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

Содержание

Усилительный каскад с общей базой

Добавлено 6 октября 2017 в 12:14

Сохранить или поделиться

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как Rнагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току
common-base amplifier
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0.6 1.2 .02
.plot dc v(3,4)
.end
Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на Rнагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току
common-base amplifier
vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(5,2) v(4)
.end

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

common-base amplifier
vin 5 2  ac 0.1 sin
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
.ac dec 1 2000 2000
.print ac vm(5,2) vm(4,3) 
.end

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0.1 В), или 32,617 дБ:

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх} }\]

\[A_V = { 4,274 В \over 0,10 В }\]

\[A_V = 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(раз)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 32,62 дБ\]

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала.

Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения (vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Несмотря на то, что эти анализы будут проводиться в режиме “

transfer function” (коэффициент передачи), каждый из них был сначала проверен в режиме временного анализа (построен график напряжения в зависимости от времени), чтобы гарантировать, что вся синусоида сигнала была воспроизведена точно, а не «обрезана» из-за неправильного смещения. Смотрите "*.tran 0.02m 0.78m" в коде ниже, это «закомментирование» оператора временного анализа. Вычисление коэффициента усиления не может основываться на сигналах искаженной формы. SPICE может для нас рассчитать коэффициент усиления небольшого сигнала постоянного напряжения с помощью оператора "*.tf v(4) vin". Выходное напряжение – это v(4), а входное напряжение – это vin.

common-base amp vbias=0.85V
vin 5 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.85
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf v(4) vin
.end
common-base amp current gain
Iin 55 5 0A
vin 55 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.8753
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.
model mod1 npn *.tran 0.02m 0.78m .tf I(v1) Iin .end Transfer function information: transfer function = 9.900990e-01 iin input impedance = 9.900923e+11 v1 output impedance = 1.000000e+20

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin.
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin. Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения

vbias0.85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Circuit: common-base amp vbias=0.85V        // напряжение смещения 0,85 вольта
transfer_function = 3.756565e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.317825e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA  // напряжение смещения 0,8753 вольта
Transfer function information:
transfer_function = 3.942567e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.255653e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.9V         // напряжение смещения 0,9 вольта
transfer_function = 4. 079542e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.213493e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.95V        // напряжение смещения 0,95 вольта
transfer_function = 4.273864e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.158318e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=1.00V        // напряжение смещения 1,00 вольт
transfer_function = 4.401137e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.124822e+02          // входное сопротивление

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование (vbias = 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления (transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Эти несколько приложений включают в себя радиочастотные усилители. База, посаженная на корпус, помогает защитить входной сигнал на эмиттере от входного сигнала на коллекторе, предотвращая нестабильность в радиочастотных усилителях. Схема с общей базой может использоваться на более высоких частотах, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором. Смотрите раздел «Радиочастотный усилитель мощности 750 мВт класса C с общей базой» в главе 9. Более сложную схему можно увидеть в разделе «Усилитель малых сигналов класса A с общей базой и высоким коэффициентом усиления» в главе 9.

Подведем итоги:

  • Транзисторные усилители с общей базой называются так, потому что точки подачи входного напряжения и снятия выходного напряжения совместно используют вывод базы транзистора (игнорируя все источники питания).
  • Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входных и выходных сопротивлений, а также от внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может измениться при изменении постоянного напряжения смещения. Достаточно сказать, коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общей базой может быть очень высоким.
  • Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется коэффициентом α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общей базойКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение  u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.

Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |б = const,где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )

Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

∆iк ≈ β · ∆ iб

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.

Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi >1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).

Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Биполярные транзисторы: схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток Iб. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: Iэ = Iб + Iк.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С1, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор RL, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.

Таким образом, небольшим сигналом Vin на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения VБЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC — VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.

Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Схемы включения биполярного транзистора.

1) С общим эмиттером

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (

, , ) равна нулю.отсюда (только для случая с общим эмиттером)

2) С общим коллектором

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

отсюда (только для случая с общим коллектором)

3) С общей базой

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.

— коэффициент усиления, ,

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 10266 —

| 7604 — или читать все.

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Схемы включения биполярных транзисторов

Усилительные свойства биполярного транзистора

Независимо от схемы включения транзистор характе­ризуется тремя коэффициентами усиления:

Назва­ния схемы включения транзисторов зависит от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепей.

Схема включения с общей базой

Любой усилительный транзисторный каскад харак­теризуется двумя основными показателями:

1. коэффициентом усиления по току, равным отношению выходного тока к входному току Iвых/Iвх, для каскада по схеме с общей базой коэффициент усиления по току

причем α меньше 1;

2. входным сопротивлением, равным отношению в­ходного напряжения к входному току

Входное сопротивление для каскада по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 7.4) мало и составляет десятки ом ввиду того, что входная цепь в этом случае представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Рис.7.4. Включение транзистора по схеме с общей базой

Если сопротивление Rн достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, так как iвых ≈ iвх. При этом можно утверждать, что схема обеспечивает усиления напряжения, но не обеспечивает усиления тока. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

Для схемы с общей базой:

Недо­статки усилительного каскада по схеме с общей базой:

1. каскад не усиливает ток α

Коэффициент усиления по току β такого каскада представляет собой отношение выходного переменного тока (или действую­щего значения) к входному переменнному току (или действую­щего значения), т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

Коэффициент усиления по току β каскада обычно составляет от десятков до сотен для транзисторов ма­лой и средней мощности, а для мощных приборов часто находится в пределах от единиц до десятков.

Входное сопротивление каскада по схеме с ОЭ можно найти по формуле

Обычно входное сопротивление каскада с ОЭ мало и составляет от сотен до тысяч ом. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер транзистора Uбэ, а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером биполярного транзистора Uкэ. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источ­ника Ек достигает единиц, а иногда десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности полу­чается равным сотням, тысячам или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к мощности, потребляемой входной цепью каскада. Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход­ным и входным напряжением образуется сдвиг фазы величиной в 180 °. Так как iвых >> iвх, а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Для схемы с общим эмиттером:

Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером:

1. большой коэффициент усиления по току;

2. большее, чем у схемы с общей базой, входное со­противление;

3. для питания каскада по такой схеме включения требуются два однополярных источника, что поз­воляет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки усилительного каскада по схеме с общим эмиттером заключаются в худших, чем у каскада по схеме с общей базой, температурных и частотных свойствах. Следует заметить, что каскады по схеме с ОЭ применя­ются наиболее часто за счет своих преимуществ.

Схема включения с общим коллектором

В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 7.6) коллек­тор является общей точкой

Рис.7.6. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

входа и выхода, поскольку источники питания базы Еб и коллектора Ек всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться замкнутыми нако­ротко.

Особенность этой схемы в том, что входное напря­жение полностью передается обратно на вход. Входной ток уси­лительного каскада с ОК — ток базы транзистора, выход­ной — ток эмиттера транзистора, входное напряжение — напряжение, приложенное к переходу база-коллектор, выходное напряжение на переходе коллектор-эмиттер. Отношение выходного тока к входному току каскада можно найти по формуле

Коэффициент усиления по току каскада с ОК обычно составляет от 10 до 100. Входное сопротивление каскада с ОК можно найти по формуле

Из формулы, можно сделать вывод, что чем меньше ток базы транзистора и больше напряже­ние база-коллектор, тем выше входное сопротивление. Входной ток минимальной величины можно получить, соединив два или более транзисторов по схеме Дарлинг­тона. В общем случае составной транзистор состоит из нескольких транзисторов. Соеди­нение электродов следующее: эмиттер каж­дого последующего транзистора соединен с базой предыдущего, а коллекторы всех транзисторов соединены между собой. Эмит­тером составного транзистора является эмиттер первого транзистора, а базой — база последнего транзистора. На рис. 7.7 показано распределение токов в транзисторе, состоящем из двух транзисторов.

Рис. 7.7. Схема состав­ного транзистора

Коэффициент усиления по току составного тран­зистора можно выразить

Входное сопротивление составного транзистора также увеличивается.

Для обеспечения состояния насыщения первого транзистора в его коллекторную цепь вклю­чено сопротивление Rк, величина которого должна быть такой, чтобы падение напряжения на этом сопротивлении превышало падение напряжения на втором транзисторе, находящемся в со­стоянии насыщения, т. е.

Составной транзистор аналогичен обычному транзистору с повышенным коэффициентом усиления по току.

Преимуществом использования составного транзистора является чрез­вычайно маленький ток базы, а следовательно, весьма высокое входное сопротивление усилительного каскада по схеме с ОК, недостатком — низкое быстродействие. Низкое быстродействие составного транзистора в линей­ных усилителях звуковой частоты является несуществен­ным, но в высокочастотных и тем более в импульсных устройствах данный недостаток может иметь решающее значение.

Нетрудно увидеть, что входное напряжение равно сум­ме переменного напряжения база-эмиттер транзистора Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в каскаде по схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам, однако в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению каскада по схеме с ОК близок к 1, при­чем всегда меньше ее, т. е. есть каскад не дает усиления по» напряжению. Коэффициент усиления по мощности, поданной на вход транзистора, равен, как и в каскаде по схеме с ОЭ, примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в усилительном каскаде, можно установить, что нет фа­зового сдвига на относительно низких частотах между выходным напряжением Uвых и входным напряжением Uвх, значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему, т е. выходное напряжение повторяет входное. Данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем, потому, что резистор нагрузки включен в вывод эмиттера и выходное напря­жение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет сотни тысяч ом, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение напряжения uвых, что является важным достоинством такого включения транзистора.

Выходное сопротивление каскада по схеме с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства каскада по схе­ме с ОК побуждают использовать его для согласования различных устройств по входному сопротивлению.

Недостатком каскада по схеме с ОК является то, что он не усиливает напряжение — коэффициент усиления чуть меньше 1.

Для схемы с общим коллектором:

Дата добавления: 2014-01-05 ; Просмотров: 2150 ; Нарушение авторских прав? ;

Схема с общей базой (каскад с общей базой)

Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.


Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общей базой — это усилитель, где база транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с ОБ приведена на рисунке 2.


Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общей базой

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общей базой может подойти любая из рассмотренных нами схем: схема с фиксированным током базы, схема с фиксированным напряжением на базе, схема с коллекторной стабилизацией или схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общей базой проводится точно так же как и для схемы с общим эмиттером. На рисунке 3 показана принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с ОБ.


