|
18
Курс: Комп'ютерна системотехніка
Тема: Біполярні транзистори
1. Біполярні транзистори
Визначення.
Транзистор ППП з 3-ма електродами, службовець для посилення сигналів (в загальному випадку по потужності) або їх перемикання.
2. Типи біполярних транзисторів і їх діодні схеми заміщення
Розрізняють кремнієві (рис.1) і германієві транзистори (рис.2).
Рис.1. Рис.2.
На рис.1 і 2 показані умовні графічні позначення кремнієвих (npn) і германієвих (pnp) транзисторів і відповідні їм діодні схеми заміщення.
Транзистор складається з двох протилежно включених діодів, які володіють одним загальним n - або p - шаром. Електрод пов'язаний з ним називається базою (Б). Давши інших електрода називаються емітером (Е) і колектором (К). Диодная еквівалентна схема, наведена поряд з його графічним позначенням, пояснює структуру включення переходів транзистора. Хоча ця схема не характеризує повністю функції транзістoра, але вона дає можливість представляти діючі в ньому зворотні і прямі струми і напруги.
3. Фізичні явища в транзисторах
Емітерна область транзистора є джерелом носіїв заряду, а область уловлює ці носії заряду називається колектрів. Область, яка управляє потоком цих носіїв, називається базою.
При підключенні прямого напруги між емітером і базою відбувається інжекція носіїв зарядів через відкритий (зміщений в прямому напрямку) перехід Е-Б, тобто перехід їх з області емітера в область бази.
Таким чином утворюється емітерний струм (Iе) через відповідний перехід (ЕП емітерний перехід).
Як відомо, при "доречний" провідності типу "p" основними носіями заряду є "дірки", а неосновними електрони. Частина "дірок" прийшли в базову область рекомбинируют в електрони, з'являється струм бази (Іб), який дуже малий у порівнянні стоком емітера, так як тільки мала частина інжектованих "дірок" (носіїв заряду) рекомбинирует.
Між колектором і базою прикладається зворотна напруга, тому говорять що носії заряду з області бази екстрагуються (втягуються) в колекторну область і за рахунок цього утворюється струм колектора (Ік).
Таким чином, на підставі наведених вище міркувань можна записати наступні прості співвідношення між струмами емітера, бази і колектора:
Iе = Іб + Ік (1); Іб <
Ік = Iе = Ік / Iе (0,90,99) <1 (4);
Ік = Iе + Iкбо (5),
де Iе керований струм, Iкбо некерований (зворотний) струм, що протікає через перехід Б-К в напрямку протилежному прямому струму Ік через цей перехід.
Ік = Іб = Ік / Іб (6);
Ік = Іб + Iкбо;
Uб Uе - Uеб (7);
= / 1 - (8);
4. Подача напруги живлення
Зазвичай перехід Е-Б зміщений в прямому напрямку, а К-Б в зворотному. Тому джерела напруги живлення транзисторів повинні бути включені, як показано на рис.3 і
рис.3 Рис.4
Основна особливість транзисторів полягає в тому, що колекторний струм Ік є кратним базового струму Iб. Їхнє ставлення = Ік / Іб називають коефіцієнтом посилення по току.
5. Схеми включення і статичні параметри
Існують три основні схеми включення транзисторів:
1) ОЕ
2) ПРО
3) ОК
1) Схема із загальним емітером застосовується найбільш часто.
У цій схемі керуюча напруга прикладається до ділянки Б-Е, вихідний сигнал знімається з резистора навантаження, включеного в колекторний ланцюг (потенціал емітера фіксований).
Рис.5. Включення транзистора по схемі з ОЕ (а) і еквівалентна схема (б) для даного випадку.
Вольт - амперні характеристики і режими роботи транзистора в даному випадку наведені на рис.5.2.
Вхідні характеристики наведені на рис.6, вихідні на ріс.6б.
а) б)
Рис.6. Вхідні і вихідні вольт - амперні характеристики транзистора включеного за схемою з ОЕ.
На сімействі вихідних характеристик виділяють три області:
1) Область лінійного посилення;
2) Область наищенія:
3) Область відсічення.
Відповідно до цього транзистор може працювати в трьох режимах.
В області лінійного посилення, збільшення струму бази призводить до пропорційної зміни струму колектора, при цьому динамічний опір ділянки К-Е прагне до
rке = vUк / vIк;
В області насичення, зміна струму колектора не приводить до істотної зміни напруги на колекторі. Дінамічнское опір ділянки К-Е прагне до 0.
В області відсічення Ік = Iкбо 0. Динамічний опір опір ділянки К-Е прагне до.
Величина Ік зверху обмежена допустимою потужністю, що розсіюється на ділянці К-Е. Перевищення граничного струму Ік max веде до руйнування транзистора, тому необхідно забезпечити схемні засоби обмеження Ік. У найпростішому випадку це резистор в колекторної (або емітерний) ланцюга фіксує струм колектора на рівні Ік max = Eп / Rк. Але, в цьому випадку, потенціал колектора змінюється при зміні струму колектора (тобто Uк = f (Ік)). Ця залежність визначається так званої нагрузчной прямий, відтинає на осях координат два відрізки:
1) на осі абсцис напруга живлення Еп при Ік = 0;
2) на осі ординат Ік max = Eп / Rк.
