, а приращение выходной мощности ΔРвых = RKΔIK2 ≈ RKΔIЭ2 = RK*ΔPвх/RЭ, т. е. оно больше ΔРвх в RK/RЭ раз. Следовательно, ΔPвых >> ΔPвх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе RK, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор RK с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

Частотные свойства биполярных транзисторов — Студопедия

Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.

Для биполярных транзисторов в основном представляет интерес зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока, а также зависимость входного и выходного сопротивлений. Обычно рассматривается активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме между входными и выходными сигналами появляются фазовые сдвиги и вместо приращений токов и напряжений необходимо брать комплексные величины, поэтому и параметры заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами.

Проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют время пролета носителей через базу tБ, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов СЭ, СК и объёмное сопротивление базы .

При рассмотрении работы транзистора р-п-р в схеме ОБ оказывается, что диффузионный характер распространения неравновесных дырок в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а, следовательно, и коэффициент передачи тока. Допустим, что в момент поступления на вход транзистора положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число дырок. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения дырок в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение действия отрицательного полупериода число инжектированных дырок уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент h21Б уменьшатся.


Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы дырками, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Для транзисторов типа р-п-р время диффузионного перемещения . Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты , которое транзистор еще усиливает.


На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Активное сопротивление является прямым дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rЭ. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из зарядной СЭ0 и диффузионной

СЭ ДИФ емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения .

Из-за малой толщины базы ∆wБ транзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтому СЭ ДИФ в транзисторе также меньше, чем в диоде.

Рис. 3.16. К пояснению изменения заряда в базе транзистора при изменения на его эмиттере

Рисунок 3.16 иллюстрирует образование емкости СЭ ДИФ заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе dQ, при изменении dUЭБ. Хотя эмиттерные емкости СЭ0 и СЭ ДИФ значительны (СЭ0 достигает 100-150 пФ,

СЭ ДИФ - 1000 пФ), но, так как они шунтированы малым сопротивлением rЭ, их следует учитывать только на очень высоких частотах (порядка десятков мегагерц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через емкость, становится значительной, в результате чего уменьшается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фаз φ.

Полное сопротивление коллекторного перехода также представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих: активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода rК порядка 1 МОм и суммы емкостей — собственной СК0 (в среднем около 10 пФ) и диффузионной СК ДИФ < СК0. Сопротивление rК определяется тем, что изменение напряжения приводит к изменению толщины перехода и, следовательно, толщины базы на ΔwБ. Отсюда изменяется число дырок, которые рекомбинируют в базе, и величина тока IK через коллекторный переход при IЭ = const. Диффузионная емкость коллекторного перехода определяется как приращение заряда неосновных носителей в базе к вызвавшему его приращению напряжения ΔUКБ при IЭ = const. С изменением UКБ меняется толщина базы, а следовательно, и общее число дырок в базовой области и их заряд. Из-за большого сопротивления rK шунтирующее действие емкости, несмотря на ее малую величину, сказывается на частотах порядка звуковых. Если, например, считать СK0 = 10 пФ и rK = 1МОм, то равенство rK =1/2nfCK0 удовлетворяется при f =16 кГц. Таким образом, шунтирующее действие СK0 сказывается на гораздо более низких частотах, чем действие СЭ. Полное сопротивление коллекторного перехода на высоких частотах сильно уменьшается. Поэтому при рассмотрении частотных свойств транзистора приходится обычно считаться с емкостью СК0; при конструировании транзистора эту емкость стремятся по возможности уменьшить либо путем уменьшения рабочей поверхности коллекторного перехода, либо увеличением его толщины. Влияние активного сопротивления базы на частотные свойства транзистора можно пояснить следующим образом. Сопротивление rЭ и емкость эмиттерного перехода совместно с образуют частотнозависимый делитель напряжения (рисунок 3.17). Чем больше , тем меньше управляющее напряжение на эмиттерном переходе UП, С ростом частоты модуль эмиттерного сопротивления из-за наличия емкости СЭ уменьшается и управляющее напряжение UП также падает.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера h21Б, который становится комплексным, следующим образом:

, (3.34)

где h21Б0- коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, fh21Бпредельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

(3.35)

Нетрудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½h21Б½на предельной частоте fh21Б снижается в раз.

Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. (3.36)

Для схемы с ОЭ известно соотношение

. (3.37)

Подставляя (3.37) в (3.34) получим

, (3.38)

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

. (3.39)

Частотные зависимости коэффициентов передачи тока в схемах ОЭ и ОБ представлены на рисунке 3.18 (логарифмический масштаб).

Рис. 3.18. Зависимости коэффициента передачи тока БТ от частоты

Более быстрое изменение с ростом частоты модуля |h21Э| по сравнению с | h21Б | (рисунок 3.18) объясняется тем, что разность (1- h21Б) в выражении меняется быстрее, чем h21Б и увеличением фазового сдвига с частотой. На низких частотах и IK мало отличается по величине от IЭ; IБ имеет малую величину (рисунок 3.19, а). С ростом частоты ток IК начинает отставать от тока IЭ, а ток IБ увеличивается даже при неизменном значении IК (рисунок 3.19, б).

Рис. 3.19. Векторные диаграммы токов транзистора

а) на низких частотах б) на высоких частотах

Граничная частота fГР - это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½h21Э½=1. Из (3.39) получим, что fГР » fh21Э×h21Э0.

Как видно из (3.38), частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности КP > 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, (3.40)

где fh21Б – предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах; CК – емкость коллекторного перехода в пикофарадах; fMAX– в мегагерцах.