Рисунок 3 Принципиальная схема включения транзистора с общей базой

В усилительном каскаде, изображенном на рисунке 3, используется схема эмиттерной стабилизации тока коллектора, обладающая наилучшими характеристиками по стабильности режима транзистора. В ряде случаев достаточно коллекторной стабилизации. Схема каскада усиления с коллекторной стабилизацией и схемой включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 4.


Рисунок 4 Принципиальная схема включения транзистора с ОБ (коллекторная стабилизация режима)

Отличительной особенностью схемы с общей базой является малое входное сопротивление. Входным сопротивлением этого усилительного каскада является эмиттерное сопротивление транзистора. Его можно определить по следующей формуле:

(1)

При токе эмиттера 5 мА входное сопротивление каскада с общей базой составит 5 Ом. Это накладывает определенные ограничения на применение данной схемы. Сопротивление источника сигнала должно быть малым. Это может быть полезным для реализации высокочастотных усилителей. Часто приходится использовать на входе схемы с ОБ трансформатор сопротивления. Это может быть как обычный широкополосный трансформатор, так и фильтр с различными входным и выходным сопротивлением.

По току схема усилительного каскада с общей базой усилением не обладает. Более того, коэффициент передачи этой схемы меньше единицы! Коэффициент усиления по току схемы включения транзистора с общей базой можно определить по следующей формуле:

(2)

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада, собранного по схеме с общей базой совпадает с коэффициентом усиления по напряжению схемы с общим эмиттером. Его можно определить по следующей формуле:

(3)

Учитывая, что коэффициент усиления по току h21б схемы с общей базой близок к единице, то коэффициент усиления по напряжению будет равен отношению сопротивления нагрузки Rн к входному сопротивлению этого транзисторного каскада rэ. Отсюда следует вывод: если вы нагрузите усилительный каскад с ОБ, на точно такой же каскад усиления, то коэффициент усиления первого каскада будет равен единице (он не будет усиливать, так как ).

Учитывая, что ток коллектора в схеме с общей базой протекает по сопротивлению R1, включенному параллельно источнику сигнала, получается, что данный усилительный каскад охвачен 100% параллельной отрицательной обратной связью по току. Это приводит к расширению полосы пропускания усилителя. Малое входное сопротивление усилительного каскада не позволяет шунтировать входной сигнал паразитными емкостями печатной платы и других электронных компонентов схемы. Кроме того, малая проходная емкость Cкэ, образованная последовательным включением эмиттерного и коллекторного переходов, уменьшает значение входной паразитной емкости схемы с общей базой. Все эти факторы приводят к исключительной широкополосности амплитудно-частотной характеристики данного каскада.

Схема включения транзистора с общей базой используется обычно в высокочастотных усилителях. Для приведения входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному волновому сопротивлению линий передачи 50 Ом обычно используются фильтры нижних или верхних частот. При индуктивном сопротивлении базы и коллектора транзистора в рабочем диапазоне частот усилителя, эти реактивности могут быть включены в состав индуктивности фильтра, как это показано на рисунке 5


Рисунок 5 Принципиальная схема усилительного каскада с транзистором с общей базой (коллекторная стабилизация)

В схеме усилителя, изображенной на рисунке 5, индуктивность L1 служит для обеспечения пути протекания эмиттерного тока, а индуктивность L2 служит для обеспечения пути протекания коллекторного тока, поэтому дополнительных сопротивлений, таких как R1 и R2 в схеме на рисунке 3 не требуется. Резисторы R1 и R2 образуют схему коллекторной стабилизации режима работы. Еще один вариант высокочастотного усилителя, выполненного по схеме с общей базой, приведен на рисунке 6.


Рисунок 6 Принципиальная схема усилительного каскада с транзистором с общей базой (эмиттерная стабилизация)

В настоящее время в СВЧ усилителях в основном используются SiGe, GaAs, GaN МОП-транзисторы, однако их схемы включения практически совпадают со схемами включения биполярных транзисторов. Схеме включения транзистора с общей базой соответствует схема усилительного каскада с общим затвором. В этих схемах для стабилизации режима работы транзистора применяется схема истоковой стабилизации (аналог эмиттерной стабилизации). Схема усилительного каскада с общим затвором приведена на рисунке 7.


Рисунок 7 Принципиальная схема усилительного каскада с транзистором с общим затвором (истоковая стабилизация)

По подобным схемам ряд зарубежных фирм выпускает готовые СВЧ усилители. Границы усилителя показаны на рисунках 6 и 7 пунктирной линией. В качестве примера на рисунке 8 показана схема высокочастотного интегрального усилителя радиочастоты.


Рисунок 8 Принципиальная схема высокочастотного интегрального усилителя радиочастоты

Подобные усилители широко применяются для увеличения уровня сигнала GPS, GSM, WiFi и др. систем связи и беспроводного интернета. В качестве примера подобных усилителей можно назвать усилители радиочастоты фирмы MAXIM, VISHAY или RF Micro Devices.

Дата последнего обновления файла 30.06.2019

  1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
  2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  3. Схемы включения транзистора

Вместе со статьей «Схема с общей базой (каскад с общей базой)» читают:

Схемы включения биполярного транзистора.

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера

, на выходе .

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению ) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту

. Тут все понятно А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания

) – уменьшилось напряжение .

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо ) Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу Если резисторы

и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы )

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот ) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
  2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК,IБ,UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуре, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β = α/(1–α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Транзистор как активный нелинейный четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Сравнение схем включения транзисторов | Основы электроакустики

Сравнение схем включения транзисторов

 

Схемы включения биполярных транзисторов.  Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ приведены в табл. 132. В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изме­нениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего вы­ходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до не­скольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопро­тивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных уси­лителях.  

Таблица 132

Параметры

Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах

с общей базой

с общим эмитте­ром

с общим коллек­тором

Коэффициенты передачи по току

0,6 — 0,95

 

Десятки — сотни

Больше, чем в схеме с ОЭ

усиления по напря

жению

Тысячи

Меньше, чем в схеме с ОБ

0,7 — 0,99

усиления по мощности

Менее чем на  схеме с ОЭ

Большое (тысячи)

Меньше, чем в схеме с ОЭ

Сопротивление:

 

 

 

входное

 

 

Малое (единицы — десятки омов)

Большое (десятки —тысячи омов)

Большое (сотни килоомов)

 

выходное

 

Большое (тысячи омов - единицы мегаомов)

Сотни омов, —

десятки килоомов

Единицы омов — десятки килоомов

Сдвиг фаз

180°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, по­этому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следователь­но, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектиру­емых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) уси­ление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного по­рядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и до­стигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллектор­ного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, по­этому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вслед­ствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряже­ния сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, по­этому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смеще­ния, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к об­щей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сиг­нала (т. е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а вы­ходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для полу­чения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напря­жению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводи­мого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель). 

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи). Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проход­ная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характе­ристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость пря­мой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм. Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэф­фициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Вход­ное сопротивление (если пренебречь областями очень низких и вы­соких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на па­раметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сиг­нала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично уси­лению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно боль­шого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным. Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной об­ратной связи по току (элементом которой является внутреннее со­противление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтиро­вана сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным со­противлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивле­нием r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор пред­ставляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соеди­ненных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора. Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителяне изменяет полярности сигнала, об­ладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, име­ет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема пред­ставляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приве­денный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного тран­зистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора. При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свой­ствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалент­на одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обла­дает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот

4.1.3.   Схемы включения транзисторов | Электротехника

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора (рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (Uэб) и коллекторе (Uкб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔUкв > ΔUзв), но не обеспечивает усиления тока (ΔIk ≈ ΔIз) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (Uбэ) и коллекторе (Uкэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

Iб = Iэ – Iк << Iк (Ik ≈ Iэ),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк >> ΔIб) и напряжения (ΔUкэ > ΔUэб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (Uбэ) и эмиттере (Uкэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как Iб << Iэ, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк >> ΔIб), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I1 = f(U1)         при     U2 = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I2 = f(U2)         при     I1 = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I2 = f(I1)           или     I2 = f(U1)         при     U2 = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U1 = f(U2)        при I1 = const

называются характеристиками обратной передачи.

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ (рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

IЭ = f(Uэб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (Uкб).

При Uкб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения Uкб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: Iэ растет при выбранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (Iэ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при Uкб < 0 и Uэб = 0 существует небольшой ток эмиттера Iэо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

Iк = f(Uкб)

при заданных значениях параметра Iэ (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при Iэ = 0 и обратном напряжении (Uкб< 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом Iк = Iкбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – ба
за».

При Iэ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при Uкб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток Iэ, тем большее прямое напряжение Uкб требуется для получения Iк = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где Uкб < 0 (обратное) и параметр Iэ > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение Uэб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

Iк = αIэ + Iкбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра Iэ.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |Uкб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (Iк = const). Реально же эффект Эрли при росте |Uкб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимости Iб = f(Uбэ), напряжение Uкэ является параметром. Напряжение Uбэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом Uкэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

Uкб = Uэб > 0.

Поэтому входная характеристика при Uкэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения Uэб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (Uкб = Uэб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение Uкэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (Uкэ < 0) и по модулю превышать напряжение Uбэ В этом случае

Uкб = Uкэ – Uбэ < 0.

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

Iб = (1 – α) Iэ – Iкбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток Iкбо

При малом напряжении Uбэ инжекция носителей практически отсутствует (Iэ = 0) и ток базы равен:  Iб = -Iкбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост Iэ и величины (1 – α) Iэ. Когда

(1 – α) Iэ = Iкбо,

ток базы равен нулю:

Iб = 0.

При дальнейшем росте напряжения Uбэ величина

(1 – α) Iэ> Iкбо

и ток базы (Iб) меняет направление, становится положительным (Iб > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние Uкэ на Iб в НAP можно объяснить тем, что рост Uкэ означает рост |Uкб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляе

Немного теории. Схемы включения транзисторов. | Старый радиолюбитель

Эта статья для тех, кто хочет вспомнить или узнать о трех схемах включения транзисторов, их применении.

У транзисторов три вывода: эмиттер, коллектор и база. Поэтому транзистор в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) .

