Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Краткие теоретические сведения
о биполярном транзисторе
3.1. Принцип действия биполярного транзистора
Простейший триод с двумя p-n-переходами имеет три вывода и называется транзистором. В транзисторах возможны два различных чередования с различными типами проводимостями.
В соответствии с этим транзисторы делятся на два типа p-n-p и n-p-n. Схематическое устройство и условное обозначение плоскостного транзистора приведены на рис. 1.
Эмиттер Коллектор Эмиттер Коллектор
База База
Э К Э К
Б Б
а) б)
Рис. 1. Схематическое изображение и условно-графическое
изображение транзисторов типа p-n-p и n-p-n.
У транзисторов центральный слой называется базой. Один из наружных слоев, являю щийся источником зарядов (электронов и дырок), которые главным образом и создают ток прибора, называется эмиттером. Другой наружный слой, называемый коллектором, прини мает заряды, поступающие от эмиттера.
На переход эмиттер-база (эмиттерный переход ) напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях через него проходят большие токи. На переход коллектор-база (коллекторный переход) напряжение подается в обратном направлении. Оно обычно в несколько раз выше напряжения между эмиттером и базой.
Рассмотрим более детально работу транзис то ра типа p-n-p (транзистор n-p-n работает аналогично). Между коллектором и базой транзистора прило жено напряжение. Пока эмиттерный – ток Iэ равен нулю (рис.2,а), ток в транзисторе идет только через коллекторный переход в обратном направлении. Величина этого тока определяется
концентрацией неосновных носителей заряда в коллекторе и базе и при хорошем качестве полупроводников мала.
При подключении к эмиттерному переходу источника Еэ в прямом направлении возникает эмиттерный ток I э определенной величиной (рис.2,б). Электроны валентной зоны эмиттера переходят во внешнюю цепь, а образовавшиеся дырки начинаются двигаться в сторону базы. Так как внешнее напряжение приложено в прямом направлении, дырки преодолевают эмиттерный переход и попадают в область базы. База выполнена из n- полупроводника, поэтому дырки являются для нее неосновными носителями заряда.
Дырки, попавшие в область базы, частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Однако база обычно выполняется из n-полупроводника с большим удельным сопротивлением (с малым содержанием донорной примеси), поэтому концентрация свободных электронов в базе низкая и лишь немногие дырки, попавшие в базу, рекомбинируют с ее электронами. Вместо рекомбинированных электронов в базу из внешней цепи приходят новые электроны, образующие базовый ток I б.
Большинство дырок вследствие теплового движения (диффу зии) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя в коллекторной цепи ток Iк .
Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного то ков характеризуется коэффициентом передачи тока (или статическим коэффициентом усиления по току)
, Uк = const.
Как следует из качественного рассмотрения процессов, про исходящих в полупроводниковом триоде, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы; для современных плоскостных триодов α = 0,90,995 . Базовый ток представляет собой разность между коллекторным и эмиттерным токами: Iб = Iэ - I к .
2.Статические характеристики
биполярного транзистора
В рассмотренной схеме базовый электрод является для эмиттерной коллекторной цепей. Такая схема включения триода называется схемой с общей базой (ОБ). В этой схеме эмиттерная цепь является входной, а коллекторная – выходной. Зависимость между током и напряжением во входной и выходной цепях транзистора определяют его вольтамперные характеристики.
Кроме схемы включения с общей базой существуют схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором (усилительные свойства всех схем рассмотрены ниже).
Статический коэффициент усиления (или коэффициент передачи тока) в схеме с ОЭ равен
, Uк = const.
Можно показать, что
.
Для выпускаемых: в настоящее время транзисторов коэффициент β колеблется в пределах 10200.
Входной характеристикой транзистора включенного по схеме о ОЭ, является зависимость Iб(Uб) при Uкэ=const, а выходной характеристикой - зависимость Iк(Uкэ) при Uб =const. Эти характеристики для транзистора типа p-n-p показаны на рис.3. Они снимаются экспериментально.
Статические характеристики передачи тока и обратной связи транзистора с ОЭ представляют зависимость Iк = f(Iб) при Uб.э= const; Uк.э= f (Iб) при Iб = const. Вид этих характеристик показан на рис. 4.
3. Биполярный транзистор как усилительный
элемент на переменном токе
В усилительном каскаде в цепь эмиттера, являющуюся вход ной цепью, кроме источника постоянной ЭДС. Еэ вводится еще переменная ЭДС сигнала евх, подлежащая усилению, а в цепь коллектора, представляющую собой выходную цепь, включается источник Ек и резистор Rк (рис.4).
При подаче на вход транзистора переменного напряжения uвх эмиттерный ток становится пульсирующим, вызывая соответствующие изменения коллекторного тока. Последний, проходя по резистору Rк , создаем на нем пульсирующее, повторяющее по форме входной сигнал. Переменная составляющая пульсирующего напряжения Uвых с помощью конденсатора С отделяется от постоянной состав ляющей и подается на выходные зажимы усилителя к нагрузке. Коэффициент усиления напряжения КU равен:
КU = ,
где Iкм и Iэm - где амплитуды переменных составляющих коллекторного и эмиттерного токов; Rв - входное сопротивление, т.е. сопротивление между выводами эмиттера и базы для переменного тока.
Так как Iк Iэ, то КU ,
Входное сопротивление в рассматриваемой схеме мало Rвх=10100 Ом, так как к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение. К коллекторному переходу приложено обратное напряжение, и поэтому сопротивление это го перехода очень велико порядка I05-106 Ом. При та ком большом сопротивлении коллекторного перехода сопротивление резистора Rк можно выбрать во много раз больше входного сопротивления без заметно го уменьшения коллекторного тока и тем самым получить большой коэффициент усиления напряжения сигнала.
Одновременно с усилением напряжения происходит усиление мощности сигнала. Коэффициент усиления мощности
Кр = .
Из рассмотрения работы транзистора по данной схеме ясно, что усиление сигнала по току не происходит.
К1< 1
Таким образом, в данной схеме происходит усиление сигна ла по напряжению и мощности, которое оказывается возможным благодаря тому, что изменение тока эмиттера происходит в цепи с малым сопротивлением, а вызванные им изменения коллекторно го тока - в цепи, имеющей во много раз большее сопротивление.
4. Схемы включения биполярного
транзистора
В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим, различают три схемы включения: с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. Эти схемы показаны на рис. 6. Полярность источников на схемах от носится к полупроводниковому триоду типа р-n-p. Физические процессы, протекающие в указанных схемах, одинаковы, но уси лительные свойства различны.
В рассмотренной выше схеме (см. рис.5), общим выводом яв ляется вывод базы, поэтому эта схема соответствует схеме с ОБ (рис.6а). Аналогичной схемой в ламповых усилителях является схема с общей сеткой. Эта аналогия базируется на том, что эмиттер выполняет в полупроводниковом триоде функции катода коллектор - функции анода, а база - роль сетки. Усилительный каскад, собранный по схеме с ОБ, как отмеча лось, имеет малое входное и большое выходное сопротивление. Ма лое входное сопротивление каскада является существенным недос татком данной схемы, поэтому схема с ОБ применяется в усилите лях низкой частоты редко.
В схеме с ОБ можно получить усиление по напряжению и мощ ности в десятки, сотни раз и больше в зависимости от сопротив ления нагрузки. Усиление по току в схеме с ОБ не происходит.
В схеме с ОЭ (рис.6б) входной сигнал также подводится к выводам эмиттера и базы, а резистор Rк включается между выводами эмиттера и коллектора. Здесь общим выводом служит вывод эмиттера. Основной особенностью схемы с ОЭ является то, что входным током в ней яв ляется не ток эмиттера, а ма лый по величине ток базы. По этому входное сопротивление в данной схеме значительно больше, чем в предыдущей, и со ставляет сотни и тысячи Ом; выходное сопротивление - де сятки кОм.
Коэффициент усиления по примерно такую же вели чину, как для схемы с ОБ.
Коэффициент усиления по току усилительного каскада с ОЭ всегда меньше коэффициент передачи по току β и прибли жается к нему при малых сопротивлениях нагруз ки. Усилительный каскад с ОЭ обеспечивает усиление по то ку в несколько десятков раз.
Коэффициент усиления по мощности Кр=К1КU оказыва ется значительно выше, чем для схемы с ОБ и может достигать нескольких тысяч. Схе ма с ОЭ аналогична ламповому каскаду с общим катодом и яв ляется наиболее распространенной.
В схеме о ОК (рис.5, а) сигнал подается на участок база – коллектор, а выходное напряжение снимается с резистора Rк, включенного между эмиттером и коллектором. Общим выводом слу жит вывод коллектора. Входным током в этой схеме является ток базы, а выходным – ток эмиттера. В схеме о ОК К1 немного больше, чем в схема с ОЭ. Входное сопротивление схемы о ОК ве лико – порядка десятков или сотен кОм, а выходное, наоборот, мало и составляет десятки или сотни Ом. Каскад с ОК усиления по напряжению не дает, а усиление по мощности – несколько мень ше, чем в схеме с ОБ.
Схема с ОК применяется реже, чем предыдущая, и служит, в основном, для согласования сопротивлений между отдельными кас кадами усилителей и в качестве входного каскада, когда требу ется высокое входное сопротивление. Схема с ОК аналогична ламповому каскаду с общим анодом.
Конденсаторы С1 и С1 в схемах на рис.5 служат для отделения постоянной и переменной составляющих тока на входе и выходе.
5.Питание цепей биполярного транзистора
и стабилизация режима работы
Питание транзисторного усилителя, как правило, производится от одного источника постоянного тока.
Для установления нужного режима транзистора между его базой и эмиттером обычно прикладывают небольшое напряжение смещения (порядка десятых долей вольта).
Простейшим видом смещения является фиксированное смещение, которое осуществляется с помощью делителя напряжения R1, R1 (рис. 7, а).
Фиксированное смещение пригодно лишь для каскадов, работающих при малых изменениях окружающей температуры, и должно быть подобрано для каждого устанавливаемого в каскад транзистора. При больших изменениях температуры или замене транзистора фиксированное смещение не обеспечивает необходимого постоянства работы. Поэтому применяются различные способы стабилизация режима при помощи смещения, автоматически изменяющегося при изменении температуры или замене транзистора.
Наиболее высокую стабильность режима дает эмиттерная стабилизация (рис.7, б). Здесь в цепь эмиттера введен стабилизирующий резистор Rэ, падение напряжения на котором пропорци ональное току эмиттера, уменьшает напряжение смещения, снима емое с делителя R1, R2. Чтобы предотвратить уменьшение усиления каскада при введении резистора Rэ, его шунтируют кон денсатором Сэ, через который проходит переменная составля ющая эмиттерного тока.
При увеличении тока коллектора, вызванном повышением тем пературы, увеличивается падение напряжения на сопротивлений резистора Rэ. Потенциал эмиттера становится более отрицатель ным, что влечет за собой уменьшение (по абсолютной величина) напряжения на базе Uбэ, и как результат – тока базы. Таким образом, из-за повышения температуры происходит увеличение тока коллектора, а из-за уменьшения тока базы - уменьшение тока коллектора, поэтому суммарное изменение тока коллектора незначительным.
Эмиттерная стабилизация в схеме с ОК осуществляется аналогично.
6. Амплитудная характеристика усилительного
каскада на транзисторе
Амплитудной характеристикой называется зависимость выходного напряжения каскада от напряжения на входе Uвых (Uвх) (рис.38). При небольших входных напряжениях, когда работа кас када происходит на линейном участке входной характеристики, выходное напряжение имеет такую же форму, как и входное, При больших входных напряжениях переменные составляющие токов вы ходят за пределы линейного участка входной характеристики, в результате чего форма кривой выходного напряжения претерпева ем значительные искажения.
Амплитудная характеристи ка дает возможность определить величину входного напряжения, при котором усилитель работает без амплитудных искажений. Это входное напряжение Uвх max соответствует концу прямолинейного и началу криволинейного участка амплитудной характеристики.
PAGE 2
p n p
p n p
Рис. 2. Подключение источников Еэ и Ек
к биполярному транзистору.
+ + + - - - + + +
+ + + - - - + + +
+ + + - - - + + +
Iко
Ек
––––-
+
p n p
Iэ=0
+ + + - - ++ - - + + + + + + - - ++ - - + + + + + + - - ++ - - + + +
p n p
Ек
–
–
Iб
+
+
Iк
э
а)
б)
Рис. 3. Входные и выходные характеристики
биполярного транзистора
а) б)
Рис. 4. Статические характеристики передачи тока (а) и обратной связи (б) транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером
p n p
Э Б К
+
–
евх
–
+
С
Rк
Ек
Uвых
Рис. 5. Схема подключения источника входного сигнала к биполярному
транзистору
EMBED Visio.Drawing.5
е Rк
С2
VТ
евх еевх
–
+
–
+
Еэ
Ек
Uвых
а)
EMBED Visio.Drawing.5
–
+
Ек
VT
С1
R
–
+
Uвх
Uвых
б)
Rк
С2
EMBED Visio.Drawing.5
–
+
Ек
VT
С2
R
–
+
Uвх
Uвых
в)
Rк
С2
Rэ
Рис. 6. Схемы включения транзистора:
а – ОБ, б – ОЭ, в – ОК.
–Ек
Cэ
R2
EMBED Visio.Drawing.5
R1
Rк
С1
VТ
R2
С2
к нагрузке
+Е1
–Е1
а)
EMBED Visio.Drawing.5
R1
Rк
С1
С2
Rэ
к нагрузке
+Ек
Рис. 7. Схемы: а - фиксации смещения;
б - эмиттерной температурной стабилизации
VT
б)
Uвх max
Uвх
Uвых