Следовательно, что для увеличения fMAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту fh21Б и уменьшать и СК. Теоретически для транзистора типа р-п-р . Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области wБ и применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота fh21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа

п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты fMAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах fh21Б выше (для германия примерно в два раза), одновременно в том же отношении возрастает и сопротивление базы , зависящее от подвижности в ней основных носителей, т. е. дырок в транзисторе типа п-р-п. Поэтому частота fMAX остается неизменной. Для уменьшения емкости СК нужно уменьшить площадь коллекторного перехода SК, а также увеличить коллекторное напряжение UКБ и удельное сопротивление базы и коллектора.

Однако, если уменьшить толщину базы wБ, то h21Б0 и f h21Б увеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения rБ уменьшить удельное сопротивление базы ρБ, то это приведет к уменьшению h21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту СК. С уменьшением площади перехода SК уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения UКБ ограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.

Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие fMAX. Это означает, что в транзисторах обычной конструкции максимальная частота усиления по мощности не может быть высокой.

Частотную зависимость входного сопротивления можно объяснить с помощью векторной диаграммы токов и напряжений (рисунок 3.20), построенной для f = f h21Б . Если пренебречь па этой частоте емкостью СЭ,. то ток IЭ создает на сопротивлении rЭ падение IЭ∙rЭ, которое будет совпадать по фазе с током IЭ. Аналогично на сопротивлении rБ возникнет падение напряжения IБ в фазе с током IБ. Напряжение UBХ = IЭ ∙rЭ+ IБ .

Из диаграммы видно, что входной ток IЭ отстает от напряжения UBХ на угол φ´, следовательно, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы IБ, который опережает по фазе UBX.Таким образом, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОЭ имеет емкостный характер и с ростом частоты уменьшается (рисунок 3.21, а). Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сопротивления от частоты. Выходное сопротивление ZВЫХ уменьшается с ростом частоты при включении как в схеме ОБ таки в схеме ОЭ (рис. 3.21, б).

Рис. 3.21. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:

а) входного, б) выходного

6. Биполярные транзисторы, коэффициент инжекции, переноса, передачи тока:

Коэффициент инжекции:

Рассмотрим более подробно выражение для коэффициента переноса, для этого проанализируем компоненты эмиттерного тока как показано на диаграмме.

Диаграмма:

Прямоугольник 8

Для анализа коэффициента инжекции γ заменим приращение токов dJэ, dJк на их значения Jэ, Jк. Выразим эмиттерный ток Jэ как сумму электронной Jэn и дырочной Jэp компонент Jэ = Jэp + Jэn. Воспользуемся ранее полученными выражениями для компонент тока Jэp и Jэn:

Прямоугольник 8Прямоугольник 7

Получаем для коэффициента инжекции

Прямоугольник 7Прямоугольник 6

Из полученного соотношения следует, что для эффективной работы биполярного транзистора p-n-p типа ток эмиттера Jэ должен быть в основном дырочным (Jэp). По этой причине эмиттер биполярного транзистора должен быть легирован существенно сильнее по отношению к уровню легирования базы (NАЭ>>NДБ).

Коэффициент переноса:

Коэффициент передачи эмиттерного тока α характеризует изменение коллекторного тока Iк при вызвавшем его изменении эмиттерного тока Iэ.

Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного. Поэтому важна доля дырок, дошедших до коллекторного перехода и нерекомбинировавших в базе и доля дырочного тока в эмиттерном токе.

Прямоугольник 6(5.9)

Зависимость коэффициента инжекции γ от параметров биполярного транзистора была получена ранее. Рассмотрим зависимость коэффициента переноса κ от параметров биполярного транзистора.

Из уравнения непрерывности

Прямоугольник 6(5.10)

следует, что в стационарном режиме

Прямоугольник 6(5.11)

Решение дифференциального уравнения (5.11) в общем виде будет иметь следующий вид:

Прямоугольник 6(5.12)

Запишем граничные условия для (4.11) исходя из того, что задан эмиттерный ток Jэр = γ · Jэ и коллекторное напряжение Uк.

Прямоугольник 6(5.13)

Прямоугольник 6(5.14)

Найдем коэффициенты А1 и А2.

Продифференцировав уравнение в решении (5.12) по x получаем

Прямоугольник 6

с учетом граничных условий (5.13) имеем

Прямоугольник 6(5.15а)

с учетом граничных условий (1.15а) имеем

Прямоугольник 6(5.15б)

Решая совместно уравнения (4.15), находим коэффициенты A1 и A2. Затем подставляем A1 и A2 в уравнение (4.12) и получаем следующее выражение для распределения концентрации инжектированных дырок рn(х) по базе биполярного транзистора

Прямоугольник 6(5.16)

Последний сомножитель в квадратных скобках уравнения (5.16) всегда меньше единицы.

Наконец, разложив гиперболический синус sh(x) и гиперболический косинус ch(х) в ряд при условии x < W << Lр, получаем закон распределения дырок рn(х) по базе биполярного транзистора в первом приближении

Прямоугольник 6(5.17)

Выражение (5.17) показывает, что в первом приближении распределение дырок рn(х) по толщине базы линейно. Этот вывод понятен и по физическим соображениям. Поскольку ток в базовой области диффузионный и примерно постоянен по ширине базы (так как рекомбинация мала), поэтому постоянен градиент концентрации дырок dp/dx ≈ const.

Так как коэффициент переноса

Прямоугольник 6

то

Прямоугольник 6

Для того, чтобы точно определить коллекторный ток Jк, продифференцируем уравнение (5.16) для концентрации дырок р(х) и рассчитаем это выражение при х = W. Тогда

Прямоугольник 6(5.18)

Умножив (5.18) на qDS, получаем с учетом того, что гиперболический Прямоугольник 6 стремится к единице,

Прямоугольник 6(5.19)

Следовательно, коэффициент переноса κ имеет вид:

Прямоугольник 6(5.20)

Уравнение (5.20) является очень важным соотношением для биполярных транзисторов и по этой причине называется фундаментальным уравнением теории транзисторов.

Разлагая гиперболический косинус ch(x) в ряд при условии, что x < W, и используя первый член в этом разложении, получаем:

Прямоугольник 6(5.21)

Полагая значение W = 0,2L, получаем:

Прямоугольник 6

Таким образом, значение коэффициента переноса κ будет составлять величину, близкую к единице (отличие не более 2%) при условии, что ширина базы биполярного транзистора W по крайней мере в 5 раз меньше, чем диффузионная длина.

Поскольку коэффициент передачи α определяется произведением коэффициентов инжекции γ и переноса κ как α = γ·κ, то у сплавных транзисторов, где ширина базы составляет W = 10÷20 мкм, в коэффициенте передачи α главную роль играет коэффициент переноса κ. У диффузионных транзисторов ширина базы равняется W = (1÷2) мкм и главную роль в коэффициенте передачи α играет коэффициент инжекции γ.

Коэффициент передачи тока:

Входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения Прямоугольник 6приПрямоугольник 6;

Ток коллектора равен: Iк= Iкбо + h31БIэ

Исключив ток эмиттера, получим:

Iк= Iкбо / (1+ h31Б) – h31Б / (1+ h31Б)*IБ (5.4)

Первый член называется обратным током коллектор – эмиттер при токе базы =0, т. е. разомкнутой базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким образом:

Iкэо = Iкбо / (1+ h31Б) (5.5)

Так как коофичент h31Б отрицателен, а по абсолютной величине очень близок к единице и может достигать 0,980 - 0,995, ток Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.

Множитель при втором члене в уравнении (5.4) является коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ в режиме больших сигналов:

h31Э =- h31Б /(1+ h31Б) (5.6)

Выразим коофицент h31Б через токи Iк, Iэ, и IкБо:

h31Б =-( Iк – IкБо )/ Iэ (5.7)

Подставив это выражение в уравнение (5.6), получим:

h31Э =( Iк – IкБо)/( IБ + IкБо) (5.8)

Когда ток коллектора Iк велик по сравнению с током IкБо,

h31Э H Iк / IБ (5.9)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

Прямоугольник 6(5.10)

Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры­том транзисторе, согласно выражению (5.10), ток базы Прямоугольник 6является в основном собственным током коллекторного перехода. Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра­няет свою величину:Прямоугольник 6.

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока Прямоугольник 6. Ток базы в этом режиме в соответствии с выражениемПрямоугольник 6; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра­стает почти экспоненциально.

Прямоугольник 6

Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока­зывает незначительное влияние на неимоверно входные характеристики транзи­стора. Как видно из рис. 5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек­торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, истинно равном нулю, ток во, в самом деле, входной цепи значительно возрастает по сравнению с весьма рабочим режимом ,потому что действительно прямой ток базы в, в действительности, данном случае проходит через два па­раллельно включенных перехода- коллекторный и эмиттерный. В сильно целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает неимоверно входные харак­теристики транзистора в схеме с очень общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если

Прямоугольник 6.

hFE hfe & Beta »Электроника

Коэффициент усиления по току - одна из важных характеристик биполярного транзистора - часто встречаются три цифры: Beta β, h FE и h fe , каждая из которых немного отличается.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


В любой схеме коэффициент усиления биполярного транзистора по току будет иметь первостепенное значение.Является ли схема общим эмиттером, общим коллектором и т. Д., И использует ли она транзисторы NPN или транзисторы PNP.

Хотя другие параметры этих полупроводниковых устройств также важны, коэффициент усиления по току особенно важен, поскольку биполярный транзистор является устройством, работающим от тока.

Коэффициент усиления транзистора по току обычно указывается в единицах h FE , h fe или греческой букве Beta β.

При проектировании любой транзисторной схемы необходимо обеспечить достаточное усиление для правильной работы схемы.Уровни усиления могут быть очень высокими для многих малосигнальных устройств, при этом усиление по току до 1000 не является редкостью, но для силовых транзисторов усиление намного ниже и иногда может составлять всего лишь 25-50.

BC547 plastic leaded transistor: transistor gain Beta, is upwards of 110 BC547 Транзистор с пластиковыми выводами

Обычно характеристики усиления по току для транзисторов обычно имеют очень широкий допуск, и поэтому схемы должны быть в состоянии приспособиться к этому. Однако минимальное усиление транзистора должно быть достаточным для обеспечения правильной работы.

Коэффициент усиления транзистора и бета, β

При проведении многих расчетов коэффициент усиления транзистора по току выражается греческой буквой бета; β.

Это коэффициент усиления прямого тока для транзистора при работе в режиме общего эмиттера.

Transistor gain: currents flowing in common emitter circuit Основные токи транзистора

Хотя приведенное ниже уравнение не является строго точным, оно более чем достаточно для всех практических расчетов. Это уравнение усиления транзистора встречается в большинстве случаев.

. , , , Более подробные уравнения и теория усиления транзисторов.

Транзистор h fe

Транзистор H fe , h fe часто указывается как коэффициент усиления по току. Это может привести к некоторой путанице.

Причина использования h fe заключается в том, что он относится к способу измерения входных и выходных параметров транзистора.

Z-параметры - это один из основных параметров, используемых при рассмотрении схемы как черного ящика.Однако, поскольку транзистор демонстрирует низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс, используется форма параметра, известная как h или гибридные параметры.

h fe - характеристика прямого перехода, то есть усиление транзистора при использовании в режиме общего эмиттера.

h fe в точности совпадает с транзистором Beta, β - только чуть более корректно использовать его в даташитах.

Коэффициент усиления постоянного и малосигнального транзистора

Коэффициент усиления транзистора незначительно меняется при измерении постоянного тока и небольших изменений сигнала.

Обозначения на двух рисунках немного отличаются. Часто DC используется для усиления постоянного тока, а AC используется для усиления переменного тока, которое также может называться усилением малого сигнала транзистора.

Аналогично для hfe. H fe с большой буквы H используется для усиления по постоянному току, тогда как усиление переменного или слабого сигнала обозначается h fe с маленькой буквы h.

Суммарное усиление транзистора

Различные обозначения усиления транзистора можно кратко изложить ниже.

  • Бета; β: Это основное обозначение коэффициента усиления прямого тока транзистора.
  • h fe : Это коэффициент усиления по току для транзистора, выраженный как параметр h (гибридный параметр). Буква f указывает на то, что это характеристика прямого переноса, а буква e указывает на то, что это для общей конфигурации эмиттера. Маленькая буква h указывает на небольшое усиление сигнала. h fe и слабый сигнал Beta одинаковы.
  • h FE : Параметр H fe отличается от h fe тем, что это параметр h для усиления постоянного тока в установившемся режиме постоянного тока или большого сигнала.

Различные аббревиатуры, используемые для усиления транзистора, H fe , h fe и Beta, широко используются, хотя параметры H fe , h fe , как правило, более широко используются в таблицах данных.

Примечание

Есть несколько моментов, которые представляют интерес при оценке уровня усиления по току, который имеет транзистор:

  • Коэффициент усиления силовых транзисторов: Коэффициент усиления силовых транзисторов обычно намного меньше, чем у малосигнальных устройств.Силовые транзисторы могут иметь коэффициент усиления по току менее 50, но, используя другой транзистор для управления силовым транзистором, общий коэффициент усиления по току может быть увеличен до желаемого уровня.
  • Коэффициент усиления по току сильно различается: Стоит отметить, что для любого типа транзистора может быть очень большой разброс между разными устройствами. Обычно характеристики схемы не зависят напрямую от фактического усиления по току, особенно потому, что часто присутствует отрицательная обратная связь или для коммутационных приложений фактическое усиление не критично.Всегда разумно убедиться, что имеется достаточный коэффициент усиления по току, используя минимальное значение, указанное в таблицах данных.

Изменение текущего усиления

Обычно ожидается, что значение коэффициента усиления по току β для биполярного транзистора является постоянным, однако есть некоторые изменения, которые происходят в значении β или h FE .

  • Изменения β с током коллектора: Уровень тока коллектора может вызвать изменение уровня β или или h FE .
    • При низком токе: Это происходит, когда биполярный транзистор работает при очень низких уровнях тока в результате видимых механизмов утечки и влияющих на общий ток транзистора. Например, спецификация для BC109B, работающего с током коллектора, I C , равным 10 мкА, и напряжением коллектора-эмиттера V CE , равным 5 В, имеет минимальное усиление 40, тогда как для тока коллектора I C составляет 2 мА и при напряжении коллектор-эмиттер V CE 5 В он имеет минимальное усиление 200.
    • При высоком токе: Было обнаружено, что уровень усиления β биполярного транзистора по току начинает уменьшаться по мере увеличения тока. Это происходит из-за высокого уровня впрыска.
    Обычно биполярный транзистор смещен для работы в своей линейной области для аналоговых сигналов, и можно предположить, что коэффициент усиления по току постоянный. Соответственно, для хорошей линейной работы транзистор должен хорошо работать в пределах своего рабочего диапазона и не заходить на рельсы и не потреблять чрезмерный ток для конкретного полупроводникового устройства.
  • Влияние температуры на коэффициент усиления по току β: Температура оказывает большое влияние на многие параметры биполярного транзистора, одним из которых является коэффициент усиления по току β / ч FE и т. Д.
  • Частота: Рабочая частота будет иметь заметное влияние на значение текущего усиления. Для низких частот значение h fe , т.е. усиление слабого сигнала не будет слишком сильно отличаться от значения для DC h FE , хорошее практическое правило состоит в том, что среднее значение для h FE может быть используемый.Поскольку работа схемы для любой схемы не должна критически зависеть от фактического коэффициента усиления для полупроводникового устройства. Если частота повышается и даже начинает приближаться к f T устройства, то необходимо использовать меньшее значение усиления.
  • Диапазон производства: В результате допусков в производственных процессах коэффициент усиления по току биполярных транзисторов будет варьироваться в значительном диапазоне. (Увидеть ниже).

В этих описаниях вариации β, описанные для биполярных транзисторов, могут быть в равной степени применимы к h FE .

Технические характеристики усиления по току

В результате производственного процесса биполярные транзисторы обычно имеют широкий диапазон значений коэффициента усиления по току.

Как уже упоминалось, цифры для H fe - усиление постоянного тока и h fe - усиление переменного тока слабого сигнала. Часто указываются цифры для обоих параметров.

В спецификации указываются условия испытаний. Обычно указываются уровень тока и напряжение коллектор-эмиттер.

Принимая во внимание разброс уровней текущего усиления в этих электронных компонентах, могут быть указаны минимальные, типичные и максимальные значения. Часто не все эти цифры приводятся: иногда может быть указано только минимальное значение для текущего усиления.

Так как коэффициент усиления для данного типа транзистора может значительно отличаться, буква суффикса в конце номера детали транзистора может указывать диапазон усиления, ожидаемый для этого конкретного устройства. Например, BC109B имеет коэффициент усиления по току h FE от 200 до 450, а BC109C имеет коэффициент усиления по току h FE от 420 до 800.