Рис. 1. Включение транзистора по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и высоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых "коаксиальных" несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+h31э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+h31э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

На рис. 1 справа приведена реальная схема усилителя с общей базой. Входное сопротивление не превышает 100 Ом. База транзистора соединена с общим проводом через конденсатор С2, который представляет для высокочастотных сигналов очень малое сопротивление. Если усилитель работает на частотах более 30 МГц, то параллельно С2 нужно включить конденсатор с емкостью 1 нФ. Высокое сопротивление каскада составляет сотни килоом, что позволяет полностью включить в цепь коллектора высокодобротный колебательный контур L1C3. Чтобы полностью использовать усилительные свойства каскада, следующий каскад должен иметь очень высокое сопротивление (например, каскад на полевом транзисторе или эмиттерный повторитель). Каскад с ОБ имеет высокую стабильность и мало зависит колебаний напряжения питания, так как охвачен ООС по постоянному току через резистор R1.

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току (а следовательно и по мощности). К особенностям данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка единиц кОм), и относительно высокое (порядка нескольких кОм) выходное сопротивление. Отличительная особенность - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть - инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления по мощности схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. В качестве усилительной характеристики транзисторов используется величина "h31э" - это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером.

Справа на рис. 2 приведена реальная схема резонансного усилителя, где транзистор включен по схеме с ОЭ. У этой схемы имеются недостатки, по сравнению с ОБ. Имеется зависимость коэффициента усиления от частоты. Поэтому следует выбирать транзистор, граничная частота усиления которого по крайней мере в 1,5 раза превышает частоту, на которой будет работать каскад. Следует также выбирать тип транзистора с низким уровнем собственных шумов (особенно в первых каскадах усилителей с большим коэффициентом усиления). Схема с ОЭ не так стабильна, как с ОБ, так как не охвачена ООС по постоянному току. Это можно сделать, если включить в цепь эмиттера параллельно включенные резистор и блокирующий его конденсатор. Чтобы не снижать добротности резонансного контура, коллектор подключен к части его витков.

Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в h31э раз. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или резонансный контур с высокой добротностью. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем.

В схеме на рис. 3 конденсатор С3 замыкает токи высокой частоты на общий провод. Схема имет ООС по постоянному току через резистор R2.

Обобщим для ясности свойства всех схем в таблице:

Буду рад, если вам эта статья поможет.

Всем здоровья и успехов.

Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

        Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как , а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

       Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

               Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают).

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

     После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.

       Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

       Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

       Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.

       На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

Конфигурация с общей базой (CB) или усилитель с общей базой

Общая база Конфигурация


В общая базовая конфигурация, эмиттер - входной терминал, коллектор - это выходной терминал, а базовый терминал - подключен как общий терминал для входа и выхода. Который означает, что терминал эмиттера и общий базовый терминал известны как входные клеммы, тогда как клемма коллектора и общий базовый терминал известен как выходной терминал.

В общая базовая конфигурация, базовая клемма заземлена, поэтому общая базовая конфигурация также известна как заземленная база конфигурация. Иногда упоминается общая базовая конфигурация как общий базовый усилитель, CB-усилитель или CB конфигурация.

входной сигнал подается между выводами эмиттера и базы в то время как соответствующий выходной сигнал снимается через коллекторные и базовые клеммы.Таким образом, базовый терминал транзистор является общим для входных и выходных клемм и поэтому она называется общей базовой конфигурацией.

напряжение питания между базой и эмиттером обозначается V BE в то время как напряжение питания между коллектором и базой обозначается Автор: V CB .

As упоминалось ранее, в каждой конфигурации база-эмиттер соединение J E всегда смещено вперед и коллектор-база J C всегда обратный пристрастный.Поэтому в общей базовой конфигурации переход база-эмиттер J E имеет прямое смещение и коллектор-база J C имеет обратное смещение.

общая базовая конфигурация для обоих NPN и PNP транзисторы показаны на рисунке ниже.

От приведенные выше принципиальные схемы транзисторов npn и pnp, он может видно, что для транзисторов npn и pnp на входе применяется к эмиттеру, а вывод берется из коллектор.Общая клемма для обеих цепей - это основание.

Текущий поток в общей базе усилителя

Для для понимания, давайте рассмотрим транзистор NPN в общая базовая конфигурация.

npn-транзистор образуется, когда одиночный p-тип полупроводниковый слой зажат между двумя n-типами полупроводниковые слои.

переход база-эмиттер J E смещен в прямом направлении напряжение питания В ВЕ при коллектор-база переход J C обратно смещен напряжением питания В CB .

Срок к напряжению прямого смещения V BE , свободные электроны (основные носители) в области эмиттера испытывают сила отталкивания от отрицательной клеммы аккумулятора аналогично отверстия (большинство перевозчиков) в базовом регионе испытывают сила отталкивания от положительного вывода аккумулятор.

As в результате свободные электроны начинают перетекать от эмиттера к базе аналогично дырки начинают перетекать от базы к эмиттеру. Таким образом бесплатно электроны, которые текут от эмиттера к базе и дыркам которые протекают от базы к эмиттеру, проводят электрические ток. Фактический ток переносится свободными электронами. которые перетекают от эмиттера к базе.Однако мы следуем общепринятый текущее направление от базы к эмиттеру. Таким образом электрический ток создается в области базы и эмиттера.

свободные электроны, которые текут от эмиттера к базе, будут Совместите с отверстиями в области основания аналогично отверстиям которые текут от базы к эмиттеру, будут сочетаться с электроны в эмиттерной области.

От На рисунке выше видно, что ширина базовой области очень тонкий. Поэтому лишь небольшой процент бесплатных электроны из области эмиттера объединятся с дырками в базовый регион и оставшееся большое количество свободных электроны пересекают базовую область и попадают в коллектор область. Большое количество свободных электронов, вошедших в регион коллектора испытает притягательную силу от положительный полюс аккумуляторной батареи.Таким образом, бесплатные электроны в области коллектора будут течь к положительный полюс аккумуляторной батареи. Таким образом, электрический ток равен производится в коллекторском регионе.

электрический ток, производимый в области коллектора, в основном за счет свободных электронов из области эмиттера аналогично электрический ток, производимый в базовой области, также в первую очередь за счет свободных электронов из эмиттерной области.Следовательно, ток эмиттера больше, чем базовый ток и ток коллектора. Ток эмиттера - это сумма тока базы и коллектора.

I E = I B + I C

ср Знайте, что ток эмиттера - это входной ток, а ток коллектора ток - это выходной ток.

выходной ток коллектора меньше входного эмиттера ток, поэтому коэффициент усиления по току этого усилителя на самом деле меньше 1.Другими словами, усилитель с общей базой ослабляет электрический ток, а не усиливает его.

база-эмиттер разветвление J E на входе действует как передний смещенный диод. Таким образом, усилитель с общей базой имеет низкий входное сопротивление (низкое сопротивление входящему току). На С другой стороны, переход коллектор-база J C при выходная сторона действует как реверс смещенный диод.Таким образом, усилитель с общей базой имеет высокий выходное сопротивление.

Следовательно, то усилитель с общей базой обеспечивает низкий входной импеданс и высокий выходное сопротивление.

Транзисторы с низким входным сопротивлением и высоким выходным сопротивлением обеспечивают высокий коэффициент усиления по напряжению.

Даже хотя коэффициент усиления по напряжению высокий, коэффициент усиления по току очень низкий и общий коэффициент усиления мощности общего базового усилителя низкий. по сравнению с другими конфигурациями транзисторных усилителей.

транзисторные усилители с общей базой в основном используются в приложения, где требуется низкий входной импеданс.

Усилитель с общей базой в основном используется как усилитель напряжения или текущий буфер.

Это тип схемы транзистора не очень распространен и не является так же широко используется, как и две другие конфигурации транзисторов.

Принцип работы pnp-транзистора с конфигурацией CB: То же, что и npn-транзистор с конфигурацией CB. Единственный разница в том, что свободные электроны npn-транзистора проводят большую часть ток, тогда как в транзисторе pnp отверстия проводят больше всего тока.

Кому полностью описать поведение транзистора с CB конфигурации, нам понадобится два набора характеристик: они

  • Ввод характеристики
  • Выход характеристики.

Ввод характеристики

входные характеристики описывают взаимосвязь между входными ток (I E ) и входное напряжение ( BE В).

Первый, проведите вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось y, а горизонтальная линия представляет ось x. В принимается входной ток или ток эмиттера (I E ) по оси y (вертикальная линия), а входное напряжение (V BE ) снимается по оси x (горизонтальная линия).

Кому определить входные характеристики, выходное напряжение В CB (напряжение коллектор-база) поддерживается постоянным на уровне нуля вольт и входное напряжение V BE увеличено с нуля вольт на разные уровни напряжения. Для каждого уровня напряжения входное напряжение ( ВЕ ), входной ток (I E ) записывается на бумаге или в любой другой форме.

Тогда кривая между входным током I E и входным напряжением V BE при постоянном выходном напряжении V CB (0 вольт).

Далее, выходное напряжение (В CB ) увеличено с нуля вольт до определенного уровня напряжения (8 вольт) и поддерживается постоянным на 8 вольт. При увеличении выходного напряжения ( CB V), входное напряжение (V BE ) поддерживается постоянным на нуле вольт.После мы сохранили выходное напряжение ( V CB ) постоянная при 8 вольт, входное напряжение V BE равно увеличился от нуля вольт до разных уровней напряжения. Для каждый уровень входного напряжения (В BE ), входной ток (I E ) записывается на бумаге или в любом другая форма.

А Затем строится кривая между входным током I E и входное напряжение В BE при постоянном выходном напряжении В CB (8 вольт).

Это повторяется для более высоких фиксированных значений выходного напряжения (V CB ).

Когда выходное напряжение ( В, CB ) равно нулю и переход эмиттер-база J E смещен вперед входное напряжение (В BE ), переход эмиттер-база действует как обычный диод с p-n переходом. Итак, входные характеристики такие же, как прямые характеристики нормального pn переходной диод.

Падение напряжения кремниевого транзистора составляет 0,7 вольт и на германиевом транзисторе 0,3 вольта. В нашем случае это кремниевый транзистор. Итак, из приведенного выше графика мы видим, что после 0,7 В небольшое увеличение входного напряжения (В BE ) быстро увеличит входной ток (I E ).

