Коэффициент передачи транзистора: Коэффициент усиления транзистора

Содержание

Коэффициент усиления транзистора

Определение и формула коэффициента усиления транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который используют для усиления, преобразования и генерирования электрических сигналов. Сам по себе транзистор ни чего не усиливает. Свойства усиления его заключены в том, что небольшие изменения сигнала на входе ведут к существенным изменениям тока (напряжения) на выходе транзистора или их совокупности, за счет использования энергии от внешнего источника. Используют три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Если транзистор работает в ключевом режиме, то используют коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала (чаще всего этот коэффициент обозначают буквой ). Это величина, равная отношению тока на коллекторе () (он определяется нагрузкой) к минимальному току базы ():

Большинство транзисторов на сегодняшний момент имеет

Коэффициентом усиления транзистора по току при рассмотрении схем с общей базой называют отношение силы тока коллектора () к силе тока эмиттера () при постоянном напряжении в переходе между эмиттером и коллектором.

Чаще всего такой коэффициент усиления обозначают или Тогда формула определяющая коэффициент усиления транзистора по току , имеет вид:

Этот коэффициент не может быть больше единицы.

Коэффициент усиления транзистора по току для схем с общим эмиттером ( или ) можно определить при помощи выражения:

где — сила тока в коллекторе, — сила тока в базе. При этом напряжение на переходе коллектор эмиттер постоянно

Коэффициент усиления зависит не только от тока на входе, но и от температуры.

Коэффициентом усиления транзистора по напряжению () называют величину, равную отношению напряжения на нагрузке (R) вцепи коллектора () к напряжения на входе ():

Коэффициент усиления для однотипных транзисторов может лежать в довольно большом диапазоне. — зависит от свойств транзистора и от отношения сопротивлений нагрузки в цепях коллектора и эмиттера:

Единицы измерения коэффициента усиления транзистора

Коэффициент усиления — может быть величиной безразмерной. При решении задач следует обратить внимание на то, чтобы величины входных и выходных сигналов были выражены в одних единицах.

Или коэффициент усиления может выражаться в логарифмических единицах — децибелах.

Примеры решения задач

Урок-8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Вот мы и подошли к уроку, с которого начинается старт во «взрослую жизнь» т. к. именно с этого урока вы сможете полноценно и с пониманием предметной области начинать паять простейшие конструкции. И для успешной сборки и наладки этих конструкций, очень важно четко понимать какую функцию в этой схеме выполняет тот, или иной радиоэлемент, какие параметры нужно проконтролировать и т. д. Практическая работа в этом уроке будет не менее интересна, и сводится к выполнению предложенных опытов с биполярным транзистором. Думаю что после этой практической работы, вопросы по поводу принципов работы транзистора отпадут сами собой.

Если все – таки, вопросы будут, это говорит только о вашей целеустремленности и желании познать глубже суть происходящего.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис.

1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p – n – p и n – p – n.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область – эмиттером, вторую крайнюю область – коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в транзисторе структуры p – n – р) или электроны (в транзисторе структуры n – p – n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером.

Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p – n – р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n – p – n транзисторах – от базы. Электронно – дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p – n – р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р – э миттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n – база.

Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р – n переходов транзистора: между коллектором и базой – коллекторный, между эмиттером и базой – эмиттерный.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу – ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры – порядковые заводские номера приборов.

В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах транзистора данной серии. Существуют другие способы изготовления транзисторов, например, диффузионно – сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 – правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 – левый) эмиттерную область.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора структуры p – n – p.

Рис. 3 Устройство и конструкция диффузионно – сплавного транзистора структуры p – n – p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р – n перехода, образующие транзистор структуры р – n – р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения транзисторов, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

Первый элемент этой системы обозначения – буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) – характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) – кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) – транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый – выше 4- 60°С, кремниевый – выше +85°С).
Второй элемент – буква Т – начальная буква слова «транзистор».
Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
Четвертый элемент обозначения – буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений транзисторов по этой системе : ГТ109А – германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А; ГТ404Г – германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г; КТЗ15В – кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения транзисторов, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов.

Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р – n – р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д. Диаметр транзисторов ГТ309 (р – n – р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТЗ15 (n – p – n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 – МП42 (р – n – р) – самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n – p – n, транзисторы МП35 – МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты.

Так выглядят и маломощные высокочастотные р – n – р транзисторы серий П401 – П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р – n – р) – представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n – p – n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р – n – р) – один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 – П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения. КТ904 – сверхвысокочастотный кремниевый n – p – n транзистор большой мощности.

Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды – эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких – либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он – то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭпоказано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер – через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база – эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 – 200 – кратное усиление сигнала по напряжению и 20 – 100 – кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения транзистора по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление – всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р – n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

Рис. 5 Схемы включения транзисторов.
Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора – ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 – 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор – эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению – такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 – 200). Из – за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

Обратный ток коллектора Iкбо – это неуправляемый ток через коллекторный р – n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 – МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор – эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор.
Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 – П403 – больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э транзистора уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры транзисторов, как максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора транзистора Рк.max – мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Коротко о полевом транзисторе

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р – n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней – каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком – тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р – n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку – отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 – батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 – элемент G). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р – n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из – за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р – n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, – напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) – положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор – тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S – отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 – 0,2 до 10 – 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора – напряжение отсечки Uзи.отс. – Это обратное напряжение на р – n переходе затвор – канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных. Полевым транзисторам посвящены целые учебники, поэтому для более детального изучения их свойств и области применения, нужно будет самостоятельно разыскать литературу и детально изучить.

Опыты с транзистором

В этого урока я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р – n – р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 – МП42 (коих сейчас великое множество в старых бросовых телевизорах, транзисторных радиоприемниках и т.д., т.е. покупать как правило ничего не нужно, а если и прийдется, то за копейки). Между коллектором и базой транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л или другой источник питания на 4,5 В и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 1). Если положительный полюс батареи (GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный – с базой (рис. 1, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 1, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления?

Рис. 1 Опыты с биполярным транзистором.

Сначала на коллекторный р – n переход вы подавали прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р – n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора Iкбо У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела. Проведите аналогичный опыт с эмиттерным р – n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт – лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт – лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводите по схеме, показанной на (рис. 2). Между эмиттером и коллектором транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный – с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедините про – волочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удалите перемычку, а вместо нее подключите к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200-300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа миниатюрной пальчиковой батарейки от китайского карманного приемника, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс – на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяйте местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повторите несколько раз этот опыт и вы убедитесь в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение. Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда вы, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнули накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, вы восстановили эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером вы подали на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора – коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер – база – коллектор пошел коллекторный ток транзистора Iк, который во много раз больше тока цепи эмиттер – база. Он – то и накалил нить лампочки. Когда же вы изменили полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (присутствовал только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

Рис. 2 Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения.

Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя (по аналогии со стабилитроном, этим резистором можно задавать режимы работы транзистора, выводя его на линейный участок ВАХ, но об этом позже). Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы, При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 – 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 – 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока. В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе Uб. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на (рис. 2), называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис.3). В коллекторную цепь транзистора V включим электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) – резистор Rб сопротивлением 200 – 250 кОм. Второй телефон В2 подключим к участку база – эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв. емкостью 0,1 – 0,5 мкФ. У вас получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если ваш приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор вы будете слышать в телефоне В1, включенном на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно подать любой другой слабый электрический сигнал. Тогда в телефоне В1 он будет хорошо и достаточно громко прослушиваться. В качестве В1, В2, можно использовать телефоны от старых телефонных аппаратов, с маркировкой (ТОН-1, ТОН-2 и др.). Для наших опытов желательно парочку разыскать, чтобы они были в вашем арсенале. Каковы здесь функции резистора Rб и конденсатора Ссв.? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подается небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р – n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв. выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен (этот конденсатор так и называют конденсатором связи, среди радиолюбителей можно еще услышать такое понятие как проходной).

