Bipolární tranzistor - podrobný popis všech parametrů polovodiče. bipolární tranzistor

bipolární tranzistor- elektronické polovodičové zařízení, jeden z typů tranzistorů, určené k zesilování, generování a převádění elektrických signálů. Tranzistor se nazývá bipolární, protože dva typy nosičů náboje se současně účastní provozu zařízení - elektrony A díry. V tomto se liší od jednopolární(field-effect) tranzistor, na kterém se podílí pouze jeden typ nosičů náboje.

Princip činnosti obou typů tranzistorů je podobný činnosti vodního ventilu, který reguluje průtok vody, tranzistorem prochází pouze tok elektronů. U bipolárních tranzistorů procházejí zařízením dva proudy - hlavní "velký" proud a řídící "malý" proud. Výkon hlavního proudu závisí na výkonu ovládání. U tranzistorů s efektem pole prochází zařízením pouze jeden proud, jehož výkon závisí na elektromagnetickém poli. V tomto článku se budeme podrobněji zabývat fungováním bipolárního tranzistoru.

Bipolární tranzistorové zařízení.

Bipolární tranzistor se skládá ze tří polovodičových vrstev a dvou PN přechodů. Tranzistory PNP a NPN se rozlišují podle typu střídavého otvoru a elektronických vodivostí. Je to jako dvě diody spojené tváří v tvář nebo naopak.

Bipolární tranzistor má tři kontakty (elektrody). Kontakt vycházející z centrální vrstvy se nazývá základna (základna). Koncové elektrody jsou pojmenovány kolektor A emitor (kolektor A emitor). Základní vrstva je vzhledem ke kolektoru a emitoru velmi tenká. Kromě toho nejsou oblasti polovodičů na okrajích tranzistoru symetrické. Polovodičová vrstva na straně kolektoru je o něco silnější než na straně emitoru. To je nezbytné pro správnou funkci tranzistoru.

Zvažte fyzikální procesy, které se vyskytují během provozu bipolárního tranzistoru. Vezměme si jako příklad model NPN. Princip činnosti PNP tranzistoru je podobný, pouze polarita napětí mezi kolektorem a emitorem bude opačná.

Jak již bylo zmíněno v článku o typech vodivosti v polovodičích, v látce typu P jsou kladně nabité ionty - díry. Látka typu N je nasycena záporně nabitými elektrony. V tranzistoru je koncentrace elektronů v oblasti N mnohem vyšší než koncentrace děr v oblasti P.

Připojte zdroj napětí mezi kolektor a emitor V CE (V CE). Jeho působením se elektrony z horní části N začnou přitahovat k plusu a shromažďovat se v blízkosti kolektoru. Proud však nemůže téci, protože elektrické pole zdroje napětí nedosáhne emitoru. Tomu brání silná vrstva kolektorového polovodiče plus vrstva základního polovodiče.

Nyní připojíme napětí mezi bázi a emitor V BE , ale mnohem nižší než V CE (pro křemíkové tranzistory je minimální požadované V BE 0,6V). Protože vrstva P je velmi tenká, plus zdroj napětí připojený k základně se bude moci svým elektrickým polem "natáhnout" do oblasti N emitoru. Při jeho působení půjdou elektrony do základny. Některé z nich začnou vyplňovat otvory, které se tam nacházejí (rekombinovat). Druhá část pro sebe nenajde volný otvor, protože koncentrace děr v základně je mnohem nižší než koncentrace elektronů v emitoru.

V důsledku toho je centrální vrstva báze obohacena o volné elektrony. Většina z nich půjde směrem ke kolektoru, protože tam je napětí mnohem vyšší. To je také usnadněno velmi malou tloušťkou středové vrstvy. Nějaká část elektronů, i když mnohem menší, bude stále proudit směrem k plusu báze.

Výsledkem jsou dva proudy: malý - ze základny do emitoru I BE a velký - z kolektoru do emitoru I CE.

Pokud se napětí báze zvýší, pak se ve vrstvě P nahromadí ještě více elektronů. V důsledku toho se základní proud mírně zvýší a kolektorový proud se výrazně zvýší. Tím pádem, s malou změnou základního proudu I B kolektorový proud I se velmi liší C. Tak to chodí zesílení signálu v bipolárním tranzistoru. Poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B se nazývá proudový zisk. Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistorem.

Nejjednodušší bipolární tranzistorový zesilovač

Podívejme se podrobněji na princip zesílení signálu v elektrické rovině pomocí obvodu jako příkladu. Předem udělám výhradu, že takové schéma není úplně správné. Nikdo nepřipojuje zdroj stejnosměrného napětí přímo ke zdroji střídavého napětí. Ale v tomto případě bude snazší a jasnější pochopit samotný mechanismus zesílení pomocí bipolárního tranzistoru. Také samotná výpočetní technika v příkladu níže je poněkud zjednodušena.

1. Popis hlavních prvků řetězce

Řekněme tedy, že máme tranzistor se ziskem 200 (β = 200). Ze strany kolektoru připojíme poměrně výkonný zdroj 20V, díky jehož energii dojde k zesílení. Ze strany báze tranzistoru připojíme slabý napájecí zdroj 2V. K němu připojíme sériově zdroj střídavého napětí ve tvaru sinusu, s amplitudou kmitání 0,1V. Toto bude signál, který má být zesílen. Rezistor Rb v blízkosti základny je potřebný k omezení proudu přicházejícího ze zdroje signálu, který má obvykle nízký výkon.

2. Výpočet základního vstupního proudu Ib

Nyní spočítáme základní proud Ib. Protože se zabýváme střídavým napětím, musíme vypočítat dvě hodnoty proudu - při maximálním napětí (V max) a minimálním (V min). Nazvěme tyto aktuální hodnoty, respektive - I bmax a I bmin.

Abyste mohli vypočítat proud báze, musíte znát napětí báze-emitor V BE. Mezi bází a emitorem je jeden PN přechod. Ukazuje se, že základní proud se na své cestě "setká" s polovodičovou diodou. Napětí, při kterém se polovodičová dioda začne vodit, je asi 0,6V. Nebudeme zabíhat do podrobností o proudově-napěťové charakteristice diody a pro usnadnění výpočtu si vezmeme přibližný model, podle kterého je napětí na proudově vodivé diodě vždy 0,6V. To znamená, že napětí mezi bází a emitorem je V BE = 0,6V. A jelikož je emitor spojen se zemí (V E = 0), je napětí ze základny k zemi také 0,6V (V B = 0,6V).

Vypočítejme I bmax a I bmin pomocí Ohmova zákona:

2. Výpočet výstupního proudu I C kolektoru

Nyní, když známe zisk (β = 200), můžeme snadno vypočítat maximální a minimální hodnoty kolektorového proudu (I cmax a I cmin).

3. Výpočet výstupního napětí V out

Kolektorovým proudem protéká rezistor Rc, který jsme již vypočítali. Zbývá dosadit hodnoty:

4. Analýza výsledků

Jak je vidět z výsledků, VCmax se ukázalo být menší než VCmin. Je to proto, že napětí na V Rc je odečteno od napájecího napětí VCC. To však ve většině případů nevadí, protože nás zajímá proměnná složka signálu - amplituda, která se zvýšila z 0,1V na 1V. Frekvence a sinusový průběh se nezměnily. Samozřejmě, desetinásobný poměr V out / V není zdaleka nejlepším indikátorem pro zesilovač, ale je docela vhodný pro ilustraci procesu zesílení.