Когда выходное напряжение (В CB ) увеличено с нуля вольт до определенного уровня напряжения (8 вольт), эмиттер ток будет увеличиваться, что, в свою очередь, уменьшает ширина обедненной области на переходе эмиттер-база.Как результат, падение напряжения будет уменьшено. Следовательно, кривые смещен влево для более высоких значений вывода напряжение В CB .

Выход характеристики

выходные характеристики описывают взаимосвязь между выходной ток (I C ) и выходное напряжение ( CB В).

Первый, проведите вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось y, а горизонтальная линия представляет ось x. В выходной ток или ток коллектора (I C ) берется по оси ординат (вертикальная линия) и выходное напряжение ( В, CB ) снимается по оси абсцисс (горизонтальная линия).

Кому определить выходные характеристики, входной ток или ток эмиттера I E поддерживается постоянным равным нулю мА и выходное напряжение V CB увеличено с нуля вольт на разные уровни напряжения.Для каждого уровня напряжения выходное напряжение В CB , выходной ток (I C ) записывается.

А Затем строится кривая между выходным током I C и выходное напряжение В CB при постоянном входном токе I E (0 мА).

Когда ток эмиттера или входной ток I E равен 0 мА транзистор работает в области отсечки.

Далее, входной ток (I E ) увеличен с 0 мА до 1 мА, регулируя входное напряжение V BE и входное ток I E поддерживается постоянным на уровне 1 мА. Пока увеличивая входной ток I E , выходное напряжение V CB остается неизменным.

После мы сохранили входной ток (I E ) постоянным на уровне 1 мА, выходное напряжение (В CB ) увеличено с нуля вольт на разные уровни напряжения.Для каждого уровня напряжения выходное напряжение ( CB V), выходной ток (I C ) записывается.

А Затем строится кривая между выходным током I C и выходное напряжение В CB при постоянном входном токе I E (1 мА). Эта область известна как активная область транзистор.

Это повторяется для более высоких фиксированных значений входного тока I E (Я.е. 2 мА, 3 мА, 4 мА и т. Д.).

От Из приведенных выше характеристик видно, что при постоянном входной ток I E , при выходном напряжении V CB увеличивается, выходной ток I C остается постоянный.

в область насыщения, оба перехода эмиттер-база J E и переход коллектор-база J C смещены в прямом направлении.Из приведенного выше графика мы видим, что внезапное увеличение ток коллектора при выходном напряжении V CB составляет переход коллектор-база J C смещен вперед.

Ранний эффект

Срок для прямого смещения переход база-эмиттер J E действует как диод с прямым смещением и из-за обратного смещения коллектор-база J C действует как обратносмещенный диод.

Следовательно, то ширина истощения область на переходе база-эмиттер J E составляет очень мала, тогда как ширина обедненной области на коллектор-базовый переход J C очень большой.

Если выходное напряжение V CB приложено к коллектор-базовый переход J C дополнительно увеличен, ширина обедненной области еще больше увеличивается.Базовый регион слабо легирован по сравнению с коллекторной областью. Так что область истощения проникает больше в базовую область и меньше в коллекторский регион. В результате ширина основания регион уменьшается. Эта зависимость базовой ширины от вывода напряжение (В CB ) известно как ранний эффект.

Если выходное напряжение V CB приложено к коллектор-база J C сильно увеличена, ширина основания может быть уменьшена до нуля и вызывает напряжение пробой транзистора.Это явление известно как удар через.

Транзистор параметры

Динамический ввод сопротивление (r i )

динамический входное сопротивление определяется как отношение изменения входного напряжение или напряжение эмиттера (В BE ) на соответствующее изменение входного тока или тока эмиттера (I E ), с выходным напряжением или напряжением коллектора (В CB ) держится на постоянном уровне.

Входное сопротивление общей базы усилитель очень низкий.

Динамический выход сопротивление (r o )

динамический выход сопротивление определяется как отношение изменения выходного напряжения или напряжение коллектора (В CB ) к соответствующему изменение выходного тока или тока коллектора (I C ), при сохранении входного тока или тока эмиттера (I E ) при постоянном.

Выходное сопротивление общего база усилителя очень высока.

Текущее усиление (α)

ток усиление транзистора в конфигурации CB определяется как соотношение выходного тока или тока коллектора (I C ) к входному току или току эмиттера (I E ).

коэффициент усиления по току транзистора в конфигурации CB меньше чем единство.Типичный коэффициент усиления по току обычного базового усилителя составляет 0,98.


Основы электроники - Аналоговая электроника (Часть шестая)

Усилитель с общим эмиттером

Усилитель с общим эмиттером регулирует амплитуду электрического сигнала и инвертирует фазу входного сигнала.На рисунке 11-47 показан усилитель с общим эмиттером для переменного тока, использующий NPN-транзистор, и график его выходного сигнала. Цепи с общим эмиттером характеризуются высоким коэффициентом усиления по току и сдвигом фазы напряжения 180 ° от входа к выходу. Он предназначен для усиления сигнала микрофона для управления динамиком. Как всегда, соответствующее напряжение правильной полярности на базу переводит транзистор в активный режим или включает его. Затем, когда базовый входной ток колеблется, ток через транзистор изменяется пропорционально.Однако переменный ток переключается между положительной и отрицательной полярностью. Каждые 180 ° транзистор закрывается, потому что полярность перехода база-эмиттер транзистора неправильная для прямого смещения перехода. Чтобы транзистор оставался включенным, напряжение смещения постоянного тока правильной полярности (показанное как батарея на 2,3 В (В)) помещается последовательно с входным сигналом в базовой цепи, чтобы удерживать транзистор в активном режиме при изменении полярности переменного тока. . Таким образом, транзистор остается в активном режиме для усиления всего переменного сигнала.

Транзисторы рассчитываются по отношению тока коллектора к току базы, или бета (β). Это устанавливается при изготовлении агрегата и не может быть изменено. Транзистор 100 β может пропускать через цепь коллектор-эмиттер в 100 раз больше тока, чем входной сигнал базы. Этот ток на Рисунке 11-47 обеспечивается аккумулятором 15 В, 1 В. Таким образом, амплитуда усиления является коэффициентом бета транзистора и любых линейных резисторов, используемых в схемах.Однако колебания выходного сигнала полностью контролируются колебаниями тока, подаваемого на базу транзистора.

Рисунок 11-47. Схема усилителя с общим эмиттером для усиления микрофонного сигнала переменного тока для возбуждения динамика (вверху) и график выходного сигнала, показывающий сдвиг фазы на 180 градусов (внизу).

Если выполнены измерения входного и выходного напряжений, будет показано, что по мере увеличения входного напряжения выходное напряжение уменьшается. Это учитывает инвертированную фазу, создаваемую схемой с общим эмиттером.[Рисунок 11-47]

Усилитель с общим коллектором

Еще одним основным типом схемы усилителя является усилитель с общим коллектором. Цепи с общим коллектором характеризуются высоким коэффициентом усиления по току, но по вертикали не имеют усиления по напряжению. Входная цепь и цепь нагрузки в этом усилителе имеют общий вывод коллектора используемого транзистора. Поскольку нагрузка включена последовательно с эмиттером, через нее проходят как входной, так и выходной ток. Это вызывает прямо пропорциональную зависимость между входом и выходом.Коэффициент усиления по току в этой конфигурации схемы высокий. Небольшая величина входного тока может контролировать большое количество тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. Схема усилителя с общим коллектором показана на рисунке 11-48. Базовый ток должен протекать через PN переход транзистора, который имеет пороговое значение 0,7 В. Выходной ток усилителя равен бета-значению транзистора плюс 1.

Рисунок 11-48. Базовая схема усилителя с общим коллектором.И входная, и выходная цепи разделяют путь через нагрузку и эмиттер. Это вызывает прямую зависимость выходного тока от входного.

Во время усиления переменного тока усилитель с общим коллектором имеет ту же проблему, что и усилитель с общим эмиттером. Транзистор должен оставаться включенным или в активном режиме независимо от полярности входного сигнала. Когда переменный ток проходит через ноль, транзистор выключается, потому что минимальная величина тока для прямого смещения транзистора недоступна.Добавление источника смещения постоянного тока (батареи) последовательно с сигналом переменного тока во входной цепи сохраняет транзистор в активном режиме на протяжении всего цикла переменного тока. [Рисунок 11-49] Рисунок 11-49. Постоянный ток смещения используется для удержания транзистора усилителя с общим коллектором в активном режиме при усилении переменного тока (вверху). Выход этого усилителя синфазен и прямо пропорционален входу (внизу). Разница в амплитуде между ними составляет 0,7 В, используемое для смещения PN перехода транзистора во входной цепи.

Усилитель с общим коллектором также может быть построен на транзисторе PNP. [Рис. 11-50] Он имеет те же характеристики, что и усилитель с общим коллектором NPN, показанный на Рис. 11-50. При установке с высоким сопротивлением во входной цепи и малым сопротивлением в цепи нагрузки усилитель с общим коллектором можно использовать для понижения импеданса сигнала. [Рисунок 11-51] Рисунок 11-50. Схема усилителя с общим коллектором с транзистором PNP имеет те же характеристики, что и у усилителя с общим коллектором с транзистором NPN, за исключением обратной полярности напряжения и направления тока.Рисунок 11-51. Эта схема с общим коллектором имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.

Усилитель с общей базой

Третий тип схемы усилителя, использующий биполярный транзистор, - это усилитель с общей базой. В этой схеме общий вывод транзистора является выводом базы. [Рисунок 11-52] Это вызывает уникальную ситуацию, в которой ток базы на самом деле больше, чем ток коллектора или эмиттера. Таким образом, усилитель с общей базой не увеличивает ток, как это делают другие усилители.Он ослабляет ток, но приводит к большому усилению напряжения. Очень небольшое колебание базового напряжения во входной цепи вызывает большое изменение выходного напряжения. Воздействие на выход схемы прямое, поэтому фаза выходного напряжения такая же, как у входного сигнала, но намного больше по амплитуде.