Рис. 3 Опыт иллюстрирующий транзистор в режиме усиления.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 3 – график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер – база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания с помощью мембраны. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 3 – левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры n – p – n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у p – n – р транзиторов, а обратной поэтому n – p – n транзисторы еще называют обратными. Нужно запомнить: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька, к этому типу искажений сигнала мы еще вернемся. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

Переходим к следующему уроку !

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 β_n 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 I_K_р– дырочный ток коллектора, I_Э — 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 I_Э, 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 α_ст ≠ α_диф.

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

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, а выходным — ток коллектора I_K. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения I_К = α_стI_Э + I_Ко, если подставить в него I_Э=I_Б+I_К. 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 β_ст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

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

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβ_c_т/dI_Б) = 0, то β_диф = β_ст. В дальнейшем будем считать β_ст = β_диф = 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 R_K, 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 R_K велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изменение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_K = ΔU_Э, а напряжение на нагрузке изменится на ΔU_K = R_KΔI_K ≈ R_KΔI_Э. Если подставить в ΔU_К значение ΔI_Э, то ΔU_K = R_KΔU_Э/R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_K больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_K/R_Э раз. А так как R_K >> R_Э, то ΔU_К>> ΔU_Э.

Приращение входной мощности ΔР_ВХ = R_ЭΔI_Э², а приращение выходной мощности ΔР_вых = R_KΔI_K² ≈ R_KΔI_Э² = R_K*ΔP_вх/R_Э, т. е. оно больше ΔР_вх в R_K/R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых >> ΔP_вх.

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 R_K, 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 R_K 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.

Статический коэффициент – передача – ток

Cтраница 1

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером / 121э при И к Б – 5 В в зависимости от тока эмиттера / э в соответствии со справочными данными [8] приведен ниже. [1]

Статический коэффициент передачи тока Ь21э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Большая ( заглавная) буква Э в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент Ь21э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера. [2]

Статический коэффициент передачи тока составного транзис-стора Л21С ориентировочно можно считать равным произведению коэффициентов передачи тока составляющих его транзисторов. Составной транзистор дает большой эффект лишь при включении его с общим коллектором или общим эмиттером; с общей базой его усиление мало отличается от усиления одиночного транзистора ( так как Л21б1) и не используется. [3]

Зависимость статического коэффициента передачи тока от температуры ког / пуса. [4]

Зависимость относительного статического коэффициента передачи тока от тока коллек – тора. [5]

Для измерения статического коэффициента передачи тока необходимо поместить пластину с р – / г-переходами на столик приспособления и опустить иглы зонда на контактные площадки р-п-пе-рехода. [6]

При измерении статического коэффициента передачи тока п2) Э в цепи базы испытуемого транзистора переменными резисторами R4 и R5 устанавливают определенный ток 1Б: 25, 50 или 100 мкА на пределе 0 1 мА для маломощных и 0 5, 1 мА на пределе 1 мА для мощных транзисторов. Ток в цепи коллектора 1К измеряют на пределе 1К10 мА для маломощных и на пределе 1К100 мА для мощных транзисторов. Максимальные значения статического коэффициента передачи тока будут соответственно равны 400, 200, 100 для маломощных и 200, 100 для мощных транзисторов. [8]

Что называют статическим коэффициентом передачи тока биполярного транзистора. [9]

Приняв минимальное значение статического коэффициента передачи тока при большом сигнале Л21Э выбранного типа транзистора, с помощью формулы ( 5) проверяем соответствие транзистора по допустимой величине тока базы. [10]

При этом значение статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ не нормируется. [11]

Так как величина статического коэффициента передачи тока эмиттера aN больше статического коэффициента передачи тока коллектора а, величина динамического сопротивления открытого транзистора в нормальном включении оказывается меньше, чем в инверсном. [13]

Рассмотрим пример расчета статического коэффициента передачи тока дрейфового транзистора. [15]

Страницы: 1 2 3 4

Определить коэффициент передачи тока биполярного транзистора

(17.8)

где I_K_р – дырочный ток коллектора, I_Э — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

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

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по I_Э, то получим

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

(17.15)

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

(17.16)

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

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

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

Общие вопросы. Устройство, режимы работы транзисторов

Биполярный транзистор — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов. Термин “биполярный” в названии этих транзисторов отражает тот факт, что процессы в них определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция через р—п-переход неосновных носителей, заряд которых компенсируется основными носителями.

Рис. 4.1

Принципиальная структура биполярного транзистора включает три полупроводниковых области л—р—л- (рис. 4.1, а) или р—л—р типа (рис. 4.1, б), которые соответственно называются эмиттером, базой и коллектором. Так, р—л-переход между эмиттером и базой (/) называется эмиттерным, а между базой и коллектором (2) — коллекторным (см. рис. 4.1, а, б). Помимо структуры транзисторов, на рис. 4.1 (внизу) приведены и их условные обозначения в схемах, где стрелка указывает направление тока при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного р—л перехода.

Возможны три схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. На рис. 4.2 показаны две из них. Направления токов и полярности напряжений соответствуют нормальным условиям работы (активному режиму) т. е. прямому смещению эмиттерного р—л-пе- рехода и обратному смещению коллекторного перехода. Кроме этого режима возможна работа транзистора еще в трех режи-

Рис. 4.2

мах: отсечки, двойной инжекции или насыщения и инверсном. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении, в режиме двойной инжекции на оба перехода поданы прямые напряжения; в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный — в обратном направлении.

По конструктивным особенностям и технологии изготовления биполярные транзисторы могут быть эпитаксиально-планарными, планарными, диффузионными, диффузионно-сплавными, сплавными и т. д.

В настоящее время транзисторы изготавливаются преимущественно из кремния. На рис. 4.3, а представлена полупроводниковая структура кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора, характерная для большинства дискретных транзисторов.

На поверхности полупроводниковой пластины формируется тонкий диэлектрический слой вЮ. Сильнолегированная подложка л’ -типа (1) вместе со слаболегированным эпитаксиальным слоем л типа (2) толщиной XV_эп – 10 мкм образуют коллекторную область. Области базы р типа (3) и эмиттера л’ типа (4) (рис._дП — концентрация доноров в эмиттере, акцепторов в базе, доноров в коллекторе и подложке соответственно. Толщина базы XV _Б современных маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,2. 1 мкм.

Рис. 4.3

Физические процессы в нормальном активном режиме.

Коэффициенты передачи тока

В активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Рассмотрим транзистор р—п—р-типа. (Хотя на практике чаще используют п—р—/г транзисторы, дальнейшее рассмотрение будем проводить на основе р—л—р транзисторов, так как для них направление движения дырок совпадает с направлением тока, что облегчает понимание.) В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эмиатерной области, как правило, много больше, чем в базовой. Движение инжектированных носителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана повышением концентрации носителей из-за их инжекции в базу около эмиттерного перехода. В области, примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения в ней примеси. Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение играет значительную роль, называют дрейфовыми.

Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать схемой на рис. 4.4, где представлено распределение доноров в л базе, аналогичное показанному на рис. 4.3, б. Неравномерное распределение примеси в базе, а, следовательно, и основных носителей, поскольку при комнатной температуре вся примесь ионизована, вызывает диффузию электронов в направлении

коллектора. Из-за ухода электронов в базе со стороны эмиттерного перехода образуется избыточный не скомпенсированный заряд ионов доноров, обозначенный на рис._внухр, которое будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем. Часть инжектированных дырок при их движении к коллектору будет рекомбинировать в области базы, образуя базовый ток. Число рекомбинировавших носителей невелико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате токи эмиттера /_э и коллектора /_к различаются незначительно и их разность равна току базы /_Б, т. е. I_Б = /_э – Лс* Коллекторный ток очень слабо зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор. Направление токов можно проследить по схеме на рис. 4.2.

