Выходное напряжение в схеме с общим эмиттером

Биполярные транзисторы. For dummies

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

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

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

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

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

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

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

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

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

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

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

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

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

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

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

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

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

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

Схемы включения биполярных транзисторов

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

Схема включения с общим эмиттером

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

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

Схема включения с общей базой

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

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

Схема включения с общим коллектором

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

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

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

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

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

Два слова о каскадах

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

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

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

Другие области применения биполярных транзисторов

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

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

• в линейных стабилизаторах напряжения;
• в усилительных каскадах электронных схем;
• в генераторных устройствах;
• в качестве ключевого элемента;
• в качестве элемента логических схем;
• и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

• рабочая частота;
• рассеиваемая мощность;
• структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
• и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

• схема с общим эмиттером;
• схема с общей базой;
• эмиттерный повторитель.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер I_B (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер I_C (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером h_FE:

Еще h_FE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера I_E коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1

где h_FE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы R_in, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

h_FE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

R_load – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению h_FE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Основные параметры биполярного транзистора

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) V_CEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) V_CBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) I_C – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) V_EBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) I_CEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) I_BL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) h_FE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) V_CE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) V_BE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) f_T – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) C_CBO – емкость коллекторного перехода.
12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) C_EBO – емкость эмиттерного перехода.
13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
14. Время задержки включения (Delay Time) t_d — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
15. Время задержки выключения (Storage Time) t_s — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
16. Время включения (Rise Time) t_r — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
17. Время включения (Fall Time) t_f — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) P_D – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n	p-n-p
КТ3102	КТ3107
2N3904	2N3906
BC237 (238,239)	BC307 (308,309)
2N4401	2N4403
2N2222A	2N2907 (* почти)
2N6016	2N6015
2N6014	2N6013
BC556 (557, 558, 559, 560)	BC546 (547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения h_FE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
3. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Проводим ряд преобразований:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
2. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Транзистор и биполярный транзистор, расчёт транзисторного каскада

Радиоэлементы и радиосхемы, принципы работы

Автор OneScheme.ru На чтение 15 мин Просмотров 750 Опубликовано 01.03.2018

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R _б1 и R _б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R _к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R _э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R ₂ делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R ₁ делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R ₂ делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I _б – U _бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I _к – U _кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I _R – U _R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R _к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С, транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R _к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R _к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h ₂₁ . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (R _к ) и эмиттерное (R _э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R _вх =R _э *h ₂₁ , а выходное равно R _вых =R _к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R _э ;

• Номиналы резисторов R _к и R _э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U _и.п. =12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P _max =150 мВт; I _max =150 мА; h ₂₁ >50.

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U _бэ = 0,66 В

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P _рас.max =0,8*P _max =0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R _к =10*R _э , находим значения резисторов :

R _к = 270 Ом; R _э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

5. Определим ток базы управления транзистором:

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R _б1 ,R _б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I _б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R _б1 ,R _б2 : I _дел. =10*I _б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R _б1 +R _б2 =U _и.п. /I _дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U _э =I _к0 *R _э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I _к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R _б2 = (R _б1 +R _б2 )*U _б /U _и.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 , в связи с тем, что через резистор R _б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R _б1 =1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t _н =R _вх *C _вх , где R _вх =R _э *h ₂₁ , C _вх — разделительная входная емкость каскада. C _вых транзисторного каскада, это C _вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f _н =1/t _н . Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t _н =1/(R _вх *C _вх ) н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда t в =R вых *C к =R к C к , где C к — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R _б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R _б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.