Перетин навантажувальної прямої і вихідної характеристики при конкретному струмі бази дає, так звану, робочу точку.
Т.ч. транзистор може працювати в одному з наступних режимів (для npn):
1) нормальний активний режим: Uбе> 0, Uкб> 0
2) інверсний активний режим: Uбе <0, Uкб <0
3) режим насичення: Uбе> 0, Uкб <0
4) режим відсічення: Uбе <0, Uкб> 0
Нормальний активний режим.
В цьому режимі перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку, а Б-К в зворотному.
При аналізі основних схем включення транзисторів (тут ОЕ, а далі ПРО і ОК) скористаємося спрощеним (еквівалентним) поданням біполярного транзистора для низьких частот, зображеному на рис.5. б.
Вхідна ланцюг представлена динамічним вхідним опором rбе, а в колекторної ланцюга використаний керований джерело струму колектора (Ік = S Uбе),
де
При цьому внутрішнє динамічний опір включено паралельно цьому джерелу струму, як і випливає з теорії електричних ланцюгів (Теорема Тевере про еквівалентному генераторі). При визначенні основних характеристик і параметрів схеми тут і далі будемо вважати, що ідеальні джерела напруги харчування (Еп) і вхідного сигналу (Uвх).
струм колектора
1) Ік = / 1 - Іб + 1/1 - Iкбо = Іб + (1 +) Iкбо Іб,
де: коефіцієнт передачі по току (тобто коефіцієнт передачі струму з емітерний ланцюга в колекторну) в схемі з ОЕ. Т. к. >> 1, то в схемі з ОЕ можливе посилення по току (тому, що Іб <
2) Струм бази закритого транзистора. При Uбе = 0 (транзистор закритий) Іб Iкбо, тобто з бази випливає ток, зворотному тепловому току переходу К-Б.
3) Вхідний опір
Тоді струм бази, який також залежить і від Uбе можна приблизно визначити так:
Іб = Ік, де = h 21 е
4) Коефіцієнт підсилення по напрузі
5) Коефіцієнт посилення по току
6) Вихідний опір
режим насичення
В цьому режимі обидва переходу зміщені в прямому напрямку.
Зовнішнім проявом режиму насичення є відсутність залежності Ік від Іб. Для схеми з ОЕ існує деякий "граничний" ток Iбн, при якому досягається насичення колекторного струму
Iкн = Iбн
При подальшому збільшенні струму бази струм колектора не збільшується і може бути введений певний коефіцієнт, що характеризує:
1) Ступінь насичення
N = Іб / Iбн Iкн = N Ік
2) Вхідний опір
Rвх н = Rвх /,
де Rвх вхідний опір в активній лінійної області.
3) Вихідна напруга
U вих = Uкен Uбе
Це так зване залишкове напруга на ділянці К - Е, слабо залежить від величини колекторного струму.
4) Вихідний опір
Rвих rке Rвих / Rк /,
де Rвих вихідний опір в активній лінійної області.
режим відсічення
В цьому режимі обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.
1) Iе 0
2) Ік Iкбо
3) Іб Iкбо
Кордоном режиму відсічення є зворотна напруга (напруга відсічення) на переході Б-Е (Uбе обр), при якому Iе = 0!
У більшості цифрових схем Uбе обр таке, при якому Іб зменшується в 100200 раз !!
2) Схема із загальною базою
У цій схемі керуюча напруга прикладається до ділянки Е-Б, а вхідний сигнал знімається з резистора навантаження, вкюченного в колекторний ланцюг. Потенціал бази при цьому фіксований, а потенціал Е повинен бути менше потенціалу Б, якщо перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку.
а) б)
рис.7
На рис.7 показана схема включення транзистора з ПРО і її еквівалентна схема на низьких частотах.
Вольт амперна характеристика і режими роботи
а) б)
Рис.8 Вхідні а) і вихідні б) характеристики.
Нормальний активний режим.
У цьому режимі, як і в схемі з ОЕ, перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку, перехід К-Б в зворотному.
1) Ік = Iе + Iко (e Uкб / Uт 1) = Iе + Iкбо Iе
Т. к. <1, то посилення по току в такій схемі неможливо Ік = Іб.
2)
3) Ki = 1
4) Rвх rбе / Uвх / Iвх, тобто в раз менше ніж всхеме з ОЕ !!
5)
,
тобто таке ж як і в схемі з ОЕ.
режим насичення
в даній схемі можливо тільки при Uк
3) Схема із загальним колектором
Це по суті окремий випадок схеми з ОЕ при Rк = 0! Тому, практично всі співвідношення для струмів транзистора і потенціалів на його переходах, характерні для схеми з ОЕ, можуть бути застосовний і в даному випадку.
У цій схемі керуюча напруга докладено до ділянки Б-Е, вихідний сигнал знімається з резистора навантаження, включеного в емітерний ланцюг. Потенціал колектора при цьому фіксований!
Причому, в цій схемі, також як і в схемі з ПРО, відсутній режим насичення, оскільки потенціал колектора ніколи не може бути нижче потенціалу бази !!
Параметри схеми в режимі відсічення аналогічні таким в схемі з ОЕ !!
На рис.8 наведені схема включення і її еквівалентна схема.
рис.8
1)
2)
3) Rвх = rбе + Rе, тобто у багато разів більше ніж Rвх в схемах з ОЕ та ОБ! (Десятки і сотні кОм).
4)
Т. е. Така схема має високий Ki, мале Rвих і велике Rвх !!
6. h і Y параметри транзисторів
Транзистор можна розглядати як чотириполюсник де
Uвх = U 1, Iвх = I 1, U вих = U 2, Iвих = I 2.
h 11 е = Uбе / Iбе Uк = const = Rвх
h 12 е = Uбе / Uк Іб = const
коефіцієнт внутрішньої ОС (дуже мала величина, якої в інженерній практиці нехтують і приймають = 0)
h 21 е = Ік / Іб Іб = const =
h 22 е = Ік / Uк Іб = const
Вихідна провідність
([Сіменс] = 1 / Ом)
Rвих = 1 / h 22е
В даний час для практичних розрахунків h і y параметри практично не використовуються!
7. Вплив температури на статистичні характеристики транзистора. динамічні параметри
Це параметри, які спільно з такими ж параметрами інших компонентів схеми визначають вид АЧХ лінійної схеми або характер перехідних процесів в ключових схемах.
Частотні властивості транзистора в активному режимі визначаються:
інерційністю процесів поширення рухливих носіїв в транзисторної структурі (в основному на базі);
наявністю ємностей переходів (зокрема бар'єрної ємністю колекторного переходу) і кінцевим значенням внутрішніх опорів;
ефектами накопичення і розсіювання зарядів.
Зазвичай, для спрощення аналізів динамічних процесів, більшу частину джерел інерційності процесів в транзисторі зводяться до еквівалентним ємностей (залежних, в загальному випадку, від напруги і частоти). За рахунок цього отримують досить прості еквівалентні схеми транзистора на змінному струмі, наведені на рис.5.6.
Рис.9. Еквівалентні схеми для активного режиму а) і режиму відсічення б).
Коефіцієнт передачі по струму може бути представлений характеристикою ФНЧ першого порядку
,
де частота зрізу.
У тимчасовій області ця залежність має вигляд:
,
де = 1 / постійна часу зміни коефіцієнта передачі по току.
Граничною частотою посилення (або "частотою одиничного посилення") називають частоту, при якій модуль коефіцієнта посилення зменшується до
У практичних в розрахунках використовується співвідношення
гр =
= / (1 +) або = (1 +) ,
де = 1 / 2f , f гранична частота посилення для схеми з ОЕ, яка наводиться зазвичай в довідкових даних!
Крім f в довідкових даних приводяться значення і , А також величини ємностей емітерного (С * ЕО) і колекторного (С * ко) переходів при Uкб = 0, Uеб = 0, Uкк і Uек контактна різниця потенціалів переходів К-Б і Е-Б.
Особливості перехідних процесів в ключовому режимі роботи транзистора включеного, наприклад, за схемою з ОЕ полягає в наявності часу розсмоктування заряду неосновних носіїв, накопиченого в базі при протіканні струму в відритому і насиченому стані. Причому, зі збільшенням Iкн збільшується р!
Ік (t) = (t) Іб
Iкн = про Iбн Iбн = S Iбо
9. Гранично допустимі параметри
1) Uеб обр електричний (Зенеровскій) або тепловий пробій переходу Б-Е
2) Uкб обр
Це max допустимі зворотні напруги на переходах Е-Б і К-Б. причому,
Uеб обр обр (іноді в 2 рази!)
3) Uке max
4) Pр max максимально допустима розсіює потужність
Pр Uке Ік
У паспорті зазвичай вказується Pр max при температурі корпусу, що дорівнює 25 ° С Зі збільшенням t о С необхідно зменшення Pр нижче Pр max!
література
1. Волович Г.І. Схемотехніка аналогових та аналого-цифрових електронних пристроїв. М., 2005. - 530с.
2. Лисенко А.П. Статичний коефіцієнт передачі струму бази транзистора і його залежність від режиму і температури. Навчальний посібник - Московський державний інститут електроніки і математики. М., 2005. - 29 с.
3. Нефедов А.В. Інтегральні мікросхеми і їхні закордонні аналоги. Довідник. Том 1. Видавництво: РадиоСофт, 2000. - 512с.
4. Пєтухов В.М. Біполярні транзистори середньої та великої потужності надвисокочастотні і їхні закордонні аналоги. Довідник. Том 4. Видавництво: кубки-а, 1997. - 544с.
5. чіжми С.Н. Основи схемотехніки. СПб., 2008. - 424с.
|