Слабое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода г_к = (Ш_КБ/(П_К очень велико, что характерно для р—п перехода, смещенного в обратном направлении.эрек* Из всех составляющих ток инжекции

дырок 1_Эр из эмиттера в базу определяет выходной коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две составляющие относятся к потерям, и их необходимо по возможности уменьшать. Полный ток коллектора /_к, помимо тока инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе /_Брек и обратный ток коллекторного перехода /_КБ0, который не зависит от тока эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в базе учтем введением коэффициента а — статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой (ОБ). В результате полный ток коллектора можно записать в форме

Из выражения (4.1) следует, что

В выражении (4.2) приближенное соотношение справедливо ДЛЯ рабочих ТОКОВ /_к, которые обычно МНОГО больше /_кво* Физически а определяется коэффициентами инжекции эмиттера у_э = /_э„//_э и переноса носителей через базу Х_Б = /_К//_Эр, т.кво/(1 — °0 ток /_Б = 0. Рабочие токи эмиттера значительно больше /_Кво/(1 ” °0″ тогда ток базы можно вычислить по формуле

В импульсных и цифровых интегральных схемах достаточно широко используется инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняют-

ся местами. В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Входным током в схеме с ОБ будет коллекторный ток, а выходным — эмиттерный. Аналогично (4.1) для инверсного режима

где а₇ — инверсный коэффициент передачи тока, /_:)БО — обратный ток эмиттерного перехода при /_к = 0.

Из (4.5) следует, что

причем аналогично (4.2) а₇ = у_кА._Б7, г Д е 7к — коэффициент инжекции коллектора, Х_Б1 — инверсный коэффициент переноса.

Для большинства транзисторов a_t > а, поскольку коллекторный переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойством односторонней инжекции, так как концентрация примеси в коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см. /_Эбо*

Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависят от всех составляющих токов, протекающих во всех цепях транзистора, поэтому схи(3 будут изменяться как функции тока эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т. д.

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Страница не найдена. Рынок Электротехники. Отраслевой портал

]]>

You must have JavaScript enabled to use this form.

Вход в личный кабинет

Контекстная реклама

LED светильники от производителя!

Профессиональное LED освещение от ТМ RADUGA «Технология Света».До 10 лет службы. Бесплатная замена по гарантии.

УЗИП серии ETHERNET

Для защиты оборудования, использующего интерфейс Ethernet. От гроз, электростатических разрядов и др.

Щитовое оборудование CHINT

Официальный представитель производителя CHINT.
Широкий ассортимент, продукция в наличии.

Силовые автоматические выключатели CHINT

Официальный представитель производителя CHINT.
Широкий ассортимент, продукция в наличии.

Корпус RS52 – решение для Вас!

Цените своё время и беспокоитесь о безопасности при установке электрооборудования? Вам нужен RS52 ТМ «Узола»!

Страница “/upload/file/sprav/sprav12-4.htm” не найдена.

Поиск по сайту

Контекстная реклама

Лестничные лотки LESTA IEK®

Металлические кабельные лотки высотой: 55, 80, 100, 150 мм. Высокая нагрузка и стойкость к коррозии. Надежная прокладка кабельной трассы.

Автоматические выключатели CHINT

Широкий ассортимент электрооборудования и низковольтной аппаратуры удобно приобрести в интернет магазине официального представителя.

Автоматические выкл. ВА88 MASTER IEK

Рабочее напряжение до 690 В. Служат для защиты электрических сетей от КЗ, перегрузки, снижений напряжения. Компактные размеры.

H07RN-F медный кабель от производителя

Кабели по международному стандарту. Напрямую с завода, доставка по всей России, комплексные заказы.

Надёжное электрощитовое оборудование!

Широкий ассортимент, доступные цены и высокое качество. Добро пожаловать на страницы каталога ГК «Узола»!

Свежий номер

Рассылка

Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку!

*/ ]]]]>]]>

Коэффициент передачи статического прямого тока биполярного транзистора

Заземление – это просто точка вашего выбора, чтобы вызвать 0 для других точек. Напряжения могут быть отрицательными, тем более что выбор того, что называть 0, является произвольным.

Внимательно прочитайте книгу, и вы, вероятно, увидите, что в этом разделе говорилось об общей базовой конфигурации. В этом случае основание обычно удерживается на фиксированном напряжении, вход – это ток, извлекаемый из эмиттера, а выход – коллектор. Общие причины использования этой конфигурации:

У вас есть приемник тока, но он должен работать с более высоким напряжением, чем он может изначально.
Вы хотите отделить возможно большие колебания напряжения от потребителя тока. Если в качестве приемника тока использовался пустой транзистор, емкостная связь от широко раскачивающегося выхода (коллектора) к базе вызывает отрицательную обратную связь на высоких частотах, что уменьшает полосу пропускания и замедляет время перехода. При использовании общего базового транзистора, буферизующего источник тока, источник тока видит только относительно постоянное напряжение эмиттера буферного транзистора. Поскольку база этого транзистора находится на фиксированном напряжении, он может поглощать емкостно связанный ток с выхода без вредных воздействий.
Вы используете общий базовый транзистор для создания источника тока. Например, если база подключена к источнику питания 5 В, можно получить достаточно хорошо управляемый ток, если последовательно подключить резистор к эмиттеру и переключить его на землю или нет.

Коэффициент передачи тока общей базовой ступени равен 1 в первом приближении. Ток эмиттера (вход) – это ток коллектора (выход) плюс базовый ток. Но отношение тока коллектора к току базы является коэффициентом усиления транзистора. Для достаточно высоких коэффициентов усиления дополнительный базовый ток в токе эмиттера достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать.

Например, скажем, коэффициент усиления транзистора равен 50. В этом примере выходной сигнал общей базы (ток коллектора) составляет 50 мА. Это означает, что базовый ток составляет 1 мА, а ток эмиттера (вход) составляет 51 мА. Коэффициент передачи тока в этом примере составляет 50 мА / 51 мА = 0,98. Как я уже сказал, в основном 1.

В общем:

текущий коэффициент передачи = усиление / (усиление + 1)

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, потому что биполярный транзистор является устройством, управляемым током.

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 25-50.

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 транзистора при работе в режиме общего эмиттера.

Основной ток транзистора протекает

Хотя это не совсем точное уравнение, приведенное ниже уравнение 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 работе со схемой как с черным ящиком. 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, где усиление переменного или слабого сигнала обозначается буквой 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, что это характеристика прямого переноса, а буква e указывает, что это для общей конфигурации эмиттера. Маленькая буква h указывает на небольшое усиление сигнала. h _fe и бета-версия малого сигнала 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 сокращения, используемые для усиления транзистора, H _fe, h _fe и Beta, широко используются, хотя параметры H _fe, h _fe имеют тенденцию более широко использоваться 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 коэффициент усиления малых сигнальных 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 включается 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 прироста

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.

Изменение β в зависимости от тока 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 напряжение коллектор-эмиттер V _CE составляет 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, то есть 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 использовал. Поскольку работа схемы для любой схемы не должна критически зависеть от фактического усиления для полупроводникового прибора. 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 указаны условия испытаний. Обычно указываются уровень тока и напряжение коллектор-эмиттер.

Принимая во внимание разброс уровней усиления по току 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.

Поскольку для данного типа транзистора может быть значительное изменение коэффициента усиления, 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 независимо от того, используются ли транзисторы NPN или PNP, коэффициент усиления транзистора по току является ключевым параметром.Хотя есть существенные вариации усиления, большинство схем допускают фактическое усиление транзистора, что требует, чтобы его было достаточно для обеспечения правильной работы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Глава 9: Ступени однотранзисторного усилителя: [Analog Devices Wiki]

9.1 Базовые усилители

Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую как операционный усилитель на интегральной схеме. Усилитель – это устройство для увеличения мощности сигнала.Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выходной мощности.

Базовый усилитель, показанный на рисунке 9.1, имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением. Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R _на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R _{на выходе} = 0) и бесконечное усиление (A _vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.

Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя

Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство. Представляя базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, потребуется два входа и два выхода, всего четыре. Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к названию общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей.Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, – это проверить, где входит входной сигнал, а выходной сигнал уходит. Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в первую очередь будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем. Те же самые базовые каскады усилителя могут быть легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные каскады усилителей:

Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)
Последователь тока (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)
Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)
Обратная связь серии (чаще: вырождение эмиттера / источника)
Шунтирующая обратная связь

9.2 Инвертирующий усилитель напряжения или общий эмиттер / источник

Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как инвертирующий усилитель напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток – выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые рождает его общее название.

Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)

Усилитель с общим эмиттером или истоком может рассматриваться как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v _будет для BJT или v _gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g _m, модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i _c или i _d.Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки R _L, он снова преобразуется в напряжение В, , _{, выход}. Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r _o, обычно недостаточно велико для разумного усилителя крутизны (в идеале – бесконечного). Выходная нагрузка R _L также не является достаточно низкой для приличного усилителя напряжения (в идеале нулевой). Другим серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, читайте в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором), чтобы получить более благоприятные выходные и частотные характеристики. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.

По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокое входное сопротивление.Обычно более низкое значение g _m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.

9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник

Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.

Рисунок 9.2.1 (a) I _D в сравнении с V _{кривые DS} и (b) I _C в сравнении с V _{кривые CE}

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного R _L.Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R _L, равного 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V _GS или I _B для 10 мА I _D или I _C.В примере NMOS каждая кривая соответствует разному V _GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I _D, равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В _GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет различный I _B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I _C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.

Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R ₁ и R ₂, что приведет к такому току коллектора или стока, что половина напряжения питания, В + появится на R _L, мы должны получить желаемое. значение В _GS или В _BE (I _B) для смещения без входного сигнала.В случае MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R ₁ и R ₂. Если В + = 8 В и мы хотим, чтобы В _GS равнялось 1,32 В , тогда:

Фактические значения ₁ и ₂ рэнд не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения и крутизны транзистора, а также температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.

Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения

Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I _B был равен 50uA. Ток, протекающий в R ₁, является суммой тока в R ₂ и I _B, что устанавливает верхнюю границу для R ₁, когда ₂ R бесконечен и в _{2 ток не течет.}. Если принять номинальное значение В, _BE, равное 0.65 В, тогда R ₁ не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения – ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку транзистора по постоянному току менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R ₂ во много раз больше, чем в I _B. Если мы, например, выберем сделать I _R2 9 раз I _B, тогда ток в R ₁ будет 10 * I _B или 500uA.R ₁ будет 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R ₂ составит В _BE, деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что составляет коэффициент делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V- V _BE / 8V в качестве отношения (предположим, что V _BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I _B сместился требуемый коэффициент. Эти значения необходимо немного скорректировать, если фактическое значение V _BE не равно 0.В этом расчете мы использовали 65 вольт (или β не было 200). Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указывали в примере MOS выше. Это чувствительность к конкретным характеристикам устройства, таким как V _BE и β, а также к напряжению питания и температуре.

Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Теперь вход включает параллельную комбинацию R ₁ и R ₂ на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT у нас теперь есть R ₁ || R ₂ || r _π как эффективное входное сопротивление.

Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предыдущему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R ₂ делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R ₂.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, – это разместить разделительный конденсатор между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.

Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C _C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти всю часть входного сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала.Это будет иметь больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R ₁ / R ₂ от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R ₂.

9.2.2 Коэффициент усиления по напряжению слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам необходимо вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий во многом одинаков.Гибридные π-модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.

Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.

Ниже приведены некоторые из ключевых уравнений модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителей, которые мы также обсудим в следующих разделах.

(BJT) (MOS)

Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A _v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В _в (v _будет для BJT и v _GS для MOS), умноженное на крутизну g _м, равно выходному току слабого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L,, пренебрегая на данный момент выходным сопротивлением слабого сигнала r _или. Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i _o.

Переставляя на выигрыш, получаем:

Подставляя уравнения BJT и MOS g _m, получаем:

(BJT) (MOS)

Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что оба они зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В _T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение, В _T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с повышением температуры. Коэффициент усиления МОП обратно пропорционален перенапряжению, В _ov ( В _GS – В _th), которое часто намного больше, чем В _T при аналогичных опережающих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.

Если R _L относительно велико по сравнению с малым выходным сопротивлением сигнала, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. Фактически, r _o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.

9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π как нагрузку. Для корпуса MOS V _в будет в основном разомкнута цепь (в любом случае для низких частот). Это, конечно, будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы увидим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o.Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L. Ниже приведены уравнения BJT и MOS r _o.

(BJT) (MOS)

9.2.5 Лабораторная деятельность с общим излучателем и источником

9.3 Последователь тока, также известный как усилитель с общей базой или затвором

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком.Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)

9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть так же просто, как делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве клеммы общего затвора или базы.

Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление по напряжению слабого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала для усилителя с общей базой или затвором, мы вставляем в схему малосигнальную модель транзистора.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.

Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.

Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение слабого сигнала, В _в (v _будет для BJT и v _gs для MOS), умноженное на крутизну g _m равен выходному току малого сигнала, i _o в коллекторе или стоке. V _out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R _L,, пренебрегая на данный момент выходным сопротивлением слабого сигнала r _или.

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I _S = I _D, потому что I _G = 0. Таким образом, усиление тока каскада MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение I _C – I _E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

9.3.3 Входное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.3.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в будет видеть r _π параллельно с последовательной комбинацией g _m и R _L в качестве нагрузки. Для корпуса MOS V _в в основном будет отображаться только последовательная комбинация g _m и R _L.Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g _m и сопротивление на эмиттере r _E. Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r _S.

(также r _S для MOS)

Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I _B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.

9.3.4 Выходное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o. В целом мы можем предположить, что это правда, если учесть, что В _в питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). В противном случае конечный выходной импеданс должен быть добавлен последовательно с r _или.Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней модели, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.

ADALM1000 Lab Activity, BJT-усилитель с общей базой
ADALM1000 Lab Activity, BJT Common Gate Amplifier
ADALM1000 Lab Activity, сложенный каскодный усилитель

9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока, либо усилителями с общим коллектором или стоком)

Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими как для входа, так и для выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».

Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)

Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r _E и R _L или r _S и R _L образуют делитель напряжения. Смещение входа-выхода устанавливается падением V _BE примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и V _GS ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления тока или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому от источника сигнала не требуется подавать столько энергии на вход. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует нагрузке с низким импедансом и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.

9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель с общим коллектором / стоком

Ток коллектора / источника в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R _L и напряжение источника питания.

9.4.2 Коэффициент усиления по напряжению, усилитель с общим коллектором или стоком

Для расчета коэффициента усиления по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.

Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.

Пример 9.4.2 Расчет усиления напряжения

Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A _В = В _{на выходе}/ В _на.

Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT

Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r _E.В разделе 9.3.3 дано уравнение для r _E:

Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I _E. Мы знаем, что напряжение на R _L составляет В, _из. Мы также знаем, что V _out = V _in – V _BE. Если мы используем оценку В _BE как 0,6 вольт, мы получим В _из = 5,6 – 0,6 или 5 вольт. Если R _L составляет 1 кОм, то I _E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В _T = 25 мВ, получаем r _E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:

9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

(BJT)

9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

Выходной импеданс представляет собой просто параллельную комбинацию резистора эмиттера (истока) R _L и сопротивления эмиттера (источника) малого сигнала транзистора r _E.Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r _E выглядит следующим образом:

Точно так же сопротивление источника слабого сигнала, r _S, для МОП-транзистора составляет 1/ g _м.

Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем вычислить выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R _L и 3 Ом r _E или 2,99 Ом.

9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы

9.Обратная связь серии 5: вырождение излучателя / источника

Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность – еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, – это низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом.Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R _E). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, видимый на R _E, находится в противофазе с сигналом, наблюдаемым на V _из и, таким образом, вычитается из V _из, уменьшая его амплитуду.Когда значение эмиттерного резистора приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R _L), коэффициент усиления приближается к единице (A _v ~ 1).

Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью

Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( г _м) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.

Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера

Есть несколько практических правил смещения BJT:

1. Установить I _E, а не I _B или V _BE: меньшая зависимость от β и температуры ( V _T)
2. Разрешить 1 / 3V _CC через R _C, V _CE и R _B2
3.Экономьте электроэнергию, допуская только 10% I _E в R _B

Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В _CC = 20 В; I _E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V _B = 1/3 * V _CC = 6,7 V .

Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока

V _B = (R _B2 / (R _B1 + R _B2)) * V _CC ⇒ 6.7V = (_B2 / (_B1 + _B2)) * 20 (1)

V _CC / (R _B1 + R _B2) = 0,1 * I _E ⇒ 20 / (R _B1 + R _B2) = 200 мкА (2)

Решая уравнения (1) и (2), получаем:

R _B1 = 2R _B2, затем из (2)

3R _B2 = 20/200 мкА = 100 кОм

Итак, R _B2 = 33 кОм и R _B1 = 66 кОм.

Теперь у нас есть V _E = V _B – V _BE = 6.7 – 0,7 = 6 В и I _E составляет 2 мА : R _E = В _E / I _E = 6/2 мА = 3 кОм.

I _C = (β / (β + 1)) * I _E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I _B = I _C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.

Из наших практических правил мы знаем, что В _C = 2/3 * 20 В = 13,3 В

Итак, чтобы найти R _L, мы имеем: R _L = ( V _CC– V _C) / I _C = (20-13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм

9.5.1 Коэффициент усиления слабого сигнала по напряжению с вырождением эмиттер / источник

Чтобы рассчитать усиление по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.

Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением

Импеданс R _E снижает общую крутизну g _м цепи в g _м R _E + 1, что дает выигрыш по напряжению:

(при г _м R _E »1)

Таким образом, усиление напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов R _L / R _E, а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9.5.1, значения для I _C = 2 мА, R _L = 3,4 кОм и R _E = 3 кОм, чтобы вычислить усиление малого сигнала, мы сначала находим g _m = I _C/ V _T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A _V:

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с искажением эмиттер / источник

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход V _в см. R _ последовательно с резистором дегенерации R _E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В _в видят в основном обрыв цепи.

9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттер / источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.5.1 мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R _L и r _o, но теперь резистор вырождения R _E идет последовательно с r _или. Для большинства практических приложений мы можем игнорировать r _o, потому что он очень часто намного больше, чем R _L.

9.5.4 Методы смещения постоянного тока с вырождением эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим эмиттером / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R _E (R _E * I _E) должно быть добавлено к уровню смещения. Это добавленное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I _C) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.

Коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R _L / R _E. Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R _E может стать настолько малым, что необходимое условие хорошего смещения, V _E = R _E * I _E> 10 * V _T не может быть достигнуто.Способ восстановления небольшого усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока заключается в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R _E1, в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R _E = R _E1 + R _E2. Здесь могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R _E на R _E1 при определении коэффициента усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор приводит к короткому замыканию R _E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение по смещению на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R _E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R _E1 = 1 кОм и R _E2 = 2 кОм с C ₁ = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C ₁ эффективно закорачивает R _E2, чтобы получить:

Однако добавление шунтирующего конденсатора C ₁ изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Поэтому мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:

где R ’_E = R _E2 || (R _E1 + R _e)

Для нашего примера задачи с R _E1 = 1K, R _E2 = 2K и C ₁ = 1uF мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.

Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика

9.5.5 Сводка – выполнение анализа слабого сигнала:

1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитать параметры слабого сигнала: g _m, r _, r _e и т. Д.
3. Заменить источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока с разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)

9.6 Теорема Миллера

Здесь мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В ₁ и В ₂, эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В ₂/ В ₁.

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, как рассчитываются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную двухпортовую сетевую технику, чтобы заменить двухпортовый, представленный на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.

Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.

Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.

Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.

9,7 Обратная связь по шунту:

Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается с помощью резистора смещения (R _F), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R _F соединяет два узла с коэффициентом усиления A _V ( K ) между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера является лучшим способом анализа характеристик слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Шунтовая обратная связь между стоком и затвором (a) и коллектор-основание (b)

9.7.1 MOS версия

На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи по стоку. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе с источником питания низкого напряжения ( В, ₊).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В _GS = В _DS), поскольку ток затвора не течет через R _F. Если Vin связан по постоянному току, то делитель напряжения формируется R _F и R _S и V _GS будет меньше V _DS. Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В _GS = В _DS.Если по какой-либо причине ток стока увеличивается, например, при изменении В, ₊, напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что приводит к увеличению напряжения затвора. Контур отрицательной обратной связи достигает равновесия, которое является точкой смещения для схемы.

В некоторых таблицах данных для расширенных МОП-транзисторов указано значение I _D (on), где V _GS = V _DS lf I _D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен. как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи стока, равно значению R _F, деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 Версия BJT Методы смещения постоянного тока

Эта конфигурация использует отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R _F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока V ₊. Таким образом, любое значительное увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, уменьшит базовый ток транзистора.

Если предположить, что входной источник Vin связан по переменному току и в R _S не течет постоянный ток смещения, из закона Кирхгофа напряжение В _RF на базовом резисторе R _F будет:

По модели Эберса – Молла I _c = βI _b, и поэтому:

По закону Ома базовый ток I _b = В _RF / R _F, и поэтому:

Следовательно, базовый ток I _b равен:

Если В _BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I _c увеличивается.Однако большее значение I _c приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R _L, что, в свою очередь, снижает напряжение В _RF на базовом резисторе R _F. Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I _b, что приводит к меньшему току коллектора I _c. Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.

Плюсов:

Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты транзисторного процесса)

Минусы:

В этой схеме, чтобы I _c не зависел от β, должно выполняться следующее условие:

что имеет место, когда:

Поскольку β фиксировано (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения R _L достаточно большим, либо очень низким R _F.
Если R _L большой, необходим высокий V ₊, что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
Если R _F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.
Резистор R _F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.

Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за уменьшения усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера

Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В, _в, рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A _В.Сначала нам нужно начать с некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q ₁. Для этого мы устанавливаем V _в на ноль вольт, , т.е. замыкаем. Если предположить, что напряжение В _BE составляет 0,65 вольт, мы получим 65 мкА, протекающие через резистор 10 кОм R _S. Учитывая, что V ₊ составляет 10 В, мы хотели бы, чтобы V _из было 5 вольт. Ток в R _L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q ₁ и резистором обратной связи R _F.Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R _F делится между током в R _S и I _B. Базовый ток I _B равен 4,35 / 62,7 кОм – 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен получиться ток коллектора 500uA – 69,3uA или 430,3uA с β около 100.

Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R _F на два его эквивалентных импеданса, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A _V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A _V / (A _V-1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки, R _Leq, которое мы будем использовать для расчета усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного эмиттера или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Коллекторные токи 430 мкА дают нам г _м, равное 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A _V = – g _m R _Leq или A _V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление, видимое у основания Q ₁, будет равно r _π Q ₁, что равно β / g _м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R _base будет около 392,5 Ом.

Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера

Входное сопротивление источника R _S и эквивалентное сопротивление на базе R _base образуют делитель напряжения.Чтобы вычислить общее усиление напряжения от источника напряжения В _в до В _из, мы умножаем это отношение делителя на усиление базы к коллектору, A _В, которое мы только что вычислили.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R _F / R _S.Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В _в до В _из был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного усиления A _V (помните, что β в этом уравнении – это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):

Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.

Упражнение 9.7

Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:

Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R _F для смещения рабочей точки постоянного тока так, чтобы В _out было равно ½ напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В _BE = 0,65 В и β = 200.

Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:

Учитывая значение R _F, вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A _V, входное сопротивление R _base и выходное сопротивление R _out.Также рассчитайте общий коэффициент усиления по напряжению В _из/ В _из и объясните, почему это значение отличается от идеального значения –R _F / R _S.

