Біполярні транзистори
Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад, Що складається з трьох областей з типами електропровідності, що чергуються і призначений для посилення сигналу.
Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами. універсального призначенняі широко застосовуються в різних підсилювачах, генераторах, імпульсних та ключових пристроях.
Біполярні транзистори можна класифікувати за матеріалом: германієві та кремнієві;за видом провідності: типу р-n-р і n- p- n; за потужністю: мала (Рмах< 0,3Вт), середня (Р мах= 1,5Вт) та велика (Рмах> 1,5Вт); за частотою: низькочастотні, середньочастотні, високочастотні та НВЧ.
У таких транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів та дірок. Звідси пішла їхня назва: біполярні.
Біполярний транзисторє платівкою германію або кремнію, в якій створені три області з різною електропровідністю. У транзистора типуn-р- nсередня область має дірочну, а крайні області – електронну електропровідність.
Транзистори типу р-n-р мають середню область з електронною, а крайні – з дірковою провідністю.
Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, друга – колектором. Таким чином у транзисторі є двар- n- переходу: емітерний – між емітером та базою та колекторний – між базою та колектором.
Еміттер - це область транзистора для інжекції носіїв заряду в базу. Колектором – область, призначенням якої є вилучення носіїв заряду з бази. Базою називається область, яку інжектуються емітером неосновні для цієї області носії заряду.
Концентрація основних носіїв заряду в емітері набагато більше концентрації основних носіївзаряду в базі, а в колекторі дещо менше концентрації в емітері. Тому провідність емітера набагато вища за провідність бази, а провідність колектора менша за провідність емітера.
Залежно від цього, який із висновків є загальним для вхідний і вихідний ланцюгів, розрізняють три схеми включення транзистора: з загальною базою(ПРО), загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК).
Вхідний, або керуючий, ланцюг служить для керування роботою транзистора. У вихідний, або керованої ланцюга виходять посилені коливання. Джерело коливань, що посилюються, включається у вхідний ланцюг, а у вихідну включається навантаження.
Принцип дії транзистора з прикладу транзистора р-n-р-типу, включеного за схемою із загальною базою (ПРО).
Зовнішня напруга двох джерел живлення ЄЕ та Едопідключають до транзистора таким чином, щоб забезпечувалося зміщення емітерного переходу П1 у прямому напрямку, а колекторного переходу П2 - зворотному напрямку.
Якщо до колекторного переходу додана зворотна напруга, а ланцюг емітера розімкнуто, то в колі колектора протікає невеликий зворотний струм.Iдо. Він виникає під впливом зворотної напруги і створюється спрямованим переміщенням неосновних носіїв заряду дірок бази та електронів колектора через колекторний перехід. Зворотний струм протікає ланцюгом: +Едо, база-колектор, −Едо.
При включенні до ланцюга емітера постійної напругиЄЕ у напрямі потенційний бар'єр емітерного переходу знижується. Починається інжектування дірок у основу.
Зовнішня напруга, прикладена до транзистора, виявляється прикладеним переважно до переходів П1 і П2, т.к. вони мають великий опір у порівнянні з опором базової, емітерної та колекторної областей. Тому інжектовані у основу дірки переміщаються у ній у вигляді дифузії. При цьому дірки рекомбінують із електронами бази. Оскільки концентрація носіїв у основі значно менше, ніж у емітері, то рекомбінують дуже небагато дірки. При малій товщині бази багато дірки будуть доходити до колекторного переходу П2. На місце рекомбінованих електронів до бази надходять електрони від джерела живлення Едо. Дірки, що рекомбінували з електронами в базі, створюють струм базиIБ.
Під впливом зворотної напруги Едо,потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується, а товщина переходу П2 збільшується. Дірки, що увійшли в область колекторного переходу, потрапляють в прискорювальне поле, створене на переході колекторною напругою, і втягуються колектором, створюючи колекторний струмIдо. Колекторний струм протікає ланцюгом: +Едо, база-колектор, -Едо.
Таким чином, у біполярному транзисторі протікає три види струму: емітера, колектора та бази.
У дроті, що є виведенням бази, струми емітера та колектора спрямовані зустрічно. Струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора:IБ = IЕ − IДо.
Фізичні процеси у транзисторі типуn-р- nпротікають аналогічно процесам у транзисторі типу р-n-Р.
Повний струм емітераIЕ визначається кількістю інжектованих емітером основних носіїв заряду. Основна частина цих носіїв заряду досягаючи колектора, створює колекторний струм.Iдо. Незначна частина інжектованих в базу носіїв заряду рекомбінують у базі, створюючи струм базиIБ. Отже, струм емітера поділяться струми основи і колектора, тобто.IЕ = IБ+ Iдо.
Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому транзистор-прилад, керований струмом.
Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються колекторний ланцюг, викликаючи зміна струму колектора. А т.к. напруга джерела колекторного живлення Едозначно більше, ніж емітерного Ее, то і потужність, що споживається в ланцюгу колектора Рдо, буде значно більше потужності в ланцюзі емітера Ре. Таким чином, забезпечується можливість управління великою потужністю колекторного ланцюга транзистора малою потужністю, що витрачається в емітерному ланцюгу, тобто. має місце посилення потужності.
Схеми включення біполярних транзисторів
Транзистор, у схему включають так, що один з його висновків є вхідним, другий вихідним, а третій загальним для вхідний і вихідний ланцюгів. Залежно від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ПРО, ОЕ та ОК. Для транзистораn-р- nу схемах включення змінюються лише полярності напружень та напрямок струмів. За будь-якої схеми включення транзистора, полярність включення джерел живлення має бути обрана такий, щоб емітерний перехід був у прямому напрямі, а колекторний – у зворотному.