Как и в случае с другими схемами усилителя, при усилении сигнала переменного тока с помощью схемы усилителя с общей базой входной сигнал на базу должен включать источник постоянного тока для прямого смещения перехода база-эмиттер транзистора.Это позволяет току течь от коллектора к эмиттеру в течение обоих циклов переменного тока. Схема усиления переменного тока проиллюстрирована на рисунке 11-53 с графиком выходного напряжения, показывающим произведенное большое увеличение. Использование усилителя с общей базой ограничено, поскольку он не увеличивает ток. Это делает эту конфигурацию наименее используемой. Однако он используется для усиления радиочастоты из-за низкого входного Z. На рисунке 11-54 приведены характеристики схем биполярного усилителя, обсужденных выше.

Рисунок 11-52. Схема усилителя с общей базой для постоянного тока. Рисунок 11-53. В схеме усиления переменного тока с общей базой (вверху) амплитуда выходного напряжения значительно увеличивается по фазе с входным сигналом (внизу).

ПРИМЕЧАНИЕ. Существует множество вариантов схемотехники. Полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы также используются в схемах усилителей, обычно в усилителях небольшого сигнала из-за их низкого уровня шума на выходе.

Рисунок 11-54. Характеристики усилителя на транзисторах с PN переходом. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Oscillator Circuits

Генераторы работают, чтобы сделать переменный ток из постоянного.Они могут генерировать сигналы различной формы в соответствии с требованиями электронных схем. Есть много разных типов генераторов и схем генераторов. Некоторые из наиболее распространенных типов обсуждаются ниже.

Генераторы создают синусоидальную волну, когда проводник вращается в однородном магнитном поле. Типичная синусоида переменного тока характеризуется постепенным нарастанием и падением напряжения в одном направлении, за которым следует аналогичное плавное нарастание до пикового напряжения и снова снижение до нуля в противоположном направлении.Значение напряжения в любой момент времени цикла можно вычислить, взяв пиковое напряжение и умножив его на синус угла поворота проводника. [Рисунок 11-55] Рисунок 11-55. Напряжение с течением времени синусоидального электричества создается, когда проводник вращается в однородном магнитном поле, например, в генераторе.

Прямоугольная волна возникает, когда в течение заданного периода существует поток электронов, который останавливается на заданное время и затем повторяется. При постоянном токе это просто пульсирующий постоянный ток.[Рис. 11-56] Эта же форма волны может иметь противоположную полярность при прохождении через трансформатор для получения переменного тока. Некоторые осцилляторы производят прямоугольные волны.

Рисунок 11-56. Форма волны пульсирующего постоянного тока представляет собой прямоугольную волну.

Осциллятор, известный как релаксационный осциллятор, генерирует другой вид волны - пилообразную волну. Медленный рост от нуля до пикового напряжения сопровождается быстрым падением напряжения почти до нуля. Затем это повторяется. [Рисунок 11-57] В цепи конденсатор медленно заряжается через резистор.К конденсатору подключена неоновая лампа. Когда достигается напряжение зажигания, лампа проводит ток. Это приводит к короткому замыканию заряженного конденсатора, в результате чего напряжение падает почти до нуля, и лампа гаснет. Затем напряжение снова возрастает по мере повторения цикла.

Рисунок 11-57. Осциллятор релаксации создает на выходе пилообразную волну.

Электронное колебание

Колебание в электронных схемах достигается путем объединения транзистора и цепи резервуара. Цепь резервуара состоит из конденсатора и катушки, параллельных друг другу.[Рисунок 11-58] При подключении к источнику питания путем замыкания переключателя A конденсатор заряжается до напряжения, равного напряжению батареи. Он остается заряженным даже при разомкнутой цепи аккумулятора (переключатель в положении B). Когда переключатель установлен в положение C, конденсатор и катушка находятся в замкнутой цепи. Конденсатор разряжается через катушку. Получая энергию от конденсатора, катушка накапливает ее, создавая электромагнитное поле. Когда конденсатор полностью разряжен, катушка перестает проводить.Магнитное поле схлопывается, что вызывает ток. Ток заряжает противоположную пластину конденсатора. После полной зарядки конденсатор снова разряжается в катушке. Магнитное поле нарастает снова и прекращается, когда конденсатор полностью разряжается. Магнитное поле снова схлопывается, что индуцирует ток, заряжающий исходную пластину конденсатора, и цикл повторяется.

Рисунок 11-58. Цепь резервуара поочередно заряжает противоположные пластины конденсатора через катушку в замкнутой цепи.Колебания - это переменный ток, который уменьшается из-за сопротивления в цепи.

Это колебание заряда и разряда конденсатора через катушку продолжалось бы бесконечно, если бы цепь могла быть построена без сопротивления. Это невозможно. Однако схема может быть построена с использованием транзистора, который восстанавливает потери из-за сопротивления. Есть несколько способов добиться этого. Схема генератора Хартли на рис. 11-59 - одна. Схема может колебаться бесконечно, пока она подключена к источнику питания.

Рисунок 11-59. Генератор Хартли использует контур резервуара и транзистор для поддержания колебаний при подаче питания.

Когда переключатель замкнут, в цепи генератора начинает течь ток. На базу транзистора через делитель напряжения RA и RB подается ток смещения. Это позволяет току течь через транзистор от коллектора к эмиттеру, через RE и через нижнюю часть центральной катушки с отводами, обозначенную L1. Ток, увеличивающийся через эту катушку, создает магнитное поле, которое индуцирует ток в верхней половине катушки, обозначенной L2.Ток от L2 заряжает конденсатор C2, что увеличивает прямое смещение транзистора. Это позволяет увеличивать ток через транзистор RE и L1 до тех пор, пока транзистор не станет насыщенным и конденсатор C1 не будет полностью заряжен. Без силы, чтобы добавить электроны к конденсатору C1, он разряжается и начинает колебаться в контуре резервуара, описанном в предыдущем разделе. Когда C1 полностью заряжается, ток для заряда C2 уменьшается, и C2 также разряжается. Это добавляет энергию, необходимую в контур резервуара, чтобы компенсировать потери сопротивления.Когда C2 разряжается, это уменьшает прямое смещение, и в конечном итоге транзистор становится смещенным в обратном направлении и отключается. Когда противоположная обкладка конденсатора C1 полностью заряжена, она разряжается и колебания продолжаются. База транзистора снова становится смещенной в прямом направлении, позволяя протекать току через резистор RE, катушку L1 и т. Д.

Частота колебаний переменного тока в цепи генератора Хартли зависит от значений индуктивности и емкости используемых компонентов. Использование кристалла в схеме генератора позволяет более точно контролировать частоту.Кристалл вибрирует с единственной постоянной частотой. При сгибании из-за пьезоэлектрического эффекта создается небольшой импульс тока. Помещенные в контур обратной связи, импульсы от кристалла регулируют частоту контура генератора. Значения компонентов цепи резервуара настроены в соответствии с частотой кристалла. Колебания сохраняются, пока подается питание. [Рисунок 11-60] Рисунок 11-60. Кристалл в цепи электронного генератора используется для настройки частоты колебаний.

В других типах схем генераторов, используемых в электронике и компьютерах, есть два транзистора, которые попеременно находятся в активном режиме. Их называют мультивибраторами. Выбор генератора в электронном устройстве зависит от точного типа манипулирования электричеством, необходимого для того, чтобы устройство функционировало по желанию.

Летный механик рекомендует

Что все это за обычные вещи?

Загрузите эту статью в формате PDF.

В 2007 году компания-стартап по преобразованию энергии продвигала схему настенного бородавка, в которой был внешний полевой транзистор, управляющий внешним высоковольтным транзистором (рис. 1) . Я отмечаю, что стартап-компания была поглощена великими людьми из Power Integrations, и я не вижу упоминания об этой части или схеме на ее веб-сайте. Действительно, Power Integrations подтвердила, что эта деталь устарела, и порекомендовала бы свое устройство LinkSwitch-4, которое управляет высоковольтным транзистором напрямую через базу.

Когда я впервые увидел эту внешнюю схему на полевом транзисторе в 2007 году, я не понял причины, думая, что было бы проще поместить полевой транзистор внутри корпуса или заставить внутренний полевой транзистор управлять внешним полевым транзистором большего размера. Меня также смутило, почему полевой транзистор драйвера был подключен к высоковольтному транзистору в конфигурации с общей базой. Я пытался спросить у пиарщика из стартап-компании, но у него действительно не было однозначного ответа. Затем я написал кучу приятелей, спрашивая, что происходит.

На мой вопрос «почему бы им просто не вбить базу прямо с микросхемой?» Боб Пиз написал: «Думаю, я могу ответить на этот вопрос.Управлять базой NPN с низким бета будет сложнее, чем пропустить полевой транзистор через эмиттер. С приводом от базы вам нужно будет управлять большим током базы и током Миллера. FET помогает избежать этого ».

1. Этот автономный маломощный обратноходовой преобразователь использует полевой транзистор для управления транзистором в режиме с общей базой.

Эффект Миллера вызван неизбежной емкостью между коллектором и базой или стоком и затвором (рис. 2) .Когда транзистор включается, напряжение на коллекторе начинает падать. Емкость CB (коллектор-база) будет пытаться опустить базу ниже, препятствуя ее включению. Чем быстрее сигнал, тем ниже база. Это может быть хуже в больших полевых транзисторах, поскольку емкость DG (сток-затвор) имеет тенденцию быть больше, чем емкость CB аналогичного NPN-транзистора.

Pease продолжение,

«Здравствуйте, господа, и Пол тоже. Я думаю, что этот пиарщик просто притворяется тупым и изрекает то, что ему сказали: «Выходной транзистор всего лишь дешевый биполярный» для пиар-эффекта и отвлекает покупателя полуправдой.Ему, вероятно, легко притвориться тупым, потому что он тупой . Настоящие инженеры избегали говорить ему, потому что хотели, чтобы он оставался немым. Вы правы, спрашивая его - и спрашивая нас. Думаю, дело в разметке. Вся остальная часть схемы - низковольтная КМОП, например 5 или 12 вольт. (Трудно быть уверенным, так как значения R не опубликованы.) Используя ОДИН дешевый высоковольтный NPN, 2N3440 или аналогичный, им не нужен процесс высоковольтного полевого транзистора на их микросхеме.Думаю, это разумное экономичное решение. Это разумный пример «интеграции dis ». Когда для пиарщиков ново принять принудительное решение и представить его как блестящее преимущество ? Позвольте мне вернуться и посмотреть, не мое ли это положение. Да уж. Это мой анализ. С уважением, зверюга. / рэп »

В этом есть смысл. Наличие процесса ИС, который имеет напряжение пробоя 250 В, приведет к ухудшению каждого устройства внутри микросхемы и приведет к увеличению размера и стоимости кристалла.Я видел это с усилителями DSL. Телекоммуникационные компании не встраивали усилители драйверов в логические микросхемы. Усилители были подключены через трансформатор к POTS-линии на витой паре, длина которой могла составлять несколько километров. Таким образом, усилителям потребовались большие диоды электростатического разряда (ESD), чтобы подавить выбросы и шум, исходящие от этих проводов. Лучше использовать для этого широкополосный аналоговый процесс и штрафовать кристалл усилителя, чем ставить большие антистатические диоды на логическую микросхему КМОП с тонкими линиями, где площадь кристалла намного дороже.