9.7.5 Эффект Миллера

Эффект Миллера является ключом к прогнозированию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в который включена емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R _S источника сигнала и конденсатором обратной связи C _C.Но отсечка низких частот определяется не просто R _S и C _C. Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C _C, масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера

Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Сложность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.

Эквивалентная схема

Вот упрощенная версия схемы выше.

Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера

Миллер сказал, что вы можете приблизительно определить входную емкость, заменив C _C другой емкостью C _M на R _IN. Насколько больше C _M? C _C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A _V = г _м R _L) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что на R _L будет конденсатор C ‘_C, который равен C _C раз (A _V +1) / A _V, что для больших значений A _V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что создание напряжения на конденсаторе вызывает протекание тока. Насколько ток зависит от емкости: I = C _C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R _L вызывает гораздо большее ΔV через C _C, в результате чего через C _C протекает еще больший ток.Поэтому с точки зрения V _IN емкость выглядит намного большей.

Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера

В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C _C. Резисторы смещения R ₁ и R _S выбираются для установки такой рабочей точки постоянного тока, что В _выход имеет значение постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.С данным сопротивлением R _L 10 кОм усиление напряжения слабого сигнала низкой частоты A _В составляет примерно 80.

Теперь мы можем рассчитать частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C _C, равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В _в до В _из падает на -3 дБ от значений постоянного тока, примерно равна:

Частота единичного усиления примерно равна:

Рисунок 9.7.5 Пример емкости Миллера

Схема на рисунке 9.7.5 была смоделирована, а частотная характеристика переменного тока от 1 Гц до 1 МГц показана на рисунке 9.7.6. Усиление от В _на до В _{на выходе} на дБ составляет 20Log (A _V) или около 38 дБ . Частота -3 дБ в этом случае будет там, где кривая усиления пересекает 35 дБ (~ 263 Гц), а частота единичного усиления будет там, где кривая усиления пересекает линию 0 дБ (~ 21.7 кГц). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с нашими приблизительными ручными расчетами. Для наших ручных расчетов мы предположили, что R ₁ был достаточно большим, чем R _S, поэтому его можно было игнорировать, а также r _π из Q ₁ было достаточно большим, чтобы не оказывать существенного влияния на R _S.

Рисунок 9.7.6 Моделирование частотной развертки

Краткое содержание главы:

Каскад с общим эмиттером имеет высокое усиление, но низкий входной и высокий выходной импеданс.
R _E Вырождение эмиттера улучшает входное сопротивление и обеспечивает отрицательную обратную связь для стабилизации рабочей точки постоянного тока, но с некоторой потерей усиления.
Каскад с общей базой имеет низкий входной и высокий выходной импеданс, но хорош на высоких частотах. Хороший текущий буфер иногда называют текущим последователем.
Общий коллекторный или эмиттерный повторитель может иметь смещение с большим входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, но имеет примерно единичное усиление.Хороший буфер напряжения.

Приложение: Теорема поглощения источника

Теорема поглощения источника имеет две двойные формы: теоремы поглощения источника напряжения и теоремы поглощения источника тока.

Теорема о поглощении источника напряжения утверждает, что если в одной ветви цепи с током I есть источник напряжения, управляемый I, источник можно заменить простым импедансом со значением, равным управляющему коэффициенту источника.

Доказательство тривиально.Импеданс Z, по которому протекает ток I, имеет такое же падение напряжения, которое генерирует управляемый I источник на своих выводах.

Теорема о поглощении источника тока утверждает, что если в одной ветви цепи есть источник тока, управляемый напряжением В, , источник можно заменить простой проводимостью со значением, равным коэффициенту управления источником.

Доказательство снова тривиально. Полная проводимость Y, подаваемая к напряжению В , накладывает тот же ток, что и источник Y В .

Пример A1: Определение сопротивления эмиттера с помощью теоремы о поглощении источника

На рисунке A9.3 показана модель транзистора с эквивалентной схемой малых сигналов. Найдите сопротивление Rin, глядя в эмиттер (с базой и коллектором на заземлении переменного тока слабого сигнала).

Используя то, что мы только что узнали о теореме о поглощении источника для источников тока, мы знаем, что мы можем заменить управляемый источник с сопротивлением, равным 1/ г _м его крутизны.

Темы для продвинутых:

AT1 Поколение диода смещения

Эксперимент: Проектирование схем транзисторов

Процедура

Примечание: Эта схема была разработана, когда мы только учились обучать работе транзисторов. Теперь мудрее, мы знаем, что ниже есть некоторые ошибки в математике с вычислениями фильтра. Мы перепроектируем эту схему, когда позволят время и ресурсы, но учтите, что схема все еще работает (может усиливать пики).

Все, что вам нужно, чтобы построить усилитель, – это транзистор, источник питания, резисторы и конденсаторы. Есть много способов смешать их вместе, что является искусством (Стив Джобс часто называл компоновку схем «цифровым искусством»), но мы дадим вам некоторые основные условия и предположения, с которыми можно поработать, а затем проведем вас через дизайн вашего самого первый простой био-усилитель!

Существует несколько конфигураций с использованием транзисторов NPN, но мы будем использовать «конфигурацию с общим эмиттером», потому что она позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению.Почему его называют «усилителем с общим эмиттером»? – поскольку база – это вход, коллектор – это выход, а «общий» или земля – это эмиттер.

Как любой прилежный инженер, давайте начнем с «требований», что является скучным способом сказать: «что мы хотим, чтобы эта машина действительно выполняла». В нашем биоусилителе мы хотим «усилить» очень слабые электрические сигналы в нервах тараканов. Давайте стремимся к «усилению» 150 или увеличению амплитуды сигнала в 150 раз. Мы также хотим ограничить то, что мы усиливаем, чтобы гарантировать, что мы обращаем внимание только на всплески (потенциалы действия), а не на другие электрические сигналы, такие как электрический шум от вашего дома.Итак, как и в реальном SpikerBox, мы хотим измерять только сигналы с компонентами выше 300 Гц (циклов в секунду). Это также называется “высокочастотным” сигналом.

Таким образом, у нас есть два требования

Прирост 150.
Настройка фильтра: фильтр высоких частот 300 Гц.

А теперь вернемся к искусству дизайна электроники. В основе нашего усилителя лежит превосходная книга Пола Шерца «Практическая электроника для изобретателей».

Детали

Помимо тараканов, кабеля и электрода, упомянутых выше, вам необходимо посетить местный дружественный RadioShack, чтобы получить:

два NPN транзистора (2N4401) – из набора образцов транзисторов
четыре 4.Резисторы 7 кОм – из набора образцов резисторов
четыре резистора 1 кОм из того же набора образцов
Один резистор 50 Ом из того же набора образцов
два конденсатора по 1 мкФ
четыре конденсатора по 10 мкФ
немного перемычки
беспаечный макет
a Разъем аккумулятора 9В
батарея 9В
разъем RCA
a RadioShack Speaker (мы любим эти вещи)

Вам также понадобится небольшой кусок пробки или пенопласта, на который можно положить ногу таракана.

Проектирование схемы

Эмиттерные и коллекторные резисторы

Поскольку мы будем использовать батарею на 9 В, и наши шипы имеют как положительный, так и отрицательный компонент:

Мы хотим, чтобы нейронный сигнал превышал +4,5 В, чтобы у нас было достаточно «места» для напряжения, чтобы усилить как отрицательную, так и положительную части сигнала. Таким образом, необходимо, чтобы V _c или напряжение на коллекторе составляло 1/2 V _cc (это сбивает с толку, но Vcc означает «общий ток» или, в более общем смысле, наш источник питания 9 В).Таким образом, нам нужно поставить резистор на V _c, чтобы установить V _c = 1/2 V _cc, и мы используем закон Ома V = IR, который мы можем переписать как:

I _c – это ток через коллектор и функция транзистора (для его расчета вы используете лист данных транзистора). Мы будем использовать значение 1 мА для I _c.