Статичні характеристики біполярних транзисторів
Статичним режимом роботи транзистора називається режим за відсутності навантаження вихідного ланцюга.
Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги та струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) та вихідного ланцюга (вихідні ВАХ). Вигляд параметрів залежить від методу включення транзистора.
Характеристики транзистора, включеного за схемою ПРО
IЕ = f(UЕБ) при UКБ = const(а).
IК = f(UКБ) за IЕ = const(Б).
Статичні характеристики біполярного транзистора включеного за схемою ПРО.Вихідні ВАХ мають три характерні області: 1 – сильна залежністьIдовід UКБ; 2 – слабка залежністьIдовід UКБ; 3 – пробій колекторного переходу.Особливістю характеристик області 2 є їх невеликий підйом зі збільшенням напругиUКБ.
Характеристики транзистора, включеного за схемою ОЕ:
Вхідною характеристикою є залежність:
IБ = f(UБЕ) при UКЕ = const(Б).
Вихідною характеристикою є залежність:
IК = f(UКЕ) при IБ = const(а).
Режим роботи біполярного транзистора
Транзистор може працювати у трьох режимах залежно від напруги з його переходах. Працюючи в активному режимі на емітерному переході напруга пряме, але в колекторному – зворотне.
Режим відсічки, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи (обидва р-n- Переходи закриті).
Якщо ж на обох переходах напруга пряма (обидва р-n- переходу відкриті), то транзистор працює у режимі насичення.У режимі відсікання та режимі насичення керування транзистором майже відсутнє. В активному режимі таке управління здійснюється найефективніше, причому транзистор може виконувати функції активного елемента електричної схеми- Посилення, генерація.
підсилювальний каскад на біполярному транзисторі
Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора за схемою із загальним емітером.Основними елементами схеми є джерело живлення Едо, керований елемент – транзисторVTта резистор Rдо. Ці елементи утворюють вихідний ланцюг підсилювального каскаду, в якій за рахунок протікання керованого струму створюється посилене змінна напругана виході схеми.Інші елементи схеми виконують допоміжну роль. Конденсатор Срє розділовим. За відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналустворювався б постійний струмвід джерела живлення Едо.
Резистор RБ, включений у ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора за відсутності вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом бази спокоюIБ = Е до/ RБ. За допомогою резистораRдостворюється вихідна напруга.Rдовиконує функцію створення напруги, що змінюється, у вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.
Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:
Е до= Uке+ IдоRдо,
сума падіння напруги на резисторіRдо та напруги колектор-емітерUкетранзистора завжди дорівнює постійній величині - ЕРС джерела живлення Едо.
Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Едов енергію змінної напруги у вихідний ланцюга за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.
Схема із загальним емітером
Схема із загальним емітером (ОЕ) представлена на рис. 1.11. Транзистор п-р-п у цій схемі працює так само, як і у схемі з ПРО. Зауважимо лише, що загальноприйнятий напрямок струмів (від +Е До – джерела напруги), позначений на рис. 1.11, а, протилежно напрямку руху електронів. Характерною ознакоюсхеми з ОЕ і те, що навантаження розташовується в колекторної ланцюга (рис. 1.11,6).
Мал. 1.11. Схема включення транзистора із загальним емітером (а); типове зображення у схемах(б)
Так само як і для схеми з ПРО, вхідним сигналом у цій схемі є напруга між базою та емітером, а вихідними величинами – колекторний струм I до і напруга на навантаженні U вих = I до R н Транзистор у схемі з ОЕ характеризується коефіцієнтом передачі струму
мають значення β = 10... 100, який пов'язаний з коефіцієнтом α для схеми з ПРО співвідношенням:
Оцінимо значення коефіцієнтів посилення схеми з ОЕ (їх позначають індексом "Е").
Вихідним струмом, як і у схемі з ПРО, є струм I до, що протікає по навантаженню, а вхідним струмом (на відміну від схеми з ПРО) – струм бази I Б; коефіцієнт посилення струму схеми з ОЕ дорівнює
При α = 0,98 КІЕ = 0,98/(1 – 0,98) ≈ 50, тобто. кільком десяткам, що багаторазово перевищує аналогічний коефіцієнт у схеми з ПРО.
Вхідний опіру схемі з ОЕ також значно вище, ніж у схемі з ПРО, так як у схемі з ОЕ вхідним струмом є струм бази, а у схемі з ОБ – у багато разів більший струм емітера (а саме у 1/(1 – α) ≈ β разів):
Величина вхідного опору у схемі з ОЕ більша, ніж у схемі з ПРО в ? β разів і становить сотні ом.
Коефіцієнт посилення по напрузі в схемі з ОЕ співмірний з таким самим коефіцієнтом у схеми з ПРО:
По коефіцієнту посилення за потужністю схема з ОЕ з допомогою значно більшого коефіцієнта посилення струму також багаторазово перевищує схему з ПРО:
і залежить від коефіцієнта передачі струму β та відношення опору навантаження до вхідного опору.
Завдяки зазначеним властивостям схема з ОЕ знайшла дуже широке застосування.
Вхідні та вихідні характеристики схеми із загальним емітером
Роботу схеми зазвичай описують за допомогою вхідних та вихідних характеристик транзистора у тій чи іншій схемі включення. Для схеми з ОЕ вхідна характеристика- Це залежність вхідного струму від напруги на вході схеми, тобто. I Б = f (UБЕ) при фіксованих значеннях напруги колектор – емітер ( U ке = const).