Pojďme si tedy shrnout princip fungování zesilovače na bipolárním tranzistoru. Bází protéká proud I b, který nese konstantní a proměnnou složku. Konstantní složka je potřebná k tomu, aby PN přechod mezi bází a emitorem začal vést - „otevřel se“. Proměnnou složkou je ve skutečnosti samotný signál (užitečná informace). Síla proudu kolektor-emitor uvnitř tranzistoru je výsledkem vynásobení proudu báze zesílením β. Napětí na rezistoru Rc nad kolektorem je zase výsledkem násobení zesíleného kolektorového proudu hodnotou rezistoru.

Výstup V out tedy přijímá signál se zvýšenou amplitudou kmitů, ale se zachovaným tvarem a frekvencí. Je důležité zdůraznit, že tranzistor odebírá energii pro zesílení z napájecího zdroje VCC. Pokud napájecí napětí nestačí, tranzistor nebude schopen plně pracovat a výstupní signál může být zkreslený.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

V souladu s úrovněmi napětí na elektrodách tranzistoru existují čtyři režimy jeho činnosti:

Režim odříznutí.
Aktivní režim (aktivní režim).
Režim saturace.
Reverzní režim.

Režim cutoff

Když je napětí báze-emitor nižší než 0,6V - 0,7V, PN přechod mezi bází a emitorem je uzavřen. V tomto stavu nemá tranzistor žádný proud báze. V důsledku toho také nebude existovat žádný kolektorový proud, protože v základně nejsou žádné volné elektrony připravené k pohybu směrem ke kolektorovému napětí. Ukázalo se, že tranzistor je jakoby uzamčen a říkají, že je uvnitř cutoff režim.

Aktivní režim

V aktivní režim napětí na bázi je dostatečné k otevření PN přechodu mezi bází a emitorem. V tomto stavu má tranzistor základní a kolektorové proudy. Kolektorový proud se rovná základnímu proudu vynásobenému zesílením. To znamená, že aktivní režim je normální provozní režim tranzistoru, který se používá pro zesílení.

Režim saturace

Někdy může být základní proud příliš velký. V důsledku toho napájecí výkon prostě nestačí k zajištění takového kolektorového proudu, který by odpovídal zesílení tranzistoru. V saturačním režimu bude kolektorový proud maximální, které může napájecí zdroj poskytnout, a nebude ovlivněn základním proudem. V tomto stavu není tranzistor schopen zesílit signál, protože kolektorový proud nereaguje na změny proudu báze.

V saturačním režimu je vodivost tranzistoru maximální a je vhodnější pro funkci spínače (klíče) ve stavu "zapnuto". Stejně tak v režimu cutoff je vodivost tranzistoru minimální a tomu odpovídá i spínač ve stavu „vypnuto“.

Inverzní režim

V tomto režimu hraje roli přepínač kolektoru a emitoru: PN přechod kolektoru je předpjatý dopředu a přechod emitoru je obrácený. V důsledku toho proud teče ze základny do kolektoru. Kolektorová polovodičová oblast není symetrická k emitoru a zisk v inverzním režimu je nižší než v normálním aktivním režimu. Konstrukce tranzistoru je provedena tak, aby v aktivním režimu pracoval co nejefektivněji. Proto se v inverzním režimu tranzistor prakticky nepoužívá.

Základní parametry bipolárního tranzistoru.

aktuální zisk- poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B . Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistory.

β je konstantní hodnota pro jeden tranzistor a závisí na fyzické struktuře zařízení. Vysoký zisk se počítá ve stovkách jednotek, nízký - v desítkách. U dvou samostatných tranzistorů stejného typu, i když byly během výroby „sousedy podél potrubí“, se β může mírně lišit. Tato vlastnost bipolárního tranzistoru je možná nejdůležitější. Pokud lze ve výpočtech často zanedbat ostatní parametry zařízení, pak je proudový zisk téměř nemožný.

Vstupní impedance- odpor v tranzistoru, který se "setká" s proudem báze. Označeno R dovnitř (R dovnitř). Čím větší je, tím lépe pro zesilovací charakteristiky zařízení, protože na straně základny je obvykle slabý zdroj signálu, ze kterého musíte odebírat co nejméně proudu. Ideální možností je, když je vstupní odpor roven nekonečnu.

Rin pro průměrný bipolární tranzistor je několik stovek KΩ (kiloohmů). Zde bipolární tranzistor velmi ztrácí na tranzistor s efektem pole, kde vstupní odpor dosahuje stovek GΩ (gigaohmů).

Výstupní vodivost- vodivost tranzistoru mezi kolektorem a emitorem. Čím větší je výstupní vodivost, tím větší proud kolektor-emitor bude schopen procházet tranzistorem při menším výkonu.

Také se zvýšením výstupní vodivosti (nebo snížením výstupní impedance) se zvyšuje maximální zatížení, které zesilovač snese s malou ztrátou celkového zisku. Pokud například tranzistor s nízkou výstupní vodivostí zesílí signál 100krát bez zátěže, pak při připojení zátěže 1KΩ již zesílí pouze 50krát. Tranzistor se stejným ziskem, ale vyšší výstupní vodivostí bude mít menší pokles zisku. Ideální možností je, když je výstupní vodivost rovna nekonečnu (nebo výstupní odpor R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Potřebná vysvětlení jsou uvedena, pojďme k věci.

Tranzistory. Definice a historie

Tranzistor- elektronické polovodičové zařízení, ve kterém je proud v obvodu dvou elektrod řízen třetí elektrodou. (tranzistors.ru)

Jako první byly vynalezeny tranzistory s efektem pole (1928) a bipolární tranzistory se objevily v roce 1947 v Bellových laboratořích. A byla to bez nadsázky revoluce v elektronice.

Tranzistory rychle nahradily elektronky v různých elektronických zařízeních. V tomto ohledu se spolehlivost takových zařízení zvýšila a jejich velikost se značně zmenšila. A dodnes, bez ohledu na to, jak „efektní“ je mikroobvod, stále obsahuje spoustu tranzistorů (stejně jako diody, kondenzátory, odpory atd.). Jen velmi malé.

Mimochodem, zpočátku se "tranzistory" nazývaly rezistory, jejichž odpor bylo možné měnit pomocí velikosti použitého napětí. Pokud pomineme fyziku procesů, pak lze moderní tranzistor také reprezentovat jako odpor, který závisí na signálu, který je na něj aplikován.

Jaký je rozdíl mezi polními a bipolárními tranzistory? Odpověď spočívá v jejich samotných jménech. V bipolárním tranzistoru zahrnuje přenos náboje A elektrony, A otvory ("bis" - dvakrát). A v poli (aka unipolární) - nebo elektrony, nebo díry.

Tyto typy tranzistorů se také liší v aplikačních oblastech. Bipolární se používají hlavně v analogové technologii a pole - v digitální.

A nakonec: hlavní oblast použití všech tranzistorů- zesílení slabého signálu díky dodatečnému zdroji energie.

bipolární tranzistor. Princip činnosti. Hlavní charakteristiky

Bipolární tranzistor se skládá ze tří oblastí: emitoru, báze a kolektoru, z nichž každá je pod napětím. Podle typu vodivosti těchto oblastí se rozlišují tranzistory n-p-n a p-n-p. Typicky je oblast kolektoru širší než oblast emitoru. Základna je vyrobena z lehce dopovaného polovodiče (proto má vysoký odpor) a je vyrobena velmi tenká. Protože kontaktní plocha emitor-báze je mnohem menší než kontaktní plocha báze-kolektor, není možné zaměnit emitor a kolektor změnou polarity spojení. Tranzistor tedy označuje asymetrická zařízení.

Než se budeme zabývat fyzikou tranzistoru, nastíníme obecný problém.