4,7 кОм – стандартное значение для комплекта резисторов, поэтому мы будем использовать 4,7 кОм для R _c

Коэффициент усиления нашей схемы, как он есть, составляет ΔV _c / ΔV _e, что равно отношению _{R c} / R _e.

Мы уже установили R _c = 4,7 кОм, а R _e уже встроен в транзистор. Его R _e называется транссопротивлением, которое рассчитывается как:

I _e примерно такое же, как I _c, поэтому сопротивление составляет 26 Ом.

Мы можем рассчитать выигрыш следующим образом:

Однако в транзисторе может быть нестабильное сопротивление, поэтому нам нужно добавить собственное сопротивление R в дополнение к сопротивлению.Шерц рекомендует V _e с напряжением 1 В для стабилизации нестабильности транссопротивления, поэтому согласно закону Ома:

Но обратите внимание, что добавление этого R к схеме:

У нас будет изменение в прибыли. Новое усиление:

О, нет! Наше первоначальное усиление 180 исчезло! И наш выигрыш теперь намного меньше, чем нам нужно! Но не бойтесь, мы можем добавить конденсатор параллельно с резистором 1 кОм, который эффективно заставит 1 кОм исчезнуть для нашего пикового сигнала.Мы все равно хотим добавить конденсатор, так как нам нужно сделать:

Фильтр высоких частот

Параллельно подключенные резистор и конденсатор действуют как фильтры верхних частот, и, как указано выше, мы хотим, чтобы наш фильтр высоких частот составлял 300 Гц. Это легко подсчитать.

У нас уже есть R = 1 кОм, а f должно быть 300 Гц, поэтому емкость конденсатора составляет 20 мкФ.

Все, что остается, – это входной конденсатор для устранения любого смещения постоянного тока на входном сигнале и поддержания стабильности нашей схемы. Давайте просто установим его на 1 мкФ.

Установка напряжений смещения

Помните из нашей теории транзисторов, что транзистор не включится без нажатия нижнего предела напряжения, а это примерно 0,6 В для схем на основе кремния. Нам нужно добавить резисторы смещения.

Мы хотим, чтобы напряжение на базе V _b было на 0,6 В выше, чем напряжение на уровне V _e, поэтому

Мы знаем, что V _e составляет 1 В из-за падения напряжения, рассчитанного выше, поэтому V _b должно быть 1.6В. Сделаем делитель напряжения!

Наш V _в имеет курс 9 В, а наш V _out равен 1,6 В, и мы используем классическое уравнение делителя напряжения:

Мы можем переставить уравнение и вычислить …

Таким образом, R1 должен быть в ~ 4,6 раза больше, чем R2. Звучит достаточно просто, но, как показывает опыт для этой конструкции транзистора:

Итак, мы просто выберем R2 = 1 кОм и R1 = 4,7 кОм в качестве значений, поскольку мы уже используем эти значения резисторов и имеем их под рукой.

Вот и все! Пришло время …

Построить схему

Вы посчитали, и теперь пришло время физически построить вашу схему. Поместите батарею, транзистор, резисторы, конденсаторы и компоненты ввода / вывода на макетную плату, как показано ниже:

Присмотритесь к схеме на макетной плате:

Вставьте электроды в лапу таракана, как вы делали в предыдущих экспериментах, и подключите динамик к цепи.Полностью поверните динамик и почистите ногу таракана зубочисткой. Вы можете услышать очень слабый ответ, но он будет скрыт в шуме. Давайте еще немного усилим шипы. Вы можете создать «вторую стадию» усиления, так же, как мы делаем с нашим обычным SpikerBox, где у вас есть выход схемы, идущий на вход другой копии схемы, как показано ниже:

Однако вы обнаружите, что это «удвоение» делает схему немного нестабильной, поэтому давайте немного снизим усиление на втором этапе.Мы добавили резистор 50 Ом параллельно с R _e, чтобы немного снизить усиление второй ступени, но все равно сделают более громкие всплески, когда вы подключите эту схему к ноге таракана. Смотрите видео ниже.

Теперь вы создали свой собственный усилитель на транзисторах! Поздравляю! Сообщите нам, если вы нашли способ сделать схему проще, чище и с большим усилением.

Обсуждение

Вы идете изобретать еще много чудесных вещей.История науки определяется изобретением нового оборудования в руках творческих умов. Телескоп позволяет видеть вещи очень далеко. Микроскоп позволяет увидеть очень маленькое. Аппарат ПЦР позволяет измерять молекулы ДНК, а транзистор позволяет наблюдать крошечные электрические сигналы. С помощью этих инструментов мы можем видеть и пытаться понять мир, недоступный нашим невооруженным чувствам. Теперь начнем открывать.

Вопросы для обсуждения

Почему шипы от нашего простого двухтранзисторного биоусилителя «шумнее», чем SpikerBox? Что делает SpikerBox? Подсказка: SpikerBox имеет намного больше транзисторов и использует их для создания операционных усилителей, которые затем смешиваются с инструментальными усилителями.Добро пожаловать в искусство электроники!

Транзистор Дарлингтона

– высокий коэффициент усиления по току Транзистор

Транзистор Дарлингтона представляет собой специальный тип транзистора с высоким коэффициентом усиления по току. Он состоит из двух биполярных транзисторов, соединенных каскадом, как показано на следующем рисунке.

Как работает транзистор Дарлингтона?

Анализируя следующее изображение, видно, что транзистор T1 передает ток, который выходит из его эмиттера, на базу транзистора T2.Уравнение усиления по току типичного транзистора выглядит следующим образом: IE = ßxIB (ток коллектора равен бета, умноженному на ток базы).

На изображении показан транзистор Дарлингтона с его конфигурацией контактов и внутренней структурой. Мы знаем, что:

На первом транзисторе: IE1 = ß1 x IB1. Уравнение (1) .
На втором транзисторе: IE2 = ß2 x IB2. Уравнение (2) .

Из изображения мы видим, что ток эмиттера транзистора T1 такой же, как ток базы транзистора T2.Тогда IE1 = IB2. Уравнение (3) .

Используя уравнение (2) и уравнение (3), получаем: IE2 = ß2 x IB2 = ß2 x IE1.

Заменяя значение IE1 в последнем уравнении (см. Уравнение (1)), мы получаем уравнение усиления транзистора Дарлингтона: IE2 = ß2 x ß1 x IB1.

Коэффициент усиления по току Дарлингтона

Из уравнения усиления транзистора Дарлингтона: IE2 = ß2 x ß1 x IB1, мы можем видеть, что коэффициент усиления по току намного больше, чем коэффициент усиления одиночного транзистора, поскольку он использует преимущество по току усиления два транзистора.(Прибыль умножается).

Например:

Если у нас есть два транзистора с коэффициентом усиления 100 каждый (ß = 100), подключенные как транзистор Дарлингтона по приведенной выше формуле, окончательный теоретический коэффициент усиления будет: ß2 x ß1 = 100 x 100 = 10000.

Это кажется очень большим усилением (идеальным), но на самом деле это меньшее усиление. Транзисторы Дарлингтона широко используются в схемах, где необходимо управлять большими нагрузками с очень малыми токами.

Очень важно: Когда мы добавляем напряжение база-эмиттер первого транзистора B1 к E1 (0,7 В) плюс напряжение база-эмиттер второго транзистора B2 до E2 (0,7 В), мы получаем в результате падение напряжения 1,4 вольта между базой и эмиттером транзистора Дарлингтона. VB1E1 + VB2E2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 вольт.

Транзистор

＜ Общие сведения о транзисторах ＞ | Основы электроники

Обратный ток при включении

В транзисторе NPN база находится под положительным смещением, коллектор – с отрицательным смещением, а обратный ток течет от эмиттера к коллектору.Также учтите проблемы, которые могут возникнуть при использовании в качестве транзисторов (например, меньшее усиление по току).

1. Было определено, что при использовании не возникнет никаких проблем, таких как ухудшение качества или разрушение.

