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バイポーラトランジスタはどのように機能しますか? トランジスタ - 飽和モード

図上のバイポーラトランジスタの指定

バイポーラトランジスタ- トランジスタの一種である 3 電極半導体デバイス。半導体構造では、2 pn接合デバイス内の電荷転送は、電子と正孔の2種類のキャリアによって行われます。そのため、このデバイスは「バイポーラ」と呼ばれていました。

に適用電子デバイス電気振動の生成を増幅し、論理電子回路などの電流スイッチング素子として。

電極は、交互型の不純物伝導を持つ半導体の 3 つの連続した層に接続されます。この交替の方法によれば、 n-p-nと p-n-pトランジスタ（ n (ネガティブ) - 不純物伝導度の電子型、 p (ポジティブ） - 穴）。

バイポーラトランジスタの動作は、電界効果トランジスタとは異なり、2種類の電荷の同時転送に基づいており、そのキャリアは電子と正孔です（単語「bi」-「two」から）。トランジスタの回路図を2番目の図に示します。

中間層に接続された電極は ベース、外層に接続された電極は呼ばれます エミッターと コレクタ. 導電率の観点からは、エミッタ層とコレクタ層は区別できません。しかし実際には、トランジスタの製造では、デバイスの電気的パラメータを改善するために、不純物のドーピングの程度が大きく異なります。エミッタ層は高濃度にドープされ、コレクタ層は低濃度にドープされているため、許容コレクタ電圧が増加します。エミッタ接合の降伏逆電圧の値は重要ではありません。通常、電子回路では、トランジスタは順方向にバイアスされたエミッタ p-n 接合で動作するためです。、共通のベースを持つ回路の電流伝達係数を増加させます。さらに、製造中のコレクタ p-n 接合の面積は、エミッタ接合の面積よりも大幅に大きく作られています。これにより、ベース層からの少数キャリアの収集が向上し、透過係数が向上します。

バイポーラトランジスタの速度（周波数パラメータ）を上げるには、ベース層の厚さを薄くする必要があります。これは、ベース層の厚さが、とりわけ「飛行」時間を決定するためです（ドリフトのないデバイスへの拡散）。しかし、ベースの厚さが薄くなるとコレクタの応力が制限されるため、ベース層の厚さは合理的な妥協点に基づいて選択されます。

装置と動作原理

初期のトランジスタは、半導体材料として金属ゲルマニウムを使用していました。現在（2015年）は主に単結晶シリコンと単結晶ガリウム砒素で作られています。ガリウムヒ素のキャリアの移動度が非常に高いため、これに基づくデバイスは高速であり、超高速ロジック回路やマイクロ波増幅回路で使用されます。

バイポーラトランジスタは、3 つの異なるドープ半導体層で構成されています。え(E)、塩基 B(B) とコレクター C（に）。これらの層の導電率の種類の変化に応じて、 n-p-n（エミッター- n-半導体、ベース- p- 半導体、コレクター - n- 半導体) および p-n-pトランジスタ。各層には導電性の非整流接点が接続されています。

ベース層はエミッタ層とコレクタ層の間に位置し、低濃度にドープされているため、電気抵抗が高くなります。総面積ベース - エミッターの接触は、コレクター - ベースの接触面積よりも大幅に小さい (これは 2 つの理由で行われます。コレクター - ベースの接合面積が大きいと、ベースからコレクターへのマイナー電荷キャリアを捕捉する確率が高くなります。モードでは、コレクタ - ベース接合部は通常、逆変位でオンになります。コレクタ接合部で動作する場合、デバイスによって放散される熱の大部分が放出されます。面積の増加は、コレクタ接合部からのより良い熱除去に貢献します)、だから本当のバイポーラトランジスタ一般的なアプリケーションは非対称デバイスです（エミッタとコレクタを交換し、その結果、元のものと同様のバイポーラトランジスタ（逆スイッチング）を取得することは技術的に非現実的です）。

アクティブ増幅動作モードでは、トランジスタがオンになり、エミッタ接合が順方向バイアス (開) になり、コレクタ接合が逆方向バイアス (閉) になります。

明確にするために、作業を検討してください n-p-nトランジスタの場合、すべての引数がまったく同じ方法で繰り返されます。 p-n-pトランジスタ、「電子」という言葉を「正孔」に、またはその逆に置き換え、すべての電圧を反対の符号に置き換えます。で n-p-nトランジスタでは、エミッタの主な電荷キャリアである電子が、開いたエミッタ - ベース接合を通過して (注入されて) ベース領域に入ります。これらの電子の一部は、ベース (正孔) の多数電荷キャリアと再結合します。しかしながら、ベースが非常に薄く作られ、比較的低濃度にドープされているという事実により、再結合時間が比較的長いため、エミッタから注入された電子のほとんどがコレクタ領域に拡散します。強い電界逆バイアスされたコレクタ接合は、ベース (電子) から少数キャリアを捕捉し、それらをコレクタ層に転送します。したがって、コレクタ電流は、ベース電流を形成するベースでのわずかな再結合損失を除いて、実質的にエミッタ電流に等しくなります ( I e \u003d I b + I to).

エミッタ電流とコレクタ電流に関する係数 α ( I k \u003d α I e) と呼ばれる エミッタ電流伝達係数. 係数αの数値は0.9～0.999です。係数が高いほど、トランジスタはより効率的に電流を転送します。この係数は、コレクタ - ベース間およびベース - エミッタ間電圧にほとんど依存しません。したがって、動作電圧の広い範囲で、コレクタ電流はベース電流に比例し、比例係数は β = α / (1 - α) で、10 ～ 1000 です。コレクター電流がかなり大きい。

バイポーラトランジスタの動作モード

電圧エミッターベース、コレクタ ()	バイアス遷移ベースエミッター為に n-p-n と入力します	バイアス遷移ベースコレクタータイプ n-p-n の場合	モードタイプ n-p-n の場合
	直接	逆行する	正常アクティブモード
	直接	直接	飽和モード
	逆行する	逆行する	カットオフモード
	逆行する	直接	逆アクティブモード
電圧エミッターベース、コレクタ ()	バイアス遷移ベースエミッター p-n-pタイプ用	バイアス遷移ベースコレクター p-n-pタイプ用	モード p-n-pタイプ用
	逆行する	直接	逆アクティブモード
	逆行する	逆行する	カットオフモード
	直接	直接	飽和モード
	直接	逆行する	正常アクティブモード

通常アクティブモード

エミッタ - ベース接合は順方向 (オープン) で、コレクタ - ベース接合は逆方向 (クローズ) です。

U EB > 0; U KB< 0（トランジスタ用） n-p-nタイプ）、トランジスタ用 p-n-pタイプ条件は次のようになります U EB<0; U KB > 0.

逆アクティブモード

エミッタ接合は逆バイアスされ、コレクタ接合は順バイアスされます。 U KB > 0; U EB< 0（トランジスタ用） n-p-nタイプ）。

飽和モード

両方 PN遷移は順方向にバイアスされます (両方ともオープン)。エミッタとコレクタの場合区域-遷移が外部ソースに順方向に接続すると、トランジスタは飽和モードになります。エミッタ接合とコレクタ接合の拡散電界は、外部ソースによって生成された電界によって部分的に減衰されます。 ウェブと ウクブ. その結果、主な電荷キャリアの拡散を制限するポテンシャル障壁が減少し、エミッタとコレクタからベースへの正孔の浸透（注入）が始まります。つまり、電流がエミッタとコレクタを通って流れます。エミッタ飽和電流と呼ばれるトランジスタ ( 私 E. us) とコレクター ( 私 K.私たち）。

コレクタ・エミッタ飽和電圧(U KE. us) は、開いているトランジスタの両端の電圧降下です (セマンティックアナログ R SI。開いた電界効果トランジスタ)。同様に ベースエミッタ飽和電圧(U BE us) は、オープントランジスタのベースとエミッタ間の電圧降下です。

カットオフモード

でこのモード両方 PN遷移が逆になります。条件に応じたカットオフモードう EB<0, う KB<0.

バリア体制

このモードでは ベーストランジスタが短絡されているか、小さな抵抗器を介して コレクタ、および コレクタまたはで エミッタートランジスタ回路は、トランジスタを流れる電流を設定する抵抗をオンにします。このような包含では、トランジスタは電流設定抵抗と直列に接続された一種のダイオードです。このようなカスケード回路は、部品点数が少なく、高周波デカップリングが良好で、動作温度範囲が広く、トランジスタのパラメータに影響されないという特徴があります。

スイッチング方式

トランジスタスイッチング回路は、2つの主な指標によって特徴付けられます。

電流利得私アウト / 私入力
入力インピーダンス R=でうの / 私入力

ベース共通配線図

共通ベースのスイッチング方式。

コモンベースアンプ。

3 つの構成すべての中で、最小の入力インピーダンスと最大の出力インピーダンスがあります。ユニティに近い電流ゲインと大きな電圧ゲインを備えています。信号の位相を反転しません。
私アウト / 私=で私に / 私 e = α [α<1].
入力インピーダンス R=でうの / 私=でう eb / 私 e.

ベースが共通の増幅段の入力抵抗（入力インピーダンス）は小さく、エミッタ電流に依存し、電流が増加すると減少し、単位を超えません-低電力段の場合、入力回路は数百オームです。ステージのは、トランジスタのオープンエミッタ接合です。

利点

この回路ではミラー効果が抑制されているため、良好な温度と広い周波数範囲が得られます。
許容コレクタ電圧が高い。

コモンベース方式のデメリット

α は常に 1 よりわずかに小さいため、α に等しい小さな電流ゲイン
小さな入力インピーダンス

エミッタ接地スイッチング回路

エミッター共通のスイッチング回路。
私アウト= 私に
私=で私 b
う=でうペ
うアウト= うケ。

現在のゲイン: 私アウト / 私=で私に / 私 b = 私に /（私 e -I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
入力インピーダンス： R=でうの / 私=でうペ / 私 b.

利点

大きな電流ゲイン。
大きな電圧ゲイン。
最大のパワーブースト。
電源1つで十分対応できます。
出力 AC 電圧は、入力に対して反転しています。

欠陥

温度安定性が低くなります。このような介在物の周波数特性は、共通ベースの回路と比較して大幅に悪化します。これは、ミラー効果によるものです。

コモンコレクタ回路

コモンコレクタによるスイッチング方式。
私アウト= 私うーん
私=で私 b
う=でう bq
うアウト= うケ。

現在のゲイン: 私アウト / 私=で私 e/ 私 b = 私 e /( 私 e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
入力インピーダンス： R=でうの / 私で = ( うペ + うケ)/ 私 b.

利点

入力インピーダンスが大きい。
低出力インピーダンス。

欠陥

電圧ゲインは 1 よりわずかに小さくなります。

このような包含を含む回路は、しばしば「 エミッターフォロワー».

主なパラメータ

電流伝達係数。
入力インピーダンス。
出力導電率。
逆コレクタ - エミッタ電流。
ターンオン時間。
ベース電流伝達率の限界周波数。
逆コレクタ電流。
最大許容電流。
エミッタ接地回路における電流伝達係数のカットオフ周波数。

トランジスタのパラメータは、独自の（プライマリ）とセカンダリに分けられます。独自のパラメーターは、その包含のスキームに関係なく、トランジスタの特性を特徴付けます。以下は、主な独自のパラメーターとして受け入れられます。

電流利得 α;
エミッタ、コレクタ、ベースの AC 抵抗 rあー、 rに、 r b、次のとおりです。
- r e - エミッタ領域とエミッタ接合の抵抗の合計。
- r k は、コレクタ領域とコレクタ接合の抵抗の合計です。
- r b - ベースの横方向の抵抗。

を用いたバイポーラトランジスタ等価回路時間-パラメーター。

セカンダリパラメータは、さまざまなスキームトランジスタのスイッチを入れ、その非線形性のために、低周波数と小さな信号振幅に対してのみ有効です。二次パラメータについては、パラメータのいくつかのシステムとそれに対応する等価回路が提案されています。主なものは混合（ハイブリッド）パラメータで、文字「時間».

入力インピーダンス- 出力で短絡が発生した場合の入力交流電流に対するトランジスタの抵抗。入力電流の変化は、入力電圧の変化の結果であり、出力電圧からのフィードバックの影響はありません。

時間 11 = う m1/ 私 m1 でう m2 = 0。

電圧フィードバック係数出力の何パーセントかを示します交流電圧トランジスタのフィードバックにより、トランジスタの入力に送信されます。入力回路にトランジスタがありません交流電流、および入力電圧の変化は、出力電圧の変化の結果としてのみ発生します。

時間 12 = う m1/ う m2 で私 m1 = 0。

電流伝達率（電流利得）は、負荷抵抗がゼロのときの交流電流の利得を示します。出力電流は、出力電圧の影響を受けず、入力電流のみに依存します。

時間 21 = 私平方メートル/ 私 m1 でう m2 = 0。

出力コンダクタンス- 出力端子間の交流電流の内部伝導。出力電流は出力電圧の影響を受けて変化します。

時間 22 = 私平方メートル/ う m2 で私 m1 = 0。

交流電流とトランジスタ電圧の関係は次の式で表されます。

う m1 = 時間 11 私 m1 + 時間 12 う m2; 私 m2 = 時間 21 私 m1 + 時間 22Um2。

トランジスタのスイッチング回路に応じて、h パラメータのデジタルインデックスに文字が追加されます。「e」 - OE 回路の場合、「b」 - OB 回路の場合、「k」 - OK 回路の場合。

OE スキームの場合: 私 m1 = 私 mb、私 m2 = 私 mk、う m1 = う mb-e、う m2 = う mk-e。たとえば、次のスキーマの場合:

時間 21e = 私 mk / 私 mb = β。

OB スキームの場合: 私 m1 = 私自分、私 m2 = 私 mk、う m1 = う me-b、う m2 = う mk-b。

トランジスタの固有パラメータは、時間-パラメーター、たとえば OE スキームの場合:

;

周波数が高くなると、コレクタ接合の静電容量がトランジスタの動作に悪影響を及ぼし始めます C k. 容量抵抗が減少し、負荷抵抗を流れる電流が減少し、その結果、ゲイン α と β が減少します。エミッタ接合容量抵抗 C eも減少しますが、小さな遷移抵抗によってシャントされます rほとんどの場合、無視できます。さらに、周波数の増加に伴い、エミッタ電流位相からのコレクタ電流位相の遅れの結果として、係数βのさらなる減少が発生します。これは、エミッタからベースを介してキャリアを移動させるプロセスの慣性によって引き起こされます。コレクタ接合への接合と、ベースにおける電荷蓄積および再吸収プロセスの慣性。係数 α と β が 3 dB 減少する周波数は、 電流伝達係数の限界周波数それぞれOBおよびOEスキーム用。

パルスモードでは、コレクタ電流パルスは、入力電流パルスに対して遅延時間 τc だけ遅れて始まります。これは、キャリアがベースを通過する有限の通過時間によって引き起こされます。キャリアがベースに蓄積されると、フロント τ f の期間中にコレクタ電流が増加します。定刻トランジスタは τ on = τ c + τ f と呼ばれます。

トランジスタ製造技術

拡散合金。

トランジスタの応用

アンプ、増幅段
復調器 (検出器)
インバーター（対数エレメント）
トランジスタロジックのマイクロ回路（参照。

バイポーラトランジスタ。

バイポーラトランジスタ- 電気信号を増幅、生成、変換するように設計された、トランジスタの一種である電子半導体デバイス。トランジスタといいます バイポーラ、2種類の電荷キャリアが同時にデバイスの動作に参加するため- 電子と穴. この点で、 単極構造 1 種類の電荷キャリアのみが関与する (電界効果) トランジスタ。

両方のタイプのトランジスタの動作原理は、水の流れを調整する水弁の動作に似ており、電子の流れだけがトランジスタを通過します。バイポーラトランジスタでは、2 つの電流がデバイスを通過します。メインの「大」電流と制御の「小」電流です。主電流の電力は、制御の電力に依存します。電界効果トランジスタでは、デバイスを通過する電流は 1 つだけであり、その電力は電磁界に依存します。この記事では、バイポーラトランジスタの動作について詳しく説明します。

バイポーラトランジスタデバイス。

バイポーラトランジスタは、3 つの半導体層と 2 つの PN 接合で構成されています。インターリーブの種類によって PNP トランジスタと NPN トランジスタを区別する正孔および電子の伝導性. 二人らしいダイオード向かい合って、またはその逆に接続されています。

バイポーラトランジスタには 3 つの接点 (電極) があります。中央層から出てくる接触は呼ばれます ベース（ベース）。端部電極には名前が付けられています コレクタと エミッター (コレクタと エミッター）。ベース層は、コレクタとエミッタに比べて非常に薄いです。これに加えて、トランジスタのエッジの半導体領域は対称的ではありません。コレクタ側の半導体層は、エミッタ側よりもわずかに厚くなっています。これは、トランジスタが正しく動作するために必要です。

バイポーラトランジスタの動作。

バイポーラトランジスタの動作中に発生する物理的プロセスを考えてみましょう。例として NPN モデルを見てみましょう。 PNPトランジスタの動作原理は似ていますが、コレクタとエミッタの間の電圧極性だけが反対になります。

で既に述べたように半導体の伝導の種類に関する記事、P型物質には正に帯電したイオン - 正孔があります。 N型物質は、負に帯電した電子で飽和しています。トランジスタでは、N 領域の電子の濃度は、P 領域の正孔の濃度よりもはるかに高くなります。

コレクタとエミッタの間に電圧源を接続します V CE (V CE)。その作用の下で、上部 N 部分からの電子がプラスに引き付けられ始め、コレクターの近くに集まります。しかし、電圧源の電界がエミッタに届かないため、電流は流れません。これは、コレクタ半導体の厚い層とベース半導体の層によって防止されます。

ここで、ベースとエミッタ間の電圧 V BE を接続しますが、V CE よりもはるかに低くなります (シリコントランジスタの場合、必要な最小 V BE は 0.6 V です)。層 P は非常に薄いため、さらにベースに接続された電圧源は、その電界をエミッタの N 領域に「到達」させることができます。その作用の下で、電子はベースに行きます。それらのいくつかは、そこにある穴を埋め始めます（再結合）。ベースの正孔の濃度はエミッタの電子の濃度よりもはるかに低いため、他の部分は自由な正孔を見つけることができません。

その結果、ベースの中央層は自由電子が豊富になります。電圧がはるかに高いため、それらのほとんどはコレクタに向かっていきます。これは、中央層の厚さが非常に薄いことによっても促進されます。電子の一部は、はるかに小さいですが、ベースのプラスに向かって流れます。

その結果、ベースからエミッタへの小さな電流 I BE と、コレクタからエミッタへの大きな電流 I CE の 2 つの電流が得られます。

ベース電圧を上げると、さらに多くの電子が P 層に蓄積されます。その結果、ベース電流がわずかに増加し、コレクタ電流が大幅に増加します。この上、 ベース電流Iの小さな変化で B 、コレクタ電流 I は大きく変化します から. そういうわけです バイポーラトランジスタでの信号増幅. コレクタ電流 I C とベース電流 I B の比は、電流ゲインと呼ばれます。示される β , ふぇまた h21e、トランジスタで実行される計算の詳細に応じて。

最も単純なバイポーラトランジスタアンプ

例として回路を使用して、電気プレーンでの信号増幅の原理をより詳細に考えてみましょう。そのようなスキームが完全に正しくないことを事前に予約します。 DC 電圧源を AC 電源に直接接続する人はいません。しかし、この場合、バイポーラトランジスタを使用して増幅メカニズム自体を理解する方が簡単で明確になります。また、以下の例の計算手法自体は多少単純化されています。

1.チェーンの主要要素の説明

したがって、ゲインが 200 (β = 200) のトランジスタがあるとします。コレクターの側から、増幅が発生するエネルギーのために、20Vの比較的強力な電源を接続します。トランジスタのベース側から、2Vの微弱電源を接続します。それに、0.1Vの振動振幅を持つ正弦波状の交流電圧源を直列に接続します。これが増幅される信号になります。通常は低電力である信号源からの電流を制限するために、ベース近くの抵抗 Rb が必要です。

2. 入力ベース電流 I の計算 b

次に、ベース電流 I b を計算してみましょう。交流電圧を扱っているため、最大電圧 (V max) と最小電圧 (V min) の 2 つの電流値を計算する必要があります。これらの現在の値をそれぞれ I bmax と I bmin と呼びましょう。

また、ベース電流を計算するには、ベース-エミッタ間電圧 V BE を知る必要があります。ベースとエミッタの間に PN 接合が 1 つあります。ベース電流が途中で半導体ダイオードに「出会う」ことがわかります。半導体ダイオードが導通し始める電圧は約0.6Vです。詳細には触れませんダイオードの電流電圧特性、そして計算を簡単にするために、電流伝導ダイオードの電圧が常に0.6Vであるという近似モデルをとります。これは、ベースとエミッタ間の電圧が V BE = 0.6V であることを意味します。また、エミッタがグランドに接続されているため (V E = 0)、ベースからグランドへの電圧も 0.6V (V B = 0.6V) です。

オームの法則を使用して I bmax と I bmin を計算してみましょう。

2. コレクタ出力電流 I の計算 から

ここで、ゲイン (β = 200) がわかれば、コレクタ電流の最大値と最小値 (I cmax と I cmin) を簡単に計算できます。

3. 出力電圧 V の計算 アウト

コレクタ電流は、すでに計算した抵抗 Rc を通って流れます。値を代入する必要があります。

4. 結果の分析

結果からわかるように、V Cmax は V Cmin よりも小さいことがわかりました。これは、V Rc の両端の電圧が電源電圧 VCC から差し引かれるためです。ただし、ほとんどの場合、これは重要ではありません。これは、信号の可変成分 (0.1V から 1V に増加した振幅) に関心があるためです。周波数と正弦波形は変更されていません。もちろん、V out / V in の比率が 10 倍というのは、アンプの最適な指標とは言えませんが、増幅プロセスを説明するには非常に適しています。

それでは、バイポーラトランジスタ上のアンプの動作原理をまとめましょう。電流 I b がベースを流れ、定数成分と可変成分を運びます。ベースとエミッタの間のPN接合が導通し始める - 「開く」ためには、一定の成分が必要です。変数成分は、実際には信号そのものです (有用な情報)。トランジスタ内部のコレクタ - エミッタ電流の強さは、ベース電流にゲイン β を掛けた結果です。次に、コレクタ上の抵抗Rcの両端の電圧は、増幅されたコレクタ電流に抵抗の値を掛けた結果です。

したがって、出力Ｖｏｕｔは、振動の振幅が増加した信号を受信するが、形状および周波数は維持される。トランジスタは VCC 電源から増幅用のエネルギーを受け取ることを強調することが重要です。電源電圧が十分でない場合、トランジスタが十分に機能せず、出力信号が歪む可能性があります。

バイポーラトランジスタの動作モード

トランジスタの電極の電圧レベルに応じて、4 つの動作モードがあります。

カットオフモード。

アクティブモード（アクティブモード）。

飽和モード。

リバースモード。

カットオフモード

ベース - エミッタ間電圧が 0.6V ～ 0.7V より低い場合、ベース - エミッタ間の PN 接合が閉じます。この状態では、トランジスタにはベース電流がありません。その結果、ベースにはコレクタ電圧に向かって移動する準備ができている自由電子がないため、コレクタ電流も発生しません。トランジスタはいわばロックされていることが判明し、彼らはそれが入っていると言います カットオフモード.

アクティブモード

で アクティブモードベースの電圧は、ベースとエミッタ間の PN 接合を開くのに十分です。この状態では、トランジスタにはベース電流とコレクタ電流があります。コレクタ電流は、ベース電流にゲインを掛けた値に等しくなります。つまり、アクティブモードは、増幅に使用されるトランジスタの通常の動作モードです。

飽和モード

ベース電流が大きすぎる場合があります。その結果、供給電力は、トランジスタのゲインに対応するようなコレクタ電流を提供するのに十分ではありません。飽和モードでは、コレクタ電流は電源が供給できる最大値になり、ベース電流の影響を受けません。この状態では、コレクタ電流がベース電流の変化に応答しないため、トランジスタは信号を増幅できません。

飽和モードでは、トランジスタのコンダクタンスが最大になり、「オン」状態のスイッチ（キー）の機能により適しています。同様に、カットオフモードでは、トランジスタのコンダクタンスは最小になり、これはスイッチが「オフ」状態にあることに対応します。

逆モード

このモードでは、コレクターとエミッターの役割が切り替わります。コレクターの PN ジャンクションは順方向にバイアスされ、エミッターのジャンクションは逆方向にバイアスされます。その結果、ベースからコレクタに電流が流れます。コレクタ半導体領域はエミッタに対して対称ではなく、インバースモードのゲインは通常のアクティブモードよりも低くなります。トランジスタの設計は、アクティブモードで可能な限り効率的に動作するように作られています。したがって、逆モードでは、トランジスタは実質的に使用されない。

バイポーラトランジスタの基本パラメータ。

電流利得- ベース電流 I B に対するコレクタ電流 I C の比。示される β , ふぇまた h21e、トランジスタで実行される計算の詳細に応じて。

β は 1 つのトランジスタに対して一定の値であり、デバイスの物理的構造に依存します。高ゲインは数百単位で計算され、低ゲインは数十単位で計算されます。同じタイプの 2 つの別個のトランジスタの場合、それらが製造時に「パイプラインに沿って隣接」していたとしても、β がわずかに異なる場合があります。バイポーラトランジスタのこの特性は、おそらく最も重要です。計算でデバイスの他のパラメータを無視できることが多い場合、電流ゲインはほとんど不可能です。

入力インピーダンス- ベース電流を「満たす」トランジスタの抵抗。示される R の (R の）。通常、ベース側には弱い信号源があり、そこから消費する電流をできるだけ少なくする必要があるため、サイズが大きいほど、デバイスの増幅特性が向上します。理想的なオプションは、入力抵抗が無限大に等しい場合です。

平均的なバイポーラトランジスタの R in は、数百 KΩ (キロオーム) です。ここで、バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタに大きく劣り、入力抵抗は数百 GΩ (ギガオーム) に達します。

出力コンダクタンス- コレクタとエミッタ間のトランジスタの導電率。出力コンダクタンスが大きいほど、少ない電力でより多くのコレクタ-エミッタ電流がトランジスタを通過できます。

また、出力コンダクタンスの増加 (または出力インピーダンスの減少) に伴い、アンプが全体的なゲインをほとんど損失せずに耐えることができる最大負荷が増加します。たとえば、出力コンダクタンスの低いトランジスタが無負荷で信号を 100 倍に増幅する場合、1KΩ の負荷が接続されていると、すでに 50 倍しか増幅されません。同じゲインで出力コンダクタンスが高いトランジスタは、ゲインの低下が少なくなります。理想的なオプションは、出力導電率が無限大 (または出力抵抗 R out \u003d 0 (R out \u003d 0)) に等しい場合です。

これは3つの電極を持つ半導体デバイスで、2つのpn接合で構成され、それらの電荷の転送は2種類のキャリア（電子と正孔）によって行われます。デバイスには 2 つの p-n 接合があるため、「バイポーラ」と呼ばれます。

生成、増幅、またはスイッチング用に設計されたさまざまな電子デバイス（たとえば、論理回路）で幅広い用途が見られます。

トランジスタには、次のように名前が付けられた 3 つの出力があります。

ベース;
コレクタ;
エミッタ。

これらの 3 つの電極は、半導体の連続する層に接続されています。別のタイプ不純物導電率。この交番の仕方によって、npn型トランジスタとpnp型トランジスタが区別されます。略語 n - は負の電子型の伝導性を意味し、p は正孔を意味します。

バイポーラトランジスタは、フィールドトランジスタと動作原理が異なり、電子と正孔の2種類のキャリアが同時に電荷の移動を行います。したがって、「バイポーラ」という名前は、「バイ」-「ツー」という言葉に由来します。

;

中央に位置する層につながる電極を「ベース」、外側の層につながる電極を「エミッタ」「コレクタ」と呼びます。導電性の種類によって、これらのエミッタ層とコレクタ層は何の違いもありません。しかし、電気的パラメータを改善するためにトランジスタを製造するプロセスでは、それらは不純物のドーピングの程度によって区別されます。

エミッタは高濃度に、コレクタは低濃度にドープされており、許容コレクタ電圧の増加に貢献しています。エミッタ接合の降伏逆電圧の値は重要ではありません。回路では、トランジスタは通常、順方向にバイアスされたエミッタ p-n 接合でオンに切り替えられるからです。

エミッタがより強力にドープされるため、ベース層への少数キャリアのより強力な注入が発生します。ベースが共通の回路でトランジスタがオンになったときの電流伝達係数の増加に寄与するもの。

コレクタ接合の面積はエミッタ接合よりもはるかに大きくなり、その結果、ベース層からの少数キャリアのより良い流入が達成され、伝達係数が改善されます。

彼らは、バイポーラトランジスタの一種の速度の周波数パラメータを増加させるために、ベース層の厚さを可能な限り薄くしようとしています。しかし、チョークには別の側面があります。ベース層の厚さが減少すると、コレクタ接合電圧の最大（制限）値が減少します。したがって、ベースの厚さの値が最適なものとして選択されます。

バイポーラトランジスタの動作原理とデバイス

当初、金属ゲルマニウムは主にトランジスタで使用されていましたが、現在は単結晶シリコンとガリウム砒素から作られています。ガリウム砒素に基づいて作られたデバイスは高速であり、高速ロジック回路のマイクロ波増幅回路で使用されています。それらの速度は、ガリウムヒ素のキャリアの高い移動度によって説明されます。

バイポーラトランジスタには、ベース（B）、エミッタ（E）、コレクタ（K）の3つの半導体層があり、さまざまな方法でドープされています。導電層の順序に応じて、pnp 導電型と npn 導電型のトランジスタが利用可能です。

ベース層は他の 2 つの層の間にあり、低濃度にドープされているため、抵抗が高くなります。ベースとエミッタの接触面積は、コレクタとベースの面積よりも小さくなっています。これは、次の理由で行われます。

コレクタ - ベース接合面積の増加は、ベースからの少数キャリアがコレクタによって捕獲される可能性が高くなるという事実に寄与し、動作状態では、コレクタ接合は逆バイアスでオンになります。
また、面積が大きいため、動作中の熱放散が大きくなります。

通常、エミッタ接合は順方向 (オープン) でオンになり、コレクタ接合は逆方向 (クローズ) でオンになります。

n-p-n 型トランジスタの動作を見てみましょう。pn-p 型トランジスタも同じように動作しますが、主な電荷担体が電子ではなく正孔であるという点だけが異なります。 npn型トランジスタでは、電子はエミッターベース接合を通過する、つまり注入されます。これらの「新しく到着した」電子の一部は、ベースの主な電荷キャリアである正孔と再結合します。しかし、私たちのベースは薄くて軽合金であるという事実のために、すなわち. 正孔がほとんどない場合、電子の主な質量がコレクタ領域に移動（拡散）します。この遷移は、電子がベース内の正孔と長時間再結合し、コレクタの電界が大きいためです。そのため、電子はコレクタに取り込まれます。コレクタ電流は、エミッタ電流からベースでの小さな再結合損失を差し引いたものにほぼ等しいことがわかります。 Ik \u003d Ib-Ie。

ベースは、トランジスタを通る電子の流れをブロックするバルブとして機能します。制御を開始するには、トランジスタのベースの出力に電流を流す必要があります。これをベース電流と呼びます。そして、エミッタ端子とベース端子にかかる電圧を「バイアス電圧」と呼びます。この電流（ベース）を変更することにより、トランジスタを流れる主電流（コレクタ）を変更します。

トランジスタの加熱

トランジスタを流れる電子は、半導体の結晶格子のノードによって強く抵抗されます。それはそれが熱くなる原因です。低電力バイポーラトランジスタでは、この発熱は重要ではなく、その動作にはまったく影響しません。しかし、大電流が流れる強力なトランジスタでは、この加熱が故障につながる可能性があります。これを防ぐために、ラジエーターが使用されます。

ラジエーターは、トランジスタから熱を除去するために必要です。熱放散を改善するためにサーマルペーストが使用されることがあります。一部のラジエーターには、表面にフィンが付いています。これらのリブは、全体の表面を増やします。一部のラジエーターには、連続的な空気の流れを提供するファンが装備されており、その結果、熱除去が増加します。

トランジスタ配線図

トランジスタは、3 つの異なる回路に接続できます。

エミッタ回路;
基本スキーム;
コレクター回路。

これらの回路のトランジスタの動作は異なります。

エミッタスイッチング回路

最も一般的に使用されるスイッチング回路はエミッタ回路です。この方式に従ってトランジスタをオンにすると、電圧と電流が増幅されます。この回路の入力インピーダンスは低く (数百オームのオーダー)、出力インピーダンスは高くなっています (数十 kΩ)。

コレクタスイッチング回路

この回路は、適切な入力抵抗と小さな出力抵抗を備えています。この回路の入力インピーダンスは、出力でオンにした負荷に依存し、増幅率によってこの抵抗よりも大きくなります。コンデンサーマイクや圧電ピックアップなど、出力インピーダンスの高い入力信号源を使用することをお勧めします。

基本スイッチング回路

この回路は、電圧を増幅するためだけに使用されます。電流ゲイン、つまり入力電流に対する出力の比率は、常に 1 未満です。高周波を増幅するために使用され、抵抗が数百オームのオーダーであるアンテナアンプなどで、出力信号のノイズレベルが最小限に抑えられます。

さまざまなモードでのバイポーラトランジスタの動作

トランジスタ電気回路図さまざまな方法で接続し、4 つの主要な操作モードがあります。それらの主な違いは、接合部を流れる電流の方向、または接合部がまったくないことです。電流. ここでの接合は、2 つの p 半導体と n 半導体の間の領域であると理解されます。

アクティブモード

B - E を移行するには; (ベースエミッター); 直流電圧が接続され、 E-C 転送(エミッタ - コレクタ) 逆電圧が接続されているこのモードでの信号増幅は最大です。このモードは、最も一般的に使用されます。

飽和モード

トランジション B - E およびトランジション B-K直流電圧が印加されると、遷移は完全に開きます。

カットオフモード

遷移に逆電圧が印加されたときの閉じたトランジスタの動作モード。トランジスタの2つの状態が必要な回路で使用されます：「開」または「閉」。このようなスキームはキーと呼ばれます。

反転モード

E-K接合（コレクタ接合）に順方向電圧、B-E間に逆方向電圧がかかります。バイポーラトランジスタのかなり珍しい動作モード。

バイポーラトランジスタの動作に関するビデオ

トランジスタは、電気信号を増幅、変換、生成できる半導体デバイスです。最初の実用的なバイポーラトランジスタは 1947 年に発明されました。ゲルマニウムはその製造の材料として役立ちました。そして1956年にはシリコントランジスタが誕生しました。

バイポーラトランジスタでは、電子と正孔の 2 種類の電荷キャリアが使用されるため、このようなトランジスタはバイポーラと呼ばれます。バイポーラに加えて、電子または正孔の 1 種類のキャリアのみを使用するユニポーラ (フィールド) トランジスタがあります。この記事では、バイポーラトランジスタについて説明します。

ほとんどのシリコントランジスタはn-p-n構造を持ち、これは製造技術によっても説明されますが、p-n-pシリコントランジスタもありますが、それらの数は n-p-n 構造. このようなトランジスタは、相補ペア（同じ電気的パラメータを持つ異なる導電率のトランジスタ）の一部として使用されます。たとえば、KT315 と KT361、KT815 と KT814、およびトランジスタ UMZCH KT819 と KT818 の出力段にあります。輸入されたアンプでは、強力な相補ペア2SA1943と2SC5200が非常によく使用されます。

多くの場合、p-n-p 構造のトランジスタは直接伝導トランジスタと呼ばれ、構造は直接伝導トランジスタと呼ばれます。 n-p-n リバース. どういうわけか、この名前は文献にはほとんど見られませんが、ラジオエンジニアやラジオアマチュアのサークルではどこでも使用されており、誰もがすぐにそれが何であるかを理解しています。図 1 は、トランジスタの概略デバイスとその従来のグラフィックシンボルを示しています。

写真1。

バイポーラトランジスタは、導電型と材料の種類の違いに加えて、電力と動作周波数によって分類されます。トランジスタの消費電力が 0.3 W を超えない場合、そのようなトランジスタは低電力と見なされます。 0.3 ... 3 Wの電力では、トランジスタは中電力トランジスタと呼ばれ、3 Wを超える電力では電力が高いと見なされます。最新のトランジスタは、数十ワット、さらには数百ワットの電力を消費する可能性があります。

トランジスタは電気信号を同様に増幅するわけではありません。周波数が高くなると、トランジスタ段の増幅が低下し、特定の周波数で完全に停止します。したがって、広い周波数範囲で動作するために、トランジスタは異なる周波数特性で製造されます。

動作周波数に応じて、トランジスタは低周波数のものに分割されます-動作周波数は3 MHz以下、中周波数-3 ... 30 MHz、高周波数-30 MHz以上です。動作周波数が 300 MHz を超える場合、これらはすでにマイクロ波トランジスタです。

一般に、100 を超えるさまざまなトランジスタパラメータが深刻な分厚い参考書に記載されており、これは膨大な数のモデルも示しています。そして、最新のトランジスタの数は、参考書に完全に掲載することがもはや不可能なほどです。とラインナップは常に増加しており、開発者が設定したほぼすべてのタスクを解決できます。

電気信号を増幅および変換するための多くのトランジスタ回路（少なくとも家庭用機器の数を覚えておいてください）がありますが、それらの多様性のために、これらの回路はトランジスタに基づく個別のカスケードで構成されています。必要な信号増幅を実現するには、直列に接続された複数の増幅ステージを使用する必要があります。増幅段がどのように機能するかを理解するには、トランジスタのスイッチング回路に慣れる必要があります。

それ自体では、トランジスタは何も増幅できません。その増幅特性は、外部ソースからのエネルギーの消費により、入力信号 (電流または電圧) の小さな変化がステージの出力での電圧または電流の大きな変化につながるという事実にあります。アンプ、テレビ、ラジオ、通信などのアナログ回路で広く使用されているのはこの特性です。

説明を簡単にするために、ここでは n-p-n 構造のトランジスタに基づく回路を考えます。これらのトランジスタについて述べられることはすべて、同様に適用されます p-n-p トランジスタ. 電源の極性を逆にするだけで十分であり、もしあれば、回路を動作させることができます。

合計で、このような回路は3つあります。共通エミッタ（CE）を備えた回路、共通コレクタ（OC）を備えた回路、および共通ベース（OB）を備えた回路です。これらすべてのスキームを図 2 に示します。

図 2.

ただし、これらの回路の検討に進む前に、トランジスタがキーモードでどのように機能するかを理解する必要があります。この紹介により、ブーストモードでの理解が容易になるはずです。ある意味では、キー回路は OE を持つ回路の一種と見なすことができます。

キーモードでのトランジスタ動作

信号増幅モードでのトランジスタの動作を調べる前に、トランジスタがキーモードで使用されることが多いことを覚えておく価値があります。

トランジスタのこの動作モードは、長い間考えられてきました。 1959年の雑誌「ラジオ」の8月号に、G.ラブロフの記事「キーモードの半導体三極管」が掲載されました。この記事の著者は、制御巻線 (OC) のパルスの持続時間を変更することを提案しました。現在、この調整方法は PWM と呼ばれ、頻繁に使用されています。当時の雑誌の図を図 3 に示します。

図 3

ただし、キーモードは PWM システムだけではありません。多くの場合、トランジスタは単純に何かをオン/オフします。

この場合、リレーを負荷として使用できます。入力信号が適用されます-リレーがオンになり、いいえ-リレー信号がオフになります。キーモードではリレーの代わりに電球がよく使われます。通常、これは電球がオンまたはオフであることを示すために行われます。このようなキーステージの図を図 4 に示します。キーステージは、LED やフォトカプラと連携するためにも使用されます。

図 4

図では、カスケードは従来の接点によって制御されますが、デジタルマイクロ回路またはその代わりに使用できます。車の電球。ジグリのダッシュボードを照らすために使用されます。制御には5Vが使用され、スイッチコレクタ電圧は12Vであることに注意してください。

この回路の電圧は何の役割も果たさず、電流のみが重要であるため、これには何も奇妙なことはありません。したがって、トランジスタがそのような電圧で動作するように設計されている場合、電球は少なくとも220Vにすることができます。コレクタソース電圧も、負荷の動作電圧と一致する必要があります。このようなカスケードの助けを借りて、負荷はデジタルマイクロ回路またはマイクロコントローラに接続されます。

この方式では、ベース電流がコレクタ電流を制御します。コレクタ電流は、電源のエネルギーにより、ベース電流の数十倍または数百倍 (コレクタ負荷によって異なります) になります。電流が増加していることが分かります。トランジスタがキーモードで動作している場合、通常、参考書で「大信号モードでの電流ゲイン」と呼ばれる値によってカスケードを計算するために使用されます - 参考書では文字βで示されています。これは、負荷によって決まるコレクタ電流と可能な最小ベース電流の比率です。数式の形式では、β = Ik / Ib のようになります。

最近のほとんどのトランジスタでは、係数βは原則として50以上で十分に大きいため、主要な段階を計算するときは10に等しいと見なすことができます。ベース電流が計算されたもの、トランジスタはこれ以上開くことはありません、そしてキーモード。

図3に示す電球を点灯するには、Ib \u003d Ik / β \u003d 100mA / 10 \u003d 10mA、これは少なくともです。ベース抵抗 Rb の制御電圧が 5V の場合、B-E セクションでの電圧降下を引いて、5V - 0.6V = 4.4V が残ります。ベース抵抗の抵抗は次のようになります: 4.4V / 10mA = 440 オーム。標準シリーズから430オームの抵抗器を選択。 0.6V の電圧は B-E 接合の電圧であり、計算するときに忘れてはなりません。

制御接点が開いたときにトランジスタのベースが「空中にぶら下がった」ままにならないように、通常、B-E接合は抵抗Rbeでシャントされ、トランジスタを確実に閉じます。この抵抗器を忘れてはいけませんが、何らかの理由で一部の回路には含まれていないため、ノイズステージの誤動作につながる可能性があります。実は誰もがこの抵抗器のことを知っていたのですが、なぜか忘れてしまい、またしても「レーキ」を踏んでしまいました。

この抵抗の値は、接点が開いたときにベースの電圧が 0.6V 未満にならないようにする必要があります。そうしないと、カスケードが制御不能になります。セクション B-E短絡しただけ。実際には、抵抗 Rbe は Rb の約 10 倍の公称値に設定されます。しかし、Rbの値が10Komであっても、回路は非常に確実に動作します。ベースとエミッタの電位が等しくなり、トランジスタが閉じます。

このようなキーカスケードは、良好な状態であれば、電球を完全な白熱でオンにするか、完全にオフにすることができます。この場合、トランジスタは完全にオン (飽和状態) または完全に閉じている (カットオフ状態) ことができます。すぐに、結論は、これらの「境界」状態の間に、電球が中途半端に輝くようなことがあるということを示唆しています。この場合、トランジスタは半分開いていますか、それとも半分閉じていますか? 楽観主義者はグラスが半分満たされていると見なし、悲観主義者はグラスが半分空であると見なします。トランジスタのこの動作モードは、増幅または線形と呼ばれます。

信号増幅モードでのトランジスタ動作

ほとんどすべての最新の電子機器は、トランジスタが「隠されている」超小型回路で構成されています。操作モードを選択するだけで十分ですオペアンプ必要なゲインまたは帯域幅を取得します。しかし、これにもかかわらず、ディスクリート（「ルーズ」）トランジスタのカスケードがよく使用されるため、増幅カスケードの動作を理解することが必要です。

OK や OB と比較して最も一般的なトランジスタ接続は、共通エミッタ (CE) 回路です。この普及の理由は、まず第一に、電圧と電流のゲインが高いことです。 OE ステージの最大ゲインは、電源 Epit/2 の電圧の半分がコレクタ負荷で低下したときに提供されます。したがって、後半はプロットに当てはまります K-Eトランジスタ. これは、以下で説明するカスケードを設定することによって実現されます。この増幅モードはクラス A と呼ばれます。

OE付きのトランジスタがオンになると、コレクタの出力信号は入力信号と逆相になります。欠点として、OE の入力抵抗が小さく (数百オーム以下)、出力抵抗が数十 kΩ 以内であることが挙げられます。

スイッチングモードでトランジスタが大信号モードβの電流利得によって特徴付けられる場合、増幅モードでは、参考書h21eに示されている「小信号モードでの電流利得」が使用されます。この呼称は、トランジスタを四極子の形で表現したことに由来します。文字「e」は、共通エミッタを持つトランジスタがオンになったときに測定が行われたことを示します。

係数 h21e は、原則として、β よりも多少大きくなりますが、最初の近似の計算にも使用できます。とはいえ、パラメータ β と h21e の広がりは、1 つのタイプのトランジスタでも非常に大きいため、計算は概算にすぎません。そのような計算の後、原則として、スキームを調整する必要があります。

トランジスタのゲインはベースの厚さに依存するため、変えることはできません。したがって、トランジスタのゲインの大きな変動は、1 つのボックス (1 つのバッチを読み取る) からでも得られます。低電力トランジスタの場合、この係数の範囲は 100 ～ 1000 で、強力なものの場合は 5 ～ 200 です。ベースが薄いほど、係数は高くなります。

OE トランジスタをオンにするための最も単純な回路を図 5 に示します。これは、記事の後半で示した図 2 のほんの一部です。このような回路は固定ベース電流回路と呼ばれます。

図 5

スキームは非常に単純です。入力信号は、デカップリングコンデンサ C1 を介してトランジスタのベースに印加され、増幅されて、コンデンサ C2 を介してトランジスタのコレクタから取り出されます。コンデンサの目的は保護です入力回路入力信号の一定成分から（カーボンまたはエレクトレットマイクを思い出してください）、カスケードに必要な帯域幅を提供します。

抵抗 R2 はステージのコレクタ負荷で、R1 はベースに DC バイアスを供給します。この抵抗の助けを借りて、コレクターの両端の電圧を Epit / 2 にしようとします。この状態はトランジスタの動作点と呼ばれ、この場合、カスケードのゲインは最大になります。

抵抗器 R1 のおおよその抵抗値は、単純な式 R1 ≈ R2 * h21e / 1.5 ... 1.8 で決定できます。係数 1.5 ～ 1.8 は、供給電圧に応じて代入されます。低電圧 (9V 以下) では、係数の値は 1.5 以下であり、50V から開始すると、1.8 ～ 2.0 に近づきます。しかし、実際には、式は非常に近似しているため、ほとんどの場合、抵抗R1を選択する必要があります。そうしないと、コレクターで必要なEpit / 2の値が得られません。

コレクタ抵抗 R2 は問題の条件として設定されます。これは、カスケード全体のコレクタ電流とゲインがその値に依存するためです。抵抗 R2 の抵抗が大きいほど、ゲインが高くなります。ただし、この抵抗器を使用する場合は注意が必要です。コレクタ電流は、このタイプのトランジスタで許容される最大値よりも小さくする必要があります。

スキームは非常に単純ですが、この単純さはマイナスの特性をもたらし、この単純さには代償が伴います。まず、カスケードの増幅はトランジスタの特定のインスタンスに依存します。修理中にトランジスタを交換しました-オフセットを再度選択し、それを動作点にします。

第二に、温度について環境、 - 温度が上昇すると、逆コレクタ電流Icoが増加し、コレクタ電流が増加します。では、Epit / 2 コレクタの電源電圧の半分、つまり同じ動作点はどこにあるのでしょうか? その結果、トランジスタはさらに熱くなり、その後故障します。この依存性を取り除くか、少なくとも最小限に抑えるために、追加の負帰還要素がトランジスタカスケード - OOS に導入されます。

図 6 は、バイアス電圧が固定された回路を示しています。

図 6

分圧器Rb-k、Rb-eがカスケードに必要な初期バイアスを提供するように見えますが、実際には、そのようなカスケードには固定電流回路のすべての欠点があります。したがって、示されている回路は、図 5 に示されている定電流回路の単なるバリエーションです。

熱安定化回路

図 7 に示すスキームを適用した場合、状況はいくらか良くなります。

図 7

コレクタ安定化回路では、バイアス抵抗 R1 は電源に接続されず、トランジスタのコレクタに接続されます。この場合、温度の上昇とともに逆電流が増加すると、トランジスタがより強く開き、コレクタ電圧が低下します。この減少は、R1 を介してベースに印加されるバイアス電圧の減少につながります。トランジスタが閉じ始め、コレクタ電流が許容値まで減少し、動作点の位置が回復します。

このような安定化手段によってカスケードのゲインがいくらか低下することは明らかですが、これは問題ではありません。不足している増幅は、原則として、増幅段階の数を増やすことによって追加されます。しかし、このような環境保護により、カスケードの動作温度範囲を大幅に拡大できます。

エミッタ安定化を備えたカスケードの回路は、やや複雑です。このようなカスケードの増幅特性は、コレクタ安定化回路の増幅特性よりもさらに広い温度範囲にわたって変化しません。もう 1 つの明白な利点は、トランジスタを交換するときに、カスケードの動作モードを再選択する必要がないことです。

温度安定化を提供するエミッタ抵抗 R4 も、カスケードのゲインを低下させます。それは直流. 交流電流の増幅に対する抵抗器Ｒ４の影響を排除するために、抵抗器Ｒ４は、交流電流に対してほとんど抵抗を示さないコンデンサＣｅによってシャントされる。その値は、アンプの周波数範囲によって決まります。これらの周波数が可聴範囲内にある場合、コンデンサの静電容量は単位から数十、さらには数百マイクロファラッドになる可能性があります。無線周波数の場合、これはすでに 100 分の 1 または 1000 分の 1 ですが、場合によってはこのコンデンサがなくても回路が正常に動作します。

エミッタ安定化がどのように機能するかをよりよく理解するために、共通コレクタOKのトランジスタをオンにするための回路を考慮する必要があります。

コモンコレクタ回路 (CC) を図 8 に示します。この回路は、記事の第 2 部の図 2 の一部であり、3 つのトランジスタスイッチング回路がすべて示されています。

図 8

ステージの負荷はエミッタ抵抗 R2 で、入力信号はコンデンサ C1 を介して供給され、出力信号はコンデンサ C2 を介して取得されます。ここで、なぜこのスキームが OK と呼ばれるのかを尋ねることができます。結局のところ、OE回路を思い出すと、エミッタが回路の共通線に接続されていることがはっきりとわかります。これに対して、入力信号が適用され、出力信号が除去されます。

OK回路はコレクタが電源に接続されているだけで、一見すると入出力信号には関係ないように見えます。しかし実際には、EMF ソース (電源バッテリー) の内部抵抗は非常に小さく、信号の場合、これは実質的に 1 点であり、同じ接点です。

OK 回路の詳細な動作を図 9 に示します。

図 9

シリコントランジスタの場合、ジャンクション電圧b-eは0.5 ... 0.7Vの範囲にあることが知られているため、10分の1パーセントの精度で計算を実行することを目的としない場合、平均0.6Vを取ることができます. したがって、図 9 に示すように、出力電圧常に Ub-e の値、つまり同じ 0.6V だけ入力より小さくなります。 OE 回路とは異なり、この回路は入力信号を反転せず、単純に繰り返すだけで、さらに 0.6V 下げます。この回路はエミッタフォロアとも呼ばれます。なぜそのようなスキームが必要なのですか、その用途は何ですか?

OK 回路は電流信号を h21e 倍に増幅します。これは、回路の入力インピーダンスがエミッタ回路の抵抗の h21e 倍であることを意味します。つまり、トランジスタを焼損させる恐れがなく、ベースに直接電圧を印加します (制限抵抗なし)。ベースピンを +U 電源レールに接続するだけです。

高入力インピーダンスにより、高インピーダンス入力ソースを接続できます ( 複雑な抵抗)、圧電ピックアップなど。このようなピックアップがOEスキームに従ってカスケードに接続されている場合、このカスケードの低入力インピーダンスは単にピックアップ信号を「着陸」させ、「ラジオは再生されません」。

OK 回路の特徴は、そのコレクタ電流 Ik が負荷抵抗と入力信号源の電圧のみに依存することです。この場合、トランジスタのパラメータはここではまったく影響しません。このような回路は、100% 電圧フィードバックでカバーされていると言われています。

図 9 に示すように、エミッタ負荷の電流 (別名エミッタ電流) In = Ik + Ib. ベース電流 Ib がコレクタ電流 Ik に比べて無視できることを考慮すると、負荷電流はコレクタ電流 In = Ik に等しいと仮定できます。負荷の電流は (Uin - Ube) / Rn になります。この場合、Ube は既知であり、常に 0.6V に等しいと仮定します。

したがって、コレクタ電流 Ik = (Uin - Ube) / Rn は、入力電圧と負荷抵抗のみに依存します。負荷抵抗は広い範囲で変更できますが、特に熱心にする必要はありません。結局のところ、Rnの代わりに釘を100分の1にすると、トランジスタは生き残れません！

OK 回路により、静的電流伝達係数 h21e の測定が非常に簡単になります。これを行う方法を図 10 に示します。

図 10.

まず、図 10a に示すように負荷電流を測定します。この場合、図に示すように、トランジスタのベースはどこにも接続する必要はありません。その後、図 10b に従ってベース電流を測定します。どちらの場合も、測定は同じ量で行う必要があります: アンペアまたはミリアンペアのいずれかです。電源電圧と負荷は、両方の測定で同じでなければなりません。静的電流伝達係数を求めるには、負荷電流をベース電流で割れば十分です: h21e ≈ In / Ib.

負荷電流が増加するとh21eがやや減少し、電源電圧が増加すると増加することに注意してください。エミッタフォロアは、多くの場合、トランジスタの相補ペアを使用してプッシュプル構成で構築され、デバイスの出力電力を増加させます。このようなエミッタフォロワを図 11 に示します。

図 11.

図 12.

共通ベースABOUTを持つスキームに従ってトランジスタを含める

このような回路は電圧ゲインのみを提供しますが、OE 回路と比較して周波数特性が優れています。同じトランジスタをより高い周波数で動作させることができます。 OB 回路の主な用途は、UHF 帯のアンテナアンプです。アンテナアンプ回路を図 12 に示します。

それらはバイポーラトランジスタです。スイッチング回路は、導電率 (ホールまたは電子) と実行する機能に依存します。

トランジスタはどのように機能しますか?

トランジスタの外層と内層は、それぞれエミッタ、コレクタ、ベースと呼ばれる電源電極に接続されています。

エミッタとコレクタは、導電性の種類が互いに異なりませんが、後者の不純物によるドーピングの程度ははるかに低くなります。これにより、許容出力電圧が確実に増加します。

中間層であるベースは、低濃度にドープされた半導体でできているため、抵抗が高くなります。コレクタとの接触面積が大きいため、接合部の逆バイアスによって発生する熱の除去が改善され、少数キャリア（電子）の通過も促進されます。遷移層が同じ原理に基づいているという事実にもかかわらず、トランジスタはシングルエンドデバイスです。同じ導電率の極端な層の場所を変えると、半導体デバイスの同様のパラメータを取得することは不可能です。

スイッチング回路は、それを 2 つの状態に維持することができます。つまり、開いているか閉じているかです。アクティブモードでは、トランジスタがオンのとき、ジャンクションのエミッタバイアスは順方向に行われます。これを視覚的に検討するには、たとえば n-pn-n 型の半導体三極管では、下の図に示すように、ソースから電圧を印加する必要があります。

次に、2 番目のコレクタジャンクションの境界が閉じられ、そこに電流が流れなくなります。しかし、実際には、トランジションが互いに近接していることと、それらの相互の影響により、反対のことが起こります。バッテリーの「マイナス」がエミッターに接続されているため、オープンジャンクションにより電子がベースゾーンに入ることができ、そこで電子は主キャリアである正孔と部分的に再結合します。ベース電流Ｉ b が形成される。強いほど、比例してより多くの電流が出力されます。バイポーラトランジスタをベースにしたアンプは、この原理に基づいて動作します。

ベースには電界作用がないため、電子の拡散移動のみがベースを介して発生します。層のわずかな厚さ (ミクロン) と負に帯電した粒子のサイズが大きいため、ベース抵抗は非常に高くなりますが、それらのほとんどすべてがコレクター領域に入ります。そこで、それらは遷移の電場によって引き込まれ、能動的な移動に寄与します。ベースでの再結合によるわずかな電荷の損失を無視すると、コレクタ電流とエミッタ電流はほぼ等しくなります。I e \u003d I b + I k.

トランジスタのパラメータ

電圧利得 U eq / U be および電流: β = I k / I b (実際の値)。通常、係数 β は 300 の値を超えることはありませんが、800 以上の値に達する可能性があります。
入力インピーダンス。
周波数応答 - 特定の周波数までのトランジスタの性能。それを超えると、トランジェントが適用された信号の変化に追いつきません。

バイポーラトランジスタ：スイッチング回路、動作モード

回路の組み方によって動作モードが異なります。信号は、各ケースで 2 つのポイントで適用および除去する必要があり、利用できる出力は 3 つだけです。したがって、1 つの電極が同時に入力と出力に属している必要があります。これは、バイポーラトランジスタがオンになる方法です。包含スキーム: ABOUT、OE、および OK。

1. OK 付きのスキーム

共通コレクタを備えたスイッチング回路：信号は、コレクタ回路にも含まれている抵抗 R L に送られます。このような接続は、共通コレクタ回路と呼ばれます。

このオプションは、現在のゲインのみを作成します。エミッタフォロワの利点は、大きな入力抵抗 (10 ～ 500 kΩ) を作成できることです。これにより、カスケードを便利に一致させることができます。

2.OBとのスキーム

ベースが共通のバイポーラトランジスタをオンにするためのスキーム：入力信号はC 1を介して入力され、ベース電極が共通である出力コレクタ回路で増幅が除去された後。この場合、OE での作業と同様に電圧ゲインが作成されます。

欠点は、入力抵抗が小さいこと（30～100オーム）で、OB回路は発振器として使用されます。

3.OEとのスキーム

多くの場合、バイポーラトランジスタを使用する場合、スイッチング回路は主に共通エミッタで作られます。電源電圧は負荷抵抗 R L を介して供給され、外部電源の負極はエミッタに接続されます。

入力からの交流信号はエミッタ電極とベース電極 (V in) に行き、コレクタ回路ではすでに大きくなります (V CE)。回路の主な要素: トランジスタ、抵抗器 R L および外部電源アンプ出力回路。補助：入力信号回路への直流電流の通過を防ぐコンデンサC 1、およびトランジスタが開く抵抗R 1。

コレクタ回路では、トランジスタの出力と抵抗 R L の両端の電圧は、EMF 値 V CC \u003d I C R L + V CE に等しくなります。

従って、入力における小さな信号Ｖｉｎは、制御されたトランジスタコンバータの出力においてＤＣ電源電圧をＡＣに変化させる法則を設定する。この回路は、入力電流を20〜100倍、電圧を10〜200倍増加させます。それに伴い威力もアップ。

回路の欠点: 入力抵抗が小さい (500 ～ 1000 オーム)。このため、増幅段の形成に問題が生じる。出力インピーダンスは 2 ～ 20 kΩ です。

以下の図は、バイポーラトランジスタがどのように機能するかを示しています。追加の対策を講じないと、過熱や信号周波数などの外的影響によってパフォーマンスが大きく影響を受けます。また、エミッターを接地すると、出力に非線形歪みが生じます。動作の信頼性を高めるために、フィードバックやフィルターなどを回路に接続すると、ゲインは低下しますが、デバイスはより効率的になります。

動作モード

トランジスタの機能は、接続された電圧の値の影響を受けます。共通エミッタを備えたバイポーラトランジスタをオンにするための前述の回路が使用されている場合、すべての動作モードを示すことができます。

1.カットオフモード

このモードは、電圧値 V BE が 0.7 V に低下したときに作成されます。この場合、ベースには自由電子がないため、エミッタ接合が閉じ、コレクタ電流はありません。したがって、トランジスタはロックされます。

2.アクティブモード

トランジスタを開くのに十分な電圧がベースに印加されると、小さな入力電流が現れ、ゲインの値に応じて出力電流が増加します。その後、トランジスタはアンプとして機能します。

3.飽和モード

このモードは、トランジスタが完全に開き、コレクタ電流が可能な最大値に達するという点でアクティブモードとは異なります。その増加は、出力回路に適用されるEMFまたは負荷を変更することによってのみ達成できます。ベース電流が変化してもコレクタ電流は変化しません。飽和モードは、トランジスタが非常に開いているという特徴があり、ここではオン状態でスイッチとして機能します。カットオフモードと飽和モードを組み合わせたときにバイポーラトランジスタをオンにする回路により、それらの助けを借りて電子キーを作成できます。

すべての動作モードは、グラフに示されている出力特性の性質によって異なります。

OE を使用してバイポーラトランジスタをオンにするための回路が組み立てられている場合、それらは明確に実証できます。

可能な最大コレクタ電流と電源電圧 V CC の値に対応する縦軸と横軸に線分を置き、それらの端を互いに接続すると、負荷線 (赤) が得られます。これは次の式で表されます: I C \u003d (V CC - V CE) / R C . 図からわかるように、コレクタ電流 I C と電圧 V CE を決定する動作点は、ベース電流 I V の増加に伴い、負荷線に沿って下から上にシフトします。

I B = 0 である V CE 軸と最初の出力特性 (影付き) の間のゾーンは、カットオフモードを特徴付けます。この場合、逆電流 I C は無視でき、トランジスタは閉じています。

点 A での最も高い特性は直接負荷と交差し、その後 I B がさらに増加すると、コレクタ電流は変化しなくなります。グラフの飽和ゾーンは、IC 軸と最も急峻な特性の間の影付きの領域です。

トランジスタはさまざまなモードでどのように動作しますか?

トランジスタは、入力回路に入る可変または一定の信号で動作します。

バイポーラトランジスタ：スイッチング回路、アンプ

ほとんどの場合、トランジスタはアンプとして機能します。入力での可変信号は、その出力電流の変化につながります。ここでは、OK または OE を使用してスキームを適用できます。出力回路では、信号には負荷が必要です。通常は出力コレクタ回路に抵抗器を設置して使用します。正しく選択すると、出力電圧は入力よりもはるかに高くなります。

アンプの動作は、タイミング図ではっきりと確認できます。

パルス信号を変換する場合、モードは正弦波の場合と同じままです。それらの高調波成分の変換の質は、トランジスタの周波数特性によって決まります。

スイッチモードでの操作

での接続の非接触スイッチング用に設計されています。電気回路. 原理は、トランジスタの抵抗を段階的に変化させることです。バイポーラタイプは、キーデバイスの要件に非常に適しています。

結論

電気信号を変換する回路には、半導体素子が使われています。多彩な機能と大きな分類により、バイポーラトランジスタを広く使用することができます。スイッチング方式によって、その機能と動作モードが決まります。特性にも大きく依存します。

基本的なバイポーラトランジスタスイッチング回路は、入力信号を増幅、生成、変換し、電気回路を切り替えます。