Схемы включения биполярных транзисторов

Название полупроводникового прибора транзистор образовано из двух слов: transfer – передача + resist– сопротивление. Потому что его действительно можно представить в виде некоторого сопротивления, которое будет регулироваться напряжением одного электрода. Транзистор иногда еще называют полупроводниковым триодом.

Создан первый биполярный транзистор был в 1947 году, а в 1956 году за его изобретение трое ученых были удостоены нобелевской премии по физике.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из трех полупроводников с чередующимся типом примесной проводимости. К каждому слою подключен и выведен электрод. В биполярном транзисторе используются одновременно заряды, носители которых электроны (n — “negative”) и дырки (p – “positive”), то есть носители двух типов, отсюда и образование приставки названия «би» — два.

  • Транзисторы различаются по типу чередования слоев:
  • — pnp-транзистор (прямая проводимость);
  • — npn-транзистор (обратная проводимость).

База (Б) – это электрод, который подключен к центральному слою биполярного транзистора. Электроды от внешних слоев именуются эмиттер (Э) и коллектор (К).

  1. Схемы включения биполярных транзисторов
  2. Рисунок 1 – Устройство биполярного транзистора
  3. На схемах обозначаются «VT», в старой русскоязычной документации можно встретить обозначения «Т», «ПП» и «ПТ». Изображаются биполярные транзисторы на электрических схемах, в зависимости от чередования проводимости полупроводников, следующим образом:
  4. Схемы включения биполярных транзисторов
  5. Рисунок 2 – Обозначение биполярных транзисторов

На рисунке 1, изображенном выше, отличие между коллектором и эмиттером не видны. Если посмотреть на упрощенное представление транзистора в разрезе, то видно, что площадь p-n перехода коллектора больше чем у эмиттера.

Схемы включения биполярных транзисторов

Рисунок 3 – Транзистор в разрезе

База изготовляется из полупроводника со слабой проводимостью, то есть сопротивление материала велико. Обязательное условие – тонкий слой базы для возможности возникновения транзисторного эффекта. Так как площадь контакта p-n перехода у коллектора и эмиттера разные, то менять полярность подключения нельзя. Эта характерность относит транзистор к несимметричным устройствам.

  • Биполярный транзистор имеет две ВАХ (вольт амперные характеристики): входную и выходную.
  • Входная ВАХ – это зависимость тока базы (IБ) от напряжения база-эмиттер (UБЭ).
  • Схемы включения биполярных транзисторов
  • Рисунок 4 – Входная вольтамперная характеристика биполярного транзистора
  • Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора (IК) от напряжения коллектор-эмиттер (UКЭ).
  • Схемы включения биполярных транзисторов
  • Рисунок 5 – Выходная ВАХ транзистора

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на npn типе, для pnp аналогично, только рассматриваются не электроны, а дырки. Транзистор имеет два p-n перехода. В активном режиме работы один из них подключен с прямым смещением, а другой – обратным.

Когда переход ЭБ открыт, то электроны с эмиттера легко перемещаются в базу (происходит рекомбинация). Но, как говорилось ранее, слой базы тонкий и проводимость ее мала, по этому часть электронов успевает переместиться к переходу база-коллектор.

Электрическое поле помогает преодолеть (усиливает) барьер перехода слоев, так как электроны здесь неосновные носители. При увеличении тока базы, переход эмиттер-база откроется больше и с эмиттера в коллектор сможет проскочить больше электронов.

Ток коллектора пропорционален току базы и при малом изменении последнего (управляющий), коллекторный ток значительно меняется. Именно так происходит усиления сигнала в биполярном транзисторе.

Схемы включения биполярных транзисторов

Рисунок 6 – Активный режим работы транзистора

Смотря на рисунок можно объяснить принцип действия транзистора чуть проще. Представьте себе, что КЭ – это водопроводная труба, а Б – кран, с помощью которого Вы можете управлять потоком воды. То есть, чем больше ток вы подадите на базу, тем больше получите на выходе.

  1. Значение коллекторного тока почти равно току эмиттера, исключая потери при рекомбинации в базе, которая и образовывает ток базы, таким образом справедлива формула:
  2. ІЭ=ІБ+ІК.
  3. Основные параметры транзистора:
  4. Коэффициент усиления по току – отношение действующего значения коллекторного тока к току базы.
  5. Входное сопротивление – следуя закону Ома оно будет равно отношению напряжения эмиттер-база UЭБ к управляющему току IБ.
  6. Коэффициент усиления напряжения – параметр находится отношением выходного напряжения UЭК к входному UБЭ.

Частотная характеристика описывает способность работы транзистора до определенной, граничной частоты входного сигнала. После превышения предельной частоты физические процессы в транзисторе не будут успевать происходить и его усилительные способности сведутся на нет.

Схемы включения биполярных транзисторов

Для подключения транзистора нам доступны только его три вывода (электрода). По этому для его нормальной работы требуются два источника питания. Один электрод транзистора будет подключаться к двум источникам одновременно.

Следовательно, существуют 3 схемы подключения биполярного транзистора: ОЭ – с общим эмиттером, ОБ – общей базой, ОК – общим коллектором.

Каждая обладает как преимуществами, так и недостатками, в зависимости от области применения и требуемых характеристик делают выбор подключения.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности.

При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного.

Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале.

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения с общей базой (ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику. Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока.

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше). Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называю эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (UЭБ) соответствуют входному напряжению.

  • Схемы включения биполярных транзисторов
  • Применение транзисторов:
  • — усилительные схемы;
  • — генераторы сигналов;
  • — электронные ключи.

Недостаточно прав для комментирования

Схемы включения транзистора

 схемы включения транзистора      если нет блока КПЕ     усилители ЗЧ     усилители РЧ    усилители ЗЧ на микросхемах    источники питания     применение цифровых микросхем в линейном режиме

        Схемы включения транзистора

Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление по схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы.

  • Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:
  • 1 Каскад с общим эмиттером (на схеме показан каскад с фиксированным током базы — это одна из разновидностей смещения транзистора).
  • 2 Каскад с общим коллектором
  • 3 Каскад с общей базой

Схемы включения биполярных транзисторов

Каскад с общим эмиттеромобладает высоким усилением по напряжению и току.

К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен ом), высокое (порядка десятков Килоом) выходное сопротивление.

 Отличительная особенность — изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть — инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения — входной ток протекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока.

В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению.

Так как ток и напряжение в цепи — величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока. 

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада  с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в Н21э раз.

(Величина «Н21э» — это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером).  Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением.

В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов.

Что такое частотная характеристика транзистора? Это — способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается.

Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого — же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления.

Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом).

Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+Н21э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+Н21э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

В практике радиолюбителя иногда приходится использовать параллельное включение транзисторов для увеличения выходной мощности (коллекторного тока). Один из вариантов данного включения приведен ниже:

Читайте также:  Устройство электропроводки в квартире

Схемы включения биполярных транзисторов

При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами Вст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы.

Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них (в интервале рабочих токов) около 1 вольта (или, по крайней мере, — не менее 0,7 вольта). Данная схема должна применяться с большой осторожностью, так как даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам.

Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке…

При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток  коллектора не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора одного из транзисторов! Количество транзисторов, включенных по этой схеме может быть сколько угодно большим — все зависит от целесообразности…

В радиолюбительской практике иногда необходим транзистор с проводимостью, отличной от имеющегося (например — в выходном каскаде УЗЧ и проч.) . Выйти из положения позволяет схема включения, приведенная ниже:

Схемы включения биполярных транзисторов

В данном каскаде используется как правило маломощный транзистор VT1 необходимой проводимости, транзистор VT2 необходимой мощности, но другой проводимости.

Данный каскад (в частности) эквивалентен транзистору с проводимостью N-P-N большой мощности с высоким коэффициентом передачи тока базы (h21Э).

Если мы используем в качестве VT1, VT2 транзисторы противоположной проводимости — получим мощный составной транзистор с проводимостью P-N-P.

Если в данной схеме применить транзисторы одной структуры — получим так называемый Составной транзистор. Такое включение транзисторов называют  Схемой Дарлингтона. Промышленность выпускает  такие транзисторы в одном корпусе. Существуют как маломощные (типа КТ3102 и т.п.)  так и мощные (например — КТ825) составные транзисторы.

А сейчас поговорим немного о температурной стабилизации усилителя.

Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин : при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора.

Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток. Попросту говоря — каскад перестает быть усилительным.

Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точкитранзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения. Рассмотренная нами выше схема каскада по схеме с общим эмиттером является схемой с фиксированным током базы.

Ток коллектора в данной схеме зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора и должен устанавливаться индивидуально при помощи подбора величины резистора R1. При смене транзистора начальный (при отсутствии сигнала) ток коллектора приходится подбирать заново, так как транзисторы даже одного типа имеют очень большой разброс статического коэффициента усиления тока базы (h21 Э).

Другая разновидность каскада — схема с фиксированным напряжением смещения. Эта схема также обладает недостатками, описанными выше:

Схемы включения биполярных транзисторов

Для повышения термостабильности каскада необходимо использовать специальные схемы включения:

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада.

Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения отрицательной обратной связи) расширить диапазон рабочих температур каскада.

При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения.

Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом — осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.

Более качественную стабилизацию температурных параметров каскада усиления можно осуществить, если несколько усложнить схему и применить так называемую «эмиттерную» температурную стабилизацию.

Данная схема, несмотря на сложность, позволяет каскаду сохранять усилительные свойства в очень широком интервале рабочих температур. Кроме того, применение данной схемы стабилизации дает возможность замены транзисторов без последующей настройки. Отдельно скажу о конденсаторе С3.

Этот конденсатор служит для повышения коэффициента усиления каскада на переменном токе. Он устраняет отрицательную обратную связь каскада. Емкость этого конденсатора зависит от рабочей частоты усилителя.

Для усилителя звуковых частот емкость конденсатора может колебаться от 5 до 50 микрофарад, для диапазона радиочастот — от 0,01 до 0,1 микрофарады (но его в некоторых случаях может и не быть).

Теперь давайте попробуем расчитать термостабильный каксад по постоянному току:

ВНИМАНИЕ! Данные расчета получаются довольно приблизительные! Окончательный номинал резистора R1 потребуется подобрать при наладке более точно!

Схемы включения биполярных транзисторов

Для начала нам нужно определиться с исходными данными для расчета. На верхнем прямоугольнике даны постоянные величины соответственно для германиевого (Ge) и кремниевого (Si) транзистора.

Для начала расчета нам нужны следующие входные параметры: Напряжение питания (Uk), в Вольтах (Принимаем — как пример — равное 6 вольтам). Ток коллектора (Ik), в Миллиамперах (принимаем равный 1 миллиамперу); тип транзистора (Ge. Si), минимальная рабочая частота Fmin в герцах (предположим 150000 герц — для работы в диапазоне ДВ) . Сопротивление в цепи коллектора R3 принимаем равным 1 Килоому. Величина этого резистора обычно не расчитывается а берется равным 750 ом — 4,7 Килоом. От величины этого резистора зависит коэффициент усиления каскада по переменному току. Транзистор, предположим, КТ315 — кремниевый. Расчет ведем согласно рисунку сверху-вниз! Вначале по формуле расчитываем сопротивление резистора в цепи эмиттера R4 = 0,6 килоом. Далее находим сопротивление резистора R2 = 19,5 килоом . Далее — сопротивление резистора R1 = 70,5 Килоом. По формуле вычисляем минимальную емкость конденсатора С1 = 0,016 микрофарад. Здесь можно без ухудшения частотных свойств каскада поставить конденсатор большей емкости (например на 0,022 микрофарад). Так, произведя несложные вычисления, мы получили расчитанный каскад для работы в усилителе радиочастоты . Так как во время расчета мы получили номиналы резисторов не соответствующие стандартному ряду, можно несколько скорректировать их. Так вместо резистора R4 можно поставить резистор на 620 ом, резистор R2 заменим на резистор с номиналом 20 килоом, резистор R1 заменяем на резистор 75 килоом. Эти незначительные отклонения от расчета не приведут к каким либо проблемам при работе каскада — всего навсего слегка изменится коллекторный ток… Теперь давайте расчитаем работу каскада по переменному току:

Для этого расчета нам потребуются следующие параметры: Сопротивления резисторов R1 — R4, Входное сопротивление следующего (нагрузочного) каскада.

Схемы включения биполярных транзисторов Сначала определяем сопротивление Rэ. Для нашего случая (ток коллектора 1 миллиампер) Rэ = 26 ом, Далее определим проводимость S = 38.46 микросименса (ориентировочно), Вычисляем значение R11. Для транзистора типа КТ315Б среднее значение параметра h21э равно 200, отсюда R11 равно 5200, Величину Rb необходимо определить для вычисления входного сопротивления каскада, являющегося нагрузкой расчитываемого. Она равна (при номиналах резисторов, взятых в нашем примере)  5,75 килоом, Для упрощения расчета можно не вычислять сопротивление Rн, а принять его равным R3. Ожидаемый коэффициент усиления данного каскада на транзисторе типа КТ315Б со средним значением h21э равным 200 получается около 40.

Следует иметь в виду, что полученное значение коэффициента усиления каскада весьма приблизительно! На практике это значение может отличаться в 1,5 — 2 раза (иногда — больше) и зависит от конкретного экземпляра транзистора! При расчете коэффициента усиления транзистороного каскада по переменному току следует учитывать, что этот коэффициент зависит от частоты усиливаемого сигнала. Максимальная частота примененного транзистора должна быть по крайней мере в 15-20 раз выше предельной частоты усиления  (определяется по справочнику).Для написания этой странички использовались материалы из книги «Краткий радиотехнический справочник.» Авторы Богданович и Ваксер, Издательство «Беларусь» 1976 год.

Литература по теме: Небольшой учебник «Азы транзисторной схемотехники» (около  380 килобайт), найденный мной в интернете, можно скачать по этой ссылке.

Пользователь сайта Wind написал  программу-калькулятор для облегчения расчетов каскада с общим эмиттером. Программа работает в Exel.

Книжка «Расчет схем на транзисторах» лежит здесь (довольно древняя — 1969 года издания, но вполне актуальная!) обьем около 8 мБайт.

 

Схемы включения биполярных транзисторов

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярных транзисторов и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой

Схемы включения биполярных транзисторов

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора, в первую очередь, и используется. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера I_э, на выходе I_к.

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению. Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем…

Читайте также:  Как правильно перенести розетку и выключатель

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Схемы включения биполярных транзисторов

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает? ???? Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Схемы включения биполярных транзисторов

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Схемы включения биполярных транзисторов

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база.

Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту U_{бэ}. Тут все понятно ???? А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В.

Вслед за этим возрастает U_{бэ}, что приводит к росту тока эмиттера. А рост I_э приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи.

Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания U_{ос}) – уменьшилось напряжение U_{бэ}.

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Схемы включения биполярных транзисторов

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо… Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Схемы включения биполярных транзисторов

Получили такую красотищу ???? Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

Чем бы еще улучшить нашу схему… Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот! Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Схемы включения биполярных транзисторов

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами ???? Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи!

Схемы включения транзистора

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока).

У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим, как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:

  • Схема с общим эмиттером
  • Схема с общей базой
  • Схема с общим коллектором

Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов.

В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией.

Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.

Схема с общим эмиттером

Наиболее распространенной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 1.

Схемы включения биполярных транзисторов Рисунок 1. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером.

Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора.

Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.

Что касается амплитудно-частотной характеристики схемы с общим эмиттером, то в данном включении транзистора верхняя частота усиления будет минимальная по сравнению с остальными схемами включения транзистора. Верхняя частота усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, ограничена частотой (fh21э). [Подробнее]

Схема с общей базой

Схема с общей базой обычно применяется на высоких частотах. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером.

Это связано с тем, что схема включения транзистора с общей базой не усиливает по току. В данной схеме производится усиление только по напряжению.

Функциональная схема включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 2.

Схемы включения биполярных транзисторов Рисунок 2. Функциональная схема включения транзистора с общей базой

На этой схеме цепи питания коллектора и базы тоже не показаны.

В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общей базой служит эмиттерное сопротивление транзистора, поэтому входное сопротивление схемы с общей базой мало.

Её входное сопротивление самое маленькое из всех схем включения транзистора, однако для данной схемы это не является недостатком, т.к. входное сопротивление высокочастотных усилителей должно быть равно 50 Ом.

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой — самая широкополосная из всех схем включения транзистора, поэтому она широко используется в высокочастотных усилителях радиочастоты. Частотная характеристика схемы с общей базой ограничивается предельной частотой усиления транзистора (fh21б). [Подробнее]

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором обычно применяется для получения высокого входного сопротивления.

Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой.

Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.

Схемы включения биполярных транзисторов Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны.

В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления резистора в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.

Амплитудно-частотная характеристика схемы включения транзистора с общим коллектором достаточно широкополосна.

Однако полоса пропускания усилителя может быть серьёзно ограничена из-за шунтирования высокого входного сопротивления схемы с общим коллектором паразитными емкостями, поэтому в основном схема с общим коллектором применяется в качестве буферного усилителя с высоким входным сопротивлением. Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. [Подробнее]

Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры

Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда.

В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки.

Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.

Читайте также:  Контроллер и усилитель для rgb-ленты: расчет, схемы подключения

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

  • эмиттер;
  • базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
  • коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

  • электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
  • между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Схемы включения биполярных транзисторов

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

  • Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
  • Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
  • Максимальную рассеиваемую мощность.

Схемы включения биполярных транзисторов

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

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 от­носится к полупроводниковому
триоду типа р-n-p.
Физические процессы, протекающие в
указанных схемах, одинаковы, но
уси­лительные свойства различны.

В рассмотренной
выше схеме (см. рис.5), общим выводом
яв­ляется 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 отмеча­лось, имеет
малое входное и большое выходное
сопротивление.

Ма­лое входное
сопротивление каскада является
существенным недос­татком данной
схемы, поэтому схема с ОБ применяется
в усилите­лях низкой частоты редко.

В схеме с ОБ можно
получить усиление по напряжению и
мощ­ности в десятки, сотни раз и больше
в зависимости от сопротив­ления
нагрузки. Усиление по току в схеме с ОБ
не происходит.

Всхеме 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 яв­ляется
не ток эмиттера, а ма­лый по величине
ток базы.

По­этому входное сопротивление
в данной схеме значительно больше, чем
в предыдущей, и со­ставляет сотни и
тысячи Ом; выходное сопротивление —
де­сятки кОм.

Коэффициент
усиления по примерно такую же вели­чину,
как для схемы с ОБ.

Коэффициент
усиления по току усилительного каскада
с ОЭ всегда меньше коэффициент передачи
по току β и
прибли­жается к нему при малых
сопротивлениях нагруз­ки. Усилительный
каскад с ОЭ обеспечивает усиление по
то­ку в несколько десятков раз.

Коэффициент
усиления по мощности Кр=К1КU
оказыва­ется значительно выше, чем
для схемы с ОБ и может достигать нескольких
тысяч. Схе­ма с ОЭ аналогична ламповому
каскаду с общим катодом и яв­ляется
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 слу­жит 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 ве­лико – 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
мень­ше, чем в схеме с ОБ.

Схема с ОК применяется
реже, чем предыдущая, и служит, в основном,
для согласования сопротивлений между
отдельными кас­кадами усилителей и
в качестве входного каскада, когда
требу­ется 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.

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике.

Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в (n)-(p)-(n)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима).

Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

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

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления.

Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном.

Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

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

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

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector