КЛАСИФІКАЦІЯ ТРАНЗИСТОРІВ. БУДОВА Й ПРИНЦИП ДІЇ БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИТОРА (БТ) 



Транзистори - це напівпровідникові прилади, які мають один чи декілька p-n переходів, призначені для підсилення потужності сигналів і мають 3 і більш виводів.

За принципом дії транзистори поділяються на:

- біполярні - НП прилади в яких використовуються носії зарядів обох знаків (електроні

і дірки), мають 2 p-n – переходи, керуються струмом;

- уніполярні (польові) – використовують носії зарядів одного знака, керуються електричним полем;

- одноперехідні (двобазовий діод);

- фототранзистори – керуються світлом.

Біполярні транзистори – мають три зони провідності, які утворюють два p-n- переходи. Ці області називають: емітерНА (джерело носіїв заряду), базова (має властивість керувати цими зарядами) і колекторна (збирає носії заряду). Відповідно, кожна з областей має свій вивід, який маркується: К - колектор; Б - база; Е - емітер.

Залежно від типу вільних носіїв заряду в цих областях, транзистори поділяються за типом на  p-n -p та n-p-n.

Рисунок 26 – Біплярний транзистор: p-n-p - типу – структура (а), схемне зображення (б); n-p-n- типу – структура (в), схемне зображення (г).

Наявність p-n- переходів визначає два стани транзистора: відкритий і закритий. У відкритому транзисторі струм проходить від емітера до колектора. Для цього в транзисторі типу p-n -p (рис.26,а) до кожного p-n –переходу потрібно прикласти напругу певної полярності, а саме: між емітером і базою – в прямому напрямку, тобто до емітера «+», а до бази «-»; між колектором і базою – в зворотньому напрямку – до колектора «-», до бази - «+». Для транзисторів n-p-n- типу полярність протилежна (рис.26,в).

За наявності прикладених напруг вільні заряди із зони емітера переходять у зону бази, де частина їх рекомбінує. За рахунок того, що область бази є невеликою (декілька мікронів), то більшість цих носіїв потрапляють під дією напруги UБК i переходять в область колектора. Таким чином, уворюються струми емітера ІЕ, бази ІБ та колектора ІК (рис.27), які підпорядковані першому закону Кірхгофа ІЕК + ІБ, а зв'язок з вихідним і вхідним струмами визначається коефіцієнтом передачі за струмом:

α = ∆ ІК / ∆ ІЕ = Кі , UКБ = const.

Таке увімкнення називають із спільною базою, але враховуючи, що ІБ є незначним, практично приймають ІЕК , то в такій схемі Кі <1, тому транзистор доцільно вмикати за схемою зі спільним емітером.

Рисунок 27 – Проходження струмів транзистора у відкритому стані

 

РЕЖИМИ РОБОТИ БТ. СХЕМИ ВМИКАННЯ БТ ТА ЇХ ОСОБЛИВОСТІ

Незалежно від схеми вмикання БТ він може працювати у трьох основних режимах, що визначаються полярністю напруги на емітерному UE та колекторному UК переходах:

Активний режим(UE > 0, UК <0) -емітерний перехід відкритий (пряме включення), колекторний закритий (зворотне включення). Це основний режим роботи, в якому БТ володіє підсилювальними властивостями: пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного

ІК  = α ІЕ + ІКБ0.

Режим відтинання(UE < 0, UК <0) - настає з поданням до вхідного кола транзистора сигналу, який забезпечує повне запирання приладу, обидва переходи зміщені у зворотному напрямі (закритий стан транзистора).

ІК  = α ІЕ + ІКБ0,       ІЕ = 0,        ІК  = ІКБ0.

Так як емітерний перехід закритий, то α ІЕ = 0, ІК  = ІКБ0 дуже малий, так як утворюється неосновними носіями області колектора. Транзистор закритий.

Режим насичення (UE > 0, UК > 0) – настає при великому відпірному вхідному сигналі, емітерний та колекторний переходи зміщені у прямому напрямку. Тече дуже великий прямий струм колектора ІК , який утворюється основними носіями області колектора, залежить від концентрації домішок в К і не керується ІЕ. Транзистор повністю відкритий. Ітр = UЗ / R Н , тобто залежить тільки від опору навантаження та зовнішньої напруги (вихідний опір транзистора знижується до дуже малої величини).

Інверсний режим - емітерний перехід закритий, колекторний перехід відкритий. Якщо концентрація домішок в Е і К однакові, то вони взаємозамінні. Якщо ні, то це веде до виходу БТ з ладу.

Режими насичення та відсічки використовуються в імпульсних схемах.

Режим роботи, у якому транзистор тривалий час знаходиться в режимах відтинання або насичення, називається ключовим режимом.

У більшості електричних схем транзистор використовується в якості чотириполюсника, тобто пристрою, що має два вхідних і два вихідних виводи. Але транзистор має тільки три виводи, тому для його використання в якості чотириполюсника необхідно один з виводів транзистора зробити спільним для вхідного і вихідного ланцюгів. Тобто, змінюючи підключення електродів біполярного транзистора (емітера, бази і колектора) у схемі відносно входу і виходу (тобто цей електрод є спільним між входом і виходом), отримаємо три схеми включення БТ: зі спільною базою (СБ) (рис.28,а), спільним емітером (СЕ) (рис.28,б) і спільним колектором (СК) (рис.28,в).

У коло вхідного електроду послідовно з джерелом живлення Е1 вмикається джерело вхідного змінного сигналу uвх, який потрібно підсилити по потужності, а у вихідному електроді отримаємо сигнал струму, напруги, а, отже і потужності. Цей сигнал необхідно виділити, для цього існує навантаження – це споживач підсиленого сигналу. В найпростішому випадку в якості навантаження використовуюь звичайний резистор RН. Вихідний ланцюг живиться від джерела живлення Е2. Принципи підсилення коливань у всіх цих каскадах однаковий, але властивості схем різні.

                  а)                                                 б)                                              в)

Рисунок 28 – Схеми вмикання транзистора: із спільною базою (а), із спільним емітером (б), із спільним колектором (в)

Основні параметри транзисторного підсилювального каскаду при будь-якій схемі включення:

- коефіцієнт підсилення струму , який визначається за формулою

КІ = ∆івих / ∆івх, при uвих = const;

- коефіцієнт підсилення за напругою КU = Umвих / Umвх;

- коефіцієнт підсилення за потужністю КР  = Рвих / Рвх = КІ ∙ КU;

- вхідний опір Rвх= Umвх / Іmвх - за законом Ома.

На рисунку 28,а зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу р-n-p, яка називається схемою зі спільною базою (СБ), так як база є спільною точкою для входу і виходу, яка найчастіше під'єднується до нульового потенціалу або, як кажуть, до землі.

У цій схемі через внутрішній опір джерела вхідного сигналу проходить струм емітера ІЕ – він називається вхідним струмом, отже, для схеми зі СБ Івх = ІЕ; вихідним струмом є струм колектора Івих = ІК . Вхідною напругою є змінна напруга емітер-база - uвх = uеб, вихідною є змінна напруга колектор-база - uвих = uкб.

Схема зі СБ характеризується коефіцієнтом прямої передачі струму емітера α або його називають коефіцієнтом підсилення струму КІСБ, його визначають в режимі без навантаження (RН = 0), при постійній напрузі ділянки колектор – база:

КІСБ = ∆ік / ∆іе = α , при uкб = const. 

α завжди менше одиниці і чим ближче він до 1, тим краще транзистор. Коефіцієнт підсилення струму КІСБ для схеми зі СБ завжди трохи менше α, так як при включенні резистора навантаження Rн струм колектора зменшується.

Другим параметром схеми зі СБ є коефіцієнт підсилення за напругою КUСБ – він дорівнює відношенню амплітудних або діючих значень вихідної і вхідної змінної напруги:         

КUСБ = UmКБ / UmЕБ = ∆ік ∙ Rн / ∆іе ∙ Rвх СБ = α Rн / Rвх СБ, складає десятки або сотні.                                                                                                                               Вхідний опір Rвх СБ визначається за формулою:

Rвх СБ = UmЕБ / ІmЕ  - дуже малий (одиниці – десятки Ом) для змінної складової струму сигналу, тому що струм емітера (ІЕ) найбільший струм транзистора. Вихідний опір для цієї схеми складає сотні кОм. 

RН - опір навантаження.

Наступним параметром схеми зі СБ є коефіцієнт підсилення за потужністю КРСБ - він дорівнює добутку коефіцієнтов підсилення струму і напруги

КРСБ  = КІСБ ∙ КUСБ = ∆і2к ∙ Rн / ∆і2е ∙ RвхСБ = α2 ∙ (Rн / RвхСБ), складає приблизно десятки або сотні.

Для схеми зі СБ фазовий зсув між вихідною і вхідною напругою відсутній, тобто фаза напруги при підсиленні не перевертається і полярність підсилювальних сигналів не змінюється.

Переваги схеми зі СБ:

- має найкращі частотні властивості;

- це найбільш термостабільна схема;

- має малі нелінійні спотворення.

Недоліки схеми зі СБ:

- малий вхідний опір Rвх (менше ніж у схемі зі спільним емітером), так як у багатокаскадних схемах він шунтує опір навантаження RН попереднього каскаду, що веде до зменшення коефіцієнтів підсилення за напругою КU і потужністю КР.

- велика різниця між вхідним і вихідним опором, що при практичному застосуванні обмежує використання схеми зі СБ.

На рисунку 28,б зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу p-n-р, яка називається схемою із спільним емітером (СЕ), так як емітер є спільною точкою для входу і виходу.

Параметри вхідного кола: вхідний струм івх = іб, вхідна напруга uвх = uбе, вхідний опір RвхСЕ.

Параметри вихідного кола: вихідний струм івих = ік, вихідна напруга uвих = uке, вихідний опір RвихСЕ.                                                                                         

Підсилювальні властивості транзистора для схеми зі СЕ характеризує коефіцієнт передачи струму бази β або його називають коефіцієнтом підсилення струму КІСЕ і його визначають в режимі без навантаження (RН =0), тобто при постійній напрузі ділянки колектор – емітер

КІСЕ = ∆ік / ∆іб = β , при uке = const.

Коефіцієнт β складає десятки і навіть сотні, а реальний коефіцієнт підсилення струму каскаду завжди менше, ніж β, так як при включенні навантаження струм колектора ік зменшується.

Другим параметром схеми зі СЕ є коефіцієнт підсилення за напругою КUСЕ

КUСЕ = UmКЕ / UmБЕ = ∆ік ∙ Rн / ∆іб ∙ Rвх СЕ = β ∙ Rн / RвхСЕ.

Напруга uбе не перевищує десятих часток вольта, а вихідна напруга uке при достатньому опорі резистора навантаження і напрузі Е2 досягає одиниць, а в деяких випадках і десятків вольт. Тому КUСЕ складає від десятків до сотень.

Схема зі СЕ також характеризується коефіцієнтом підсилення за потужністю КРСЕ, який визначається за формулою

КРСЕ = КІСЕ ∙ КUСЕ = ∆і2к ∙ Rн / ∆і2б ∙ Rвх = β2 ∙ (Rн / RвхСЕ), складає сотні або тисячі.

Вхідний опір

RвхСЕ = UmБЕ / Іmб , та як Іmб,

малий, то Rвх - від сотень Ом до одиниць кОм, більше ніж у схемі зі СБ (середній).

Вихідний опір складає одиниці-десятки кОм – майже такий як і вхідний опір.

Схема зі СЕ при підсиленні перевертає фазу напруги, тобто між вхідною і вихідною напругою є фазовий зсув 180º.

Переваги схеми зі СЕ:  

- підсилює і напругу і струм, тому має найбільший коефіцієнт підсилення за потужністю КР, а тому ця схема найбільш поширена і найчастіше використовується;

- живлення від одного джерела , оскільки на базу та на колектор подаються живлячі напруги одного знаку , а це зменшує габарити, масу і вартість;

- майже однакові величини вхідного і вихідного опорів, що при побудові пристроїв не потребує узгоджувальних каскадів.

Недоліки схеми зі СЕ:

- низька термостабільність;

- частотні властивості гірші, ніж у схемі зі СБ.

На рисунку 28,в зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу p-n-р, яка називається схемою зі спільним колектором (СК), так як колектор є спільною точкою для входу і виходу. Особливість цієї схеми в тому, що вихідна напруга повністю передається на вхід, тобто схема має дуже сильний зворотній зв'язок. Вхідна напруга дорівнює

uвх = uбе + uвих;

Параметри вхідного кола: вхідний струм івх = іб, вхідна напруга uвх = uбк, вхідний опір RвхСК;

Параметри вихідного кола: вихідний струм івих = іе, вихідна напруга uвих = uек, вихідний опір RвихСК.

Схема зі СК характеризується наступними параметрами:

- коефіцієнт підсилення струму КІСК 

КІСК = ∆ іе / ∆ іб = (∆ік + ∆ іб) / ∆ іб  = β+1. 

Коефіцієнт підсилення струму схеми зі СК майже такий , як і в схемі зі СЕ і дорівнює декільком десяткам;

- коефіцієнт підсилення за напругою КUСК, він дорівнює   

КUСК = Umвих / Umвх = Umвих / (UmБЕ +Umвих) < 1 = ∆іе ∙ RН / ∆іб ∙ RвхСК =(β+1)∙ RН / RвхСК

близький до одиниці, причому завжди менше її.

Напруга UmБЕ, не більш десятих часток вольта, а Umвих при цьому складає одиниці вольт, тобто UmБЕ << Umвих;

- коефіцієнт підсилення за потужністю КРСК,

КРСК  = ∆Рвих / ∆Рвх = КІСК ∙ КUСК = ∆і2е ∙ RН / ∆і2б ∙ Rвхск= (β+1)2 ∙ RН / Rвхск;

КРСК складає приблизно декілько десятків;

- вхідний опір для схеми зі СК дорівнює

Rвхск = Umвх / Іmвх = (UmБЕ +Umвих)/Іmб ,

так як UmБЕmб  - вхідний опір самого транзистора для схеми зі СЕ, а Umвих – у десятки разів більше ніж UmБЕ , то Rвх  великий – десятки –сотні кОм, тобто у десятки разів більший ніж для схеми зі СЕ.

Вихідний опір для схеми зі СК порівнянно невеликий, звичайно одиниці кОм-сотні Ом.

Схема зі СК називається «емітерний повторювач», бо резистор навантаження RН вмикається у коло емітера, а напруга на виході повторює напругу на вході (КU ≤ 1), тобто полярність підсилювальних сигналів не міняється.

Переваги схеми зі СК:  

- великий коефіцієнт підсилення струму;

- великий вхідний опір Rвх та малий вихідний опір Rвих , що дає можливість використовувати її для узгодження високоомного виходу одного каскаду з низькоомним входом наступного чи з навантаженням.

Недолік схеми зі СК:

- не дає підсилення за напругою КUСК ≤ 1.

Порівняємо основні властивості всіх трьох схем включення транзистора, які зведені у таблицю 1 – (2-3 хв.)

 


Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 411; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!