Какая бы схема ни использовалась и используются ли транзисторы NPN или PNP, коэффициент усиления транзистора по току является ключевым параметром. Несмотря на то, что коэффициенты усиления сильно различаются, большинство схем допускают фактическое усиление транзистора, поэтому оно должно быть достаточным для обеспечения правильной работы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители Разъемы RF Клапаны / трубки батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты»., ,

.

Общий эмиттер »Электроника

Теория усиления транзистора с выводами для коэффициента усиления транзистора, начиная с принципов Кирхгофа, примененных к конфигурации транзисторов с общим эмиттером.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


Можно получить более полное представление о работе транзистора, немного углубившись в математику, лежащую в основе работы устройства.

Сначала будут рассмотрены теория и коэффициент усиления для схемы с общим эмиттером, где эмиттер является общим для входных и выходных цепей.

2N3553 transistor in a TO39 metal can Транзистор 2N3553 в металлической банке ТО39

Коэффициент усиления транзистора

Иногда полезно использовать некоторую простую теорию транзисторов для получения расчетов и формул усиления.

Наиболее широко используемой схемой является общий эмиттер, в котором эмиттер является общим как для входных, так и для выходных цепей.

Transistor gain: currents flowing in common emitter circuit Основные токи транзистора

Также значения коэффициента усиления транзистора, включая и H H fe , h fe , относятся к схеме с общим эмиттером.

Для любой транзисторной схемы мы обнаруживаем, что следующая простая формула выражает токи, протекающие в транзистор:

Где
Ic = ток коллектора
α = доля носителей эмиттера, достигающих коллектора, обычно в диапазоне от 0,95 до 0,99
Ie = ток эмиттера
Ico = обратный ток от базы к коллектору

Исключив I e , мы можем разработать следующую формулу:

IC ( 1 - α ) - α ⋅ Ib + Ico знак равно 0

IC знак равно α 1 - α Ib - Ico 1 - α

Коэффициент α / (1 - α) называется Β Beta, который представляет собой усиление тока общего эмиттера.Например, если α = 0,98, то транзистор Beta Β может быть рассчитан как 49.

Замена позволяет определить ток коллектора, I c в уравнении ниже:

IC знак равно Β ⋅ Ib - ( Β + 1 ) Ico

Предполагая, что обратный ток низкий и его можно игнорировать, мы видим:

Теория усиления большого и малого сигналов

Коэффициент усиления транзистора немного меняется в зависимости от подаваемого сигнала и его положения на рабочей кривой.

В результате расчеты и теория могут быть адаптированы с учетом этого. На самом деле часто цитируются две цифры. И H ​​ fe , и h fe можно увидеть в технических паспортах транзисторов, где H fe - коэффициент усиления постоянного тока, а h fe - коэффициент усиления слабого сигнала.

Таблицы данных обычно определяют условия тестирования, в которых проводились тесты, и таким образом можно интерпретировать производительность и сравнивать различные устройства.

Уравнения для различных условий можно представить в виде:

Можно видеть, что h fe описывает небольшие изменения сигнала, тогда как H fe использует общие уровни тока.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители Разъемы RF Клапаны / трубки батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». , ,

.Пара / конфигурация транзисторов Дарлингтона

: работа, применение и примеры

Транзистор Дарлингтона был изобретен в 1953 году американским инженером-электриком и изобретателем Сидни Дарлингтоном. В транзисторе
Дарлингтона используются два стандартных транзистора BJT (биполярный переходный транзистор) , которые соединены вместе. Транзистор Дарлингтона подключен по схеме, в которой один из эмиттеров транзистора подает ток смещения на базу другого транзистора.

Пара транзисторов Дарлингтона и ее конфигурация:

Если мы увидим символ транзистора Дарлингтона, мы можем ясно увидеть, как два транзистора соединены.На изображениях ниже показаны два типа транзисторов Дарлингтона. С левой стороны это NPN Darlington , а с другой стороны - PNP Darlington . Мы видим, что NPN Darlington состоит из двух транзисторов NPN, а PNP Darlington состоит из двух транзисторов PNP. Эмиттер первого транзистора напрямую подключен к базе другого транзистора, также коллекторы двух транзисторов соединены вместе. Эта конфигурация используется как для NPN, так и для PNP транзисторов Дарлингтона.В этой конфигурации пара транзисторов Дарлингтона дает гораздо более высокий коэффициент усиления и большие возможности усиления.

Darlington Transistor Pair

Нормальный BJT-транзистор (NPN или PNP) может работать между двумя состояниями: ВКЛ и ВЫКЛ . Нам нужно подать ток на базу, которая управляет током коллектора . Когда мы обеспечиваем достаточный ток на базу, BJT переходит в режим насыщения, и ток течет от коллектора к эмиттеру.Этот ток коллектора прямо пропорционален базовому току . Отношение тока базы к току коллектора называется коэффициентом усиления по току транзистора , который обозначается как Beta ( β) . В типичном BJT-транзисторе коэффициент усиления по току ограничен в зависимости от спецификации транзистора. Но в некоторых случаях приложению требуется большее усиление по току, которое не может обеспечить один транзистор BJT. Пара Дарлингтона идеально подходит для приложений, где требуется усиление по высокому току .

Перекрестная конфигурация:

Однако конфигурация, показанная на изображении выше, использует либо два PNP, либо два NPN, есть и другие конфигурации Дарлингтона, или также доступна перекрестная конфигурация, где PNP используется с NPN, или NPN используется с PNP. Этот тип перекрестной конфигурации называется парной конфигурацией Sziklai Darlington или конфигурацией Push-Pull .

На изображении выше показаны пары Sziklai Darlington .Эта конфигурация производит на меньше тепла и имеет преимущества около времени отклика . Об этом мы поговорим позже. Он используется для усилителя класса AB или там, где требуются топологии Push-Pull.