Skládá se z následujícího: mezi emitorem a kolektorem protéká silný proud ( kolektorový proud), a mezi emitorem a základnou - slabý řídicí proud ( základní proud). Kolektorový proud se bude měnit se změnou základního proudu. Proč?
Uvažujme p-n přechody tranzistoru. Existují dva z nich: emitor-base (EB) a base-collector (BC). V aktivním režimu tranzistoru je první z nich spojen s předpětím a druhý se zpětným předpětím. Co se pak stane na p-n přechodech? Pro větší jistotu budeme uvažovat n-p-n tranzistor. U p-n-p je vše při starém, jen slovo „elektrony“ je třeba nahradit slovem „díry“.

Vzhledem k tomu, že přechod EB je otevřený, elektrony snadno "přeběhnou" k bázi. Tam se částečně rekombinují s dírami, ale Ó Většině z nich se díky malé tloušťce základny a jejímu slabému legování podaří dosáhnout přechodu základna-kolektor. Což, jak si pamatujeme, je zahrnuto s obráceným zkreslením. A protože elektrony v bázi jsou menšími nosiči náboje, elektrické pole přechodu jim pomáhá jej překonat. Kolektorový proud je tedy jen o málo menší než proud emitoru. Nyní pozor na ruce. Pokud zvýšíte proud báze, pak se EB přechod více otevře a mezi emitor a kolektor může proklouznout více elektronů. A protože kolektorový proud je zpočátku větší než základní proud, bude tato změna velmi, velmi patrná. Tím pádem, dojde k zesílení slabého signálu přijímaného základnou. Ještě jednou, velká změna kolektorového proudu je proporcionálním odrazem malé změny proudu báze.

Pamatuji si, že princip činnosti bipolárního tranzistoru byl vysvětlen mému spolužákovi na příkladu vodovodního kohoutku. Voda v něm je kolektorový proud a základní řídicí proud je to, o kolik otočíme knoflíkem. Ke zvýšení průtoku vody z kohoutku stačí malé úsilí (kontrolní akce).

Kromě uvažovaných procesů může na p-n přechodech tranzistoru docházet k řadě dalších jevů. Například při silném zvýšení napětí na přechodu báze-kolektor může začít lavinové znásobení náboje v důsledku nárazové ionizace. A ve spojení s tunelovým efektem to způsobí nejprve elektrický průraz a poté (s rostoucím proudem) tepelný průraz. K tepelnému průrazu v tranzistoru však může dojít i bez elektrického proudu (tj. bez zvýšení kolektorového napětí na průrazné napětí). K tomu bude stačit jeden nadměrný proud kolektorem.

Další jev souvisí s tím, že při změně napětí na přechodech kolektoru a emitoru se mění jejich tloušťka. A pokud je báze příliš tenká, pak může dojít k efektu uzavření (tzv. "proražení" báze) - spojení kolektorového přechodu s emitorem. V tomto případě oblast báze zmizí a tranzistor přestane normálně fungovat.

Kolektorový proud tranzistoru v normálním aktivním režimu tranzistoru je o určitý počet větší než proud báze. Toto číslo se volá aktuální zisk a je jedním z hlavních parametrů tranzistoru. Je určeno h21. Pokud se tranzistor zapne bez zátěže kolektoru, pak při konstantním napětí kolektor-emitor bude poměr kolektorového proudu k proudu báze dávat statický proudový zisk. Může se rovnat desítkám nebo stovkám jednotek, ale stojí za to vzít v úvahu skutečnost, že v reálných obvodech je tento koeficient menší kvůli skutečnosti, že při zapnutí zátěže kolektorový proud přirozeně klesá.

Druhým důležitým parametrem je vstupní odpor tranzistoru. Podle Ohmova zákona je to poměr napětí mezi bází a emitorem k řídicímu proudu báze. Čím větší je, tím nižší je základní proud a vyšší zisk.

Třetím parametrem bipolárního tranzistoru je napěťový zisk. Rovná se poměru amplitudy nebo efektivních hodnot výstupního (emitor-kolektor) a vstupního (base-emitor) střídavého napětí. Protože první hodnota je obvykle velmi velká (jednotky a desítky voltů) a druhá je velmi malá (desetiny voltů), může tento koeficient dosáhnout desítek tisíc jednotek. Je třeba poznamenat, že každý základní řídicí signál má svůj vlastní napěťový zisk.

Také tranzistory jsou frekvenční odezva, která charakterizuje schopnost tranzistoru zesilovat signál, jehož frekvence se blíží mezní frekvenci zesílení. Faktem je, že s rostoucí frekvencí vstupního signálu se zisk snižuje. To je způsobeno tím, že doba hlavních fyzikálních procesů (doba pohybu nosičů od emitoru ke kolektoru, nabíjení a vybíjení kapacitních bariérových přechodů) se stává úměrnou periodě změny vstupního signálu. Tito. tranzistor prostě nestihne reagovat na změny vstupního signálu a v určité chvíli ho prostě přestane zesilovat. Frekvence, se kterou se to děje, se nazývá hranice.

Také parametry bipolárního tranzistoru jsou:

zpětný proud kolektor-emitor
doba zapnutí
kolektorový zpětný proud
maximální povolený proud

Symboly pro tranzistory n-p-n a p-n-p se liší pouze ve směru šipky označující emitor. Ukazuje, jak teče proud v daném tranzistoru.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

Výše diskutovanou možností je normální aktivní režim tranzistoru. Existuje však několik dalších kombinací otevřených / uzavřených p-n přechodů, z nichž každá představuje samostatný provozní režim tranzistoru.

Inverzní aktivní režim. Zde je přechod BC otevřený a EB naopak uzavřený. Zesilovací vlastnosti v tomto režimu samozřejmě nejsou nikde horší, proto se tranzistory v tomto režimu používají velmi zřídka.
Režim saturace. Oba přechody jsou otevřené. V souladu s tím hlavní nosiče náboje kolektoru a emitoru "běží" k základně, kde se aktivně rekombinují s jejími hlavními nosiči. Vlivem vznikajícího přebytku nosičů náboje klesá odpor báze a p-n přechodů. Proto obvod obsahující tranzistor v saturačním režimu lze považovat za zkratovaný a tento rádiový prvek samotný může být reprezentován jako ekvipotenciální bod.
Režim cutoff. Oba tranzistorové přechody jsou uzavřené, tzn. proud hlavních nosičů náboje mezi emitorem a kolektorem se zastaví. Toky vedlejších nosičů náboje vytvářejí pouze malé a nekontrolované proudy tepelného přechodu. Vzhledem k chudobě báze a přechodům nosiči náboje se jejich odpor velmi zvyšuje. Proto se často věří, že tranzistor pracující v režimu cutoff představuje otevřený obvod.
bariérový režim V tomto režimu je základna přímo nebo přes malý odpor uzavřena ke kolektoru. V obvodu kolektoru nebo emitoru je také obsažen odpor, který nastavuje proud tranzistorem. Tímto způsobem se získá obvodový ekvivalent diody se sériovým odporem. Tento režim je velmi užitečný, neboť umožňuje obvodu pracovat na téměř libovolné frekvenci, v širokém teplotním rozsahu a je nenáročný na parametry tranzistorů.

Spínací obvody pro bipolární tranzistory

Vzhledem k tomu, že tranzistor má tři kontakty, musí být v obecném případě napájen ze dvou zdrojů, které mají dohromady čtyři výstupy. Proto musí být jeden z kontaktů tranzistoru napájen napětím stejného znaménka z obou zdrojů. A podle toho, o jaký kontakt se jedná, existují tři obvody pro zapínání bipolárních tranzistorů: se společným emitorem (OE), společným kolektorem (OK) a společnou bází (OB). Každý z nich má výhody i nevýhody. Volba mezi nimi se provádí podle toho, které parametry jsou pro nás důležité a které lze obětovat.

