У какого транзистора входное сопротивление максимальное
Перейти к содержимому

У какого транзистора входное сопротивление максимальное

  • автор:

2 Биполярные транзисторы

В каком направлении включаются эмиттерный и коллекторный переходы в активном режиме работы транзистора?

1) эмиттерный – в обратном, коллекторный – в прямом

2) оба – в прямом направлении

3) оба – в обратном направлении

4) эмиттерный – в прямом, коллекторный – в обратном

Какие особенности отличают базу от эмиттера и коллектора?

3) концентрация примеси

4)все, указанное выше

Что произойдет, если эмиттерный переход маломощного транзистора включить в обратном направлении, а коллекторный – в прямом?

1) прибор выйдет из строя

2) все токи в транзисторе резко возрастут

3) транзистор работать не будет

4) уменьшится коэффициент усиления

В чем заключается сущность процесса инжекции в биполярном транзисторе?

1) образование пары «электрон-дырка»

2) исчезновение пары «электрон-дырка»

3) переход ОНЗ через РN — переход при прямом включении

4) переброс ННЗ через PN- переход при обратном включении

При включении транзистора по схеме с общей базой коэффициент усиления по току равен 0,95. Чему равен коэффициент усиления по току этого транзистора, если его включить по схеме с общим эмиттером?

При включении транзистора по схеме с общей базой коэффициент усиления по току равен 0,95. Чему равен коэффициент усиления по току этого транзистора, если его включить по схеме с общим коллектором?

Какая схема включения транзистора имеет наибольший коэффициент усиления по мощности и фазовый сдвиг 180°?

1) схема с общей базой

2) схема с общим эмиттером

3) схема с общим коллектором

4) все три схемы

Какая схема включения имеет наибольшее входное сопротивление, наименьшее выходное и не дает усиления по напряжению?

1)схема с общей базой

2)схема с общим эмиттером

3)схема с общим коллектором

Какая схема включения имеет наименьшее входное сопротивление, наибольшее выходное и не дает усиления по току?

1) схема с общей базой

2) схема с общим эмиттером

3) схема с общим коллектором

4) все три схемы

Что такое граничная частота?

1)частота, при которой h21э становится равным единице

2)частота, при которой коэффициент передачи тока падает на 3 дБ

3)частота, на которой коэффициент усиления по мощности = 1

4)частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в √2 раз

3 Полевые транзисторы

У какого транзистора входное сопротивление максимально?

1) у полевого транзистора с управляющим PN-переходом

2) у биполярного транзистора структуры NPN

3) у биполярного транзистора структуры PNP

4) у МДП-транзистора

Что является изоляцией между каналом и управляющим электродом (затвором) у полевого транзистора с управляющим PN-переходом?

2) воздушная среда

3) оксид кремния

4) обратно включенный PN-переход

Какой электрод полевого транзистора является затвором?

1) электрод, от которого перемещаются носители заряда в канале

2) электрод, к которому стекаются носители заряда в канале

3) электрод, на котором выполняют PN-переходы

4) электрод, который управляет электрическим полем

Чем обусловлены усилительные свойства полевых транзисторов?

1)неосновными носителями заряда

2)тепловыми носителями заряда

3)основными носителями, протекающими через канал, управляемый электрическим полем

4)Электронами и дырками, образованными в процессе генерации

Схема с общим истоком усиливает сигнал:

1) по напряжению

4)По всем трем параметрам

Почему наибольшее применение нашла схема включения полевого транзистора с общим истоком?

1) она имеет большое входное сопротивление и наибольший Ку. по мощности

2) она имеет наибольшее входное сопротивление и наибольший Ку. по напряжению

3) она имеет наименьшее входное сопротивление и наибольший Ку. по току

4) она имеет большое входное сопротивление и малое выходное

Почему электронно-дырочный переход (затвор) у транзисторов с управляющим PN-переходом включают в обратном направлении?

1) чтобы увеличить толщину PN-перехода

2) чтобы уменьшить толщину PN-перехода

3) чтобы увеличить входное сопротивление и уменьшить потери мощности на входе

4)чтобы уменьшить входное сопротивление и увеличить выходное

Почему большое входное сопротивление является достоинством электронного прибора?

1) позволяет обеспечить согласованный режим на выходе

2) с увеличением входного сопротивления увеличивается входной ток и напряжение

3) уменьшается входной ток и потери мощности на управление потоком носителей заряда

4) при большом входном сопротивлении получаем большое напряжение на выходе

Как называется режим, при котором число носителей заряда в канале увеличивается?

1) режим насыщения

3) режим обогащения

4) режим обеднения

В каком режиме могут работать МДП-транзисторы с индуцированным каналом?

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом: принцип работы и применение

В статье кратко описано устройство полевых транзисторов с управляемым pn-переходом и приведены схемы их использования. Статья предназначена для ознакомления с транзисторами, а не для подробного изучения их особенностей и схемотехники.

Введение

Идея создания полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET) принадлежит американским инженерам Джорджу Дейси (George Clement Dacey) и Йену Россу (Ian Munro Ross). В 1953 г. они создали лабораторный образец такого транзистора, однако технологические проблемы производства смогли преодолеть только в 1960 г. — наверное, с этой даты и следует отсчитывать начало внедрения в практику полевых транзисторов с p-n-переходом.

Рис. 1. Схематическое изображение транзисторов с управляющим p-n-переходом

Существуют два типа транзисторов с управляющим p-n-переходом: с p-каналом и n-каналом. Их схематическое изображение показано на рис. 1 , а на рис. 2 представлено упрощенное изображение конструкции n-канального транзистора. В областях, прилегающих к стоку и истоку транзистора, посредством дополнительного легирования созданы повышенные концентрации электронов, что уменьшает сопротивление канала в открытом состоянии.

Рис. 2. Упрощенная конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET)

Рис. 3. Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора

Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора иллюстрируется рис. 3 . При управляющем напряжении затвор-исток U ЗИ = 0 канал находится в проводящем состоянии, основные носители (электроны) обозначены на рис. 3 точками. По мере увеличения напряжения сток-исток U СИ будет возрастать и ток стока I C через канал, транзистор работает в омической области.

Дальнейшее увеличение напряжения сток-исток U СИ приводит к уменьшению свободных электронов, возникает обедненный слой. Область обедненного слоя наиболее велика вблизи стока, поскольку к стоку подключено питающее напряжение и напряженность поля там наиболее высока. Появление обедненного слоя приводит к сужению проводящего канала, поэтому при дальнейшем возрастании напряжения ток увеличивается незначительно, транзистор переходит в область насыщения. Обе области, насыщения и омическая, показаны на вольт-амперной характеристике слева на рис. 3.

Если прикладывать к затвору отрицательное напряжение U ЗИ , область p-n-перехода расширяется в сторону канала, что приводит к сужению проводящего канала и уменьшению тока через него. При дальнейшем увеличении абсолютного значения напряжения затвора канал полностью перекрывается, проводимость прекращается, транзистор переходит в режим отсечки. Напряжение U ЗИ , при котором наступает режим отсечки, называется напряжением отсечки U ОТС .

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях UЗИ

На рис. 4 показаны вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях U ЗИ и соблюдении соотношений:

Ток стока при управляющем напряжении затвор-исток U ЗИ = 0 называется начальным током стока IC0. В большинстве случаев вольт-амперная характеристика полевого транзистора с p-n-переходом хорошо описывается выражением:

Усиление полевого транзистора характеризуется крутизной GM, которая определяется из формулы (3) с учетом соотношения (2):

В справочных данных обычно значение крутизны полевого транзистора указывают при U ЗИ = 0. В этом случае выражение (3) принимает следующий вид:

Преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом является высокое входное сопротивление, ток обратно смещенного p-n-перехода очень мал и не превышает нескольких микроампер, но следует учитывать, что при возрастании температуры на 10 °С ток затвора удваивается.

К достоинствам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом также относятся отличные частотные свойства. Полевые транзисторы униполярны, в них отсутствуют неосновные носители, а следовательно, и процесс рассасывания неосновных носителей, который заметно ухудшает частотные свойства биполярных транзисторов.

Рис. 5. Схемы включения полевых транзисторов с p-n-переходом: а) с общим истоком; б) с общим затвором; в) с общим стоком

Существуют три схемы включения полевых транзисторов. Все они изображены на рис. 5. Часто используется схема с общим истоком (рис. 5а), которая позволяет усилить мощность сигнала. Схема с общим затвором (рис. 5б) имеет низкое входное сопротивление и не усиливает сигнал, поэтому она применяется редко. Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 5в) имеет большое входное сопротивление, но коэффициент усиления напряжения практически равен 1.

Применение полевых транзисторов с p-n-переходом (JFET)

В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.

На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.

Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:

За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:

Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя

Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.

Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя

Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.

Рис. 8. Схема аттенюатора

Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.

Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода ( рис. 9 ). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.

Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.

Сопротивления транзисторов

и примите во внимание, что переменная составляющая коллекторного тока гк=5и. Пренебрегите влиянием внутреннего сопротивления транзистора.