2. Схема Q1 подвержена эффекту Миллера. Когда напряжение на коллекторе падает во время включения, внутренняя емкость внутри транзистора передает это падающее напряжение на базу, что приводит к его выключению. Q2 управляется полевым транзистором, использующим транзистор в режиме с общей базой. Более низкий импеданс у основания лучше противостоит эффекту Миллера.

Пиз написал мне позже и добавил. «Вот еще один лакомый кусочек. NPN и биполяры насыщаются, и, если управлять ими напрямую, Миллера их очень много.Полевые транзисторы легко довести до уровня постоянного тока, но их емкость затвор-сток может быть очень большой. Лотов эффекта Миллера ».

Тем временем Боб Добкин, технический директор Linear Technology, написал мне: «Основная причина использования биполярного привода на полевых транзисторах - это стоимость. Биполяры дешевле, чем полевые транзисторы высокого напряжения. Полевой транзистор используется микросхемой, потому что им легче управлять. Но держу пари, что стоимость обоих устройств, сборки и хранения, больше, чем одного полевого транзистора высокого напряжения. Кроме того, биполяры HV работают медленнее по сравнению с полевыми транзисторами. Так что трансформатор и конденсаторы больше.”

Это то, чего я не мог заставить объяснить пиарщиком. Я сказал, что он должен был сообщить мне цену Digi-Key, чтобы показать, что один полевой транзистор высокого напряжения дороже, чем один транзистор высокого напряжения плюс один полевой транзистор низкого напряжения. Теперь я понимаю, почему они использовали транзистор с общей базой. Дергание эмиттера снижает эффект Миллера. Требуется меньше управления затвором, чтобы заряжать затвор низковольтного полевого транзистора с размахом Миллера, возможно, 10 В, а не напрямую управлять высоковольтным транзистором, где размах Миллера будет составлять сотни вольт.

Отличительной чертой этих деталей является высокая эффективность, поэтому, возможно, они также могут сэкономить несколько кулонов привода ворот.Но все же это не означает, что они не имеют штрафов за транзистор FET +. Специалист по связям с общественностью сказал, что цены Digi-Key не репрезентативны, поэтому я попросил его дать мне Arrow или Farnell или любую другую цену для больших объемов.

Вскоре Джон Дутра, в то время инженер по приложениям Texas Instruments, а ныне работавший в Apple, добавил: «Эффект Миллера все еще существует, даже если биполярный электрод управляется общей базой, если только базовое сопротивление не равно нулю, а это не так. Но нижний полевой транзистор не видит высокого dV / dt , поэтому это более быстрый способ вождения, без эффекта Миллера, за счет количества деталей и потерь V * I при включении.По мнению Добби [Добкина], некоторые фиксирующие диоды, вероятно, в порядке, как, например, когда Уильямс сделал каскод на рис. 6 AN25 (рис. 3) . Угловые случаи, а также переходные процессы линии и нагрузки расскажут о надежности. Паспорт этого устройства расскажет вам больше об их алгоритме. Похоже, это могло сработать. Я удивлен, что они подключили контакт FB [обратная связь]. Они не указывают номер детали для каскода NPN ни в одном из своих технических паспортов. При малой мощности каскод NPN поверх полевого транзистора или NPN должен подойти.”

3. Джим Уильямс использовал каскодную схему с общим стоком в этом полностью изолированном регуляторе от −48 до +5 В. Конденсатор емкостью 100 мкФ создает напряжение смещения затвора с низким импедансом, но Уильямс осторожно добавил к затвору ограничительный диод и стабилитрон. (Любезно предоставлено Linear Technology)

Добкин добавил: «Я видел еще одну проблему с высоковольтными транзисторами. Они медленные. Если выключить эмиттер, весь ток в транзисторе должен куда-то уйти. Некоторые выходят из базы, некоторые выходят из эмиттера.Если выключить достаточно быстро, эмиттер взлетит высоко и задует полевой транзистор под ним. Вы не можете бежать по этой трассе быстро. Если вы выключите полевой транзистор быстро, ток в биполярном узле продолжит течь. Эмиттер переходит в высокий уровень, пока не выйдет из строя переход EB [эмиттер-база] или полевой транзистор. В любом случае вы в конце концов выпустите дым из упаковки ».

Пиз согласился: «Добкин совершенно прав, эмиттер может быть высоким. Вот почему они поместили ограничивающий диод на базу NPN, чтобы удерживать базу - и, следовательно, эмиттер.Когда у насыщенного транзистора напряжение коллектора превышает 100 вольт, емкость коллектор-база будет пытаться забрать базу и эмиттер вместе с собой. Но зажим на основании может очень помочь - он может помочь снять насыщенный переход база-эмиттер с . / рэп »

Пиз добавил: «Импеданс у основания NPN легко сделать ниже, чем импеданс драйвера затвора полевого транзистора. Таким образом, драйвер на полевом транзисторе может быть небольшим и не должен управлять емкостью Миллера. Каскод позволяет избежать проблемы Миллеринга.База (или затвор), связанная с напряжением смещения +12 В, может подавать большой ток в шину смещения +12 В, но это низкий импеданс и дешевизна. Привод к затвору полевого транзистора намного сложнее, чем привод к основанию каскода. / рэп »

Таким образом, кажется, что эта схема была хорошей архитектурой для ограничения эффекта Миллера, но ей мешал процесс IC, который не мог интегрировать сильноточный полевой транзистор. Интересно, что когда я смотрю на недорогие ИС для защиты от повреждений, я вижу, что большинство из них напрямую управляют базой высоковольтного транзистора, например LinkSwitch-4.Следовательно, у большинства компаний должен быть процесс с таким низким выходным сопротивлением, при котором эффект Миллера не является проблемой. Стоимость имеет решающее значение в этих приложениях, и имеет смысл максимально сократить количество деталей.

Pease закончил критику маркетинговых методов, которые не дают точной информации, «P.S. Схема, которую вы нам показали, представляет собой упрощенную схему . Могу поспорить, что где-то в цепи настоящего есть амортизаторы R-C. В противовес пиарщику, который пытается возразить: «Эта схема показывает, насколько мы умны.... 'Люди, которые размахивают упрощенными схемами, не стоят многого. / rap ”

Расчет транзистора как переключателя

Хотя транзисторы (BJT) широко используются для создания схем усилителя, их также можно эффективно использовать для коммутационных приложений.

Транзисторный ключ - это схема, в которой коллектор транзистора включается / выключается с относительно большим током в ответ на соответствующий сигнал включения / выключения низкого тока на его базовом эмиттере.

В качестве примера следующую конфигурацию BJT можно использовать в качестве переключателя для инвертирования входного сигнала для логической схемы компьютера.

Здесь вы можете обнаружить, что выходное напряжение Vc противоположно потенциалу, приложенному к базе / эмиттеру транзистора.

Кроме того, база не связана с каким-либо фиксированным источником постоянного тока, в отличие от схем на основе усилителя. Коллектор имеет источник постоянного тока, который соответствует уровням питания системы, например, 5 В и 0 В в этом случае компьютерного приложения.

Мы поговорим о том, как эта инверсия напряжения может быть спроектирована, чтобы гарантировать, что рабочая точка правильно переключается с отключения на насыщение вдоль линии нагрузки, как показано на следующем рисунке:

Для настоящего сценария на приведенном выше рисунке мы имеем предполагается, что IC = ICEO = 0 мА, когда IB = 0 мкА (отличное приближение в отношении улучшения стратегии строительства). Кроме того, предположим, что VCE = VCE (sat) = 0 В вместо обычного уровня от 0,1 до 0,3 В.

Теперь при Vi = 5 В BJT включится, и при рассмотрении конструкции необходимо обеспечить высокую степень насыщения конфигурации на величину IB, которая может быть больше, чем значение, связанное с кривой IB, видимой вблизи насыщения. уровень.

Как видно из приведенного выше рисунка, в этих условиях значение IB должно быть больше 50 мкА.

Расчет уровней насыщения

Уровень насыщения коллектора для показанной схемы можно рассчитать по формуле:

IC (sat) = Vcc / Rc

Величина базового тока в активной области непосредственно перед уровнем насыщения может рассчитывается по формуле:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Уравнение 1

Это означает, что для реализации уровня насыщения должно выполняться следующее условие:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc -------- Уравнение 2

На приведенном выше графике, когда Vi = 5 В, результирующий уровень IB можно оценить в следующий метод:

Если мы проверим уравнение 2 с этими результатами, мы получим:

Это, по-видимому, полностью удовлетворяет требуемому условию.Несомненно, любое значение IB, превышающее 60 мкА, будет допущено к проникновению через точку Q над линией нагрузки, расположенной очень близко к вертикальной оси.

Теперь, если обратиться к сети BJT, показанной на первой диаграмме, в то время как Vi = 0 В, IB = 0 мкА и предположить, что IC = ICEO = 0 мА, падение напряжения на RC будет по формуле:

VRC = ICRC = 0 В.

Это дает нам VC = +5 В для первой диаграммы выше.

В дополнение к приложениям для переключения логики компьютера, эта конфигурация BJT также может быть реализована как коммутатор с использованием тех же крайних точек линии нагрузки.

Когда происходит насыщение, ток IC имеет тенденцию становиться довольно высоким, что, соответственно, снижает напряжение VCE до самой низкой точки.

Это приводит к возникновению уровня сопротивления на двух клеммах, как показано на следующем рисунке и рассчитывается по следующей формуле:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), как показано на следующем рисунке.