Spínací obvod se společným emitorem

Toto schéma poskytuje největší zesílení napětí a proudu (a tím i výkonu - až desítky tisíc jednotek), a proto je nejběžnější. Zde je spojení emitor-báze zapnuto přímo a spojení báze-kolektor je přepnuto zpět. A protože jak základna, tak kolektor jsou napájeny napětím stejného znaménka, lze obvod napájet z jednoho zdroje. V tomto obvodu se fáze výstupního střídavého napětí mění vzhledem k fázi vstupního střídavého napětí o 180 stupňů.

Ale ke všem laskominám má OE schéma také významnou nevýhodu. Spočívá v tom, že zvýšení frekvence a teploty vede k výraznému zhoršení zesilovacích vlastností tranzistoru. Pokud tedy tranzistor musí pracovat na vysokých frekvencích, je lepší použít jiný spínací obvod. Například se společným základem.

Schéma zapojení se společnou základnou

Tento obvod neposkytuje výrazné zesílení signálu, ale je dobrý na vysokých frekvencích, protože umožňuje plně využít frekvenční odezvu tranzistoru. Pokud je stejný tranzistor zapnut nejprve podle schématu se společným emitorem a poté se společnou základnou, pak ve druhém případě dojde k výraznému zvýšení jeho mezní frekvence zesílení. Protože při takovém zapojení je vstupní impedance nízká a výstupní impedance nepříliš velká, používají se tranzistorové kaskády sestavené podle obvodu OB v anténních zesilovačích, kde vlnová impedance kabelů obvykle nepřesahuje 100 Ohmů. .

Ve společném základním obvodu není fáze signálu invertována a hladina šumu při vysokých frekvencích je snížena. Ale jak již bylo zmíněno, jeho aktuální zisk je vždy o něco menší než jednota. Pravda, napěťový zisk je zde stejný jako v obvodu se společným emitorem. Mezi nevýhody obvodu se společnou základnou lze zařadit i nutnost použití dvou napájecích zdrojů.

Schéma spínání se společným kolektorem

Zvláštností tohoto obvodu je, že vstupní napětí je zcela převedeno zpět na vstup, tj. negativní zpětná vazba je velmi silná.

Připomínám, že negativní zpětná vazba je taková zpětná vazba, při které je výstupní signál přiváděn zpět na vstup, což snižuje úroveň vstupního signálu. K automatickému nastavení tedy dochází při náhodné změně parametrů vstupního signálu.

Proudové zesílení je téměř stejné jako v obvodu se společným emitorem. Ale napěťové zesílení je malé (hlavní nevýhoda tohoto obvodu). Blíží se k jednotě, ale je vždy menší než ona. Výkonový zisk se tedy rovná pouze několika desítkám jednotek.

V obvodu se společným kolektorem nedochází k žádnému fázovému posunu mezi vstupním a výstupním napětím. Protože se napěťové zesílení blíží jednotce, shoduje se výstupní napětí ve fázi a amplitudě se vstupem, tj. opakuje se. Proto se takový obvod nazývá emitorový sledovač. Emitor - protože výstupní napětí je odstraněno z emitoru vzhledem ke společnému vodiči.

Takové zahrnutí se používá pro přizpůsobení tranzistorových stupňů nebo když má zdroj vstupního signálu vysokou vstupní impedanci (například piezoelektrický snímač nebo kondenzátorový mikrofon).

Dvě slova o kaskádách

Stává se, že potřebujete zvýšit výstupní výkon (tj. zvýšit kolektorový proud). V tomto případě se používá paralelní zapojení požadovaného počtu tranzistorů.

Přirozeně by měly být z hlediska vlastností přibližně stejné. Je však třeba mít na paměti, že maximální celkový kolektorový proud by neměl překročit 1,6-1,7 limitního kolektorového proudu žádného z tranzistorů v kaskádě.
To se však (díky za poznámku) v případě bipolárních tranzistorů nedoporučuje. Protože dva tranzistory, dokonce stejného hodnocení, jsou alespoň trochu, ale liší se od sebe. Při paralelním zapojení jimi tedy budou protékat proudy různé velikosti. Pro vyrovnání těchto proudů jsou do emitorových obvodů tranzistorů umístěny symetrické odpory. Hodnota jejich odporu je vypočtena tak, aby úbytek napětí na nich v rozsahu provozních proudů nebyl menší než 0,7 V. Je zřejmé, že to vede k výraznému zhoršení účinnosti obvodu.

Může být také potřeba tranzistor s dobrou citlivostí a přesto dobrým ziskem. V takových případech se používá kaskáda citlivého, ale nízkoenergetického tranzistoru (na obrázku - VT1), který řídí napájení výkonnějšího protějšku (na obrázku - VT2).

Další aplikace pro bipolární tranzistory

Tranzistory lze použít nejen v obvodech pro zesílení signálu. Například díky tomu, že mohou pracovat v režimech saturace a cutoff, se používají jako elektronické klíče. V obvodech generátoru signálu je také možné použít tranzistory. Pokud pracují v režimu klíče, pak bude generován obdélníkový signál, a pokud v režimu zesílení, pak libovolný tvar vlny v závislosti na ovládací akci.

Označení

Protože se článek již rozrostl do neslušně velkého objemu, v tomto odstavci jednoduše uvedu dva dobré odkazy, které podrobně popisují hlavní systémy značení pro polovodičová zařízení (včetně tranzistorů): http://kazus.ru/guide/tranzistors /mark_all soubor .html a .xls (35 kb) .

Užitečné komentáře:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Štítky:

tranzistory
bipolární tranzistory
elektronika

Přidat štítky

Tranzistor je polovodičové zařízení, které může zesilovat, převádět a generovat elektrické signály. První funkční bipolární tranzistor byl vynalezen v roce 1947. Jako materiál pro jeho výrobu sloužilo germanium. A již v roce 1956 se zrodil křemíkový tranzistor.

V bipolárním tranzistoru se používají dva typy nosičů náboje - elektrony a díry, proto se takové tranzistory nazývají bipolární. Kromě bipolárních existují unipolární (polní) tranzistory, které využívají pouze jeden typ nosiče – elektrony nebo díry. Tento článek se bude týkat.

Většina křemíkových tranzistorů má strukturu n-p-n, což vysvětluje i technologie výroby, existují sice i křemíkové tranzistory p-n-p, ale je jich o něco méně než struktur n-p-n. Takové tranzistory se používají jako součást komplementárních párů (tranzistory různé vodivosti se stejnými elektrickými parametry). Například KT315 a KT361, KT815 a KT814 a v koncových stupních tranzistoru UMZCH KT819 a KT818. V importovaných zesilovačích se velmi často používá výkonná doplňková dvojice 2SA1943 a 2SC5200.

Tranzistory struktury p-n-p se často nazývají tranzistory s přímým vedením a struktury n-p-n jsou reverzní. Z nějakého důvodu se tento název v literatuře téměř nenachází, ale v kruhu radiotechniků a radioamatérů se používá všude, každý hned pochopí, o co jde. Obrázek 1 ukazuje schematické zařízení tranzistorů a jejich konvenční grafické symboly.

Obrázek 1.

Kromě rozdílů v typu vodivosti a materiálu jsou bipolární tranzistory klasifikovány podle výkonu a pracovní frekvence. Pokud ztrátový výkon na tranzistoru nepřesáhne 0,3 W, je takový tranzistor považován za nízkopříkonový. Při výkonu 0,3 ... 3 W se tranzistor nazývá tranzistor středního výkonu a při výkonu větším než 3 W je výkon považován za vysoký. Moderní tranzistory jsou schopny rozptýlit výkon několika desítek i stovek wattů.

Tranzistory zesilují elektrické signály ne stejně dobře: s rostoucí frekvencí zesilování tranzistorového stupně klesá a při určité frekvenci se úplně zastaví. Proto se pro provoz v širokém frekvenčním rozsahu vyrábějí tranzistory s různými frekvenčními vlastnostmi.