Вот нескольких проектов, в которых мы использовали транзисторы Дарлингтона :

Расчет коэффициента усиления пары транзисторов Дарлингтона:

На изображении ниже мы видим, что два транзистора PNP или два NPN соединены вместе.

Darlington Transistor Pair Current Gain Calculation

Общий прирост тока пары Дарлингтона составит -

  Коэффициент усиления по току (hFE) = коэффициент усиления первого транзистора (hFE  1 ) * коэффициент усиления второго транзистора (hFE  2 )  

На изображении выше два NPN-транзистора создают NPN-конфигурацию Дарлингтона. Два NPN-транзистора T1 и T2 соединены вместе в том порядке, в котором соединены коллекторы T1 и T2 .Первый транзистор T1 обеспечивает требуемый базовый ток (IB2) на базу второго транзистора T2 . Итак, базовый ток IB1 , который управляет T1, управляет текущим потоком на базе T2 ’ с.

Итак, общий прирост по току ( β ) достигается, когда ток коллектора равен

  β * IB как hFE = fFE  1  * hFE  2   

Поскольку два коллектора транзистора соединены вместе, общий ток коллектора (IC) = IC1 + IC2

Теперь, как обсуждалось выше, мы получаем ток коллектора β * IB 1

В этой ситуации текущий коэффициент усиления равен единице или больше единицы .

Давайте посмотрим, как коэффициент усиления по току является умножением коэффициента усиления по току двух транзисторов .

IB2 управляется током эмиттера T1 , который равен IE1 . IE1 напрямую подключен к T2 . Итак, IB2 и IE1 одинаковы.

  IB2 = IE1 . 

Мы можем изменить это отношение дальше с помощью

  IC  1  + IB  1   

Изменяя IC1, как мы делали ранее, получаем

  β  1  IB  1  + IB  1  
  IB  1  1  + 1)  

Как и раньше, мы видели, что

  IC = β  1  IB  1  + β  2  IB  2  
  As, IB2 или IE2 = IB1 (β1 + 1)
IC = β  1  IB  1  + β    2    IB    1    (β1 + 1) 
  IC = β  1  IB  1  + β    2    IB    1    β  1  + β    2    IB    1  
IC = { β  1  + (β  1  + β    2   ) + β    2   }  

Итак, полный ток коллектора IC представляет собой комбинационное усиление отдельных транзисторов.

Транзистор Дарлингтона Пример:

Нагрузка 60 Вт с входным напряжением 15 В должна быть переключена с помощью двух транзисторов NPN, образуя пару Дарлингтона. Коэффициент усиления первого транзистора будет 30 , а коэффициент усиления второго транзистора будет 95 . Рассчитаем базовый ток для переключения нагрузки.

Как известно, при включении нагрузки ток коллектора будет током нагрузки .Согласно степенному закону, ток коллектора (IC) или ток нагрузки (IL) будет

  I  L  = I  C  = Мощность / Напряжение = 60/15 = 4 А  

Поскольку коэффициент усиления по базовому току для первого транзистора будет 30 , а для второго транзистора будет 95 (β1 = 30 и β2 = 95), мы можем рассчитать базовый ток по следующему уравнению -

Calculate the base current

Итак, если мы применим 1.3 мА тока на базе первого транзистора, нагрузка переключит « на », и если мы подадим ток 0 мА или заземлено базу, нагрузка будет переключена « ВЫКЛ, ».

Применение транзистора Дарлингтона

:

Применение транзистора Дарлингтона такое же, как и у обычного BJT-транзистора.

Darlington Transistor Application

На изображении выше NPN-транзистор Дарлингтона используется для переключения нагрузки.Нагрузка может быть любой, от индуктивной или резистивной. Базовый резистор R1 обеспечивает ток базы для транзистора Дарлингтона NPN. Резистор R2 предназначен для ограничения тока нагрузки. Это применимо для определенных нагрузок, которым требуется ограничение тока для стабильной работы. Поскольку пример показывает, что базовый ток требуется очень мало, его можно легко переключить с микроконтроллера или цифровых логических устройств. Но , когда пара Дарлингтона находится в области насыщения или полностью исправна, возникает падение напряжения на базе и эмиттере.Это главный недостаток пары Дарлингтона . Падение напряжения составляет от 0,3 В до 1,2 В. Из-за этого падения напряжения транзистор Дарлингтона нагревается, когда он находится в полностью открытом режиме и подает ток на нагрузку. Кроме того, из-за конфигурации второй резистор включается первым резистором, транзистор Дарлингтона дает более медленное время отклика . В таком случае конфигурация Sziklai обеспечивает преимущество по времени отклика и тепловым характеристикам.

Популярный NPN-транзистор Дарлингтона - BC517 .

DC current gain of BC517

Согласно таблице BC517 , на приведенном выше графике показано усиление по постоянному току BC517. Три кривые, снизу вверх, соответственно, предоставляют информацию о температуре окружающей среды . Если мы видим кривую температуры окружающей среды 25 градусов , усиление постоянного тока будет максимальным, когда ток коллектора составляет около 150 мА .

Что такое идентичный транзистор Дарлингтона?

Идентичный транзистор Дарлингтона имеет две идентичные пары с точно такими же характеристиками с одинаковым коэффициентом усиления по току для каждой.Это означает, что коэффициент усиления по току первого транзистора β1 такой же, как коэффициент усиления по току второго транзистора β2.

Используя формулу тока коллектора, коэффициент усиления по току идентичного транзистора будет равен -

.
  IC = {{  β   1 + (  β2 *   β1  ) +   β   2} * IB} 
  IC = {{  β   1 + (  β2 *   β1  ) +   β   1} * IB} 
  β  2  = IB / IC  

Текущий прирост будет намного выше.Примеры пар Дарлингтона NPN: TIP120, TIP121, TIP122, BC517, а примерами пар Дарлингтона PNP являются BC516, BC878 и TIP125.

ИС транзистора Дарлингтона:

Пара

Дарлингтона позволяет пользователям управлять большим количеством мощных приложений с помощью источника тока в несколько миллиампер от микроконтроллера или источников слабого тока.

ULN2003 - это микросхема, широко используемая в электронике, которая обеспечивает сильноточные матрицы Дарлингтона с семью выходами с открытым коллектором.Семейство ULN состоит из ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A , трех различных вариантов в нескольких вариантах комплектации. ULN2003 - широко используемый вариант в серии ULN. Это устройство включает в себя подавляющих диодов внутри интегральной схемы, что является дополнительной функцией для управления индуктивной нагрузкой с его использованием.

Darlington Transistor IC

Это внутренняя структура микросхемы ULN2003. Это 16-контактный дип-пакет. Как мы видим, входной и выходной штырьки полностью противоположны, что упрощает подключение ИС и упрощает дизайн печатной платы.

Доступно семь выводов с открытым коллектором. Также доступен один дополнительный вывод, который полезен для приложений, связанных с индуктивной нагрузкой, это могут быть двигатели, соленоиды, реле, которым требуются обратные диоды, мы можем выполнить соединение, используя этот вывод.

Входные контакты совместимы с TTL или CMOS , с другой стороны выходные контакты способны принимать большие токи. Согласно таблице данных, пары Дарлингтона способны пропускать ток 500 мА и выдерживать пиковый ток 600 мА .

Actual Darlington array connection is shown for the each driver

На верхнем изображении показано фактическое соединение массива Дарлингтона для каждого драйвера. Он используется в семи драйверах, каждый драйвер состоит из этой схемы.

Когда входные контакты ULN2003 , от контакта 1 до контакта 7, имеют высокий уровень, на выходе будет низкий уровень , и через него будет проходить ток. И когда мы предоставим Low на входном контакте, выход будет в состоянии высокого импеданса , и он не будет потреблять ток.Вывод 9 используется для диода свободного хода ; он всегда должен быть подключен к VCC при переключении любой индуктивной нагрузки с использованием серии ULN . Мы также можем управлять более текущими приложениями, подключив параллельно две пары входов и выходов, например, мы можем соединить контакт 1 с контактом 2 , а с другой стороны, можем подключить контакт 16 и 15 и параллельно две пары Дарлингтона для управления более высокими токовыми нагрузками.

ULN2003 также используется для управления шаговыми двигателями с микроконтроллерами.

Переключение двигателя с помощью ULN2003 IC:

Switching a Motor using ULN2003 IC

В этом видео двигатель подключен через выходной контакт с открытым коллектором, с другой стороны, вход, мы обеспечиваем приблизительно 500 нА (0,5 мА) тока и контролируем 380 мА тока через двигатель. Таким образом, малой величины базового тока может управлять более высоким током коллектора в транзисторе Дарлингтона.

Кроме того, поскольку используется двигатель , , контакт 9 подключен к VCC для обеспечения защиты от свободного хода .

Резистор обеспечивает низкое сопротивление , делая вход LOW , когда ток не идет от источника, что делает выходным высоким сопротивлением , останавливая двигатель. Обратное произойдет, когда на входной вывод подается дополнительный ток.

,Конфигурации схем транзисторов

»Примечания по электронике

В транзисторных схемах

используется одна из трех конфигураций транзисторов: общая база, общий коллектор (эмиттерный повторитель) и общий эмиттер - одна выбирается в процессе проектирования электронной схемы.


Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


При рассмотрении конструкции электронной схемы для транзисторной схемы можно использовать три различных базовых конфигурации схемы.

Три различные конфигурации схемы транзисторов: общий эмиттер, общая база и общий коллектор (эмиттерный повторитель), эти три конфигурации схемы имеют разные характеристики, и в зависимости от требований будет выбран один тип схемы.

Каждый из них имеет разные свойства с точки зрения усиления, входного и выходного импеданса и т. Д., И в результате в процессе проектирования электронной схемы будет выбрана конкретная конфигурация.

Summary of the basic transistor configurations: common emitter, common base, common collector - shown as basic configurations with no electronic components

Каждая из различных топологий транзисторов имеет входы и выходы, подключенные к разным точкам, причем одна клемма является общей для входа и выхода.

В дополнение к выбору правильной конфигурации схемы или топологии на этапе проектирования электронной схемы для обеспечения требуемых основных характеристик вокруг транзистора размещаются дополнительные электронные компоненты: обычно резисторы и конденсаторы, и значения рассчитываются для получения точных необходимых характеристик ,

Как выбор топологии, так и расчет значений электронных компонентов являются ключевыми элементами процесса проектирования электронных схем.

Схемы транзисторов

Названия трех основных конфигураций транзисторов указывают на вывод транзистора, который является общим для входных и выходных цепей. Это дает начало трем терминам: общая база, общий коллектор и общий эмиттер.

2N3553 transistor in a TO39 metal can Транзистор 2N3553 в металлической банке ТО39

Термин «заземленный», т.е. заземленная база, заземленный коллектор и заземленный эмиттер, также может использоваться в некоторых случаях, потому что сигнал общего элемента обычно заземлен.

Существуют конфигурации эквивалентных схем для полевых транзисторов, а также термоэлектронных клапанов / вакуумных ламп. Эти конфигурации имеют одинаковые типы свойств, хотя и немного изменены в зависимости от типа используемого электронного устройства.

Для полевых транзисторов используются такие термины, как общий сток, общий исток и общий затвор, а для клапанов / трубок терминология включает общий катод, общий анод и общую сетку.

Конфигурация транзистора с общей базой

По алфавиту это первая конфигурация транзистора, но, вероятно, она будет использоваться с наименьшей вероятностью.

Эта конфигурация транзистора обеспечивает низкий входной импеданс при высоком выходном сопротивлении. Несмотря на высокое напряжение, коэффициент усиления по току невелик, а общий коэффициент усиления по мощности также невелик по сравнению с другими доступными конфигурациями транзисторов. Другой важной особенностью этой конфигурации является то, что вход и выход находятся в фазе.

Эта конфигурация транзисторов, вероятно, используется меньше всего, но она дает преимущества, заключающиеся в том, что база, общая для входа и выхода, заземлена, и это дает преимущества в уменьшении нежелательной обратной связи между выходом и входом для различных приложений проектирования радиочастотных схем.Это происходит потому, что база, которая физически является электродом между эмиттером и коллектором, заземлена, тем самым создавая барьер между ними.

В результате общая базовая конфигурация, как правило, используется для усилителей РЧ, где повышенная изоляция между входом и выходом обеспечивает больший уровень стабильности и снижает вероятность нежелательных колебаний. Как подтвердит любой, кто занимается проектированием радиочастот, это очень полезный атрибут.

Кроме того, низкий входной импеданс часто может обеспечить хорошее согласование с сопротивлением 50 Ом, что является полезным атрибутом для многих сценариев проектирования ВЧ.

Common base transistor configuration showing the base connection common to both input and output circuits Конфигурация схемы общей базы транзистора

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Конфигурация схемы с общим коллектором, возможно, более широко известна как эмиттерный повторитель, потому что напряжение эмиттера следует за напряжением базы, хотя и ниже по напряжению на величину, равную напряжению включения базы эмиттерного перехода.

Общий коллектор, эмиттерный повторитель обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.Коэффициент усиления по напряжению равен единице, хотя коэффициент усиления по току велик. Входные и выходные сигналы синфазны.

Принимая во внимание эти характеристики, конфигурация эмиттерного повторителя широко используется в качестве буферной схемы, обеспечивающей высокий входной импеданс для предотвращения нагрузки предыдущего каскада и низкий выходной импеданс для управления следующими каскадами.

Common collector transistor configuration showing the base connection common to both input and output circuits Конфигурация схемы общего коллектора транзистора

Как видно из схемы, в этой конфигурации транзистора коллекторный электрод является общим как для входных, так и для выходных цепей.Несколько дополнительных электронных компонентов используются с резистором для эмиттера, возможно, конденсаторами на входе и выходе и резисторами смещения на базе, если это необходимо. В некоторых случаях эмиттерный повторитель может быть напрямую связан с предыдущим каскадом, так как выходное напряжение постоянного тока может быть подходящим для размещения его цепью повторителя. Это означает, что требуется очень мало дополнительных электронных компонентов.


Конфигурация транзистора с общим эмиттером

Эта конфигурация транзисторов, вероятно, является наиболее широко используемой.Схема обеспечивает средние уровни входного и выходного сопротивления. Усиление по току и напряжению можно описать как среднее, но выход является обратным входному, то есть изменение фазы на 180 °. Это обеспечивает хорошую общую производительность и поэтому часто является наиболее широко используемой конфигурацией.

Common emitter transistor configuration showing the base connection common to both input and output circuits Конфигурация схемы общего эмиттера транзистора

Как видно из схемы, в этой конфигурации транзистора эмиттерный электрод является общим как для входных, так и для выходных цепей.


Сводная таблица конфигурации схемы транзистора

В таблице ниже приведены основные характеристики различных конфигураций транзисторов. При разработке транзисторной схемы важным аспектом является не только усиление, но и такие параметры, как входное и выходное сопротивление.


Сводная таблица конфигурации транзисторов

Конфигурация транзистора Общая база Общий коллектор
(эмиттерный повторитель)
Общий эмиттер
Коэффициент усиления по напряжению Высокая Низкая Средний
Текущая прибыль Низкая Высокая Средний
Прирост мощности Низкая Средний Высокая
Соотношение фаз входа / выхода 0 и град. 0 ° 180 °
Входное сопротивление Низкая Высокая Средний
Выходное сопротивление Высокая Низкая Средний

Дополнительные электронные компоненты

Какая бы форма подтверждения транзистора не была выбрана на этапе проектирования электронной схемы, вокруг транзистора потребуются дополнительные компоненты: резисторы для установки точек смещения и конденсаторы для обеспечения связи и развязки.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier showing the associated electronic components including resistors an capacitors Схема транзистора с общим эмиттером, показывающая дополнительные компоненты, необходимые для обеспечения смещения, связи и развязки и т. Д.

В этой схеме усилителя с общим эмиттером базовая конфигурация устанавливает основные условия схемы: средний входной импеданс, средний выходной импеданс, приемлемый коэффициент усиления по напряжению и т.п. Затем рассчитываются дополнительные электронные компоненты, чтобы обеспечить требуемые рабочие условия сверх указанных.

Каждый из электронных компонентов должен быть рассчитан на этапе проектирования электронной схемы, чтобы обеспечить требуемую производительность.

Хотя общий эмиттер, вероятно, будет чаще всего встречаться с электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, при использовании для проектирования ВЧ-схемы в схему также могут быть включены такие компоненты, как индукторы и трансформаторы. То же самое верно и для других конфигураций транзисторных схем.

Наиболее часто используемая конфигурация схемы - это общий эмиттер - он используется для многих каскадов усилителя, обеспечивающих усиление по напряжению. Также широко используется эмиттерный повторитель или общий коллектор.Обеспечивая высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, он действует как буфер и обеспечивает только усиление по току - его усиление по напряжению равно единице. Общая база используется в более специализированных приложениях и заметно меньше.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы»., ,

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о