2. В случае NPN-транзистора, B симметричен с C, а E с N. Следовательно, C и E могут использоваться как транзисторы, даже если они соединены в обратном порядке. В этом случае ток будет течь от E к C.

3. Ниже приведены характеристики транзисторов, подключенных в обратном порядке.

Low h _FE (примерно 10% от значения прямого направления)
Низкое сопротивление напряжению (около 7-8 В, примерно такое же, как у VEBO) В некоторых стандартных транзисторах напряжение может быть даже ниже (ниже 5 В) (учтите, что слишком низкое сопротивление напряжению может привести к пробою и ухудшению характеристик)
V _CE (sat) и V _BE (ON) не должны сильно меняться

Допустимая потеря мощности в корпусе

Допустимая потеря мощности в корпусе – это когда напряжение подается на транзистор и устройство начинает выделять тепло из-за потери мощности из-за протекания тока, особенно когда температура перехода Tj достигает абсолютного максимального значения (150 ° C).

Метод расчета (где △ Tx – величина повышения температуры при подаче питания Px)

В этом случае Pc, Ta, △ Tx и Px могут быть получены непосредственно из результатов измерения. Tj – единственное значение, которое нельзя получить напрямую. Поэтому ниже показано, как измерить VBE, по которому мы можем определить температуру перехода Tj.

В кремниевых транзисторах VBE зависит от температуры.

Следовательно, температуру перехода можно определить путем измерения VBE.Из измерительной схемы, показанной на диаграмме 1, к транзистору применяется условие мощности Pc (max) корпуса (в случае транзистора мощностью 1 Вт условия для питания VCB = 10VIE = 100 мА).

Как видно на Диаграмме 2:

V _BE 1 измеряется как начальное значение VBE
При подаче питания на транзистор произойдет тепловыделение на переходе
значение VBE после будет V _BE 2

Из этих результатов: △ V _BE = V _BE 2-V _BE 1

Здесь кремниевый транзистор будет иметь фиксированный температурный коэффициент, равный примерно -2.2 мВ / ºC. (Примечание: транзисторы Дарлингтона созданы из-за использования двух транзисторов -4,4 мВ / ºC). Следовательно, △ VBE от подаваемой мощности может быть получено из повышения температуры перехода по следующей формуле.

fT: ширина полосы пропускания, частота среза

fT: ширина полосы пропускания указывает максимальную рабочую частоту транзистора. В это время отношение тока коллектора к току базы ограничено до 1 (hFE = 1).

Когда частота входного сигнала, подаваемого на базу, приближается к рабочей частоте, hFE начинает уменьшаться.Когда hFE становится равным 1, рабочая частота fT называется полосой усиления. fT означает предел рабочей частоты. Однако в действительности для работы значение будет примерно от 1/5 до 1/10 от значения fT.

f: Зависит от измерительного оборудования. Опорная частота для измерения.
VCE: дополнительная настройка – для продуктов ROHM обычно используется стандартное значение.
Ic: дополнительная настройка – для продуктов ROHM обычно используется стандартное значение.

Транзисторы

на страницу продукта

В дополнение к низковольтным МОП-транзисторам для портативных устройств и цифровым транзисторам со встроенным резистором, ROHM предлагает ряд транзисторных продуктов, включая стандартные МОП-транзисторы, биполярные транзисторы и сложные транзисторы со встроенным диодом.

Высокоскоростной биполярный силовой транзистор NPN с высоким коэффициентом усиления со встроенным коллекторно-эмиттерным диодом и встроенной эффективной антинасыщающей сетью

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj / Title (BUL45D2 – Высокоскоростной биполярный силовой транзистор NPN с высоким коэффициентом усиления со встроенным коллекторно-эмиттерным диодом и встроенной эффективной сетью защиты от насыщения) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > ручей 2014-11-12T13: 46: 43 + 01: 00BroadVision, Inc.2020-10-29T11: 49: 17 + 08: 002020-10-29T11: 49: 17 + 08: 00Acrobat Distiller 9.0.0 (Windows) application / pdf

BUL45D2 – Высокоскоростной биполярный силовой транзистор NPN с высоким коэффициентом усиления со встроенным коллекторно-эмиттерным диодом и встроенной эффективной сетью защиты от насыщения

ON Semiconductor

BUL45D2G – это современный высокоскоростной биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления (h3BIP). Высокие динамические характеристики и минимальный разброс от партии к партии (время хранения ± 150 нс) делают его идеальным для применения в системах с легким балластом. Следовательно, нет необходимости гарантировать окно hFE.Благодаря своим характеристикам он также подходит для применения в PFC.

uuid: e66655e4-8017-45ec-93f3-669678ca5975uuid: 05768845-f885-4a25-a7ac-3b1ccc05b05a Распечатать конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > ручей HVr6 {X0tWY 㪱:] Y, #! (‘^ /; M yι “Je 0ДPEg7-8>% SH5: m>.1GY $ Ka͘MQfdxL) t ݬ “B) 3nlu; l | + [u- ڮ q = S} DGԡ = U r_3pK ‘s / Mib> “@ a & $ 3b (} w ~ g $ a (wwM | iow 杫 +! 3L $% ߯ Rg: s \ DQy`FKs> Gh% (p1̦H546’ (T} F4fDlLPͿtmA (` GkwΗ # @

Как мне проверить биполярный транзистор на усиление тока слабого сигнала на моем измерителе кривой?

Усиление тока слабого сигнала – бета-версия слабого сигнала или hfe

Что это такое:

Усиление тока слабого сигнала – это отношение изменения IC к изменению IB с заданным начальным значением IC.

На индикаторе кривой hfe проверяется путем измерения разницы в IC между двумя значениями IB.Подача коллектора приводит в движение коллектор, а шаговый генератор – базу. Генератор шагов предоставляет два значения IEB – первое для предоставления указанного начального значения IC, второе для предоставления (IC x 2). Изменение тока коллектора делится на изменение базового тока, чтобы получить значение hfe.
Что показывает дисплей:

На дисплее отображается VCE по горизонтальной оси и IC по вертикальной оси. Если шаговый генератор обеспечивает базовый привод, будут отображаться два значения IC – первое при заданном начальном значении IC и второе при (IC x 2).

Спецификация считается выполненной, когда hfe находится между указанными минимальными / максимальными пределами.

Как это сделать:

1. Установите элементы управления:

A: Максимальное пиковое напряжение на минимальное значение выше указанного VC

B: Максимальная пиковая мощность в ваттах на минимальное значение, которое удовлетворяет (IC x VC)

C: Вольт / деление по горизонтали для отображения VC между 5-м и 10-м делениями по горизонтали

D: Полярность питания коллектора относительно (+ DC) для NPN или (-DC) для PNP

E: Вертикальный ток / дел. Для отображения (IC x 2) между 5-м и 10-м вертикальными делениями

F: Конфигурация для (Базовый / Ступенчатый, Эмиттер / Общий)

G: Шаг генератора на Ток

H: Полярность шагового генератора для применения прямого смещения (+ для NPN), (- forPNP)

I: Step Mult.От 1X до On

J: Число шагов до нуля

K: Шаг / амплитуда смещения примерно до 1% от указанного IC

L: Регулируемая подача коллектора до минимума% (полный против часовой стрелки)

M: Точечный курсор включен
2. Подайте питание на транзистор:

A: Установите переключатель влево / вправо соответствующим образом.

B: Медленно увеличивайте переменную подачу коллектора в%, пока не будет достигнута заданная VC.Применить базовый привод:

A: Нажмите и удерживайте кнопку Offset Aid, пока не будет достигнуто указанное начальное значение IC, и запишите значение IB (назовите его IB1)

B: Нажмите и удерживайте кнопку Offset Aid до тех пор, пока (IC x 2) достигнуто и запишите значение IB (назовите его IB2)

4. Вычислите hfe

Вычислите по формуле: (дельта IC / дельта IB)

5. Сравните с техническими данными:

Убедитесь, что hfe находится в указанных минимальных / максимальных пределах