Podle pracovní frekvence jsou tranzistory rozděleny na nízkofrekvenční - pracovní frekvence není větší než 3 MHz, střední frekvence - 3 ... 30 MHz, vysokofrekvenční - přes 30 MHz. Pokud pracovní frekvence přesahuje 300 MHz, jedná se již o mikrovlnné tranzistory.

Obecně je ve seriózních tlustých referenčních knihách uvedeno více než 100 různých parametrů tranzistorů, což také naznačuje obrovské množství modelů. A počet moderních tranzistorů je takový, že je již není možné uvést v plném rozsahu v žádné referenční knize. A modelová řada se neustále zvyšuje, což umožňuje řešit téměř všechny úkoly stanovené vývojáři.

Existuje mnoho tranzistorových obvodů (stačí si zapamatovat počet alespoň domácího vybavení) pro zesilování a konverzi elektrických signálů, ale přes veškerou jejich rozmanitost se tyto obvody skládají ze samostatných kaskád, které jsou založeny na tranzistorech. Pro dosažení požadovaného zesílení signálu je nutné použít několik zesilovacích stupňů zapojených do série. Abyste pochopili, jak fungují zesilovací stupně, musíte se blíže seznámit s tranzistorovými spínacími obvody.

Tranzistor sám o sobě nebude schopen nic zesílit. Jeho zesilovací vlastnosti spočívají v tom, že malé změny vstupního signálu (proud nebo napětí) vedou k výrazným změnám napětí nebo proudu na výstupu stupně v důsledku spotřeby energie z externího zdroje. Právě tato vlastnost je široce používána v analogových obvodech - zesilovače, televize, rádio, komunikace atd.

Pro zjednodušení prezentace zde budou uvažovány obvody založené na tranzistorech struktury n-p-n. Vše, co bude řečeno o těchto tranzistorech, platí stejně pro p-n-p tranzistory. Stačí pouze přepólovat napájecí zdroje a případně získat pracovní obvod.

Celkem existují tři takové obvody: obvod se společným emitorem (CE), obvod se společným kolektorem (OC) a obvod se společnou bází (OB). Všechna tato schémata jsou znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 2

Než však přistoupíte k úvahám o těchto obvodech, měli byste se seznámit s tím, jak tranzistor funguje v režimu klíče. Tento úvod by měl usnadnit pochopení v režimu zesílení. V určitém smyslu lze klíčový obvod považovat za druh obvodu s OE.

Tranzistorový provoz v režimu klíče

Před studiem činnosti tranzistoru v režimu zesílení signálu je třeba si uvědomit, že tranzistory se často používají v klíčovém režimu.

Tento způsob činnosti tranzistoru byl uvažován již dlouhou dobu. V srpnovém čísle časopisu „Radio“ v roce 1959 vyšel článek G. Lavrova „Polovodičová trioda v klíčovém režimu“. Autor článku navrhl změnit dobu trvání impulsů v řídicím vinutí (OC). Nyní se tento způsob regulace nazývá PWM a používá se poměrně často. Schéma z tehdejšího časopisu je na obrázku 3.

Obrázek 3

Ale klíčový režim se používá nejen v PWM systémech. Tranzistor často prostě něco zapne a vypne.

V tomto případě lze jako zátěž použít relé: je aplikován vstupní signál - relé je zapnuto, ne - signál relé je vypnutý. V režimu klíče se místo relé často používají žárovky. Obvykle se to dělá pro indikaci: žárovka je buď zapnutá nebo vypnutá. Schéma takového klíčového stupně je znázorněno na obrázku 4. Klíčové stupně se také používají pro práci s LED nebo s optočleny.

Obrázek 4

Na obrázku je kaskáda řízena konvenčním kontaktem, i když to může být digitální mikroobvod nebo místo něj. Autožárovka, ta se používá k osvětlení palubní desky v Zhiguli. Je třeba věnovat pozornost tomu, že pro ovládání se používá 5V a napětí spínaného kolektoru je 12V.

Na tom není nic divného, protože napětí v tomto obvodu nehraje žádnou roli, záleží pouze na proudech. Žárovka tedy může být alespoň 220V, pokud je tranzistor navržen pro provoz na taková napětí. Napětí zdroje kolektoru musí také odpovídat provoznímu napětí zátěže. Pomocí takových kaskád je zátěž připojena k digitálním mikroobvodům nebo mikrokontrolérům.

V tomto schématu základní proud řídí kolektorový proud, který je v důsledku energie zdroje energie několik desítek nebo dokonce stovekkrát vyšší (v závislosti na zatížení kolektoru) než proud báze. Je snadné vidět, že dochází ke zvýšení proudu. Když tranzistor pracuje v režimu klíče, obvykle se používá k výpočtu kaskády podle hodnoty nazývané v referenčních knihách "proudové zesílení v režimu velkého signálu" - v referenčních knihách je označeno písmenem β. To je poměr kolektorového proudu, určený zátěží, k minimálnímu možnému proudu báze. Ve formě matematického vzorce to vypadá takto: β = Ik / Ib.

Pro většinu moderních tranzistorů je koeficient β dostatečně velký, zpravidla od 50 a výše, takže při výpočtu klíčového stupně může být vzat roven pouze 10. I když se základní proud ukáže být větší než vypočítaný jeden, tranzistor se z tohoto režimu více neotevře, potom a klíč.

Pro rozsvícení žárovky znázorněné na obrázku 3, Ib \u003d Ik / β \u003d 100 mA / 10 \u003d 10 mA, je to nejméně. Při řídicím napětí 5V na základním rezistoru Rb, mínus úbytek napětí v sekci B-E, zůstane 5V - 0,6V = 4,4V. Odpor základního odporu bude: 4,4V / 10mA = 440 ohmů. Ze standardní řady je vybrán rezistor s odporem 430 ohmů. Napětí 0,6V je napětí na B-E přechodu a na to byste při výpočtu neměli zapomínat!

Aby báze tranzistoru nezůstala při rozepnutí ovládacího kontaktu „viset ve vzduchu“, bývá přechod B-E šmrncován odporem Rbe, který tranzistor spolehlivě uzavře. Na tento rezistor by se nemělo zapomínat, i když z nějakého důvodu v některých obvodech není, což může vést k falešné činnosti šumového stupně. Ve skutečnosti o tomto odporu věděli všichni, ale z nějakého důvodu zapomněli a znovu šlápli na „hráb“.

Hodnota tohoto odporu musí být taková, aby při rozepnutí kontaktu nebylo napětí na bázi menší než 0,6V, jinak bude kaskáda neovladatelná, jako by byl B-E úsek jednoduše zkratován. V praxi je rezistor Rbe nastaven na nominální hodnotu asi desetkrát větší než Rb. Ale i když je hodnota Rb 10Kom, obvod bude fungovat celkem spolehlivě: potenciály báze a emitoru se budou rovnat, což povede k uzavření tranzistoru.

Taková klíčová kaskáda, pokud je v dobrém stavu, dokáže rozsvítit žárovku na plné žhavení, nebo ji úplně vypnout. V tomto případě může být tranzistor plně zapnutý (stav nasycení) nebo zcela uzavřený (stav cutoff). Okamžitě sám o sobě napovídá závěr, že mezi těmito „hraničními“ stavy existuje něco takového, kdy žárovka svítí napůl. Je v tomto případě tranzistor napůl otevřený nebo napůl uzavřený? Je to jako naplnění sklenice: optimista ji vidí jako poloplnou, zatímco pesimista ji vidí poloprázdnou. Tento režim činnosti tranzistoru se nazývá zesilovací nebo lineární.