Если мы предположим типичное среднее значение для VCE (sat), такое как 0,15 В в приведенной выше формуле, мы получим:

Это значение сопротивления на клеммах коллектора-эмиттера выглядит довольно маленьким по сравнению с последовательным сопротивлением в килоомах на коллекторные клеммы БЮТ.

Теперь, когда вход Vi = 0 В, переключение BJT будет отключено, в результате чего сопротивление на коллекторе-эмиттере будет:

R (отсечка) = Vcc / ICEO = 5 В / 0 мА = ∞ Ω

Это приводит к возникновению разрыва цепи на выводах коллектора-эмиттера. Если мы рассмотрим типичное значение 10 мкА для ICEO, значение сопротивления отсечки будет таким, как указано ниже:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 В / 10 мкА = 500 кОм

Это значение выглядит значительно большим и эквивалент разомкнутой цепи для большинства конфигураций BJT в качестве переключателя.

Решение практического примера

Рассчитайте значения RB и RC для транзисторного переключателя, сконфигурированного как инвертор ниже, учитывая, что ICmax = 10 мА

Формула для выражения насыщения коллектора:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 мА = 10 В / Rc

∴ Rc = 10 В / 10 мА = 1 кОм

Также в точке насыщения

IB ≅ IC (sat) / βdc = 10 мА / 250 = 40 мкА

Для гарантированного насыщения выберем IB = 60 мкА, а по формуле

IB = Vi - 0.7 В / RB, получаем

RB = 10 В - 0,7 В / 60 мкА = 155 кОм,

Округляя полученный результат до 150 кОм и снова оценивая приведенную выше формулу, получаем:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 В - 0,7 В / 150 кОм = 62 мкА,

, так как IB = 62 мкА > ICsat / βdc = 40 мкА

Это подтверждает, что мы должны использовать RB = 150 кОм

Расчет Коммутационные транзисторы

Вы найдете специальные транзисторы, называемые переключающими транзисторами, из-за их высокой скорости переключения с одного уровня напряжения на другой.

На следующем рисунке сравниваются периоды времени, обозначенные как ts, td, tr и tf, с током коллектора устройства.

Влияние периодов времени на характеристику скорости коллектора определяется характеристикой тока коллектора, как показано ниже:

Общее время, необходимое транзистору для переключения из состояния «выключено» в состояние «включено», обозначено как t (on) и может быть установлено по формуле:

t (on) = tr + td

Здесь td определяет задержку, происходящую, когда входной сигнал переключения меняет состояние, а транзисторный выход реагирует на изменение.Время tr указывает окончательную задержку переключения от 10% до 90%.

Общее время, затраченное bJt из включенного состояния в выключенное состояние, обозначается как t (выключено) и выражается формулой:

t (выключено) = ts + tf

ts определяет время хранения, в то время как tf определяет время спада с 90% до 10% от исходного значения.

Ссылаясь на приведенный выше график, для БЮТ общего назначения, если ток коллектора Ic = 10 мА, мы можем видеть, что:

ts = 120 нс, td = 25 нс, tr = 13 нс, tf = 12 нс

, что означает t (вкл.) = Tr + td = 13 нс + 25 нс = 38 нс

t (выкл.) = Ts + tf = 120 нс + 12 нс = 132 нс

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

Транзистор PNP - принцип работы, характеристики и применение

PNP-транзистор - это подтип биполярных переходных транзисторов (BJT). Это базовый транзистор, который часто используется в различных электронных схемах. Он используется для таких функций, как усиление сигнала, переключатели и генераторы.В этом посте представлена ​​подробная информация о транзисторе PNP, принципах работы транзистора PNP, его характеристиках, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое PNP-транзистор

PNP-транзистор - это тип биполярного переходного транзистора, который состоит из трех слоев, в которых слой с примесью "N" расположен между двумя слоями с примесью "P". В транзисторах PNP электроны являются неосновными носителями заряда, а дырки - основными носителями заряда. Течение тока происходит из-за движения отверстий.Имеет два PN перехода:

  • Переход эмиттер-база
  • Коллектор-база

Рис.1 - Введение в транзисторы PNP

Малый базовый ток имеет возможность управлять большим током эмиттера, так как это устройство, управляемое током. Структура противоположна транзистору NPN, но аналогична по работе.

Символ транзистора PNP показывает стрелку, направленную внутрь от эмиттера к базе, которая указывает направление обычного тока.PNP-транзистор считается включенным, когда напряжение источника, подключенного к базе, низкое, и выключается, когда оно высокое.

Рис.2 - Обозначение транзистора PNP

Как работает транзистор PNP

Чтобы понять принцип работы транзистора, необходимо знать характеристики полупроводников.

Четвертый столбец периодической таблицы содержит определенные элементы, которые в контролируемых условиях ведут себя как проводники и изоляторы.Эти элементы называются полупроводниками. Электроны движутся в полупроводнике медленно, а дырки движутся медленнее, чем электроны. Для изменения удельного сопротивления полупроводника требуется всего несколько донорных или акцепторных атомов.

PNP-транзистор работает, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Говорят, что переход имеет прямое смещение, когда полупроводник P-типа подключен к положительному выводу, а полупроводник N-типа подключен к отрицательному выводу.При обратном смещении полупроводник P-типа подключается к отрицательной клемме, а полупроводник N-типа подключается к положительной клемме.

Рис.3 - Конструкция и обозначение схемы PNP-транзистора

Область базового коллектора имеет обратное смещение, в котором используется внешний источник напряжения. Это означает, что база имеет более высокий потенциал, чем коллектор. Обратное смещение не создает диффузии, и, следовательно, между клеммами не протекает ток.

Область базового эмиттера смещена в прямом направлении, так что напряжение на эмиттере имеет более высокий потенциал, чем на базе (V BE ).Отверстия вставляются в эмиттер (P-область), пересекая область обеднения в базу от положительного вывода источника напряжения (V BE ). Поскольку эмиттер сильно легирован, он привлекает много электронов, которые диффундируют в базовую область.

В то же время электроны текут из отрицательной клеммы, толкая электроны около перехода эмиттер-база в эмиттер. Это заставляет ток (I E ) течь от эмиттера к коллектору.

Ток коллектора или ток базы можно рассчитать по формуле

База отрицательнее Эмиттера примерно на 0.7 вольт для кремниевого полупроводника и 0,3 вольт для германиевого полупроводника.

Подводя итог, при увеличении напряжения прямого смещения барьер перехода эмиттер-база уменьшается. Это позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, что, в свою очередь, увеличивает ток от эмиттера к коллектору. Это также означает, что уменьшение напряжения прямого смещения уменьшает ток.

  Подробнее о PN-переход, прямом смещении, обратном смещении и слое истощения  

Характеристики транзистора PNP

Взаимосвязь между постоянным током и напряжением отображается графически и называется характеристиками.Две важные характеристики транзистора PNP:

  • Входные характеристики
  • Выходные характеристики

Входные характеристики для общей конфигурации

В конфигурации с общей базой для различных постоянных значений выходного напряжения (В BC ) строится кривая между входным током (I E ) и входным напряжением (В BE ).

На рисунке ниже показан приблизительный график для входных характеристик.Из этой характеристической кривой мы можем сделать вывод, что для фиксированного значения выходного напряжения (V BC ) напряжение эмиттера прямо пропорционально току эмиттера (I E ).

Рис.4 - Входные характеристики для общей базовой конфигурации

Выходные характеристики для общей конфигурации

Для различных постоянных значений входного тока (I E ) строится кривая между выходным током (I C ) и выходным напряжением (V BC ).На рисунке ниже показаны выходные характеристики с тремя интересующими областями, указанными как активная область, область отсечки и область насыщения. Транзистор действует как переключатель «ВЫКЛ» в области отсечки и переключатель «ВКЛ» в области насыщения.

Рис.5 - Выходные характеристики для общей базовой конфигурации

  • В активной области соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение с базой коллектора смещено в обратном направлении.
  • В области отсечки и соединение база-эмиттер, и соединение-база коллектора имеют обратное смещение.
  • В области насыщения переходы базового эмиттера и базового коллектора смещены в прямом направлении.

Применение транзистора PNP

Применения транзисторов PNP включают:

  • Они используются при разработке схем усилителя, таких как усилители класса B.
  • Они используются в общем управлении двигателем.
  • Транзисторы PNP
  • широко используются в парных схемах Дарлингтона.
  • Используются как переключатели.
  • Используются как генераторы.

Преимущества транзистора PNP

Преимущества транзисторов PNP:

  • Транзисторы PNP используются для источника тока.
  • Упрощает конструкцию схемы, поскольку генерирует сигнал, привязанный к отрицательной шине питания.
  • Как и другие транзисторы, он меньше по размеру и может входить в состав интегральных схем.
  • Они генерируют меньше шума, чем транзисторы NPN.

Недостатки транзистора PNP

Недостатками транзисторов PNP являются:

  • Транзистор PNP сравнительно медленнее, чем транзистор NPN.
  • Они не могут работать на более высоких частотах.
  • Уровни производительности ниже по сравнению с транзисторами NPN.
  Также читают: 
  Однопереходный транзистор (UJT) - конструкция, работа, характеристики и применение 
  Твердотельный накопитель (SSD) - принцип работы, типы, применение, SSD против жесткого диска 
  Мультиплексор (Mux) - типы, каскадирование, методы мультиплексирования, приложение  

Лакшми является Б.Е. (Электроника и связь) и имеет опыт работы в RelQ Software в качестве инженера-испытателя и HP в качестве руководителя службы технической поддержки.Она является автором, редактором и партнером Electricalfundablog.

Транзисторы 101: подробное описание транзисторов

Транзисторы - один из наиболее часто используемых элементов в электронных схемах. Их простота использования и простой принцип работы - вот что делает их популярными среди разработчиков электроники. В основном они выполняют две функции: переключение и усиление. Вам просто нужно несколько вычислений, чтобы внедрить это трехногий прибор в ваш следующий проект и дать ему возможность правильно работать.Итак, давайте подробно рассмотрим транзисторы и посмотрим, как вы можете использовать их в своем предстоящем электронном проекте. К концу этого сообщения в блоге у вас будет четкое представление о внутренней структуре транзистора, его различных типах и способах их включения в электронные схемы.

