Входное и выходное сопротивление

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, такие же как и многие электронные компоненты, например, реле или вакуумные лампы. Транзисторы применяются в различных схемах, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p, они различаются по проводимости.

Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару.

Биполярный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания.

Соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда имеется и четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном):

• База- это управляющий вывод;
• Коллектор- находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);
• Эмиттер- находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).

Схема биполярного транзистора.

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.

Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом:

U_б = U_э + 0.6\medspaceВ

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

I_k = h_{21э}\medspace I_b

Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Будет интересно Что такое эффект Ганна и при чем здесь диоды

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Схема эмиттерного повторителя

Давайте разберемся, что значит словосочетание “эмиттерный повторитель”? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд  вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение U_вых меньше U_вх  на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2)U_вых в точности  повторяет  по форме и фазе U_вх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h11∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h12∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h21∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h22∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.
Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

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.

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.

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».

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.

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.

Анатолий Мельник

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

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. 

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. 

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Входное сопротивление — транзистор

Входное сопротивление транзистора и в закрытом, и в открытом состояниях весьма велико, поскольку затвор отделен от истока, стока и подложки диэлектриком.
 

Входное сопротивление транзистора — параметр, который зависит не только от температуры, но и от тока эмиттера, коллекторного напряжения и схемы включения.
 

Входное сопротивление транзистора по первой гармонике считаем чисто вещественным и не зависящим от амплитуды высокочастотного напряжения и смещения.
 

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, обычно составляет несколько сотен ом.
 

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ гвх dU3s / dI3 ( при С / КБ const) очень мало и составляет единицы — десятки ом, так как небольшое изменение напряжения эмиттера значительно влияет на высоту потенциального барьера эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, и, следовательно, на ток эмиттера.
 

Входное сопротивление транзистора Т1 очень маленькое. Для его увеличения в цепь базы введен резистор R, сопротивление которого определяет входное сопротивление предусилителя. Такое схемное решение позволяет сохранить неизменным входное сопротивление в широком диапазоне частот, хотя и ухудшает отношение сигнал / шум.
 

Входное сопротивление транзистора, помимо выходных характеристик транзистора, определяет крутизну характеристики прямой передачи и усиление по мощности. Для улучшения этих параметров входное сопротивление необходимо уменьшать. Кроме сопротивления г 2 во входное сопротивление входит еще ряд составляющих: сопротивление в невыпрямляющем контакте базы, сопротивление в контакте эмиттера ( которое практически всегда достаточно мало), сопротивление тела эмиттера ( которое обычно также мало), сопротивление базовой области на участке между эмиттерным и коллекторным переходами при протекании тока в направлении, параллельном переходам Гбь и сопротивление собственно эмиттерного перехода.
 

Входное сопротивление транзистора зависит от схемы включения его. Для маломощных сплавных германиевых транзисторов типично значение Лцб22н — 30 ом, для маломощных сплавных кремниевых 35 — 100 ом, для маломощных диффузионно-сплавных германиевых 7 — 50 ом.
 

Входное сопротивление транзистора 1 шунтирует сопротивление нагрузки транзистора Т2 ( Ri) и ввиду его малости значительно уменьшает коэффициент усиления Д 2, а следовательно, коэффициент стабилизации.
 

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой.
 

Входные сопротивления транзисторов, шунтируя резонансные контуры, уменьшают их добротность, что снижает избирательность приемника.
 

Входное сопротивление транзистора с изолированным затвором может иметь очень большую величину, определяемую сопротивлением изоляции. Входное сопротивление транзистора со сплавным или диффузионным затвором будет ограничено сопротивлением запертого перехода.
 

Входные сопротивления транзисторов в большинстве случаев имеют малые значения ( 1000 — 3000 Ом), поэтому для разделительных конденсаторов усилителей на транзисторах требуются большие значения емкости. Например, для усилителей звуковых частот емкость составляет несколько микрофарад.
 

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, сравнительно мало, но гораздо больше, чем в схеме с ОБ.
 

Похожие записи:

Способы проверки заземления Обжимаем сетевой кабель самостоятельно, с инструментом и без него Полезные статьи » как выбрать распределительный щит Как прикрепить щиток к столбу Устройство и примеры применения реле, как выбрать и правильно подключить реле Что такое эдс (электродвижущая сила)