9.12. К пояснению сопротивления транзистора для постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока

9.6. Определить, насколько частота колебаний транзисторного генератора отклоняется от резонансной частоты контура ( 9.1, а), если аргумент комплексной крутизны cps = 25°. Параметры контура: 1 = 80 мкГ, С=320 пФ, (2 = 50. Влиянием выходного сопротивления транзистора пренебречь.

Режим короткого замыкания по переменному току соответствует режиму, при котором напряжение в цепи не зависит от тока. Практически это осуществляется включением на вход или выход емкостного сопротивления, величина которого много меньше величины входного или выходного сопротивления транзистора. Система «/-парамет-

Далее расчет ведем по семейству входных характеристик ( 8.49,а). Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при ?/кэ= — 5 В. Это можно сделать в том случае, если источник усиливаемых колебаний работает как генератор тока, т. е. когда внутреннее сопротивление источника колебаний значительно больше входного сопротивления транзистора. Из графика находим:

Следовательно, на нагрузке Rs создается выходной сигнал, усиленный по напряжению и мощности, так’как входной и выходной токи примерно равны, а сопротивление нагрузки во много раз больше входного сопротивления транзистора переменному току.

Параметр h\\ представляет собой значение входного сопротивления транзистора при коротком замыкании на выходе и измеряется в омах:

Транзистор в схеме с общей базой будет работать в динамическом режиме благодаря резистору ^к, включенному в цепь коллектора ( 46). Источник сигнала С/вх, включается в цепь эмиттера последовательно с источником смещения Е^. Напряжение на коллекторе определяется выражением икъ = Ек.—/к/?к. Нагрузочную прямую строят на семействе выходных характеристик транзистора аналогично построениям для схемы с общим эмиттером. Данная схема не нашла широкого применения ввиду очень низкого входного сопротивления транзистора.

Из приводимой формулы видно, что частота генерируемых колебаний зависит не только от параметров основного частотозадаю-щего контура L0C0, но и от внутреннего сопротивления транзистора (и при более строгом учете — его входных сопротивления и емкости). Поэтому при изменении температуры и напряжений источников питания изменяется и частота генерируемых колебаний.

линейного описания биполярного транзистора в статическом режиме. Она не позволяет учитывать эффекты накопления зарядов в транзисторной структуре. Введение в эквивалентную схему трех омических объемных сопротивлений позволяет повысить точность описания статических характеристик. Этими элементами схемы учитываются омические сопротивления транзистора между его рабочими областями и выводами от коллектора, эмиттера и базы.

Усилители на основе ПТ, включенных по схемам с общим истоком ( 16.31,6) и общим стоком ( 16. 31, в) имеют чрезвычайно большое входное сопротивление при работе на постоянном токе и низких частотах. При использовании сопротивлений нагрузки, существенно меньших выходного сопротивления транзистора, коэффициенты усиления по напряжению для схем с общим истоком и стоком определяются по формулам: Я„ои — = 5’П.ТЛН и Яио.с = 5птЛн/(1 + 5п.тЛн), где 5П.Т — крутизна транзистора в рабочей точке.

внутренние сопротивления транзисторов TI и Тч, а двумя другими — реЗИСТОрЫ RKi И RK2. К ОДНОЙ

Внутрисхемные соединения в МДП-ИМС могут выполняться с помощью металлизации или путем формирования диффузионных областей. Применение диффузионных межсоединений позволяет относительно просто реализовать пересечения проводников в МДП-ИМС и наиболее полно использовать площадь кристалла. При этом следует учитывать влияние паразитных сопротивлений диффузионных межсоединений. При соединении диффузионных областей последовательно с затворами транзисторов наличие паразитных сопротивлений Кд приводит только к задержке управляющих сигналов, поступающих на транзисторы. Поскольку входные сопротивления транзисторов велики (RB*^>RA), амплитуда сигналов не искажается. Если паразитное сопротивление находится в цепи истока или стока, т. е. диффузионное межсоединение включено последовательно с истоком (стоком), то его влияние оказывается более существенным. В частности, последовательное сопротивление Кд в цепи вызывает уменьшение эффективной крутизны транзистора, что приводит к ухудшению как статических, так и динамических характеристик схемы.