Насколько важны транзисторы?

Транзисторы используются почти во всех электронных схемах. Более того, они используются в интегральных схемах (IC), логических элементах (AND, OR, NOT, XOR и т. Д.).) и многие другие электронные компоненты. В среднем ИС содержит 42 миллиона транзисторов, а iPhone 11 - 8,5 миллиардов транзисторов.

Как выглядит внутренняя структура транзистора?

Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала, такого как кремний, германий и др. Добавление примесей в полупроводниковые пластины позволяет производителям транзисторов создавать области n-типа и p-типа. Этот процесс называется допингом.

Легирование позволяет полупроводниковой пластине, такой как кремний, разделяться на две области; n-тип и p-тип. Что это за регионы и чем они отличаются? Количество положительных и отрицательных зарядов, присутствующих в этой области, - вот что их отличает. Отрицательно заряженные частицы называются электронами, а положительно заряженные области - дырками, потому что отсутствие электрона создает «дырку». В области n-типа основными носителями являются электроны, а в области p-типа основными носителями являются дырки.

Транзистор создается путем размещения области p-типа между двумя областями n-типа, и наоборот. NPN и PNP - это два типа транзисторов, в зависимости от их внутренней структуры. Три вывода транзистора берут начало от каждой из трех легированных областей, находящихся внутри него. Средняя зона - это базовая клемма, а две другие - эмиттерная и коллекторная.

Как работают транзисторы?

Транзисторы работают как усилители или переключатели.При работе в качестве усилителя транзистор принимает небольшой входной ток и усиливает его, чтобы получить больший выходной ток. С другой стороны, при работе как выключатель низкий входной ток на входной клемме включается и вызывает больший ток на выходной клемме. Обе конфигурации транзисторов выгодны, что делает их очень популярными в проектировании электронных схем.

Если мы подключим отрицательную клемму батареи к области n-типа (эмиттер), а положительную клемму к базе (область p-типа), ток будет течь от базы к эмиттеру.Точно так же, если мы поместим коллектор (область n-типа) на более высокий положительный потенциал, чем база и эмиттер, ток эмиттера будет генерироваться и течь к коллектору. Ток коллектор-эмиттер I CE регулируется через базовое напряжение.

Режимы переключения и усиления достигаются за счет обеспечения правильного напряжения базы, коллектора и эмиттера. Давайте рассмотрим некоторые основные схемы транзисторов, чтобы понять, как происходит усиление и переключение.

Конфигурации транзисторов

Существует три основных конфигурации транзисторов, которые широко используются в разработке электронных схем:

  • Общий эмиттер
    Конфигурация с общим эмиттером работает как усилитель, а также как переключатель. Входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал измеряется на клемме коллектора. Эмиттер является общим как для входных, так и для выходных клемм, поскольку входной сигнал подается на клеммы база-эмиттер, а выходной сигнал собирается на клеммах коллектора и эмиттера.На схеме ниже показано, как можно построить схему усилителя с общим эмиттером. В этих примерах схем мы рассматриваем NPN-транзисторы.

  • Общий коллектор
    В этой конфигурации входной сигнал подается на базу, а выходной - с клеммы эмиттера. Коллектор является общим как для входных, так и для выходных клемм; вам необходимо заземлить эту клемму при построении вашей схемы с общим коллектором. Эта конфигурация в основном используется в качестве схемы буфера напряжения, переключателя и схемы согласования импеданса.На схеме ниже показана базовая реализация схемы с общим коллектором.

  • Общая база
    Как вы, возможно, уже догадались, клемма базы является общей для входных и выходных сигналов. Эмиттер действует как входной терминал, а выходной сигнал генерируется на коллекторе. Базовая клемма заземлена так, что она является общей для обеих других клемм. Конфигурация с общей базой в основном используется для согласования импеданса.На схеме ниже показано, как можно реализовать схему усилителя с общей базой.

Среди трех конфигураций транзисторов наиболее популярной является конфигурация с общим эмиттером. Это в основном из-за его усиления по напряжению, которого достаточно для большинства транзисторных приложений по сравнению с коэффициентом усиления двух других конфигураций.

Транзистор как переключатель

Переключатель - это электронный компонент, который позволяет создавать или разрывать соединение в цепи.Разрыв соединения называется разомкнутой цепью (ВЫКЛ), в то время как замкнутая цепь (ВКЛ) - когда соединение установлено. Самым популярным применением транзисторов является их использование в качестве переключателя. Как работают три вывода транзистора, когда он действует как переключатель?

Транзистор

А работает в двух режимах - насыщения и отсечки. Когда он работает как переключатель, он отключается, когда находится в режиме отсечки, поскольку через него не течет ток коллектора, и он включается при работе в режиме насыщения.Ток коллектора генерируется при наличии входного сигнала на базе; это когда транзистор включен. Когда нет входного сигнала, транзистор переходит в режим отсечки и выключается, при этом ток не течет через коллектор.

Вот базовая схема, в которой транзистор NPN работает как переключатель. На базу подается входное напряжение. Вы должны иметь в виду, что кремниевым устройствам с p-n переходом для работы требуется напряжение выше 0,7 В. Следовательно, ваше напряжение база-эмиттер (V BE ) должно быть выше 0.7В для включения транзистора. Резистор на входе определяет величину напряжения на базе.

Когда V BE больше 0,7 В, переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении, что приводит к максимальному току коллектора. Это когда ваш транзистор находится в режиме насыщения и действует как замкнутая цепь. В результате загорится светодиод на выходе.

Аналогично, когда вход заземлен, напряжение база-эмиттер будет меньше 0.7 Вольт, что приводит к обратному смещению переходов база-эмиттер и база-коллектор. Следовательно, через коллектор не будет протекать ток, и транзистор будет в режиме отсечки, что приведет к выключению выходного светодиода.

Применение транзистора: Генератор

Очень распространенная электронная схема - это генератор, используемый в различных приложениях, таких как светодиоды, обработка сигналов и тактовые генераторы микроконтроллера. Используя пару транзисторов, мы можем быстро построить схему генератора, как показано на схеме ниже.

Конденсаторы, присутствующие в цепи генератора, играют наиболее важную роль. Когда один конденсатор заряжается, он включает транзистор до его разрядки. Между тем, второй конденсатор заряжается и включает второй транзистор, когда первый выключается. Это генерирует осциллирующий импульс, поскольку транзисторы соединены в виде зеркала с противоположной полярностью.

Вы можете изменить частоту колебаний, изменив номиналы конденсатора и резистора в соответствии с вашими потребностями.Все, что вам нужно, это пара транзисторов, пара конденсаторов и несколько резисторов для построения многоцелевой схемы генератора.

Хотите узнать ТЗ? Изучите возможности электроники Fusion 360, включая ТЗ и ТЗ, загрузив бесплатную пробную версию.

Autodesk Fusion 360 предлагает множество инструментов для инженеров, включая трехмерное проектирование печатных плат, исчерпывающие наборы данных и многое другое. Чего ты ждешь? Начните свой следующий электронный проект в Fusion 360 уже сегодня.

Транзистор

как переключатель

Все мы знаем, что транзистор имеет 4 режима работы, в которых обычно используются активная, отсечка и насыщенность. Транзистор работает в активной области, когда он работает как усилитель. Когда транзистор работает как переключатель, он работает в областях отсечки и насыщения. В состоянии отсечки переходы эмиттерной базы и коллекторной базы имеют обратное смещение. Но в области насыщения оба перехода смещены вперед. Переключатель - очень полезное и важное применение транзисторов.В большинстве цифровых ИС транзисторы будут работать как переключатель, чтобы снизить энергопотребление. Это также очень полезная схема для любителей электроники, поскольку ее можно использовать в качестве драйвера, инвертора и т. Д.

Схема транзистора как переключателя

Из приведенной выше схемы мы можем видеть, что управляющий вход Vin подается на базу через токоограничивающий резистор Rb, а Rc - это резистор коллектора, который ограничивает ток через транзистор. В большинстве случаев выход снимается с коллектора, но в некоторых случаях нагрузка подключается вместо Rc.

  • ВКЛ = насыщенность
  • ВЫКЛ = отсечка

Транзистор как переключатель - ВКЛ

Транзистор в качестве переключателя

Транзистор переходит в состояние ВКЛ (насыщение), когда на вход подается достаточное напряжение V. В этом состоянии напряжение коллектор-эмиттер Vce будет примерно равно нулю, т.е. транзистор действует как короткое замыкание. Для кремниевого транзистора он равен 0,3 В. Таким образом, будет течь ток коллектора Ic = Vcc / Rc .

Транзистор как переключатель - ВЫКЛ

Транзистор как выключение

Транзистор будет в выключенном состоянии (отсечка), когда вход Vin равен нулю.В этом состоянии транзистор работает как разомкнутая цепь, и, таким образом, все напряжение Vcc будет доступно на коллекторе.

Проект

Ток коллектора, Ic = ßIb + Iceo

, где ß - коэффициент усиления в конфигурации с обычным эмиттером, а lceo - ток утечки.

Ток утечки, Iceo можно пренебречь, поэтому

Ib = Ic / ß

Когда транзистор включен (область насыщения), напряжение Vce коллектора-эмиттера приблизительно равно нулю.Для кремниевого транзистора обычно 0,3 В. Таким образом, ток коллектора Ic можно записать как,

Ic = (Vcc - Vce) / Rc , то есть максимальное значение Ic, которое может протекать через контур.

Ic = Vcc / Rc , так как Vce меньше 0,3 В.

Чтобы транзистор оставался в состоянии насыщения, должен течь достаточный базовый ток Ib. Минимальный базовый ток можно определить из уравнения Ib = Ic / ß

Чтобы убедиться, что транзистор находится в состоянии насыщения, возьмем Ib ’= 10Ib

So Rb = (Vin - Vbe) / Ib ’

Примечание: В случае транзистора PNP просто замените GND на Vcc , Vcc на GND , и транзистор будет ВКЛ , когда входное напряжение Vin равно LOW .

Различные способы подключения нагрузок

Нагрузка может быть подключена к транзистору разными способами, некоторые из них показаны ниже.

Транзистор в качестве переключателя Различные способы подключения нагрузок

В случае индуктивных нагрузок, таких как реле, параллельно ему должен быть подключен обратный диод.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *