Kako radi bipolarni tranzistor? Tranzistori - način zasićenja

Oznake bipolarnih tranzistora na dijagramima

bipolarni tranzistor- troelektrodni poluvodički uređaj, jedna od vrsta tranzistora. U poluvodičkoj strukturi, 2 p-n spoj a prijenos naboja u uređaju obavljaju nosioci 2 vrste - elektroni i rupe. Zbog toga je uređaj nazvan "bipolarnim".

Primijenjeno u elektronskih uređaja za pojačavanje generiranja električnih oscilacija i kao element za preklapanje struje, kao što je u logičkim elektronskim kolima.

Elektrode su spojene na tri uzastopna sloja poluvodiča s naizmjeničnim tipom provodljivosti nečistoća. Prema ovoj metodi alternacije, n-p-n I p-n-p tranzistori ( n (negativan) - elektronski tip provodljivosti nečistoća, str (pozitivno) - rupa).

Rad bipolarnog tranzistora, za razliku od tranzistora s efektom polja, temelji se na prijenosu dvije vrste naboja istovremeno, čiji su nosioci elektroni i rupe (od riječi "bi" - "dva"). Šematski dijagram tranzistora prikazan je na drugoj slici.

Elektroda povezana sa srednjim slojem naziva se baza, nazivaju se elektrode povezane s vanjskim slojevima emiter I kolekcionar. Sa stanovišta provodljivosti, slojevi emitera i kolektora se ne razlikuju. Ali u praksi, u proizvodnji tranzistora, za poboljšanje električnih parametara uređaja, oni se značajno razlikuju u stupnju dopinga s nečistoćama. Emiterski sloj je jako dopiran, kolektorski sloj je lagano dopiran, što povećava dozvoljeni napon kolektora. Vrijednost probojnog obrnutog napona emiterskog spoja nije kritična, budući da tranzistori obično u elektronskim kolima rade s naprijed-predmetnim emiterskim p-n spojem, osim toga, snažno dopiranje emiterskog sloja omogućava bolje ubrizgavanje manjinskih nosača u osnovni sloj. , što povećava koeficijent prijenosa struje u kolima sa zajedničkom bazom. Osim toga, površina kolektorskog p-n spoja tokom proizvodnje je napravljena znatno veća od površine emiterskog spoja, što omogućava bolje sakupljanje manjinskih nosača iz osnovnog sloja i poboljšava koeficijent prijenosa.

Da bi se povećala brzina (frekventni parametri) bipolarnog tranzistora, debljina osnovnog sloja mora biti tanja, jer debljina osnovnog sloja, između ostalog, određuje vrijeme "leta" (difuzija u uređajima bez drifta ) manjinskih nosača, ali, sa smanjenjem debljine podloge, ograničava naprezanje kolektora, pa se debljina osnovnog sloja bira na razumnom kompromisu.

Uređaj i princip rada

Rani tranzistori su koristili metalni germanijum kao poluprovodnički materijal. Trenutno (2015.) se izrađuju uglavnom od monokristalnog silicijuma i monokristalnog galij arsenida. Zbog vrlo velike mobilnosti nosača u galij arsenidu, uređaji na njegovoj osnovi imaju veliku brzinu i koriste se u ultra-brzim logičkim kolima i u krugovima mikrovalnih pojačala.

Bipolarni tranzistor se sastoji od tri različito dopirana poluvodička sloja: emitera E(E), baze B(B) i kolektor C(TO). Ovisno o izmjeni vrste provodljivosti ovih slojeva, postoje n-p-n(emiter − n-poluprovodnik, baza − str- poluprovodnik, kolektor − n- poluprovodnik) i p-n-p tranzistori. Konduktivni neispravljački kontakti su povezani sa svakim od slojeva.

Osnovni sloj se nalazi između emiterskog i kolektorskog sloja i lagano je dopiran, stoga ima visok električni otpor. ukupna površina kontakt baza-emiter je znatno manji od kontaktne površine kolektor-baza (to je učinjeno iz dva razloga - velika površina spoja kolektor-baza povećava vjerovatnoću hvatanja sporednih nosilaca naboja od baze do kolektora i, budući da u pogonu način rada spoj kolektor-baza se obično uključuje s obrnutim pomakom, kada se radi u kolektorskom spoju, oslobađa se glavni dio topline koju raspršuje uređaj, povećanje površine doprinosi boljem odvođenju topline iz kolektorskog spoja), pa pravi bipolarni tranzistor Opća primjena je asimetrični uređaj (tehnički je nepraktično zamijeniti emiter i kolektor i kao rezultat dobiti bipolarni tranzistor sličan originalnom - inverzno prebacivanje).

U načinu rada aktivnog pojačanja, tranzistor je uključen tako da je njegov emiterski spoj prednapredan (otvoren), a kolektorski spoj je obrnuto prednapet (zatvoren).

Radi određenosti, razmotrite rad n-p-n tranzistor, svi argumenti se ponavljaju na potpuno isti način za slučaj p-n-p tranzistora, zamjenom riječi "elektroni" sa "rupama", i obrnuto, kao i zamjenom svih napona suprotnih predznaka. IN n-p-n U tranzistoru, elektroni, glavni nosioci naboja u emiteru, prolaze kroz otvoreni spoj emiter-baza (ubrizgavaju se) u bazu baze. Neki od ovih elektrona se rekombinuju sa glavnim nosiocima naboja u bazi (rupama). Međutim, zbog činjenice da je baza napravljena vrlo tanka i relativno lagano dopirana, većina elektrona ubrizganih iz emitera difunduje u područje kolektora, budući da je vrijeme rekombinacije relativno dugo. Jaka električno polje Reverzno pristrani kolektorski spoj hvata manjinske nosioce iz baze (elektrone) i prenosi ih u sloj kolektora. Struja kolektora je tako praktično jednaka struji emitera, osim malog rekombinacionog gubitka u bazi, koji formira struju baze ( I e \u003d I b + I to).

Koeficijent α koji povezuje struju emitera i struju kolektora ( I k \u003d α I e) se zove koeficijent prenosa struje emitera. Numerička vrijednost koeficijenta α je 0,9-0,999. Što je koeficijent veći, tranzistor efikasnije prenosi struju. Ovaj koeficijent malo zavisi od napona kolektor-baza i baza-emiter. Dakle, u širokom rasponu radnih napona, struja kolektora je proporcionalna struji baze, faktor proporcionalnosti je β = α / (1 - α), od 10 do 1000. Tako se mala bazna struja može kontrolisati pomoću mnogo veća struja kolektora.

Načini rada bipolarnog tranzistora

voltaža na emiteru baza, kolekcionar ()	Bias tranzicija bazni emiter Za tip n-p-n	Bias tranzicija baza-kolektor za tip n-p-n	Mode za tip n-p-n
	direktno	obrnuto	normalno aktivni način rada
	direktno	direktno	način zasićenja
	obrnuto	obrnuto	cutoff mod
	obrnuto	direktno	inverzno aktivni način rada
voltaža na emiteru baza, kolekcionar ()	Bias tranzicija bazni emiter za p-n-p tip	Bias tranzicija baza-kolektor za p-n-p tip	Mode za p-n-p tip
	obrnuto	direktno	inverzno aktivni način rada
	obrnuto	obrnuto	cutoff mod
	direktno	direktno	način zasićenja
	direktno	obrnuto	normalno aktivni način rada

Normalan aktivni mod

Spoj emiter-baza je uključen u smjeru naprijed (otvoren), a spoj kolektor-baza je u obrnutom smjeru (zatvoren):

U EB > 0; U KB< 0 (za tranzistor n-p-n tip), za tranzistor p-n-p stanje tipa će izgledati ovako U EB<0; U KB > 0.

Inverzni aktivni način rada

Emiterski spoj je obrnuto pristrasan, a kolektorski spoj je prednapon: U KB > 0; U EB< 0 (za tranzistor n-p-n tip).

Način zasićenja

Oba pn tranzicije su pristrasne prema naprijed (oba su otvorena). Ako emiter i kolektor okrug-prijelazi se povezuju na vanjske izvore u smjeru naprijed, tranzistor će biti u načinu zasićenja. Difuzijsko električno polje emiterskog i kolektorskog spoja će biti djelomično prigušeno električnim poljem stvorenim od vanjskih izvora Web I Ukb. Kao rezultat toga, potencijalna barijera koja ograničava difuziju glavnih nosilaca naboja će se smanjiti, a započet će prodiranje (ubrizgavanje) rupa iz emitera i kolektora u bazu, odnosno struja će teći kroz emiter i kolektor. tranzistor, koji se naziva struje zasićenja emitera ( I E. nas) i kolekcionar ( I K. nas).

Napon zasićenja kolektor-emiter(U KE. us) je pad napona na otvorenom tranzistoru (semantički analog R SI. otvoren tranzistori sa efektom polja). Slično napon zasićenja baza-emiter(U BE us) je pad napona između baze i emitera na otvorenom tranzistoru.

Cutoff mod

IN ovaj način rada oboje pn prelazi su obrnuti. Režim prekida odgovara uslovu U EB<0, U KB<0.

režim barijera

U ovom modu baza tranzistor je kratko spojen ili kroz mali otpornik sa svojim kolekcionar, i u kolekcionar ili u emiter tranzistorsko kolo uključuje otpornik koji postavlja struju kroz tranzistor. U takvom uključivanju, tranzistor je neka vrsta diode spojene u seriju s otpornikom za podešavanje struje. Takva kaskadna kola odlikuju se malim brojem komponenti, dobrim odvajanjem visokih frekvencija, velikim rasponom radne temperature i neosjetljivošću na parametre tranzistora.

Preklopne šeme

Svaki tranzistorski sklopni krug karakteriziraju dva glavna indikatora:

• strujni dobitak I van / I unos
• Ulazna impedansa R u = U u / I unos

Dijagram ožičenja sa zajedničkom bazom

Preklopna shema sa zajedničkom bazom.

Pojačalo sa zajedničkom bazom.

• Od sve tri konfiguracije, ima najmanju ulaznu i najveću izlaznu impedanciju. Ima strujno pojačanje blizu jedinice i veliko pojačanje napona. Ne invertuje fazu signala.
• I van / I u = I Za / I e = α [α<1].
• Ulazna impedansa R u = U u / I u = U eb / I e.

Ulazni otpor (ulazna impedansa) stepena pojačala sa zajedničkom bazom je mali, ovisi o struji emitera, s povećanjem struje se smanjuje i ne prelazi jedinice - stotine oma za stupnjeve male snage, budući da je ulazni krug stepena je otvoreni emiterski spoj tranzistora.

Prednosti

• Dobra temperatura i širok raspon frekvencija, jer je Millerov efekat potisnut u ovom krugu.
• Visok dozvoljeni napon kolektora.

Nedostaci sheme zajedničke baze

• Malo pojačanje struje jednako α, jer je α uvijek nešto manje od 1
• Mala ulazna impedansa

Preklopni krug sa zajedničkim emiterom

Preklopni krug sa zajedničkim emiterom.
I out = I To
I u = I b
U u = U bae
U out = U ke.

• Trenutni dobitak: I van / I u = I Za / I b = I Za /( I e -I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Ulazna impedancija: R u = U u / I u = U bae / I b.

Prednosti

• Veliko pojačanje struje.
• Veliko pojačanje napona.
• Najveće povećanje snage.
• Možete se snaći sa jednim napajanjem.
• Izlazni AC napon je obrnut u odnosu na ulaz.

Nedostaci

• Ima manju temperaturnu stabilnost. Frekvencijska svojstva takvog uključivanja su znatno lošija u odnosu na kolo sa zajedničkom bazom, što je posljedica Millerovog efekta.

Zajednički kolektorski krug

Preklopna shema sa zajedničkim kolektorom.
I out = I uh
I u = I b
U u = U bq
U out = U ke.

• Trenutni dobitak: I van / I u = I e/ I b = I e /( I e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Ulazna impedancija: R u = U u / I u = ( U bae + U ke)/ I b.

Prednosti

• Velika ulazna impedansa.
• Niska izlazna impedancija.

Nedostaci

• Pojačanje napona je nešto manje od 1.

Krug s takvim uključivanjem često se naziva " emiter sljedbenik».

Glavna podešavanja

• Koeficijent prijenosa struje.
• ulazna impedansa.
• izlazna provodljivost.
• Reverzna struja kolektor-emiter.
• Vrijeme uključivanja.
• Granična frekvencija prijenosnog omjera bazne struje.
• Reverzna struja kolektora.
• Maksimalna dozvoljena struja.
• Granična frekvencija koeficijenta prijenosa struje u kolu zajedničkog emitera.

Parametri tranzistora se dijele na vlastite (primarne) i sekundarne. Vlastiti parametri karakteriziraju svojstva tranzistora, bez obzira na shemu njegovog uključivanja. Sljedeće se prihvaćaju kao glavni vlastiti parametri:

• pojačanje struje α;
• otpori emitera, kolektora i baze naizmjenične struje r uh, r za, r b, a to su:
  • r e - zbir otpora emiterskog područja i emiterskog spoja;
  • r k je zbir otpora kolektorskog područja i kolektorskog spoja;
  • r b - poprečni otpor baze.

Korištenje ekvivalentnog kola bipolarnog tranzistora h-parametri.

Sekundarni parametri su različiti za razne šeme uključivanja tranzistora i zbog svoje nelinearnosti vrijede samo za niske frekvencije i male amplitude signala. Za sekundarne parametre, predloženo je nekoliko sistema parametara i njihovih odgovarajućih ekvivalentnih kola. Glavni su mješoviti (hibridni) parametri, označeni slovom " h».

Ulazna impedansa- otpor tranzistora na ulaznu izmjeničnu struju u slučaju kratkog spoja na izlazu. Promjena ulazne struje je rezultat promjene ulaznog napona, bez efekta povratne sprege sa izlaznog napona.

h 11 = U m1 / I m1, at U m2 = 0.

Faktor povratne sprege napona pokazuje koliki je procenat izlaza AC napon se prenosi na ulaz tranzistora zbog povratne sprege u njemu. U ulaznom kolu nema tranzistora naizmjenična struja, a promjena ulaznog napona nastaje samo kao rezultat promjene izlaznog napona.

h 12 = U m1 / U m2, at I m1 = 0.

Trenutni omjer prijenosa(pojačanje struje) označava pojačanje AC struje pri nultom otporu opterećenja. Izlazna struja ovisi samo o ulaznoj struji bez utjecaja izlaznog napona.

h 21 = I m2 / I m1, at U m2 = 0.

Izlazna provodljivost- unutrašnje vođenje za naizmjeničnu struju između izlaznih terminala. Izlazna struja se mijenja pod utjecajem izlaznog napona.

h 22 = I m2 / U m2, at I m1 = 0.

Odnos između naizmjeničnih struja i napona tranzistora izražava se jednadžbama:

U m1 = h 11 I m1+ h 12 U m2 ; I m2 = h 21 I m1+ h 22 U m2.

Ovisno o sklopnom krugu tranzistora, digitalnim indeksima h-parametara dodaju se slova: "e" - za OE kolo, "b" - za OB kolo, "k" - za OK kolo.

Za OE šemu: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. Na primjer, za ovu shemu:

h 21e = I mk / I mb = β.

Za OB šemu: I m1 = I ja, I m2 = I mk, U m1 = U ja-b, U m2 = U mk-b.

Intrinzični parametri tranzistora su povezani sa h-parametri, na primjer za OE shemu:

;

;

;

.

Up-Frequency loš uticaj kapacitivnost kolektorskog spoja počinje raditi na tranzistoru C k. Otpor kapacitivnosti se smanjuje, struja kroz otpor opterećenja se smanjuje i, posljedično, dobici α i β. Otpor kapacitivnosti emiterskog spoja C e se također smanjuje, međutim, šantira se malim prijelaznim otporom r i u većini slučajeva se može zanemariti. Osim toga, sa povećanjem frekvencije dolazi do dodatnog smanjenja koeficijenta β kao posljedica zaostajanja faze kolektorske struje od faze emiterske struje, što je uzrokovano inercijom procesa kretanja nosilaca kroz bazu od emitera. spoj na kolektorski spoj i inercija procesa akumulacije i resorpcije naboja u bazi. Zovu se frekvencije na kojima se koeficijenti α i β smanjuju za 3 dB granične frekvencije koeficijenta prenosa struje za OB i OE šeme, respektivno.

U impulsnom režimu, impuls struje kolektora počinje sa kašnjenjem za vreme kašnjenja τc u odnosu na ulazni strujni impuls, što je uzrokovano konačnim vremenom prolaska nosilaca kroz bazu. Kako se nosioci akumuliraju u bazi, struja kolektora raste tokom trajanja fronta τ f. Na vrijeme tranzistor se naziva τ on = τ c + τ f.

Tranzistor Manufacturing Technologies

• Difuziona legura.

Primjena tranzistora

• Pojačala, stupnjevi pojačanja
• demodulator (detektor)
• Inverter (log. element)
• Mikrokrugovi na tranzistorskoj logici (vidi.

bipolarni tranzistor.

bipolarni tranzistor- elektronički poluvodički uređaj, jedna od vrsta tranzistora, dizajniran za pojačavanje, generiranje i pretvaranje električnih signala. Tranzistor se zove bipolarni, budući da u radu uređaja istovremeno učestvuju dvije vrste nosača naboja - elektrona I rupe. Po tome se razlikuje od unipolarni(poljski) tranzistor, u kojem učestvuje samo jedna vrsta nosioca naboja.

Princip rada oba tipa tranzistora sličan je radu vodenog ventila koji regulira protok vode, samo tok elektrona prolazi kroz tranzistor. U bipolarnim tranzistorima kroz uređaj prolaze dvije struje - glavna "velika" struja i kontrolna "mala". Snaga glavne struje zavisi od snage kontrole. U tranzistorima s efektom polja kroz uređaj prolazi samo jedna struja, čija snaga ovisi o elektromagnetnom polju. U ovom članku ćemo detaljnije razmotriti rad bipolarnog tranzistora.

Bipolarni tranzistorski uređaj.

Bipolarni tranzistor se sastoji od tri poluvodička sloja i dva PN spoja. Razlikovati PNP i NPN tranzistore prema vrsti interleavinga provodljivosti rupa i elektrona. To je kao dva dioda povezani licem u lice ili obrnuto.

Bipolarni tranzistor ima tri kontakta (elektrode). Kontakt koji izlazi iz centralnog sloja naziva se baza (baza). Krajnje elektrode su imenovane kolekcionar I emiter (kolekcionar I emiter). Osnovni sloj je vrlo tanak u odnosu na kolektor i emiter. Pored toga, oblasti poluprovodnika na ivicama tranzistora nisu simetrične. Poluprovodnički sloj na strani kolektora je nešto deblji nego na strani emitera. Ovo je neophodno za ispravan rad tranzistora.

Rad bipolarnog tranzistora.

Razmotrite fizičke procese koji se javljaju tokom rada bipolarnog tranzistora. Uzmimo NPN model kao primjer. Princip rada PNP tranzistora je sličan, samo će polaritet napona između kolektora i emitera biti suprotan.

Kao što je već navedeno u članak o vrstama provodljivosti u poluprovodnicima, u tvari P-tipa postoje pozitivno nabijeni joni - rupe. Supstanca N-tipa zasićena je negativno nabijenim elektronima. U tranzistoru je koncentracija elektrona u N području mnogo veća od koncentracije rupa u P području.

Spojite izvor napona između kolektora i emitera V CE (V CE). Pod njegovim djelovanjem, elektroni iz gornjeg N dijela će početi da se privlače u plus i skupljaju se u blizini kolektora. Međutim, struja ne može teći jer električno polje izvora napona ne dopire do emitera. To se sprečava debelim slojem kolektorskog poluprovodnika plus slojem osnovnog poluprovodnika.

Sada povežite napon između baze i emitera V BE , ali mnogo niži od V CE (za silicijumske tranzistore, minimalno potrebni V BE je 0,6 V). Budući da je sloj P vrlo tanak, plus izvor napona spojen na bazu će moći svojim električnim poljem da "dopru do N regije emitera. Pod njegovim djelovanjem, elektroni će otići do baze. Neki od njih će početi ispunjavati rupe koje se tamo nalaze (rekombinirati). Drugi dio neće pronaći slobodnu rupu za sebe, jer je koncentracija rupa u bazi mnogo manja od koncentracije elektrona u emiteru.

Kao rezultat, središnji sloj baze je obogaćen slobodnim elektronima. Većina njih će ići prema kolektoru, jer je tamo napon mnogo veći. To je također olakšano vrlo malom debljinom središnjeg sloja. Neki dio elektrona, iako mnogo manji, ipak će teći prema plusu baze.

Kao rezultat, dobijamo dvije struje: malu - od baze do emitera I BE, i veliku - od kolektora do emitera I CE.

Ako se osnovni napon poveća, tada će se još više elektrona akumulirati u P sloju. Kao rezultat toga, bazna struja će se malo povećati, a struja kolektora će se značajno povećati. dakle, uz malu promjenu struje baze I B , struja kolektora I se jako mijenja WITH. Tako to ide pojačanje signala u bipolarnom tranzistoru. Odnos struje kolektora I C i bazne struje I B naziva se strujni dobitak. Označeno β , hfe ili h21e, ovisno o specifičnostima proračuna izvedenih s tranzistorom.

Najjednostavnije bipolarno tranzistorsko pojačalo

Razmotrimo detaljnije princip pojačanja signala u električnoj ravni koristeći krug kao primjer. Unaprijed ću napraviti rezervaciju da takva shema nije sasvim ispravna. Niko ne povezuje izvor jednosmernog napona direktno na AC izvor. Ali unutra ovaj slučaj, biće lakše i jasnije razumjeti sam mehanizam pojačanja pomoću bipolarnog tranzistora. Također, sama tehnika proračuna u primjeru ispod je donekle pojednostavljena.

1. Opis glavnih elemenata lanca

Dakle, recimo da imamo tranzistor sa pojačanjem od 200 (β = 200). Sa strane kolektora povezujemo relativno snažan izvor napajanja od 20V, zbog čije energije će doći do pojačanja. Sa strane baze tranzistora povezujemo slab izvor napajanja od 2V. Na njega serijski povezujemo izvor naizmjeničnog napona u obliku sinusa, sa amplitudom oscilacija od 0,1V. Ovo će biti signal koji treba pojačati. Otpornik Rb u blizini baze je potreban kako bi se ograničila struja koja dolazi iz izvora signala, koji je obično male snage.

2. Proračun ulazne bazne struje I b

Sada izračunajmo osnovnu struju I b. Budući da se radi o naizmjeničnom naponu, potrebno je izračunati dvije vrijednosti struje - na maksimalnom naponu (V max) i minimalnom (V min). Nazovimo ove trenutne vrijednosti, respektivno - I bmax i I bmin.

Takođe, da biste izračunali struju baze, morate znati napon baza-emiter V BE. Između baze i emitera postoji jedan PN spoj. Ispostavilo se da se bazna struja na svom putu "susreće" sa poluvodičkom diodom. Napon pri kojem poluvodička dioda počinje provoditi je oko 0,6V. Nećemo ulaziti u detalje strujno-naponske karakteristike diode, a radi jednostavnosti proračuna uzimamo približni model, prema kojem je napon na diodi koja provodi struju uvijek 0,6V. To znači da je napon između baze i emitera V BE = 0,6V. A pošto je emiter spojen na uzemljenje (V E = 0), napon od baze do zemlje je takođe 0,6 V (V B = 0,6 V).

Izračunajmo I bmax i I bmin koristeći Ohmov zakon:

2. Proračun izlazne struje kolektora I WITH

Sada, znajući pojačanje (β = 200), lako možemo izračunati maksimalnu i minimalnu vrijednost struje kolektora (I cmax i I cmin).

3. Proračun izlaznog napona V van

Struja kolektora teče kroz otpornik Rc, koji smo već izračunali. Ostaje zamijeniti vrijednosti:

4. Analiza rezultata

Kao što se vidi iz rezultata, pokazalo se da je V Cmax manji od V Cmin. To je zato što se napon na V Rc oduzima od napona napajanja VCC. Međutim, u većini slučajeva to nije bitno, jer nas zanima promjenjiva komponenta signala - amplituda, koja se povećala sa 0,1V na 1V. Frekvencija i sinusoidni talasni oblik nisu se promenili. Naravno, omjer V out / V u deset puta daleko je od najboljeg pokazatelja za pojačalo, ali je sasvim prikladan za ilustraciju procesa pojačanja.

Dakle, hajde da sumiramo princip rada pojačala na bipolarnom tranzistoru. Kroz bazu teče struja I b, noseći konstantnu i promjenjivu komponentu. Konstantna komponenta je potrebna kako bi PN spoj između baze i emitera počeo provoditi - „otvara se“. Varijabilna komponenta je, u stvari, sam signal (korisna informacija). Jačina struje kolektor-emiter unutar tranzistora je rezultat množenja struje baze sa pojačanjem β. Zauzvrat, napon na otporniku Rc iznad kolektora je rezultat množenja pojačane struje kolektora sa vrijednošću otpornika.

Dakle, izlaz V out prima signal sa povećanom amplitudom oscilacija, ali sa očuvanim oblikom i frekvencijom. Važno je naglasiti da tranzistor uzima energiju za pojačanje iz VCC napajanja. Ako napon napajanja nije dovoljan, tranzistor neće moći u potpunosti raditi, a izlazni signal može biti izobličen.

Načini rada bipolarnog tranzistora

U skladu sa nivoima napona na elektrodama tranzistora, postoje četiri načina njegovog rada:

Režim isključenja.

Aktivan način rada (aktivan način rada).

Način zasićenja.

Reverzni način rada.

Cutoff mod

Kada je napon baza-emiter manji od 0,6V - 0,7V, PN spoj između baze i emitera je zatvoren. U ovom stanju tranzistor nema baznu struju. Kao rezultat toga, također neće biti struje kolektora, jer u bazi nema slobodnih elektrona spremnih da se kreću prema naponu kolektora. Ispostavilo se da je tranzistor, takoreći, zaključan, a kažu da je unutra cutoff mod.

Active Mode

IN aktivni način rada napon na bazi je dovoljan da otvori PN spoj između baze i emitera. U ovom stanju tranzistor ima baznu i kolektorsku struju. Struja kolektora jednaka je baznoj struji pomnoženoj sa pojačanjem. To jest, aktivni način rada je normalni način rada tranzistora, koji se koristi za pojačanje.

Način zasićenja

Ponekad osnovna struja može biti prevelika. Kao rezultat toga, snaga napajanja jednostavno nije dovoljna da osigura takvu struju kolektora koja bi odgovarala pojačanju tranzistora. U načinu zasićenja, struja kolektora će biti maksimalna koju napajanje može pružiti i neće biti pod utjecajem struje baze. U ovom stanju, tranzistor nije u mogućnosti pojačati signal, jer struja kolektora ne reagira na promjene struje baze.

U režimu zasićenja, provodljivost tranzistora je maksimalna i pogodnija je za funkciju prekidača (ključa) u stanju "uključeno". Isto tako, u režimu prekida, provodljivost tranzistora je minimalna, a to odgovara prekidaču u "isključenom" stanju.

Inverzni način rada

U ovom načinu rada, kolektor i emiter se zamjenjuju uloge: kolektorski PN spoj je prednaponski, a emiterski spoj je obrnuto prednapon. Kao rezultat, struja teče od baze do kolektora. Područje kolektora poluvodiča nije simetrično prema emiteru, a pojačanje u inverznom modu je niže nego u normalnom aktivnom modu. Dizajn tranzistora je napravljen na takav način da radi što je moguće efikasnije u aktivnom načinu rada. Stoga se u inverznom načinu rada tranzistor praktički ne koristi.

Osnovni parametri bipolarnog tranzistora.

strujni dobitak- odnos struje kolektora I C i bazne struje I B . Označeno β , hfe ili h21e, ovisno o specifičnostima proračuna koji se provode sa tranzistorima.

β je konstantna vrijednost za jedan tranzistor i ovisi o fizičkoj strukturi uređaja. Visoki dobitak se izračunava u stotinama jedinica, mali - u desetinama. Za dva odvojena tranzistora istog tipa, čak i ako su bili “susjedi duž cjevovoda” tokom proizvodnje, β se može neznatno razlikovati. Ova karakteristika bipolarnog tranzistora je možda najvažnija. Ako se drugi parametri uređaja često mogu zanemariti u proračunima, tada je povećanje struje gotovo nemoguće.

Ulazna impedansa- otpor u tranzistoru, koji "susreće" struju baze. Označeno R in (R in). Što je veći, to je bolji za karakteristike pojačanja uređaja, budući da je na bazi obično slab izvor signala iz kojeg trebate trošiti što je manje moguće struje. Idealna opcija je kada je ulazni otpor jednak beskonačnosti.

R in za prosječni bipolarni tranzistor je nekoliko stotina KΩ (kilo-om). Ovdje bipolarni tranzistor mnogo gubi u odnosu na tranzistor s efektom polja, gdje ulazni otpor dostiže stotine GΩ (gigaoma).

Izlazna provodljivost- provodljivost tranzistora između kolektora i emitera. Što je veća izlazna provodljivost, to će više struje kolektor-emiter moći proći kroz tranzistor pri manjoj snazi.

Takođe, sa povećanjem izlazne provodljivosti (ili smanjenjem izlazne impedanse), povećava se maksimalno opterećenje koje pojačalo može da izdrži sa malim gubicima u ukupnom pojačanju. Na primjer, ako tranzistor s niskom izlaznom provodljivošću pojača signal 100 puta bez opterećenja, onda kada se poveže opterećenje od 1 KΩ, on će se već pojačati samo 50 puta. Tranzistor sa istim pojačanjem, ali većom izlaznom provodljivošću će imati manji pad pojačanja. Idealna opcija je kada je izlazna vodljivost jednaka beskonačnosti (ili izlazni otpor R out \u003d 0 (R out = 0)).

To je poluvodički uređaj s tri elektrode, sastoji se od dva p-n spoja, prijenos električnih naboja u njima obavljaju dvije vrste nosača - to su elektroni i rupe. Budući da uređaj ima 2 p-n spoja, naziva se "bipolarnim".

Našao je široku primjenu u raznim elektroničkim uređajima dizajniranim za generiranje, pojačanje ili prebacivanje (na primjer, u logičkim krugovima).

Tranzistor ima 3 izlaza koji se nazivaju kako slijedi:

• baza;
• kolektor;
• emiter.

Ove tri elektrode su povezane sa uzastopnim slojevima poluprovodnika sa drugačiji tip provodljivost nečistoća. Ovisno o tome kako dolazi do ove izmjene, razlikuju se tranzistori npn i pnp tipa. Skraćenica n - označava negativan elektronski tip provodljivosti, a p označava pozitivnu rupu.

Po principu rada, bipolarni tranzistor se razlikuje od poljskoga po tome što prijenos naboja obavljaju nosioci dva tipa odjednom, a to su elektroni i rupe. Otuda naziv "bipolarni" dolazi od riječi "bi" - "dva".

;

Elektroda koja se povezuje sa slojem koji se nalazi u centru naziva se "baza", a elektrode koje se povezuju sa vanjskim slojevima nazivaju se "emiter" i "kolektor". Po vrsti provodljivosti, ovi slojevi emitera i kolektora se ni po čemu ne razlikuju. Ali u procesu proizvodnje tranzistora u cilju poboljšanja električnih parametara, oni se razlikuju po stupnju dopinga s nečistoćama.

Emiter je jako dopiran, a kolektor je slabo dopiran, što doprinosi povećanju dozvoljenog napona kolektora. Vrijednost reverznog napona proboja emiterskog spoja nije kritična, jer se u krugovima tranzistori obično uključuju s emiterskim p-n spojem usmjerenim naprijed.

Pošto je emiter jače dopiran, doći će do jačeg ubrizgavanja manjinskih nosača u osnovni sloj. Što doprinosi rastu koeficijenta prijenosa struje kada je tranzistor uključen u krug sa zajedničkom bazom.

Površina kolektorskog spoja je napravljena mnogo veća od emiterskog spoja, zbog čega se postiže bolji dotok manjinskih nosilaca iz osnovnog sloja i poboljšavaju koeficijenti prijenosa.

Pokušavaju debljinu osnovnog sloja učiniti što manjom kako bi se povećali frekvencijski parametri neke vrste brzine bipolarnog tranzistora. Ali postoji i druga strana krede - sa smanjenjem debljine osnovnog sloja, maksimalna (granična) vrijednost napona kolektorskog spoja se smanjuje. Stoga je vrijednost debljine baze odabrana kao najoptimalnija.

Princip rada i uređaj bipolarnog tranzistora

U početku se metalni germanij uglavnom koristio u tranzistorima, a sada se izrađuju od monokristalnog silicija i galij arsenida, uređaji napravljeni na bazi galij arsenida imaju veliku brzinu i koriste se u krugovima mikrovalnih pojačala, u brzim logičkim kolima. Njihova brzina se objašnjava velikom mobilnošću nosača u galij arsenidu.

Bipolarni tranzistor ima 3 poluvodička sloja, koji su dopirani na različite načine: baza (B), emiter (E), kolektor (K). U zavisnosti od redosleda provodnih slojeva, tranzistori su dostupni sa pnp i npn provodljivošću.

Osnovni sloj se nalazi između druga dva sloja i lagano je dopiran, što rezultira velikom otpornošću. Kontaktna površina baza-emiter je manja od površine kolektor-baza. To se radi iz sljedećih razloga:

• povećanje površine spoja kolektor-baza doprinosi činjenici da je veća vjerovatnoća da će manjinski nosioci iz baze biti zarobljeni od strane kolektora, u radnom stanju, kolektorski spoj se uključuje sa obrnutim prednagibom;
• takođe, velika površina doprinosi većem odvodu toplote tokom rada;

Emiterski spoj je obično uključen u smjeru naprijed (otvoren), a kolektorski spoj u obrnutom smjeru (zatvoren).

Pogledajmo rad tranzistora tipa n-p-n, tranzistor tipa p-n-p radi na isti način, samo što u njemu glavni nosioci naboja nisu elektroni već rupe. U tranzistoru tipa npn, elektroni prolaze kroz spoj emiter-baza, ili drugim riječima, ubrizgavaju se. Deo ovih "novopristiglih" elektrona rekombinuje se sa rupama, glavnim nosiocima naboja baze. Ali zbog činjenice da je naša baza tanka i lagano legirana, tj. postoji nekoliko rupa, tada glavna masa elektrona prelazi (difundira) u područje kolektora, ovaj prijelaz je zbog činjenice da se elektroni rekombiniraju s rupama u bazi dugo vremena, a električno polje kolektora je veliko, tako da se elektroni hvataju u kolektor. Ispostavilo se da je struja kolektora skoro jednaka struji emitera minus mali gubici rekombinacije u bazi. Ik \u003d Ib-Ie.

Baza samo djeluje kao ventil koji blokira protok elektrona kroz tranzistor. Da biste pokrenuli kontrolu, potrebno je primijeniti struju na izlaz baze tranzistora. Zove se bazna struja. A napon koji se primjenjuje na terminale emitera i baze naziva se "napon prednapona". Promjenom ove struje (baze) mijenjamo i glavnu struju (kolektor) kroz tranzistor.

Zagrijavanje tranzistora

Čvorovi kristalne rešetke poluvodiča snažno se opiru elektronima koji prolaze kroz tranzistor. Što uzrokuje zagrijavanje. U bipolarnim tranzistorima male snage ovo zagrijavanje nije značajno i ni na koji način ne utječe na njegov rad. Ali u snažnim tranzistorima kroz koje teku velike struje, ovo zagrijavanje može dovesti do njegovog kvara. Kako bi se to spriječilo, koriste se radijatori.

Radijatori su potrebni za uklanjanje topline iz tranzistora. Ponekad se koristi termalna pasta za poboljšanje prijenosa topline. Neki radijatori imaju rebra na površini. Ova rebra povećavaju ukupnu površinu. Neki radijatori su opremljeni ventilatorima, koji osiguravaju kontinuirani protok zraka, a kao rezultat toga, povećava se odvođenje topline.

Dijagrami ožičenja tranzistora

Tranzistor se može povezati u 3 različita kola:

• emiterski krug;
• osnovna shema;
• kolektorsko kolo.

Rad tranzistora u ovim krugovima je drugačiji.

Preklopni krug emitera

Najčešće korišteno sklopno kolo je emitersko kolo. Uključivanje tranzistora prema ovoj shemi osigurava pojačanje napona i struje. Ulazna impedansa ovog kola je niska (reda stotina oma), a izlazna impedansa je visoka (desetine kΩ).

Preklopni krug kolektora

Ovaj krug ima pristojan ulazni otpor i mali izlazni otpor. Ulazna impedancija ovog kola zavisi od opterećenja koje smo uključili na izlazu i više od ovog otpora faktorom pojačanja. Preporučljivo je koristiti izvor ulaznog signala sa visokom izlaznom impedancijom, kao što je kondenzatorski mikrofon ili piezoelektrični prijemnik.

Osnovno sklopno kolo

Ovo kolo se koristi samo za pojačavanje napona. Strujni dobitak, odnosno omjer izlazne i ulazne struje, uvijek je manji od jedan. Koristi se za pojačavanje visokih frekvencija i ima minimalne nivoe šuma izlaznog signala, na primjer, u antenskim pojačavačima, gdje je otpor reda veličine stotina oma.

Rad bipolarnog tranzistora u različitim modovima

tranzistor u električni dijagrami povezuje se na različite načine i ima 4 glavna načina rada. Njihova glavna razlika je u smjeru struje koja teče kroz spoj ili u odsustvu istog. električna struja. Spoj se ovdje smatra područjem između dva p i n poluprovodnika.

Active Mode

Na prelaz B - E; (baza-emiter); jednosmjerni napon je priključen, i E-C transfer(emiter-kolektor) spojen obrnuti napon Pojačanje signala u ovom režimu je maksimalno. Ovaj način rada je najčešće korišten.

Saturated Mode

Na prelazu B - E i tranzicija B-K primjenjuju se direktni naponi, prijelazi su potpuno otvoreni.

Režim isključenja

Način rada zatvorenog tranzistora kada se na prijelaze primjenjuje obrnuti napon .; Koristi se u kolima gdje su potrebna dva stanja tranzistora: "otvoreno" ili "zatvoreno". Takve šeme se nazivaju ključnim.

Invertni način rada

Prednji napon se primjenjuje na E-K spoj (kolektorski spoj), a obrnuti napon se primjenjuje na B - E. Prilično rijedak način rada bipolarnog tranzistora.

Video o radu bipolarnog tranzistora

Tranzistor je poluvodički uređaj koji može pojačavati, pretvarati i generirati električne signale. Prvi funkcionalni bipolarni tranzistor izumljen je 1947. Germanij je služio kao materijal za njegovu proizvodnju. A već 1956. godine rođen je silicijumski tranzistor.

U bipolarnom tranzistoru koriste se dvije vrste nosača naboja - elektroni i rupe, zbog čega se takvi tranzistori nazivaju bipolarni. Osim bipolarnih, postoje i unipolarni (poljski) tranzistori, koji koriste samo jednu vrstu nosača - elektrone ili rupe. Ovaj članak će govoriti o bipolarnim tranzistorima.

Većina silicijumskih tranzistora ima n-p-n strukturu, što se objašnjava i tehnologijom proizvodnje, mada postoje i p-n-p silicijumski tranzistori, ali ih je nešto manje od n-p-n strukture. Takvi tranzistori se koriste kao dio komplementarnih parova (tranzistori različite provodljivosti sa istim električnim parametrima). Na primjer, KT315 i KT361, KT815 i KT814, au izlaznim stupnjevima tranzistora UMZCH KT819 i KT818. U uvoznim pojačalima vrlo se često koristi moćni komplementarni par 2SA1943 i 2SC5200.

Često se tranzistori p-n-p strukture nazivaju tranzistori s direktnom provodljivošću i strukture n-p-n obrnuto. Iz nekog razloga, ovaj naziv se gotovo nikada ne nalazi u literaturi, ali u krugu radio-inženjera i radio-amatera koristi se posvuda, svi odmah razumiju o čemu se radi. Na slici 1 prikazan je šematski uređaj tranzistora i njihovih konvencionalnih grafičkih simbola.

Slika 1.

Pored razlika u vrsti provodljivosti i materijala, bipolarni tranzistori se klasifikuju po snazi ​​i radnoj frekvenciji. Ako rasipanje snage na tranzistoru ne prelazi 0,3 W, takav se tranzistor smatra malom snagom. Pri snazi ​​od 0,3 ... 3 W, tranzistor se naziva tranzistor srednje snage, a pri snazi ​​većoj od 3 W, snaga se smatra visokom. Moderni tranzistori su u stanju da rasipaju snagu od nekoliko desetina, pa čak i stotina vati.

Tranzistori pojačavaju električne signale ne jednako dobro: sa povećanjem frekvencije, pojačanje tranzistorskog stupnja opada, a na određenoj frekvenciji se potpuno zaustavlja. Stoga, za rad u širokom frekventnom rasponu, tranzistori se proizvode s različitim frekvencijskim svojstvima.

Prema radnoj frekvenciji, tranzistori se dijele na niskofrekventne - radna frekvencija nije veća od 3 MHz, srednje frekvencije - 3 ... 30 MHz, visokofrekventne - preko 30 MHz. Ako radna frekvencija prelazi 300 MHz, onda su to već mikrovalni tranzistori.

Općenito, preko 100 različitih parametara tranzistora dato je u ozbiljnim debelim referentnim knjigama, što također ukazuje na ogroman broj modela. A broj modernih tranzistora je takav da ih više nije moguće u cijelosti staviti ni u jednu referentnu knjigu. I sastav se stalno povećava, omogućavajući rješavanje gotovo svih zadataka koje su postavili programeri.

Postoji mnogo tranzistorskih krugova (samo zapamtite broj barem kućne opreme) za pojačavanje i pretvaranje električnih signala, ali, uz svu njihovu raznolikost, ovi krugovi se sastoje od zasebnih kaskada, koje se temelje na tranzistorima. Da bi se postiglo potrebno pojačanje signala, potrebno je koristiti nekoliko serijski povezanih stepena pojačanja. Da biste razumjeli kako rade stupnjevi za pojačavanje, morate se bolje upoznati s tranzistorskim sklopnim krugovima.

Sam po sebi, tranzistor neće moći ništa pojačati. Njegova svojstva pojačanja leže u činjenici da male promjene u ulaznom signalu (struja ili napon) dovode do značajnih promjena napona ili struje na izlazu stepena zbog potrošnje energije iz vanjskog izvora. Upravo se ovo svojstvo naširoko koristi u analognim krugovima - pojačala, televizija, radio, komunikacije itd.

Da bismo pojednostavili prezentaciju, ovdje će se razmatrati sklopovi bazirani na tranzistorima n-p-n strukture. Sve što će biti rečeno o ovim tranzistorima jednako važi i za p-n-p tranzistori. Dovoljno je samo obrnuti polaritet izvora napajanja i, ako ih ima, dobiti radni krug.

Ukupno postoje tri takva kola: kolo sa zajedničkim emiterom (CE), kolo sa zajedničkim kolektorom (OC) i kolo sa zajedničkom bazom (OB). Sve ove šeme su prikazane na slici 2.

Slika 2.

Ali prije nego što pređete na razmatranje ovih sklopova, trebali biste se upoznati s načinom rada tranzistora u ključnom modu. Ovaj uvod bi trebao olakšati razumijevanje u režimu pojačavanja. U određenom smislu, ključno kolo se može smatrati nekom vrstom kola sa MA.

Rad tranzistora u ključnom modu

Prije proučavanja rada tranzistora u načinu pojačanja signala, vrijedi zapamtiti da se tranzistori često koriste u ključnom modu.

Ovaj način rada tranzistora razmatran je dugo vremena. U avgustovskom broju časopisa "Radio" 1959. godine objavljen je članak G. Lavrova "Poluprovodnička trioda u ključnom modu". Autor članka je predložio promjenu trajanja impulsa u kontrolnom namotu (OC). Sada se ovaj način regulacije naziva PWM i koristi se prilično često. Dijagram iz tadašnjeg časopisa prikazan je na slici 3.

Slika 3

Ali način rada ključa se ne koristi samo u PWM sistemima. Često tranzistor jednostavno nešto uključuje i isključuje.

U ovom slučaju, relej se može koristiti kao opterećenje: primjenjuje se ulazni signal - relej je uključen, ne - signal releja je isključen. Sijalice se često koriste umjesto releja u ključnom načinu rada. Obično se to radi da bi se naznačilo: sijalica je ili uključena ili isključena. Dijagram takvog ključnog stepena je prikazan na slici 4. Ključni stepeni se takođe koriste za rad sa LED diodama ili sa optokaplerima.

Slika 4

Na slici se kaskadom upravlja konvencionalnim kontaktom, iako može biti digitalno mikrokolo ili umjesto njega. Automobilska žarulja, koja se koristi za osvjetljavanje kontrolne ploče u Zhiguliju. Treba obratiti pažnju na činjenicu da se za upravljanje koristi 5V, a napon komutacionog kolektora je 12V.

U tome nema ništa čudno, jer naponi u ovom kolu ne igraju nikakvu ulogu, bitne su samo struje. Stoga, sijalica može biti najmanje 220V, ako je tranzistor dizajniran da radi na takvim naponima. Napon izvora kolektora također mora odgovarati radnom naponu opterećenja. Uz pomoć takvih kaskada, opterećenje je povezano s digitalnim mikro krugovima ili mikrokontrolerima.

U ovoj shemi, bazna struja kontrolira struju kolektora, koja je zbog energije izvora energije nekoliko desetina ili čak stotina puta veća (ovisno o opterećenju kolektora) od struje baze. Lako je uočiti da postoji povećanje struje. Kada tranzistor radi u režimu ključa, obično se koristi za izračunavanje kaskade prema vrijednosti koja se u referentnim knjigama naziva "trenutni dobitak u modu velikog signala" - u referentnim knjigama se označava slovom β. Ovo je omjer struje kolektora, određen opterećenjem, prema minimalnoj mogućoj baznoj struji. U obliku matematičke formule, to izgleda ovako: β = Ik / Ib.

Za većinu modernih tranzistora koeficijent β je dovoljno velik, po pravilu, od 50 i više, pa se pri izračunavanju ključnog stupnja može uzeti jednakim samo 10. Čak i ako se osnovna struja pokaže da je veća od izračunato, tranzistor se više neće otvarati iz ovog, zatim i ključnog načina.

Da biste upalili sijalicu prikazanu na slici 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, ovo je najmanje. Sa kontrolnim naponom od 5V na baznom otporniku Rb, minus pad napona u B-E sekciji, ostaje 5V - 0.6V = 4.4V. Otpor baznog otpornika će biti: 4,4V / 10mA = 440 oma. Otpornik s otporom od 430 ohma odabran je iz standardne serije. Napon od 0,6V je napon na B-E spoju i ne treba ga zaboraviti prilikom izračunavanja!

Kako baza tranzistora ne bi ostala "visjeti u zraku" kada je kontrolni kontakt otvoren, B-E spoj se obično šantira otpornikom Rbe, koji pouzdano zatvara tranzistor. Ovaj otpornik ne treba zaboraviti, iako ga iz nekog razloga nema u nekim krugovima, što može dovesti do pogrešnog rada stepena buke. Zapravo, svi su znali za ovaj otpornik, ali su iz nekog razloga zaboravili i još jednom stali na "grabulje".

Vrijednost ovog otpornika mora biti takva da kada se kontakt otvori, napon na bazi ne bi bio manji od 0,6V, inače će kaskada biti nekontrolisana, kao da odjeljak B-E samo u kratkom spoju. U praksi se otpornik Rbe postavlja na nominalnu vrijednost oko deset puta veću od Rb. Ali čak i ako je vrijednost Rb 10Kom, krug će raditi prilično pouzdano: potencijali baze i emitera bit će jednaki, što će dovesti do zatvaranja tranzistora.

Takva kaskada ključeva, ako je u dobrom stanju, može upaliti sijalicu pri punom usijanju ili je potpuno ugasiti. U ovom slučaju, tranzistor može biti potpuno uključen (stanje zasićenja) ili potpuno zatvoren (stanje isključenja). Odmah, sam po sebi, nameće se zaključak da između ovih "graničnih" stanja postoji nešto kada sijalica sija polovično. Da li je tranzistor u ovom slučaju napola otvoren ili poluzatvoren? To je kao da punite čašu: optimista vidi čašu napola punu, dok je pesimista vidi kao polupraznu. Ovaj način rada tranzistora naziva se pojačavajući ili linearni.

Rad tranzistora u modu pojačanja signala

Gotovo sva moderna elektronička oprema sastoji se od mikro krugova u kojima su „skriveni“ tranzistori. Dovoljno je samo odabrati način rada operacioni pojačivač da dobijete željeni dobitak ili propusni opseg. Ali, unatoč tome, često se koriste kaskade na diskretnim ("labavim") tranzistorima, pa je razumijevanje rada kaskade za pojačavanje jednostavno neophodno.

Najčešća veza tranzistora u poređenju sa OK i OB je kolo zajedničkog emitera (CE). Razlog za ovu rasprostranjenost je, prije svega, visoki napon i pojačanje struje. Najveći dobitak OE stepena se postiže kada polovina napona napajanja Epit/2 padne na opterećenje kolektora. Shodno tome, druga polovina pada na parcelu K-E tranzistor. To se postiže postavljanjem kaskade, o čemu će biti riječi u nastavku. Ovaj način pojačanja naziva se klasa A.

Kada je tranzistor sa OE uključen, izlazni signal na kolektoru je u antifazi sa ulaznim signalom. Kao nedostatke, može se napomenuti da je ulazni otpor OE mali (ne više od nekoliko stotina oma), a izlazni otpor je unutar desetina kΩ.

Ako u režimu preklapanja tranzistor karakterizira pojačanje struje u modu velikog signala β, tada se u modu pojačanja koristi "strujni dobitak u režimu malog signala", označen u priručniku h21e. Ova oznaka dolazi od prikaza tranzistora u obliku četveropola. Slovo "e" označava da su mjerenja obavljena kada je bio uključen tranzistor sa zajedničkim emiterom.

Koeficijent h21e je po pravilu nešto veći od β, iako se može koristiti i u proračunima u prvoj aproksimaciji. Ipak, širenje parametara β i h21e je toliko veliko čak i za jedan tip tranzistora da su proračuni samo približni. Nakon takvih proračuna, u pravilu je potrebno prilagoditi shemu.

Pojačanje tranzistora zavisi od debljine baze, tako da se ne može menjati. Otuda velika varijacija u pojačanju tranzistora uzetih čak i iz jedne kutije (čitaj jednu seriju). Za tranzistore male snage ovaj koeficijent se kreće od 100 ... 1000, a za moćne je 5 ... 200. Što je tanja baza, to je veći koeficijent.

Najjednostavniji sklop za uključivanje OE tranzistora prikazan je na slici 5. Ovo je samo mali dio sa slike 2, prikazan u drugom dijelu članka. Takav sklop naziva se strujni krug fiksne baze.

Slika 5

Shema je izuzetno jednostavna. Ulazni signal se primjenjuje na bazu tranzistora kroz kondenzator za razdvajanje C1, a pojačan se uzima sa kolektora tranzistora kroz kondenzator C2. Svrha kondenzatora je zaštita ulazna kola od konstantne komponente ulaznog signala (samo zapamtite karbonski ili elektretni mikrofon) i obezbijedite potrebnu širinu pojasa kaskade.

Otpornik R2 je opterećenje kolektora stepena, a R1 daje DC prednapon na bazu. Uz pomoć ovog otpornika pokušavaju da napon na kolektoru bude Epit/2. Ovo stanje se naziva radna tačka tranzistora, u ovom slučaju je pojačanje kaskade maksimalno.

Otprilike otpor otpornika R1 može se odrediti jednostavnom formulom R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Koeficijent 1,5…1,8 zamjenjuje se u zavisnosti od napona napajanja: pri niskom naponu (ne više od 9V), vrijednost koeficijenta nije veća od 1,5, a počevši od 50V približava se 1,8…2,0. Ali, zaista, formula je toliko približna da se najčešće mora odabrati otpornik R1, inače se neće dobiti potrebna vrijednost Epit / 2 na kolektoru.

Kolektorski otpornik R2 je postavljen kao uslov problema, jer struja kolektora i pojačanje kaskade u cjelini zavise od njegove vrijednosti: što je veći otpor otpornika R2, to je veće pojačanje. Ali s ovim otpornikom morate biti oprezni, struja kolektora mora biti manja od maksimalno dozvoljene za ovu vrstu tranzistora.

Shema je vrlo jednostavna, ali ova jednostavnost joj daje negativna svojstva, a ta jednostavnost ima cijenu. Prvo, pojačanje kaskade ovisi o specifičnoj instanci tranzistora: zamijenio sam tranzistor tijekom popravka, - ponovo odaberite pomak, dovedite ga na radnu tačku.

Drugo, o temperaturi okruženje, - s povećanjem temperature, obrnuta kolektorska struja Ico se povećava, što dovodi do povećanja struje kolektora. A gdje je onda polovina napona napajanja na Epit/2 kolektoru, toj istoj radnoj tački? Kao rezultat toga, tranzistor se zagrijava još više, nakon čega pokvari. Da bi se riješili ove ovisnosti, ili barem sveli na minimum, u kaskadu tranzistora - OOS uvode se dodatni elementi negativne povratne sprege.

Na slici 6 prikazano je kolo sa fiksnim prednaponom.

Slika 6

Čini se da će djelitelj napona Rb-k, Rb-e osigurati potrebnu početnu pristranost kaskade, ali u stvari, takva kaskada ima sve nedostatke fiksnog strujnog kola. Dakle, prikazano kolo je samo varijacija kola fiksne struje prikazanog na slici 5.

Krugovi sa termičkom stabilizacijom

Situacija je nešto bolja u slučaju primjene shema prikazanih na slici 7.

Slika 7

U kolu stabiliziranom kolektorom, otpornik prednapona R1 nije spojen na napajanje, već na kolektor tranzistora. U tom slučaju, ako se povratna struja povećava s povećanjem temperature, tranzistor se jače otvara, napon kolektora se smanjuje. Ovo smanjenje dovodi do smanjenja prednapona primijenjenog na bazu kroz R1. Tranzistor se počinje zatvarati, struja kolektora se smanjuje na prihvatljivu vrijednost, vraća se položaj radne točke.

Sasvim je očito da takva mjera stabilizacije dovodi do nekog smanjenja pojačanja kaskade, ali to nije bitno. Pojačanje koje nedostaje, u pravilu se dodaje povećanjem broja stupnjeva pojačanja. Ali takva zaštita okoliša omogućava vam da značajno proširite raspon radne temperature kaskade.

Sklop kaskade sa stabilizacijom emitera je nešto složeniji. Osobine pojačanja takvih kaskada ostaju nepromijenjene u još širem temperaturnom rasponu nego kod kola stabiliziranog kolektorom. I još jedna neosporna prednost - prilikom zamjene tranzistora, ne morate ponovo birati režime rada kaskade.

Otpornik emitera R4, koji obezbeđuje stabilizaciju temperature, takođe smanjuje pojačanje kaskade. To je za jednosmerna struja. Kako bi se eliminirao utjecaj otpornika R4 na pojačanje naizmjenične struje, otpornik R4 se šantira kondenzatorom Ce, koji predstavlja mali otpor naizmjenične struje. Njegova vrijednost je određena frekvencijskim opsegom pojačala. Ako ove frekvencije leže u audio rasponu, tada kapacitet kondenzatora može biti od jedinica do desetina, pa čak i stotina mikrofarada. Za radio frekvencije to je već stoti dio ili tisućiti dio, ali u nekim slučajevima krug radi dobro čak i bez ovog kondenzatora.

Da bismo bolje razumjeli kako funkcionira stabilizacija emitera, potrebno je razmotriti sklop za uključivanje tranzistora sa zajedničkim kolektorom OK.

Zajedničko kolektorsko kolo (CC) je prikazano na slici 8. Ovo kolo je dio slike 2, iz drugog dijela članka, koji prikazuje sva tri sklopna kola tranzistora.

Slika 8

Opterećenje stepena je emiterski otpornik R2, ulazni signal se dovodi kroz kondenzator C1, a izlazni signal se preuzima kroz kondenzator C2. Ovdje možete pitati zašto se ova šema zove OK? Uostalom, ako se prisjetimo OE kruga, onda se jasno vidi da je emiter spojen na zajedničku žicu kruga, u odnosu na koji se primjenjuje ulazni signal i uklanja izlazni signal.

U OK kolu kolektor je jednostavno spojen na izvor napajanja, a na prvi pogled se čini da nema nikakve veze sa ulaznim i izlaznim signalom. Ali u stvari, EMF izvor (baterija) ima vrlo mali unutarnji otpor; za signal je to praktički jedna točka, isti kontakt.

Detaljnije, rad OK kola može se vidjeti na slici 9.

Slika 9

Poznato je da je za silicijumske tranzistore napon spoja b-e u rasponu od 0,5...0,7V, tako da ga možete uzeti u prosjeku 0,6V, ako nemate za cilj da izvršite proračune s tačnošću od desetinki procenta . Stoga, kao što se vidi na slici 9, izlazni napon uvijek će biti manji od ulaza za vrijednost Ub-e, odnosno za tih istih 0,6V. Za razliku od OE kola, ovo kolo ne invertuje ulazni signal, već ga jednostavno ponavlja, pa čak i smanjuje za 0,6V. Ovo kolo se također naziva emiterski sljedbenik. Zašto je potrebna takva šema, koja je njena upotreba?

OK kolo pojačava strujni signal za h21e puta, što znači da je ulazna impedansa kola h21e puta veća od otpora u kolu emitera. Drugim riječima, bez straha od spaljivanja tranzistora, dovedite napon direktno na bazu (bez ograničavajućeg otpornika). Jednostavno uzmite osnovni pin i spojite ga na +U napojnu šinu.

Visoka ulazna impedansa vam omogućava da povežete ulazni izvor visoke impedancije (kompleksne impedanse), kao što je piezoelektrični prijemnik. Ako je takav pickup spojen na kaskadu prema OE shemi, tada će niska ulazna impedancija ove kaskade jednostavno "spustiti" signal podizanja - "radio neće svirati".

Posebnost OK kola je da njegova struja kolektora Ik ovisi samo o otporu opterećenja i naponu izvora ulaznog signala. U ovom slučaju, parametri tranzistora ovdje uopće ne igraju nikakvu ulogu. Za takva kola se kaže da su pokriveni 100% povratnom spregom napona.

Kao što je prikazano na slici 9, struja u opterećenju emitera (aka struja emitera) In = Ik + Ib. Uzimajući u obzir da je bazna struja Ib zanemarljiva u odnosu na struju kolektora Ik, može se pretpostaviti da je struja opterećenja jednaka struji kolektora In = Ik. Struja u opterećenju će biti (Uin - Ube) / Rn. U ovom slučaju ćemo pretpostaviti da je Ube poznat i da je uvijek jednak 0,6V.

Iz toga slijedi da struja kolektora Ik = (Uin - Ube) / Rn ovisi samo o ulaznom naponu i otporu opterećenja. Otpor opterećenja se može mijenjati u širokom rasponu, međutim, nije potrebno biti posebno revan. Uostalom, ako umjesto Rn stavite ekser - stoti, onda nijedan tranzistor neće preživjeti!

OK kolo olakšava mjerenje koeficijenta prijenosa statičke struje h21e. Kako to učiniti prikazano je na slici 10.

Slika 10.

Prvo izmjerite struju opterećenja kao što je prikazano na slici 10a. U ovom slučaju bazu tranzistora ne treba nigdje povezivati, kao što je prikazano na slici. Nakon toga se mjeri bazna struja u skladu sa slikom 10b. Mjerenja u oba slučaja treba izvršiti u istim količinama: u amperima ili u miliamperima. Napon napajanja i opterećenje moraju ostati isti za oba mjerenja. Da biste saznali koeficijent prijenosa statičke struje, dovoljno je podijeliti struju opterećenja sa baznom strujom: h21e ≈ In / Ib.

Treba napomenuti da se s povećanjem struje opterećenja h21e donekle smanjuje, a s povećanjem napona napajanja povećava. Emiterski sljedbenici se često grade u push-pull konfiguraciji koristeći komplementarne parove tranzistora za povećanje izlazne snage uređaja. Takav pratilac emitera prikazan je na slici 11.

Slika 11.

Slika 12.

Uključivanje tranzistora prema shemi sa zajedničkom bazom O

Takav sklop osigurava samo povećanje napona, ali ima bolja svojstva frekvencije u odnosu na OE kolo: isti tranzistori mogu raditi na višim frekvencijama. Glavna primena OB kola su antenska pojačala UHF opsega. Kolo antenskog pojačala prikazano je na slici 12.

Oni su bipolarni tranzistori. Preklopni krugovi ovise o njihovoj vodljivosti (otvorenoj ili elektroničkoj) i funkcijama koje obavljaju.

Klasifikacija

Tranzistori su podijeljeni u grupe:

1. Prema materijalima: najčešće se koriste galij arsenid i silicijum.
2. Po frekvenciji signala: niska (do 3 MHz), srednja (do 30 MHz), visoka (do 300 MHz), ultra visoka (iznad 300 MHz).
3. Prema maksimalnoj disipaciji snage: do 0,3 W, do 3 W, više od 3 W.
4. Po vrsti uređaja: tri povezana sloja poluvodiča s naizmjeničnim direktnim i reverznim metodama provođenja nečistoća.

Kako tranzistori rade?

Vanjski i unutrašnji sloj tranzistora povezani su s dovodnim elektrodama koje se nazivaju emiter, kolektor i baza.

Emiter i kolektor se ne razlikuju jedni od drugih po vrstama vodljivosti, ali je stupanj dopiranja nečistoćama u potonjem mnogo niži. Time se osigurava povećanje dozvoljenog izlaznog napona.

Baza, koja je srednji sloj, ima visoku otpornost, jer je napravljena od lagano dopiranog poluprovodnika. Ima značajno područje kontakta sa kolektorom, što poboljšava odvođenje topline koja nastaje zbog obrnutog pristrasnosti spoja, a također olakšava prolaz manjinskih nosača - elektrona. Unatoč činjenici da su prijelazni slojevi zasnovani na istom principu, tranzistor je jednostrani uređaj. Prilikom mijenjanja mjesta ekstremnih slojeva sa istom vodljivošću, nemoguće je dobiti slične parametre poluvodičkog uređaja.

Preklopni krugovi ga mogu održavati u dva stanja: može biti otvoren ili zatvoren. U aktivnom načinu rada, kada je tranzistor uključen, emiterska bias spoja se vrši u smjeru naprijed. Da biste to vizualno razmotrili, na primjer, na poluvodičkoj triodi tipa n-p-n, na nju treba primijeniti napon iz izvora, kao što je prikazano na donjoj slici.

Granica na drugom kolektorskom spoju je tada zatvorena i struja ne bi trebala teći kroz nju. Ali u praksi se dešava suprotno zbog blizine prelaza jednih prema drugima i njihovog međusobnog uticaja. Budući da je "minus" baterije povezan s emiterom, otvoreni spoj omogućava elektronima da uđu u zonu baze, gdje se djelimično rekombinuju sa rupama - glavnim nosiocima. Formira se bazna struja I b. Što je jači, to je proporcionalno veća izlazna struja. Po ovom principu rade pojačala zasnovana na bipolarnim tranzistorima.

Kroz bazu se dešava samo difuzijsko kretanje elektrona, jer tamo nema djelovanja električnog polja. Zbog neznatne debljine sloja (mikrona) i velike veličine negativno nabijenih čestica, gotovo sve padaju u područje kolektora, iako je otpor baze prilično visok. Tamo ih uvlači električno polje prijelaza, što doprinosi njihovom aktivnom prijenosu. Struje kolektora i emitera gotovo su jednake jedna drugoj, ako zanemarimo blagi gubitak naboja uzrokovan rekombinacijom u bazi: I e \u003d I b + I k.

Parametri tranzistora

1. Pojačanje napona U eq / U be i struja: β = I k / I b (stvarne vrijednosti). Tipično, koeficijent β ne prelazi vrijednost od 300, ali može dostići vrijednost od 800 i više.
2. ulazna impedansa.
3. Frekvencijski odziv - performanse tranzistora do date frekvencije, iznad koje tranzijenti u njemu ne prate promjene u primijenjenom signalu.

Bipolarni tranzistor: sklopni krugovi, načini rada

Načini rada se razlikuju ovisno o tome kako je sklop sklopljen. Signal se mora primijeniti i ukloniti na dvije točke za svaki slučaj, a dostupna su samo tri izlaza. Iz toga slijedi da jedna elektroda mora istovremeno pripadati ulazu i izlazu. Ovako se pale svi bipolarni tranzistori. Šeme uključivanja: O, OE i OK.

1. Šema sa OK

Preklopni krug sa zajedničkim kolektorom: signal ide na otpornik R L, koji je također uključen u kolo kolektora. Takva veza se naziva zajednički kolektorski krug.

Ova opcija stvara samo trenutno pojačanje. Prednost emiterskog sljedbenika je stvaranje velikog ulaznog otpora (10-500 kOhm), što omogućava pogodno usklađivanje kaskada.

2. Šema sa OB

Šema za uključivanje bipolarnog tranzistora sa zajedničkom bazom: ulazni signal ulazi kroz C 1, a nakon pojačanja se uklanja u izlazni kolektorski krug, gdje je osnovna elektroda zajednička. U ovom slučaju se stvara pojačanje napona slično kao u radu s OE.

Nedostatak je mali ulazni otpor (30-100 oma), a OB kolo se koristi kao oscilator.

3. Šema sa OE

U mnogim slučajevima, kada se koriste bipolarni tranzistori, sklopna kola se uglavnom izrađuju sa zajedničkim emiterom. Napon napajanja se napaja preko otpornika opterećenja R L, a negativni pol eksternog napajanja je spojen na emiter.

Naizmjenični signal sa ulaza ide do elektrode emitera i baze (V in), a u kolektorskom kolu postaje već veći (V CE). Glavni elementi kola: tranzistor, otpornik R L i izlazno kolo pojačala s vanjskim napajanjem. Pomoćni: kondenzator C 1, koji sprečava prolaz jednosmerne struje u kolo ulaznog signala, i otpornik R 1, kroz koji se tranzistor otvara.

U krugu kolektora, naponi na izlazu tranzistora i na otporniku R L zajedno su jednaki vrijednosti EMF-a: V CC = I C R L + V CE.

Dakle, mali signal V in na ulazu postavlja zakon promjene DC napona napajanja u AC na izlazu kontroliranog tranzistorskog pretvarača. Krug osigurava povećanje ulazne struje za 20-100 puta, a napona - za 10-200 puta. Shodno tome, povećava se i snaga.

Nedostatak kruga: mali ulazni otpor (500-1000 ohma). Iz tog razloga nastaju problemi u formiranju stupnjeva pojačanja. Izlazna impedansa je 2-20 kOhm.

Donji dijagrami pokazuju kako radi bipolarni tranzistor. Ako ne preduzmete dodatne mjere, na njihove performanse će uvelike utjecati vanjski utjecaji, kao što su pregrijavanje i frekvencija signala. Također uzemljenje emitera stvara nelinearnu distorziju na izlazu. Da bi se povećala pouzdanost rada, u krug se povezuju povratne veze, filteri itd. U tom slučaju se pojačanje smanjuje, ali uređaj postaje efikasniji.

Načini rada

Na funkciju tranzistora utječe vrijednost priključenog napona. Svi načini rada mogu se prikazati ako se koristi prethodno predstavljeno kolo za uključivanje bipolarnog tranzistora sa zajedničkim emiterom.

1. Režim isključenja

Ovaj način rada nastaje kada vrijednost napona V BE padne na 0,7 V. U tom slučaju se emiterski spoj zatvara i nema kolektorske struje, jer u bazi nema slobodnih elektrona. Tako je tranzistor zaključan.

2. Aktivan način rada

Ako se na bazu dovede dovoljan napon za otvaranje tranzistora, pojavljuje se mala ulazna struja i povećana izlazna struja, ovisno o vrijednosti pojačanja. Tada će tranzistor raditi kao pojačalo.

3. Režim zasićenja

Način rada se razlikuje od aktivnog po tome što se tranzistor potpuno otvara, a struja kolektora dostiže najveću moguću vrijednost. Njegovo povećanje može se postići samo promjenom primijenjenog EMF-a ili opterećenja u izlaznom kolu. Kada se struja baze promijeni, struja kolektora se ne mijenja. Režim zasićenja karakterizira činjenica da je tranzistor izuzetno otvoren i ovdje služi kao prekidač u uključenom stanju. Krugovi za uključivanje bipolarnih tranzistora pri kombiniranju načina prekida i zasićenja omogućuju stvaranje elektroničkih ključeva uz njihovu pomoć.

Svi načini rada zavise od prirode izlaznih karakteristika prikazanih na grafikonu.

Mogu se jasno demonstrirati ako je sklopljeno kolo za uključivanje bipolarnog tranzistora s OE.

Ako na osi ordinate i apscise odvojite segmente koji odgovaraju maksimalnoj mogućoj struji kolektora i vrijednosti napona napajanja V CC, a zatim spojite njihove krajeve jedan na drugi, dobićete liniju opterećenja (crvena). Opisuje se izrazom: I C = (V CC - V CE) / R C . Iz slike slijedi da će se radna točka koja određuje struju kolektora I C i napon V CE pomjeriti duž linije opterećenja odozdo prema gore s povećanjem bazne struje I V.

Zona između V CE ose i prve izlazne karakteristike (osenčena), gde je I B = 0, karakteriše režim odsecanja. U ovom slučaju, reverzna struja I C je zanemarljiva, a tranzistor je zatvoren.

Najgornja karakteristika u tački A siječe se s direktnim opterećenjem, nakon čega se, s daljnjim povećanjem I B, struja kolektora više ne mijenja. Zona zasićenja na grafikonu je zasjenjeno područje između IC ose i najstrmije karakteristike.

Kako se tranzistor ponaša u različitim modovima?

Tranzistor radi s promjenjivim ili konstantnim signalima koji ulaze u ulazni krug.

Bipolarni tranzistor: sklopna kola, pojačalo

Tranzistor uglavnom služi kao pojačalo. Promjenjivi signal na ulazu dovodi do promjene njegove izlazne struje. Ovdje možete primijeniti šeme sa OK ili sa OE. U izlaznom kolu signal zahtijeva opterećenje. Obično koristite otpornik instaliran u krugu izlaznog kolektora. Ako je pravilno odabran, izlazni napon će biti mnogo veći od ulaznog.

Rad pojačala je jasno vidljiv na vremenskim dijagramima.

Kada se impulsni signali konvertuju, režim ostaje isti kao kod sinusoidnih. Kvaliteta konverzije njihovih harmonijskih komponenti određena je frekvencijskim karakteristikama tranzistora.

Rad u prekidačkom režimu

Dizajniran za beskontaktno prebacivanje priključaka u električna kola. Princip je postepena promjena otpora tranzistora. Bipolarni tip je sasvim prikladan za zahtjeve ključnog uređaja.

Zaključak

Poluvodički elementi se koriste u krugovima za konverziju električnih signala. Raznovrsne mogućnosti i velika klasifikacija omogućavaju široku upotrebu bipolarnih tranzistora. Preklopne šeme određuju njihove funkcije i načine rada. Mnogo toga zavisi i od karakteristika.

Osnovni bipolarni tranzistorski sklopni krugovi pojačavaju, generiraju i pretvaraju ulazne signale, kao i prekidače električnih kola.