Вихідні показники – це залежності вихідного струму, тобто. струму колектора, від падіння напруги між колектором та емітером транзистора I до = f (і БЕ ) при струмі бази I Б = const.
Вхідна характеристика сутнісно повторює вигляд характеристики діода при подачі прямої напруги (рис. 1.12, б). Зі зростанням напруги U KЕ вхідна характеристика буде трохи зміщуватися праворуч.
Мал. 1.12. Вихідні (а) та вхідна (б ) характеристики транзистора у схемі із загальним емітером
Вид вихідних характеристик (рис. 1.12, а) різко різний у сфері малих (ділянка ОA) і щодо великих значень U ке. Нагадаємо, що для нормальної роботитранзистора необхідно, щоб на перехід база-емітер подавалося пряме напруження, а на перехід база-колектор - зворотне. Тому поки |1/кэ|< 1/БЭ, напряжение на коллекторном переходе оказывается прямым, что резко уменьшает ток I к. При |UКЕ| > U БЕ напруга на колекторному переході UБK = UКЕ - U БЕ стає зворотним і, отже, мало впливає величину колекторного струму, що визначається переважно струмом емітера. При такій напрузі всі носії, інжектовані емітером в базу і пройшли через область бази, прямують до зовнішньому джерелу. При напрузі UБЕ< 0 эмиттер носителей не инжектирует и ток базы I Б = 0, проте в колекторному ланцюзі протікає струм I К0 (найнижча вихідна характеристика). Цей струм відповідає зворотному струму I 0 звичайного р-n-переходу.
Працюючи транзистора змінюється його режим. Дійсно, чим більше струм, що протікає через транзистор, тим більше падіння напруги на навантаженні, а отже, тим менша напруга падатиме на самому транзисторі. Характеристики представлені на рис. 1.12, а, б, описують лише статичний режим роботи схеми. Для оцінки динаміки та впливу навантаження на роботу схеми використовують графоаналітичний метод розрахунку на основі вхідних та вихідних характеристик. Розглянемо цей метод на прикладі вхідних та вихідних характеристик схеми з ОЕ.
Проведемо пряму через точку Ек, відкладену на осі абсцис, і точку Е до /R н відкладену на осі ординат вихідних характеристик транзистора. Отримана пряма називається навантажувальні. Крапка Е до /R н цієї прямої відповідає такому струму, який міг би текти через навантаження, якщо транзистор замкнути коротко. Крапка Е до відповідає іншому крайнього випадку– ланцюг розімкнутий, струм через навантаження дорівнює нулю, а напруга Uке дорівнює Е к. Крапка р перетину навантажувальної прямої зі статичною вихідною характеристикою, що відповідає вхідному струму I Б, визначить робочий режим схеми, тобто. струм у навантаженні I до, падіння напруги на ній U н = I до R н і падіння напруги (/ке на самому транзисторі. На рис. 1.12 , а крапка р відповідає подачі в транзистор струму бази I Б = 1 мА. Неважко бачити, що подача струму бази I Б = 2 мА призводить до зміщення робочої точки в крапку А і перерозподілу напруг між навантаженням та транзистором.
приклад 1.1. Розрахуйте схему з ОЕ та R н =110 Ом при вхідній напрузі UБЕ = +0,1 В, напрузі живлення Е до = +25, використовуючи характеристики транзистора.
Рішення. Знайдемо відношення E K /R н = 25/110 = 228 мА і відклавши знайдену точку на осі I до і значення Е до = +25 на осі Uке, проведемо навантажувальну пряму.
За вхідною характеристикою для напруги 1/БЕ = 0,1 В визначимо вхідний струм I Б = 1 мл.
Точка перетину р прямий з характеристикою, що відповідає I Б = 1 мА, визначить струм I до = 150 мА.
Напруга на навантаженні дорівнює
Напруга між колектором та емітером транзистора
На закінчення відзначимо, що режим, що відповідає точці А, називають режимом насичення (при заданих значеннях R н і Е до струм I до в точці А сягає найбільшого можливого значення). Режим, що відповідає точці У (вхідний сигнал дорівнює нулю), а також точці З (вхідний сигнал від'ємний і замикає транзистор), називають режимом відсікання. Усі проміжні стани транзистора з навантаженням між точками А і У відносяться до активному режиму його роботи.
Схема включення транзистора із загальним емітером (ОЕ). При дослідженні властивостей зазвичай використовують схему включення транзистора із загальним емітером, тобто коли емітер підключений до "землі", колектор через опір навантаження підключений до джерела живлення, а на базу подається напруга зміщення. Зберемо схему, показану малюнку:
У схемі використовується транзистор структури n-p-n, опір навантаження - 1 кОм, джерело живлення напругою 12 вольт і амперметр.
Ми бачимо, що амперметр показує дуже низьке значення струму протікає через опір навантаження і перехід колектор - емітер транзистора. Цей струм називається струмом витоку n-p-nпереходу.
За визначенням транзистора, малий струм бази керує великим струмом у ланцюгу колектор - емітер (у схемі з ОЕ).
Для створення підсилювального каскаду за схемою з ОЕ слід створити початковий струм бази, такий, щоб транзистор знаходився в робочому режимі. У нашій схемі транзистор перебуває у режимі відсічення (опір К - Е прагне нескінченності). Другий крайній режим називається режимом насичення, тобто коли на базу надходить максимальний струм, який вже ніяк не впливає на струм, що проходить в ланцюги К-Е(Струм колектора). У цьому випадку говорять, що транзистор відкритий і колекторний струм визначається опором навантаження, а опір переходу К - Е можна прийняти рівним 0. Між двома цими точками, посередині знаходиться робочий струм (робоча точка) бази транзистора.
Насправді, визначення робочого режиму транзистора використовують вимір не струму, а напруги з урахуванням і ділянці К-Е. Увімкнення вольтметра не потребує розриву ланцюга.
Для визначення робочої точки слід зібрати схему, показану малюнку:
Через резистор R1 подається напруга усунення, що створює струм бази. Опір R1, в процесі експерименту, ми змінюватимемо від 40 до 300 кОм, з кроком 20 кОм. Вольтметром V1 вимірюватимемо напругу база - емітер, а вольтметром V2, напруга колектор - емітер.
Результати вимірювань краще заносити в таблицю, наприклад, Microsoft Excelабо Open Office Calc.
За результатами вимірювань побудуємо графік для зміни напруги колектор – емітер (КЕ):
Ми, що з вимірах 1-2-3 напруга КЭ мало змінюється і близько 0. Цей режим називається режим насичення. У такому режимі каскад підсилювача буде працювати з сильними спотвореннями сигналу, так як посилення буде проводитися лише негативних напівхвиль сигналу.
На ділянці 12-13-14, теж графік поступово набуває лінійної залежності, а напруга на колекторі практично не змінюється. Такий режим називається режимом відсічення. У цьому режимі посилення сигналу буде здійснюватися, так само з великими спотвореннями, оскільки посилюватимуться лише позитивні напівхвилі сигналу. Каскади з режимом відсічення використовуються в цифрової технікияк ключ із інверсією - логічний елемент "НЕ".
Для вибору робочої точки транзистора як підсилювач слід розрахувати точку на графіку. Для цього слід напругу бази в точці А скласти з напругою бази в точці С і поділити навпіл (знайти середнє арифметичне. (820 + 793) / 2 = 806,5. Ми бачимо, що напруга бази 806,5 мВ, приблизно відповідає 6 -му виміру - 807 мВ.Ця напруга на базі транзистора і відповідає робочій точці каскаду із загальним емітером.
Підключимо до входу підсилювача генератор, а до входу та виходу осцилограф. Вхід з'єднаємо з каналом А, а вихід підсилювача з каналом В. Для розв'язування підсилювального каскаду змінного струму на вході каскаду встановимо конденсатори С1 і С1.
Приймемо частоту генератора 1000 Гц (1 кГц) а амплітуду сигналу 10 мВ. На осцилографі встановимо час розгортки 0,5 мілісекунд на поділ, чутливість каналу А - 10 мілівольт на поділ і чутливість каналу - 1 вольт на поділ.
Далі слід увімкнути живлення схеми і через 2 - 5 секунд вимкнути. Для зручного зчитування показань осцилографа слід синусоїду вхідного сигналу опустити нижче осі Y (лічильником Y position), а синусоїду вихідного сигналу вище осі Y аналогічним чином. Ми бачимо, що вихідний сигнал перевернутий щодо вхідного на 180 градусів.
Розглянемо амплітудні значеннявхідного та вихідного сигналів. Вхідний сигнал має амплітуду 10 мВ (таке значення ми встановили на генераторі), а вихідний сигнал вийшов з амплітудою 1,5 вольта (3 розподілу по осі Y/2. Один розподіл - 1 вольт). Відношення вихідної напруги сигналу до вхідного називається коефіцієнтом посилення за напругою транзистора у схемі із загальним емітером. Розрахуємо посилення нашого транзистора Ku = Uвх / Uвих = 1,5 / 0,01 = 150. Тобто, каскад на транзисторі, включеному за схемою ОЕ, посилює вхідний сигнал у 150 разів.
Для транзисторного каскадуз ОЕ справедливі такі значення:
Ku - від 50 до 1500
Ki (коефіцієнт посилення струму) – 10-20
Kp (коефіцієнт посилення потужності) – 1000-10000
Rвх (вхідний опір) - 100 ом - 10 кому
Rвих (вихідний опір) - 100 ом - 100 кому
Каскад з ОЕ використовується, як підсилювач назко- і високочастотних сигналів.
Вступ
Сучасне життяважко уявити без добре розвиненої електроніки.
Але сучасна апаратура забезпечується сукупністю електротехнічних та електронних пристроїв різної складності, що складаються з елементів, до яких додаються електрична напругаабо протікають електричні струми. Скільки завгодно складні електронні пристрої, зрештою, складаються з різноманітних електронних приладів, які мають цілком певними властивостями. Отже, щоб розробляти, виготовляти чи експлуатувати різну апаратуру, слід, передусім, знати процеси, які у електронних приладах при різних умовах, і навіть закони, яким підпорядковуються ці процеси, тобто. освоїти основи електроніки.
Транзистор є керованим приладом, його колекторний струм залежить від струму емітера, який у свою чергу можна змінювати напругою емітер - база, UЕБ. Оскільки напруга в колі колектора, включеного в зворотному напрямку, значно більша, ніж у ланцюгу емітера, включеного в прямому напрямку, а струми в цих ланцюгах практично рівні, потужність, створювана змінною складовою колекторного струму в навантаженні, включеної в ланцюга колектора, може бути значно більше потужності, що витрачається на управління струму в ланцюзі емітера, тобто транзистор має підсилювальний ефект.
Для посилення електричних сигналівзастосовуються схеми з загальним колектором(ОК) та загальним емітером (ОЕ). Роботу біполярного транзистора за схемою з ОЕ визначають статичні вхідні та вихідні характеристики.
При схемі включення біполярного транзистора із загальним емітером(ОЕ) вхідний сигнал подається на базу, а знімається з колектора. У цьому фаза вихідного сигналу відрізняється від вхідного на 180°. Посилює і струм, і напруга. Це включеннятранзистора дозволяє отримати найбільше посилення потужності, тому найбільш поширене. Однак за такої схеми нелінійні спотвореннясигналу значно більше. Крім того, при даній схемі включення на характеристики підсилювача значно впливають зовнішні фактори, такі як напруга живлення, або температура довкілля. Зазвичай компенсації цих чинників застосовують негативну зворотний зв'язок, але знижує коефіцієнт посилення.
Біполярні транзистори управляються струмом. У схемі з ОЕ – струмом бази. Напруга на переході база-емітер при цьому залишається майже постійним і залежить від матеріалу напівпровідника, для германію близько 0,2, для кремнію близько 0,7, але на сам каскад подається керуюча напруга. Струм бази, колектора та емітера та інші струми та напруги в каскаді можна обчислити за законом Ома та правилами Кірхгофа для розгалуженого багатоконтурного ланцюга.
Режими роботи біполярного транзистора
Транзистором називають електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, придатний для посилення потужності електричних сигналів і має три або більше висновків. За принципом дії транзистори бувають біполярні та польові.
Біполярний транзистор містить три напівпровідникові області з типами провідності n-p-n або p-n-p, що чергуються, які називають відповідно емітером, базою і колектором.
Нормальний активний режим
Перехід емітер-база включений у прямому напрямку (відкритий), а перехід колектор-база - у зворотному (закритий) U ЕБ >0; U КБ<0;
Інверсний активний режим
Емітерний перехід має зворотне включення, а колекторний перехід – пряме.
Режим насичення
Обидва p-n переходи зміщені у прямому напрямку (обидва відкриті).
Режим відсічки
В даному режимі обидва p-n переходи приладу зміщені у зворотному напрямку (обидва закриті).
Бар'єрний режим
У цьому режимі базатранзистора по постійному струму з'єднана коротко або через невеликий резистор з його колектором, а в колекторну або в емітерний ланцюг транзистора включається резистор, що задає струм через транзистор.
У такому включенні транзистор є діодом, включеним послідовно з резистором.
Подібні схеми каскадів відрізняються малою кількістю комплектуючих, гарною розв'язкою високій частоті, великим робочим діапазоном температур, нерозбірливістю параметрів транзисторів.
Емітерний повторювач- окремий випадок повторювачів напруги на основі біполярного транзистора. Характеризується високим посиленням струму і коефіцієнтом передачі за напругою, близьким до одиниці. При цьому вхідний опір відносно великий (проте він менший, ніж вхідний опір витокового повторювача), а вихідний - мало.
В емітерному повторювачі використовується схема включення транзистора із загальним колектором (ОК). Тобто напруга живлення подається на колектор, вхідний сигнал подається на базу, а вихідний сигнал знімається з емітера. Внаслідок чого утворюється 100 % негативний зворотний зв'язок за напругою, що дозволяє значно зменшити нелінійні спотворення, що виникають під час роботи. Слід зазначити, що фази вхідного і вихідного сигналу збігаються. Така схема включення використовується для побудови вхідних підсилювачів, якщо вихідний опір джерела велике, і як буферний підсилювач, а також як вихідні каскади підсилювачів потужності.
Схеми включення
Схема включення із загальним емітером
U вих = U ке
· Коефіцієнт посилення по струму:
I вих /I вх =I до /I б =I до /(I е -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]
· Вхідний опір:
R вх = U вх / I вх = U б / I б
Переваги:
· Великий коефіцієнт посилення струму
· Великий коефіцієнт посилення за напругою
· Найбільше посилення потужності
· Можна обійтися одним джерелом живлення
· Вихідна змінна напруга інвертується щодо вхідної.
Недоліки:
· Найгірші температурні та частотні властивостів порівнянні зі схемою із загальною базою
У цій статті розповімо про транзистор. Покажемо схеми його підключення та розрахунок транзисторного каскаду із загальним емітером.
ТРАНЗИСТОР- це напівпровідниковий прилад для посилення, генерування та перетворення електричних коливань, виконаний на основі монокристалічного напівпровідника ( Si- Кремнію, або Ge- Німеччина), що містить не менше трьох областей з різною - електронною ( n) та діркової ( p) - провідністю. Винайдений у 1948 американцями У. Шоклі, У. Браттейном та Дж. Бардіном. За фізичною структурою та механізмом управління струмом розрізняють транзистори біполярні (частіше називають просто транзисторами) та уніполярні (частіше називають польовими транзисторами). У перших, що містять два, або більше електронно-діркових переходів, носіями заряду служать як електрони, так і дірки, по друге - або електрони, або дірки. Термн "транзистор" нерідко використовують для позначення портативних радіомовних приймачів на напівпровідникових приладах.
Управління струмом у вихідний ланцюга здійснюється рахунок зміни вхідного напруги чи струму. Невелика зміна вхідних величин може спричинити суттєво більшої змінивихідної напруги та струму. Ця підсилювальна властивість транзисторів використовується в аналоговій техніці (аналогові ТБ, радіо, зв'язок тощо).
Біполярний транзистор
Біполярний транзистор може бути n-p-nі p-n-pпровідності. Не заглядаючи у нутрощі транзистора, можна відзначити різницю провідностей лише в полярності підключення практичних схемахджерел живлення, конденсаторів, діодів, що входять до складу цих схем. На малюнку праворуч графічно зображено n-p-nі p-n-pтранзистори.
У транзистора три висновки. Якщо розглядати транзистор як чотириполюсник, то у нього має бути два вхідні та два вихідні висновки. Отже, якийсь із висновків повинен бути загальним, як для вхідного, так і для вихідного ланцюга.
Схеми включення транзистора
Схема включення транзистора із загальним емітером– призначена для посилення амплітуди вхідного сигналу за напругою та струмом. У цьому вхідний сигнал, посилюючись транзистором, инвертируется. Тобто фаза вихідного сигналу повертається на 180 градусів. Ця схема є основною для посилення сигналів різної амплітуди і форми. Вхідний опір транзисторного каскаду з ОЕ буває від сотень Ом до одиниць кілоом, а вихідний - від одиниць до десятків кілоом.
Схема включення транзистора із загальним колектором– призначена для посилення амплітуди вхідного сигналу струму. Посилення за напругою у такій схемі не відбувається. Правильніше сказати, коефіцієнт посилення за напругою навіть менший за одиницю. Вхідний сигнал транзистором не інвертується.
Вхідний опір транзисторного каскаду з ОК буває від десятків до сотень кілоом, а вихідний в межах сотні — одиниць кілоом. Завдяки тому, що в ланцюзі емітера знаходиться, як правило, навантажувальний резистор, схема має великий вхідний опір. Крім того, завдяки посиленню вхідного струму, вона має високу здатність навантаження. Ці характеристики схеми із загальним колектором застосовуються для узгодження транзисторних каскадів — як «буферний каскад». Оскільки вхідний сигнал, не посилюючись по амплітуді «повторюється» на виході, схему включення транзистора із загальним колектором ще називають Емітерний повторювач.
Є ще Схема включення транзистора із загальною базою. Ця схема включення в теорії є, але на практиці вона реалізується дуже важко. Така схема включення використовується у високочастотній техніці. Особливість її в тому, що має низький вхідний опір, і узгодити такий каскад по входу складно. Досвід в електроніці у мене не малий, але говорячи про цю схему включення транзистора, я вибачте, нічого не знаю! Кілька разів використовував як «чужу» схему, але так і не розбирався. Поясню: за всіма фізичними законами транзистор управляється його базою, вірніше струмом, що протікає шляхом база-емітер. Використання вхідного виведення транзистора – бази на виході – не можливе. Насправді базу транзистора через конденсатор «саджають» високою частотою на корпус, але в виході її й використовують. А гальванічно, через високоомний резистор, базу пов'язують із виходом каскаду (подають усунення). Але подавати зсув, по суті можна звідки завгодно, хоч від додаткового джерела. Все одно, що потрапляє на базу сигнал будь-якої форми гаситься через той самий конденсатор. Щоб такий каскад працював, вхідний висновок – емітер через низькоомний резистор «саджають» на корпус, звідси й низький вхідний опір. Загалом схема включення транзистора із загальною базою — тема для теоретиків та експериментаторів. Насправді вона зустрічається дуже рідко. За свою практику у конструюванні схем ніколи не стикався з необхідністю використання схеми включення транзистора із загальною базою. Пояснюється це властивостями цієї схеми включення: вхідний опір від одиниць до десятків Ом, а вихідний опір від сотень кілоом до одиниць мегаом. Такі специфічні параметри- Рідкісна потреба.
Біполярний транзистор може працювати у ключовому та лінійному (підсилювальному) режимах. Ключовий режим використовується в різних схемахуправління, логічних схемахта ін ключовому режимі, транзистор може бути у двох робочих станах – відкритому (насиченому) і закритому (замкненому) стані. Лінійний (підсилювальний) режим використовується в схемах посилення гармонійних сигналів і вимагає підтримки транзистора в "наполовину" відкритому, але не насиченому стані.
Для вивчення роботи транзистора ми розглянемо схему включення транзистора із загальним емітером як найбільш важливу схему включення.
Схема зображено малюнку. На схемі VT- Власне транзистор. Резистори R б1і R б2– ланцюжок усунення транзистора, що є звичайним дільником напруги. Саме цей ланцюг забезпечує зміщення транзистора в « робочу точку» у режимі посилення гармонійного сигналубез спотворень. Резистор R до– навантажувальний резистор транзисторного каскаду, призначений для підведення до колектора транзистора електричного струмуджерела живлення та його обмеження у режимі «відкритого» транзистора. Резистор R е– резистор зворотнього зв'язку, За своєю суттю збільшує вхідний опір каскаду, при цьому, зменшує посилення вхідного сигналу. Конденсатори виконують функцію гальванічної розв'язки від впливу зовнішніх ланцюгів.
Щоб Вам було зрозуміліше, як працює біполярний транзистор, ми проведемо аналогію зі звичайним дільником напруги (див. Мал. Нижче). Для початку, резистор R 2дільника напруги зробимо керованим (змінним). Змінюючи опір цього резистора, від нуля до «нескінченно» великого значення, ми можемо отримати на виході такого дільника напругу від нуля до значення, яке подається на його вхід. А тепер, уявімо, що резистор R 1дільника напруги – це колекторний резистор транзисторного каскаду, а резистор R 2дільника напруги – це перехід транзистора колектор-емітер. При цьому, подаючи на базу транзистора керуючий вплив у вигляді електричного струму, ми змінюємо опір переходу колектор-емітер, тим самим змінюючи параметри дільника напруги. Відмінність від змінного резистора у цьому, що транзистор управляється слабким струмом. Саме так і працює біполярний транзистор. Наведене вище зображено на малюнку нижче:
Для роботи транзистора в режимі посилення сигналу, без спотворення останнього, необхідно забезпечити цей робочий режим. Говорять про усунення бази транзистора. Грамотні фахівці тішать себе правилом: Транзистор керується струмом – це аксіома. Але режим усунення транзистора встановлюється напругою база-емітер, а чи не струмом – це реальність. І той, хто не враховує напругу зміщення, ніякого підсилювача не працюватиме. Тож у розрахунках його значення має враховуватися.
Отже, робота біполярного транзисторного каскаду як підсилення відбувається за певному напрузі зміщення на переході база-эмиттер. Для кремнієвого транзисторазначення напруги усунення лежить у межах 0,6…0,7 вольт, для германієвого – 0,2…0,3 вольта. Знаючи про це поняття, можна не лише розраховувати транзисторні каскади, а й перевіряти справність будь-якого підсилювального транзисторного каскаду. Достатньо мультиметром із високим внутрішнім опоромвиміряти напругу зміщення база-емітера транзистора. Якщо воно не відповідає 0,6-0,7 вольт для кремнію, або 0,2-0,3 вольта для германію, тоді шукайте несправність саме тут - або несправний транзистор, або несправні ланцюга зміщення або розв'язки цього транзисторного каскаду.
Вищезазначене, зображено на графіку – вольтамперній характеристиці (ВАХ).
Більшість із «спеців», подивившись на представлену ВАХ, скаже: Що за нісенітниця намальована на центральному графіку? Тож вихідна характеристика транзистора не виглядає! Вона представлена на правому графіку! Відповім, там все правильно, а почалося це з електронно-вакуумних ламп. Раніше вольтамперною характеристикою лампи вважалося падіння напруги на анодному резистори. Зараз продовжують вимірювати на колекторному резисторі, а на графіку приписують літери, що позначають падіння напруги на транзисторі, в чому глибоко помиляються. На лівому графіку I б – U бепредставлено вхідну характеристику транзистора. На центральному графіку I до - U кепредставлено вихідну вольтамперну характеристику транзистора. А на правому графіку I R – U Rпредставлений вольтамперний графік навантажувального резистора R до, який зазвичай видають за вольтамперну характеристику транзистора.
На графіку має місце лінійна ділянка, що використовується для лінійного посиленнявхідного сигналу, обмежений точками Аі З. Середня точка – У, є саме тією точкою, у якій необхідно містити транзистор, що працює у підсилювальному режимі. Цій точці відповідає певна напруга усунення, яке при розрахунках зазвичай беруть: 0,66 вольт для транзистора з кремнію, або 0,26 вольт для транзистора з германію.
За вольтамперною характеристикою транзистора бачимо таке: за відсутності, чи малому напрузі зміщення на переході база-эмиттер транзистора, струм бази і струм колектора відсутні. У цей момент на переході колектор-емітер падає вся напруга джерела живлення. При подальшому підвищенні напруги зміщення база-емітер транзистора транзистор починає відкриватися, з'являється струм бази і разом з ним росте струм колектора. При досягненні «робочої області» у точці З, транзистор входить у лінійний режим, який продовжується до точки А. При цьому падіння напруги на переході колектор-емітер зменшується, а на навантажувальному резистори R донавпаки збільшується. Крапка У- Робоча точка зміщення транзистора, - це така точка, при якій на переході колектор - емітер транзистора, як правило, встановлюється падіння напруги, що дорівнює половині напруги джерела живлення. Відрізок АЧХ від точки Здо точки Аназивають робочою областюусунення. Після точки А, Струм бази і отже струм колектора різко зростають, транзистор повністю відкривається - входить в насичення. У цей момент, на переході колектор-емітер падає напруга, зумовлена структурою n-p-nпереходів, що дорівнює 0,2…1 вольт, залежно від типу транзистора. Решта напруги джерела живлення падає на опорі навантаження транзистора – резистори R до., який крім того, обмежує подальше зростання струму колектора.
За нижніми «додатковими» малюнками, ми бачимо, як змінюється напруга на виході транзистора в залежності від сигналу, що подається на вхід. Вихідна напруга(Падіння напруги на колекторі) транзистора протифазно (на 180 градусів) до вхідного сигналу.
Розрахунок транзисторного каскаду із загальним емітером (ОЕ)
Перш ніж перейти безпосередньо до розрахунку транзисторного каскаду, звернемо увагу на такі вимоги та умови:
Розрахунок транзисторного каскаду проводять, зазвичай, з кінця (тобто. з виходу);
Для розрахунку транзисторного каскаду потрібно визначити падіння напруги на переході колектор-емітер транзистора у режимі спокою (коли відсутня вхідний сигнал). Воно вибирається таким, щоб отримати максимально неспотворений сигнал. У однотактної схемитранзисторного каскаду працюючого як «A» це, зазвичай, половина значення напруги джерела живлення;
В емітерному ланцюзі транзистора біжить два струми - струм колектора (по дорозі колектор-емітер) і струм бази (по дорозі база-емітер), але так як струм бази досить малий, їм можна знехтувати і прийняти, що струм колектора дорівнює струму емітера;
Транзистор – підсилювальний елемент, тому справедливо буде помітити, що здатність його підсилювати сигнали має виражатися якоюсь величиною. Величина посилення виражається показником, взятим з теорії чотирьохполюсників - коефіцієнт посилення струму бази у схемі включення із загальним емітером (ОЕ) і позначається він - h 21. Його значення наводиться у довідниках для конкретних типівтранзисторів, причому, зазвичай, у довідниках наводиться вилка (наприклад: 50 – 200). Для розрахунків зазвичай вибирають мінімальне значення(З прикладу вибираємо значення - 50);
Колекторне ( R до) та емітерне ( R е) опори впливають на вхідний та вихідний опори транзисторного каскаду. Можна вважати, що вхідний опір каскаду R вх = R е * h 21, а вихідне одно R вих = R до. Якщо Вам не важливий вхідний опір транзисторного каскаду, то можна обійтися зовсім без резистора. R е;
Номінали резисторів R доі R еобмежують струми, що протікають через транзистор і розсіюється на транзисторі потужність.
Порядок та приклад розрахунку транзисторного каскаду з ОЕ
Вихідні дані:
Напруга живлення U в.п.= 12 ст.
Вибираємо транзистор, наприклад: Транзистор КТ315Г, для нього:
P max= 150 мВт; I max= 150 мА; h 21>50.
Приймаємо R до =10*R е
Напруга б-е робочоїточки транзистора приймаємо U бе= 0,66 В
Рішення:
1. Визначимо максимальну статичну потужність, яка буде розсіюватися на транзисторі в моменти проходження змінного сигналу, через робочу точку статичного режиму транзистора. Вона має становити значення, на 20 відсотків менше (коефіцієнт 0,8) максимальної потужностітранзистора, зазначеної у довіднику.
Приймаємо P рас.max = 0,8 * Pmax= 0,8 * 150 мВт = 120 мВт
2. Визначимо струм колектора у статичному режимі (без сигналу):
I к0 = P рас.max / U кэ0 = P рас.max / (U і.п. / 2)= 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Враховуючи, що на транзисторі в статичному режимі (без сигналу) падає половина напруги живлення, друга половина напруги падатиме на резисторах:
(R до +R е)=(U і.п. /2)/I к0= (12В/2)/20мА = 6В/20мА = 300 Ом.
Враховуючи існуючий рядноміналів резисторів, а також те, що ми вибрали співвідношення R до =10*R е, знаходимо значення резисторів:
R до= 270 Ом; R е= 27 Ом.
4. Знайдемо напругу на колекторі транзистора без сигналу.
U к0 = (U кэ0 + I к0 * R е) = (U і.п. - I к0 * R до )= (12 В - 0,02 А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Визначимо струм бази керування транзистором:
I б = I до / h 21 = / h 21= / 50 = 0,8 мА.
6. Повний базовий струм визначається напругою зміщення на базі, що задається дільником напруги R б1,R б2. Струм резистивного базового дільника повинен бути набагато більше (в 5-10 разів) струму управління бази I бщоб останній не впливав на напругу зміщення. Вибираємо струм дільника в 10 разів більшим за струм управління бази:
R б1,R б2: І справ. = 10 * I б= 10*0,8 мА = 8,0 мА.
Тоді повний опір резисторів
R б1 + R б2 = U в.п. /I справ.= 12 В/0,008 А = 1500 Ом.
7. Знайдемо напругу на емітері у режимі спокою (відсутності сигналу). При розрахунку транзисторного каскаду необхідно враховувати: напруга база-емітер робочого транзистора не може перевищити 0,7 вольта! Напруга на емітері в режимі без вхідного сигналу приблизно дорівнює:
U е =I к0 *R е= 0,02 А * 27 Ом = 0,54,
де I к0- Струм спокою транзистора.
8. Визначаємо напругу на базі
U б = U е + U бе=0,54 В+0,66 =1,2 В
Звідси, через формулу дільника напруги знаходимо:
R б2 = (R б1 + R б2) * U б / U в.п.= 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 + R б2)-R б2= 1500 Ом - 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду у зв'язку з тим, що через резистор R б1тече ще й струм бази, вибираємо резистор у бік зменшення: R б1= 1,3 ком.
9. Роздільні конденсатори вибирають виходячи з необхідної амплітудно-частотної характеристики (смуги пропускання) каскаду. Для нормальної роботи транзисторних каскадів на частотах до 1000 Гц необхідно вибирати конденсатори номіналом щонайменше 5 мкФ.
На нижніх частотах амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) каскаду залежить від часу перезаряджання розділових конденсаторів через інші елементи каскаду, у тому числі й елементи сусідніх каскадів. Ємність має бути такою, щоб конденсатори не встигали перезаряджатися. Вхідний опір транзисторного каскаду набагато більше вихідного опору. АЧХ каскаду в області нижніх частот визначається постійним часом t н = R вх * C вх, де R вх = R е * h 21, З вх- Роздільна вхідна ємність каскаду. C вихтранзисторного каскаду, це З вхнаступного каскаду і розраховується так само. Нижня частота зрізу каскаду (гранична частота зрізу АЧХ) f н =1/t н. Для якісного посилення при конструюванні транзисторного каскаду необхідно вибирати, щоб співвідношення 1/t н =1/(R вх * C вх)<
Розрахунок ключового режиму транзисторного каскаду виробляється так само, як і раніше проведений розрахунок підсилювального каскаду. Відмінність полягає лише в тому, що ключовий режим передбачає два стани транзистора у режимі спокою (без сигналу). Він або закритий (але не закорочений), або відкритий (але не перенасичений). При цьому робочі точки «спокою» знаходяться за межами точок А і С зображених на ВАХ. Коли транзистор має бути закритий на схемі в стані без сигналу, необхідно з раніше зображеної схеми каскаду видалити резистор R б1. Якщо ж потрібно, щоб транзистор у стані спокою був відкритий, необхідно у схемі каскаду збільшити резистор R б2в 10 разів від розрахункового значення, а окремих випадках, його можна видалити зі схеми.