Tranzistorový provoz v režimu zesílení signálu

Téměř všechna moderní elektronická zařízení sestávají z mikroobvodů, ve kterých jsou „skryty“ tranzistory. Pro získání požadovaného zesílení nebo šířky pásma stačí zvolit provozní režim operačního zesilovače. Navzdory tomu se však často používají kaskády na diskrétních („volných“) tranzistorech, a proto je pochopení činnosti zesilovací kaskády prostě nezbytné.

Nejběžnějším zapojením tranzistoru oproti OK a OB je obvod se společným emitorem (CE). Důvodem této prevalence je především vysoké napětí a proudové zesílení. Nejvyšší zisk OE stupně je poskytován, když polovina napětí napájecího zdroje Epit/2 poklesne na zátěži kolektoru. V souladu s tím druhá polovina spadá do sekce K-E tranzistoru. Toho je dosaženo nastavením kaskády, která bude popsána níže. Tento způsob zesílení se nazývá třída A.

Když je tranzistor s OE zapnutý, výstupní signál na kolektoru je v protifázi se vstupním signálem. Jako nevýhody lze poznamenat, že vstupní odpor OE je malý (ne více než několik stovek ohmů) a výstupní odpor je v rozmezí desítek kΩ.

Pokud je ve spínacím režimu tranzistor charakterizován proudovým zesílením v režimu velkého signálu β, pak se v režimu zesílení použije "proudové zesílení v režimu malého signálu", označené v referenčních knihách h21e. Toto označení vzešlo ze znázornění tranzistoru ve formě čtyřpólu. Písmeno „e“ označuje, že měření byla provedena při zapnutém tranzistoru se společným emitorem.

Koeficient h21e je zpravidla o něco větší než β, i když jej lze také použít ve výpočtech v první aproximaci. Přesto je rozptyl parametrů β a h21e i pro jeden typ tranzistoru tak velký, že výpočty jsou pouze přibližné. Po takových výpočtech je zpravidla nutné upravit schéma.

Zesílení tranzistoru závisí na tloušťce báze, nelze jej tedy měnit. Z toho plyne velké kolísání zisku tranzistorů odebraných dokonce z jedné krabičky (čti jedna šarže). U tranzistorů s nízkým výkonem se tento koeficient pohybuje od 100 ... 1 000 a u výkonných je to 5 ... 200. Čím tenčí základna, tím vyšší koeficient.

Nejjednodušší obvod pro zapínání OE tranzistoru je na obrázku 5. Toto je jen malý kousek z obrázku 2, znázorněný v druhé části článku. Takový obvod se nazývá obvod s pevným základním proudem.

Obrázek 5

Schéma je extrémně jednoduché. Vstupní signál je přiveden na bázi tranzistoru přes oddělovací kondenzátor C1 a po zesílení je odebírán z kolektoru tranzistoru přes kondenzátor C2. Účelem kondenzátorů je chránit vstupní obvody před konstantní složkou vstupního signálu (stačí si vzpomenout na uhlíkový nebo elektretový mikrofon) a zajistit potřebnou šířku pásma kaskády.

Rezistor R2 je zátěž kolektoru stupně a R1 dodává stejnosměrné předpětí do základny. S pomocí tohoto odporu se snaží, aby napětí na kolektoru bylo Epit / 2. Tento stav se nazývá pracovní bod tranzistoru, v tomto případě je zesílení kaskády maximální.

Přibližně odpor rezistoru R1 lze určit jednoduchým vzorcem R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Koeficient 1,5…1,8 je nahrazen v závislosti na napájecím napětí: při nízkém napětí (ne více než 9V) není hodnota koeficientu větší než 1,5 a od 50V se blíží 1,8…2,0. Ale ve skutečnosti je vzorec tak přibližný, že nejčastěji musí být zvolen rezistor R1, jinak nebude dosaženo požadované hodnoty Epit / 2 na kolektoru.

Kolektorový rezistor R2 je nastaven jako podmínka problému, protože kolektorový proud a zisk kaskády jako celku závisí na jeho hodnotě: čím větší je odpor rezistoru R2, tím vyšší je zesílení. Ale s tímto rezistorem musíte být opatrní, kolektorový proud musí být menší než maximální přípustné pro tento typ tranzistoru.

Schéma je velmi jednoduché, ale tato jednoduchost mu dává negativní vlastnosti a tato jednoduchost něco stojí. Za prvé, zesílení kaskády závisí na konkrétní instanci tranzistoru: Při opravě jsem vyměnil tranzistor, - znovu vyberte offset, uveďte jej do pracovního bodu.

Za druhé, od okolní teploty se s rostoucí teplotou zvyšuje zpětný kolektorový proud Ico, což vede ke zvýšení kolektorového proudu. A kde je tedy polovina napájecího napětí na kolektoru Epit / 2, stejný pracovní bod? V důsledku toho se tranzistor ještě více zahřeje, načež selže. Abychom se této závislosti zbavili, nebo ji alespoň snížili na minimum, jsou do tranzistorové kaskády zavedeny další negativní zpětnovazební prvky - OOS.

Obrázek 6 ukazuje obvod s pevným předpětím.

Obrázek 6

Zdálo by se, že dělič napětí Rb-k, Rb-e poskytne požadované počáteční předpětí kaskády, ale ve skutečnosti má taková kaskáda všechny nevýhody pevného proudového obvodu. Zobrazený obvod je tedy pouze variantou obvodu s pevným proudem znázorněného na obrázku 5.

Obvody s tepelnou stabilizací

Poněkud lepší je situace v případě aplikace schémat na obrázku 7.

Obrázek 7

V kolektorově stabilizovaném obvodu není předpětí R1 připojen k napájecímu zdroji, ale ke kolektoru tranzistoru. V tomto případě, pokud se zpětný proud zvyšuje s rostoucí teplotou, tranzistor se otevírá silněji, kolektorové napětí klesá. Tento pokles vede ke snížení předpětí aplikovaného na základnu přes R1. Tranzistor se začne zavírat, kolektorový proud klesne na přijatelnou hodnotu, obnoví se poloha pracovního bodu.

Je zcela zřejmé, že takové opatření stabilizace vede k určitému snížení zisku kaskády, ale to nevadí. Chybějící zesílení se zpravidla přidává zvýšením počtu zesilovacích stupňů. Ale taková ochrana životního prostředí vám umožňuje výrazně rozšířit rozsah provozních teplot kaskády.

Zapojení kaskády se stabilizací emitoru je poněkud složitější. Zesilovací vlastnosti takových kaskád zůstávají nezměněny v ještě širším teplotním rozsahu, než je tomu u okruhu stabilizovaného kolektorem. A ještě jedna nesporná výhoda - při výměně tranzistoru nemusíte znovu volit provozní režimy kaskády.

Emitorový rezistor R4 zajišťující stabilizaci teploty také snižuje zesílení kaskády. Toto je pro stejnosměrný proud. Aby se eliminoval vliv rezistoru R4 na zesílení střídavého proudu, je rezistor R4 bočníkován kondenzátorem Ce, který klade střídavému proudu malý odpor. Jeho hodnota je určena frekvenčním rozsahem zesilovače. Pokud tyto frekvence leží v audio rozsahu, pak kapacita kondenzátoru může být od jednotek do desítek a dokonce stovek mikrofaradů. U rádiových frekvencí jsou to již setiny nebo tisíciny, ale v některých případech obvod funguje dobře i bez tohoto kondenzátoru.

Abychom lépe pochopili, jak funguje stabilizace emitoru, je nutné zvážit zapojení pro sepnutí tranzistoru se společným kolektorem OK.

Společný kolektorový obvod (CC) je znázorněn na obrázku 8. Tento obvod je kusem z obrázku 2 z druhé části článku, který ukazuje všechny tři spínací obvody tranzistorů.

Postavení 8

Zátěž stupně je emitorový rezistor R2, vstupní signál je přiváděn přes kondenzátor C1 a výstupní signál je přiváděn přes kondenzátor C2. Zde se můžete zeptat, proč se toto schéma nazývá OK? Koneckonců, pokud si vzpomeneme na obvod OE, pak je jasně vidět, že emitor je připojen ke společnému vodiči obvodu, vůči kterému je přiváděn vstupní signál a výstupní signál je odstraněn.

V obvodu OK je kolektor jednoduše připojen ke zdroji energie a na první pohled se zdá, že se vstupním a výstupním signálem nemá nic společného. Ale ve skutečnosti má zdroj EMF (napájecí baterie) velmi malý vnitřní odpor, pro signál je to prakticky jeden bod, stejný kontakt.

Podrobněji je činnost OK obvodu vidět na obrázku 9.

Obrázek 9

Je známo, že pro křemíkové tranzistory je přechodové napětí b-e v rozsahu 0,5 ... 0,7 V, takže jej můžete vzít v průměru 0,6 V, pokud nechcete provádět výpočty s přesností desetin procenta. . Proto, jak je vidět na obrázku 9, výstupní napětí bude vždy menší než vstupní napětí pomocí Ub-e, konkrétně o stejných 0,6V. Na rozdíl od OE obvodu tento obvod vstupní signál neinvertuje, pouze jej opakuje, a dokonce jej snižuje o 0,6V. Tento obvod se také nazývá emitorový sledovač. Proč je takové schéma potřeba, jaké je jeho použití?

Obvod OK zesiluje proudový signál h21e krát, což znamená, že vstupní impedance obvodu je h21e krát větší než odpor v obvodu emitoru. Jinými slovy, bez obav ze spálení tranzistoru přiveďte napětí přímo na bázi (bez omezovacího odporu). Jednoduše vezměte základní kolík a připojte jej k napájecí liště +U.

Vysoká vstupní impedance umožňuje připojit vstupní zdroj s vysokou impedancí (komplexní impedance), jako je piezoelektrický snímač. Pokud je takový snímač připojen ke kaskádě podle schématu OE, pak nízká vstupní impedance této kaskády jednoduše „přistane“ signál snímače - „rádio nebude hrát“.

Charakteristickým rysem obvodu OK je, že jeho kolektorový proud Ik závisí pouze na zatěžovacím odporu a napětí zdroje vstupního signálu. Parametry tranzistoru zde v tomto případě nehrají vůbec žádnou roli. Takové obvody jsou údajně pokryty 100% napěťovou zpětnou vazbou.

Jak je znázorněno na obrázku 9, proud v zátěži emitoru (také známý jako proud emitoru) In = Ik + Ib. Vezmeme-li v úvahu, že proud báze Ib je zanedbatelný ve srovnání s kolektorovým proudem Ik, lze předpokládat, že zatěžovací proud je roven kolektorovému proudu In = Ik. Proud v zátěži bude (Uin - Ube) / Rn. V tomto případě budeme předpokládat, že Ube je známé a vždy se rovná 0,6V.

Z toho vyplývá, že kolektorový proud Ik = (Uin - Ube) / Rn závisí pouze na vstupním napětí a odporu zátěže. Odolnost zátěže lze měnit v širokém rozsahu, není však nutné být nijak zvlášť horlivý. Když totiž místo Rn dáte hřebík – setinu, tak žádný tranzistor nepřežije!

Obvod OK umožňuje poměrně snadno měřit koeficient přenosu statického proudu h21e. Jak to udělat, je znázorněno na obrázku 10.

Obrázek 10.

Nejprve změřte zatěžovací proud, jak je znázorněno na obrázku 10a. V tomto případě nemusí být báze tranzistoru nikam připojována, jak je znázorněno na obrázku. Poté se změří základní proud podle obrázku 10b. Měření by měla být v obou případech provedena ve stejných množstvích: buď v ampérech, nebo v miliampérech. Napájecí napětí a zátěž musí zůstat stejné pro obě měření. Pro zjištění koeficientu přenosu statického proudu stačí vydělit zatěžovací proud základním proudem: h21e ≈ In / Ib.

Je třeba poznamenat, že se zvýšením zatěžovacího proudu h21e poněkud klesá a se zvýšením napájecího napětí se zvyšuje. Emitorové sledovače jsou často zabudovány v push-pull konfiguraci pomocí komplementárních párů tranzistorů pro zvýšení výstupního výkonu zařízení. Takový sledovač emitoru je znázorněn na obrázku 11.

Obrázek 11.

Obrázek 12.

Zařazení tranzistorů podle schématu se společnou základnou O

Takový obvod poskytuje pouze napěťové zesílení, ale má lepší frekvenční vlastnosti ve srovnání s OE obvodem: stejné tranzistory mohou pracovat na vyšších frekvencích. Hlavní aplikací OB obvodu jsou anténní zesilovače řad UHF. Obvod anténního zesilovače je znázorněn na obrázku 12.

bipolární tranzistor.

Bipolární tranzistorové zařízení.

Bipolární tranzistor se skládá ze tří polovodičových vrstev a dvou PN přechodů. Rozlišujte PNP a NPN tranzistory podle typu prokládání dírová a elektronová vodivost. Jsou jako dva dioda spojeny tváří v tvář nebo naopak.

Činnost bipolárního tranzistoru.

Jak již bylo uvedeno v článek o typech vedení v polovodičích, v látce typu P jsou kladně nabité ionty - díry. Látka typu N je nasycena záporně nabitými elektrony. V tranzistoru je koncentrace elektronů v oblasti N mnohem vyšší než koncentrace děr v oblasti P.

Nyní připojte napětí mezi bázi a emitor V BE , ale mnohem nižší než V CE (pro křemíkové tranzistory je minimální požadované V BE 0,6 V). Vzhledem k tomu, že vrstva P je velmi tenká, plus zdroj napětí připojený k základně bude schopen "dosáhnout" svým elektrickým polem do oblasti N emitoru. Při jeho působení půjdou elektrony do základny. Některé z nich začnou vyplňovat otvory, které se tam nacházejí (rekombinovat). Druhá část pro sebe nenajde volný otvor, protože koncentrace děr v základně je mnohem nižší než koncentrace elektronů v emitoru.

Výsledkem jsou dva proudy: malý - ze základny do emitoru I BE a velký - z kolektoru do emitoru I CE.

Pokud se napětí báze zvýší, pak se ve vrstvě P nahromadí ještě více elektronů. V důsledku toho se základní proud mírně zvýší a kolektorový proud se výrazně zvýší. Tím pádem, s malou změnou základního proudu I B , kolektorový proud I se silně mění S. Tak to chodí zesílení signálu v bipolárním tranzistoru. Poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B se nazývá proudový zisk. Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistorem.

Nejjednodušší bipolární tranzistorový zesilovač

1. Popis hlavních prvků řetězce

2. Výpočet vstupního základního proudu I b

Abyste mohli vypočítat proud báze, musíte znát napětí báze-emitor V BE. Mezi bází a emitorem je jeden PN přechod. Ukazuje se, že základní proud se na své cestě "setká" s polovodičovou diodou. Napětí, při kterém se polovodičová dioda začne vodit, je asi 0,6V. Nebudeme zacházet do detailů proudově-napěťová charakteristika diody, a pro jednoduchost výpočtů vezmeme přibližný model, podle kterého je napětí na proudově vodivé diodě vždy 0,6V. To znamená, že napětí mezi bází a emitorem je V BE = 0,6V. A jelikož je emitor spojen se zemí (V E = 0), je napětí ze základny k zemi také 0,6V (V B = 0,6V).

Vypočítejme I bmax a I bmin pomocí Ohmova zákona:

2. Výpočet výstupního proudu kolektoru I S

Nyní, když známe zisk (β = 200), můžeme snadno vypočítat maximální a minimální hodnoty kolektorového proudu (I cmax a I cmin).

3. Výpočet výstupního napětí V ven

Kolektorovým proudem protéká rezistor Rc, který jsme již vypočítali. Zbývá dosadit hodnoty:

4. Analýza výsledků

Jak je vidět z výsledků, VCmax se ukázalo být menší než VCmin. Je to proto, že napětí na V Rc je odečteno od napájecího napětí VCC. To však ve většině případů nevadí, protože nás zajímá proměnná složka signálu - amplituda, která se zvýšila z 0,1V na 1V. Frekvence a sinusový průběh se nezměnily. Poměr V out / V v desetinásobku samozřejmě není zdaleka nejlepším indikátorem pro zesilovač, ale je docela vhodný pro ilustraci procesu zesílení.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

V souladu s úrovněmi napětí na elektrodách tranzistoru existují čtyři režimy jeho činnosti:

Režim odříznutí.

Aktivní režim (aktivní režim).

Režim saturace.

Reverzní režim.

Režim cutoff

Aktivní režim

Režim saturace

Někdy může být základní proud příliš velký. Výsledkem je, že napájecí výkon prostě nestačí k zajištění takového kolektorového proudu, který by odpovídal zesílení tranzistoru. V saturačním režimu bude kolektorový proud maximální, které může napájecí zdroj poskytnout, a nebude ovlivněn základním proudem. V tomto stavu není tranzistor schopen zesílit signál, protože kolektorový proud nereaguje na změny proudu báze.

Inverzní režim

Základní parametry bipolárního tranzistoru.

aktuální zisk- poměr kolektorového proudu I C k proudu báze I B . Označeno β , hfe nebo h21e v závislosti na specifikách výpočtů prováděných s tranzistory.

Vstupní impedance- odpor v tranzistoru, který se "setká" s proudem báze. Označeno R v (R v). Čím větší, tím lepší pro zesilovací vlastnosti zařízení, protože na straně základny je obvykle slabý zdroj signálu, ze kterého musíte odebírat co nejméně proudu. Ideální možností je, když je vstupní odpor roven nekonečnu.

Také se zvýšením výstupní vodivosti (nebo snížením výstupní impedance) se zvyšuje maximální zatížení, které zesilovač vydrží s malou ztrátou celkového zisku. Například, pokud tranzistor s nízkou výstupní vodivostí zesílí signál 100krát bez zátěže, pak když je připojena zátěž 1KΩ, zesílí již pouze 50krát. Tranzistor se stejným ziskem, ale vyšší výstupní vodivostí bude mít menší pokles zisku. Ideální možností je, když je výstupní vodivost rovna nekonečnu (nebo výstupní odpor R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).

Bipolární tranzistor je polovodičový prvek se dvěma p-n přechody a třemi vývody, který slouží k zesílení nebo spínání signálů. Přicházejí v typech p-n-p a n-p-n. Obrázek 7.1, aab ukazuje jejich symboly.

Obr.7.1. Bipolární tranzistory a jejich diodové ekvivalentní obvody: a) p-n-p, b) n-p-n tranzistor

Tranzistor se skládá ze dvou opačně zapojených diod, které mají jednu společnou p- nebo n-vrstvu. Elektroda k ní připojená se nazývá báze B. Další dvě elektrody se nazývají emitor E a kolektor K. Diodový ekvivalentní obvod zobrazený vedle symbolu vysvětluje strukturu spínání tranzistorových přechodů. Přestože tento diagram plně necharakterizuje funkci tranzistoru, poskytuje příležitost znázornit zpětná a propustná napětí v něm působící. Typicky je spojení emitor-báze s předpětím (otevřené) a spojení báze-kolektor je zpětně předpojené (zablokované). Proto musí být zapnuty zdroje napětí, jak je znázorněno na obr. 7.2.

Obr.7.2. Polarita spínání: a) n-p-n, b) p-n-p tranzistor

Tranzistory NPN se řídí následujícími pravidly (pro tranzistory PNP pravidla zůstávají, ale mějte na paměti, že polarita napětí musí být obrácená):

1. Kolektor má kladnější potenciál než emitor.

2. Obvody báze-emitor a báze-kolektor pracují jako diody (obr. 7.1). Obvykle je spojení báze-emitor otevřené a spojení báze-kolektor je vychýleno v opačném směru, tzn. přiložené napětí brání tomu, aby jím procházel proud. Z tohoto pravidla vyplývá, že napětí mezi bází a emitorem nelze donekonečna zvyšovat, protože potenciál báze překročí potenciál emitoru o více než 0,6 - 0,8 V (propustné napětí diody) a vzniká velmi velký proud. Proto jsou v pracovním tranzistoru napětí na bázi a emitoru spojeny následujícím vztahem: UB ≈ UE + 0,6 V; (UB = UE + UBE).

3. Každý tranzistor je charakterizován maximálními hodnotami IK, IB, UKE. Při překročení těchto parametrů je nutné použít jiný tranzistor. Je třeba také pamatovat na mezní hodnoty dalších parametrů, například rozptýlený výkon RC, teplota, UBE atd.

4. Pokud jsou splněna pravidla 1-3, pak je kolektorový proud přímo úměrný proudu báze. Poměr kolektorových a emitorových proudů je přibližně roven

IK \u003d αIE, kde α \u003d 0,95 ... 0,99 je koeficient přenosu proudu emitoru. Rozdíl mezi emitorovým a kolektorovým proudem v souladu s prvním Kirchhoffovým zákonem (a jak je vidět z obr. 7.2, a) je základní proud IB \u003d IE - IK. Kolektorový proud závisí na základním proudu v souladu s výrazem: IK \u003d βIB, kde β \u003d α / (1-α) je základní koeficient přenosu proudu, β >> 1.

Pravidlo 4 definuje základní vlastnost tranzistoru: malý proud báze pohání velký kolektorový proud.

Provozní režimy tranzistorů. Každý přechod bipolárního tranzistoru může být zapnut buď v propustném nebo zpětném směru. V závislosti na tom se rozlišují následující čtyři režimy činnosti tranzistoru.

Boost nebo aktivní režim- na přechod emitoru je přivedeno dopředné napětí a na přechod kolektoru je přivedeno zpětné napětí. Právě tento režim činnosti tranzistoru odpovídá maximální hodnotě koeficientu přenosu proudu emitoru. Kolektorový proud je úměrný proudu báze a poskytuje minimální zkreslení zesíleného signálu.

Inverzní režim- na kolektorový přechod je přivedeno stejnosměrné napětí a na emitorový přechod je přivedeno zpětné napětí. Inverzní režim vede k výraznému poklesu koeficientu proudového přenosu báze tranzistoru oproti provozu tranzistoru v aktivním režimu, a proto se v praxi používá pouze v klíčových obvodech.

Režim saturace- oba přechody (emitor a kolektor) jsou pod stejnosměrným napětím. Výstupní proud v tomto případě nezávisí na vstupním proudu a je určen pouze parametry zátěže. Vzhledem k nízkému napětí mezi svorkami kolektoru a emitoru se k uzavření obvodů přenosu signálu používá režim saturace.

Režim cutoff- na oba přechody jsou připojena zpětná napětí. Protože výstupní proud tranzistoru v režimu cutoff je prakticky nulový, používá se tento režim k otevření obvodů přenosu signálu.

Hlavním režimem činnosti bipolárních tranzistorů v analogových zařízeních je aktivní režim. V digitálních obvodech tranzistor pracuje v režimu klíče, tzn. je pouze v režimu cutoff nebo saturace a obchází aktivní režim.