Что такое область активного усиления насыщения отсечки

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

Активный режим работы биполярного транзистора

Когда транзистор находится в полностью выключенном (закрытом) состоянии (как разомкнутый ключ), говорится, что он в режиме отсечки. И наоборот, когда он полностью проводит ток между эмиттером и коллектором (пропускает ток такой величины, какую могут позволить источник питания и нагрузка), говорится, что он находится в режиме насыщения. Эти два режима работы были изучены ранее при использовании транзистора в качестве ключа.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя экстремальными режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, ток базы «открывает клапан» для ограниченного количества тока через коллектор. Если это ограничение для управляемого тока больше нуля, но меньше максимального значения, разрешенного источником питания и схемой нагрузки, транзистор «удерживает» значение тока коллектора в режиме где-то между режимами отсечки и насыщения. Этот режим работы называется активным режимом.

По аналогии с автомобилем: отсечка – это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки включается тормоз (нулевой ток базы), предотвращающий движение (ток коллектора). Активный режим – это режим круиз-контроль автомобиля на постоянной контролируемой скорости (постоянный, контролируемый ток коллектора), которую устанавливает водитель. Насыщение – это подъем автомобиля на крутой холм, который мешает ему двигаться так быстро, как пожелает водитель. Другими словами «насыщенный» автомобиль – это автомобиль с полностью вдавленной в пол педалью газа (ток базы допускает протекание тока коллектора, большего, чем может быть обеспечено схемой источника питания и нагрузки).

Давайте соберем схему для моделирования в SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.

bipolar transistor simulation i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i(vammeter) .end 

«Q» – это стандартное буквенное обозначение для транзистора на принципиальной схеме (в России по ГОСТу принято обозначение VT), так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V₁) и управляемый источником тока (I₁). Источник тока – это устройство, которое выдает заданную величину тока, генерируя такое напряжение на своих выводах, которое необходимо, чтобы обеспечить точную величину тока, протекающего через него. Как известно, источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, наоборот, пытаются поддерживать постоянное значение напряжения, выдавая необходимое значение тока для выполнения этой задачи), но могут быть смоделированы с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы сейчас увидим, транзисторы сами имеют тенденцию имитировать поведение, поддерживающее постоянную величину тока, как и источники тока, с помощью своей способности стабилизировать ток на фиксированном значении.

При SPICE моделировании мы установим источник тока в постоянное значение 20 мкА, затем будем изменять напряжение источника напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и наблюдать, какой ток будет проходить через него. «Фиктивная» батарея (V_{амперметр}) на рисунке выше с выходным напряжением 0 вольт служит только для того, чтобы предоставить SPICE программе элемент схемы для измерения тока.

Постоянный ток базы 20 мкА устанавливает предельное значение для тока коллектора в 2 мА, что в точности в 100 раз больше. Обратите внимание, как выравнивается график тока коллектора (на рисунке выше) при изменении напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственные исключение из этого совершенно ровного графика – в самом начале, когда напряжение батареи увеличивается от 0 до 0,25 вольта. На этом участке ток коллектора быстро растет от 0 до предельных 2 мА.

Посмотрим, что произойдет, если мы будем изменять напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Ток базы будем поддерживать на постоянном уровне 20 мкА (рисунок ниже).

bipolar transistor simulation i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше удерживается точно на значении 2 мА, хотя напряжение (V1) изменяется от 0 до 50 вольт. Из нашего примера моделирования видно, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как стабилизатор тока, обеспечивая протекание через коллектор тока величиной 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем увеличивать управляющий ток (I1) от 20 мкА до 75 мкА, снова изменяя напряжение батареи (V1) от 0 до 50 вольт, и выводя на график значения тока коллектора (рисунок ниже).

bipolar transistor simulation i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i(vammeter) .end 

Неудивительно, что SPICE дает нам аналогичный график: прямая линия, закрепившаяся на этот раз на 7,5 мА – ровно в 100 раз больше тока базы – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. По-видимому, ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, если оно превышает определенный минимальный уровень.

Эта связь между напряжением и током полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. Для резистора ток увеличивается линейно по мере увеличения напряжения. Здесь, для транзистора, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько сильно увеличивается напряжение между эмиттером и коллектором.

Часто полезно накладывать несколько характеристик зависимости ток коллектора / напряжение для разных токов базы на одном графике, как на рисунке ниже. Набор характеристик, подобный этому (для каждого значения тока базы построен отдельный график), для конкретного транзистора называется выходными характеристиками транзистора:

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный для диапазона напряжений коллектор-эмиттер, для заданного значения тока базы. Поскольку транзистор стремится действовать как стабилизатор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию в качестве стандартного показателя работы транзистора. В частности, отношения тока коллектора к току базы известно как коэффициент бета (обозначенный греческой буквой β):

β также известен как h_fe или h_21э

Иногда коэффициент β обозначается как «h_fe» или «h_21э«, метка, используемая в ветви математического анализа полупроводниковых приборов, известной как «гибридные параметры» или h-параметры, которая стремится достичь точных прогнозов работы транзисторов с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметров много, но каждый из них обозначается буквой «h» и конкретным индексом. Переменная «h_fe» («h_21э«) представляет собой просто еще один (стандартизированный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы и взаимозаменяема с “β”. Коэффициент β является безразмерной величиной.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, что β у двух транзисторов одной и той же конструкции точно совпадают из-за различий физических переменных, влияющих на этот коэффициент. Если работа схемы зависит от равенства β у нескольких транзисторов, за дополнительную плату могут быть приобретены «согласованные наборы» транзисторов. Однако, как правило, проектирование с такими зависимостями считается плохой практикой.

β транзистора не остается одинаковым во всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться в 3 раза в пределах его рабочих токов. Например, транзистор с объявленным значением β, равным 50, в реальных тестах отношения I_к/I_б может дать значения от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, частоты усиливаемого сигнала и других факторов. Для целей обучения для любого заданного транзистора достаточно принимать коэффициент β постоянным; и понимать, что реальная жизнь не так проста!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Эта модель отображает транзистор как комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как подразумевается пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым контролируя ток коллектора. На рисунке приведена модель NPN-транзистора, но PNP-транзистор будет отличаться не сильно (будет изменено только направление диода база-эмиттер). Эта модель преуспевает в пояснении базовой концепции усиления транзистора: как сигнал тока базы может осуществлять управление током коллектора. Однако мне эта модель не нравится, потому что она неверно передает понятие установленного значения сопротивления коллектор-эмиттер для заданного значения тока базы. Если бы она была верна, транзистор не стабилизировал бы ток коллектора, как показывают графики выходных характеристик. Вместо характеристик тока коллектора, выровненных на графике после быстрого роста по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, ток коллектора продолжал бы расти прямо пропорционально напряжению коллектор-эмиттер, и мы бы увидели на графике неуклонно растущие прямые.

В более продвинутых учебниках часто встречается более подходящая модель транзистора (рисунок ниже).

Она отображает транзистор в виде комбинации диода и источника тока, причем выход источника тока задается умножением тока базы на коэффициент β. Эта модель гораздо более точна при отображении истинных входных/выходных характеристик транзистора: ток базы устанавливает определенное значение тока коллектора, а не определенное сопротивление коллектор-эмиттер, как предполагает первая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при проведении анализа транзисторных схем, причем источник тока является хорошо понятным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования контролирующего ток поведения транзистора может вводить в заблуждение: транзистор никогда не будет служить источником электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, как у усилителя.

Подведем итоги:

• Говорят, что транзистор находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью открытым режимом (насыщение) и полностью закрытым режимом (отсечка).
• Ток базы регулирует ток коллектора. Под регулированием мы подразумеваем, что ток коллектора не может превышать значение, которое устанавливаемое током базы.
• Отношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или h_fe или h_21э.
• Коэффициенты β у всех транзисторов различны; β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. Он используется для усиления и переключения сигналов в электронных схемах.

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Биполярные транзисторы широко используются в аналоговых схемах, таких как усилители, генераторы, модуляторы и демодуляторы, а также в цифровых схемах, например, в качестве ключей и логических элементов.

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n- проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN- транзисторы.
В NPN — транзисторе крайняя область (эмиттер) имеет электропроводность типа N, средняя область (база) — типа P, а крайняя область (коллектор) — также типа N.
В PNP — транзисторе соответственно наоборот: эмиттер типа P, база типа N, коллектор типа P.
В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

1. отсечка;
2. активный режим;
3. насыщение;
4. барьерный режим.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

1. Максимально допустимый постоянный ток коллектора;
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер;
3. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и токе базы, равным нулю;
4. Максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю;
5. Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю;
6. Максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе;
7. Статический коэффициент передачи тока;
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером;
9. Обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера;
10. Обратный ток эмиттера. Ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора;
11. Граничная частота коэффициента передачи тока;
12. Коэффициент шума;
13. Емкость коллекторного перехода;
14. Максимально допустимая температура перехода.

что такое область активного усиления,насыщения и отсечки? что такое ключевой режим?

Если в двух словах : область активного усиления — это тот диапазон токов и напряжений, полярность которых соответствует структуре транзистора (плюс на коллекторе и базе относительно эмиттера для NPN и минус — для PNP) а по абсолютным значениям такой, что токи и напряжения не выходят за область допустимых значений токов и напряжений для конкретной марки, а так же, ток коллектора пропорционален току базы.
Область насыщения — тот диапазон напряжений на коллекторе, когда ток коллектора не зависит от тока базы, а определяется только сопротивлением нагрузки. Базовый переход смещён, естественно, в прямом направлении — транзистор открыт. А отсечка — когда транзистор закрыт. В этом случае ток коллектора очень мал и равен обратному току, а переход база-эмиттер смещён в обратном направлении — закрыт. Это всё, естественно, для биполярных транзисторов.

Остальные ответы

Да почитай ты в интернете, не будем же мы тут всю теорию переписывать.
Биполярный транзистор

дополню предыдущий ответ, читай не только про БИполярный транзистор. Их много видов. тогда твои знания станут полными.

Похожие вопросы