При малом сопротивлении источника сигнала возможно использование схемы с общей базой; при более распространенном случае, когда сопротивление источника ^г>^?вх. б, целесообразно использовать транзисторный каскад по схеме с общим эмиттером, схема которого показана на 4.13, а. Здесь с помощью сопротивлений делителя ReiRez и jR3 стабилизирован режим по постоянному току транзистора VI. С помощью сопротивления RQ устанавливается ток через транзистор V2 такой же,, как и через транзистор VI. В такой схеме в выходной цепи по переменному напряжению оказывается включенными параллельно сопротивление нагрузки RH, выходные сопротивления транзисторов VI и V2. Причем, так как через второй транзистор протекает неизменный ток, не зависящий от сигнала, его выход-

моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов 7\ и Т2, а двумя другими — резисторы RKI и RX2- К одной диагонали моста подключен источник питания Ек, а к другой — внешняя нагрузка RH. Входной сигнал постоянного или медленно изменяющегося тока прикладывается к базам обоих транзисторов (симметричный вход). Если плечи моста симметричны (транзисторы идентичны, a RKi = ЯК2) и UBX = 0, то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом напряжения на коллекторах [7к1 и UK2 относительно заземленной точки схемы также равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами (на нагрузке RH) равна нулю. Изменение напряжения питания, температуры или воздействие какого-либо другого дестабилизирующего фактора вызывают равные приращения начальных токов транзисторов, что обусловливает равные приращения напряжений на коллекторах Д1/к1 = Д1/к2. Однако баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно нулю. При наличии входного сигнала (17ВХ > 0) приращения коллекторных токов, а следовательно, и напряжений на коллекторах будут равны, но противоположны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциалов (1/вых + 0), за счет которой в резисторе RH протекает ток усиленного сигнала.

Резисторные усилительные каскады анализировались ранее, и для них получены выражения основных параметров (/(, /(/, ^вх, /?вых), которыми можно воспользо-ваться в данном случае. Правда, каскады с ОЭ и с ОИ нагружены не на резисторные нагрузки, а на входные сопротивления каскодов с ОБ и с ОЗ. Это необходимо учитывать. Например, нагрузкой транзисторов VT2 являются крайне малые входные сопротивления транзисторов VT1, так как в первом случае транзистор VT1 включен по схеме с ОБ, а во втором — по схеме с ОЗ. В результате транзисторы VT2 обеих каскодных схем работают в режиме, близком к короткому замыканию, и усиление напряжения в этих каскадах практически отсутствует.

Данная схема по существу представляет собой мост, плечами которого являются резисторы Rm — RK^ и внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 (вместе с соответствующей частью резистора R0 и резистором Rs). К одной из диагоналей моста подведено напряжение источника питания ?к> а в другую диагональ включен нагрузочный резистор jRH, с которого снимается выходное напряжение. Резисторы Rm = Rm и Rzi — RBZ входят в делители напряжения источника питания и служат для выбора исходного режима работы каскадов. В эмиттерную цепь каждого из транзисторов включены резистор Кэ и соответствующая часть резистора R0.

Входные сопротивления транзисторов в большинстве случаев имеют малые значения (1000—3000 Ом), поэтому для разделительных конденсаторов усилителей на транзисторах требуются большие значения емкости. Например, для усилителей звуковых частот емкость составляет несколько микрофарад.

Входное и выходное сопротивления транзисторов, подставляемые -в (8.21), находят для частоты /о и применённых способов включения. При наличии в схеме сопротивлений, шунтирующих входную цепь транзистора, в (8.21) в качестве RBX подставляют результирующее входное сопротивление каскада.

Входное и выходное сопротивления транзисторов, подставляемые в (8.21), находят для частоты /0 и применённых способов включения. При наличии в схеме сопротивлений, шунтиру-\ ющих входную цепь транзистора, в (8.21) в качестве Rer подставляют результирующее входное сопротивление каскада.

Пусть один транзистор имеет минимально возможный параметр Етт = 0,1 В, а второй — максимально возможный Етах — 0,5 В. Сопротивления транзисторов в открытом состоянии считаем примерно одинаковыми. Напряжение UK3 обычно не слишком отличается от напряжения Е в состоянии насыщения. Тогда ток через VT2 будет примерно в 5 раз больше, чем ток через транзистор VT1. Другими словами, мощность, рассеиваемая на VT2, будет в 25 (!) раз больше, чем мощность, рассеиваемая на VT1. Ключ может мгновенно выйти из строя, если мы планировали распределить токи между ключами равномерно.

Выходное сопротивление транзистора (лампы), шунтирующее контур, при расчете, как правило, можно не учитывать, если коэффициент трансформации рассчитан указанным способом. Влиянием входного сопротивления лампы в диапазонах ДВ, СВ и KB обычно пренебрегают, тогда как в транзисторных УВЧ следует учитывать влияние входного сопротивления транзисторов на качество контура в цепи

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *