Каскадное соединение транзисторов с оэ и об. Схемы включения биполярного транзистора

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей - электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками - основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

1. Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
2. Входное сопротивление.
3. Частотная характеристика - работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения - в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC - V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I Б , и напряжение на базе относительно эмиттера U БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I К и напряжение на коллекторе U КЭ . Для любых напряжений:

Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp -транзистора и положительный в случае npn -транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:
. В схеме с общим эмиттером дляpnp -транзистора (в соответствии с первым законом Кирхгофа) (6.1):
, отсюда получим:

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером . Обозначим этот коэффициент знаком β , итак:

Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I К при изменении тока базы I Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α <1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >>1). При значениях коэффициента передачи α =0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β =50÷100.

6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим ВАХ pnp -транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).

При U КЭ =0
. Сувеличением напряжения U БЭ концентрация на переходе ЭБ растет (рис. 6.15,а), градиент концентрации инжектированных дырок растет, диффузионный ток дырок, как и в прямо смещенном pn -переходе, растет экспоненциально (т. А) и отличается от тока эмиттера только масштабом (6.36).

При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |U БЭ | (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.

При этом градиент концентрации дырок в базе будут расти, что приводит к дальнейшему уменьшению их концентрации. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент переноса ). Так как электроны для рекомбинации приходят через базовый вывод, ток базы уменьшается и входные ВАХ смещаются вниз .

При U БЭ =0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U кб << 0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I КЭ 0 .

В базе, как и в pn -переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки , он характеризуется сменой направления тока базы.

Выходные ВАХ.

В активном режиме (|U КЭ |> |U БЭ |>0 ) поток инжектированных эмиттером дырок p экстрагируется коллекторным переходом также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом
. Часть дырок(1-α)  p рекомбинирует в базе в электронами, поступающими из омического контакта базы.

При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I Б вызывают значительные изменения коллекторного тока I К. Значение коэффициента β , существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА. Ток базы стократно вызывает увеличение тока коллектора.

По аналогии с (6.34) можно записать:

Учитывая (6.1):
, получим:

Учитывая, что

где - сквозной тепловой ток отдельно взятого коллекторногоpn -перехода в режиме оторванной базы (при
, т. С, режим отсечки ). За счет прямого смещения базового перехода (рис. 6.16) ток
много больше теплового тока коллектора I к 0 .

В режиме насыщения база должна быть обогащена неосновными носителями. Критерием этого режима является равновесная концентрация носителей на КП (U КБ =0 ). В силу уравнения U КЭ = U КБ + U БЭ, равенство напряжения на коллекторном переходе нулю может иметь место при небольших отрицательных напряжениях между базой и эмиттером. При U КЭ 0 иU БЭ <0, оба перехода смещаются в прямом направлении, их сопротивление падает. При малых напряжениях на коллекторе (U КЭ < U БЭ ) U КБ меняет свой знак, сопротивление коллекторного перехода резко уменьшается, коллектор начинает инжектировать дырки в базу. Поток дырок из коллектора компенсирует поток дырок из эмиттера. Ток коллектора меняет свой знак (на выходных ВАХ эта область обычно не показывается).

При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. D). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).

Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 6.17), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.

Рост тока коллектора с увеличением U КЭ определяется уменьшением ширины базы. Коэффициенты переноса æ и передачи тока эмиттера α растут, но коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ
растет быстрееα . Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ.

6.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Если входная и выходная цепи имеют общим электродом коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а входным ток базы, то для коэффициента передачи тока справедливо:

Вв таком включении коэффициент передачи тока несколько выше, чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы. Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК, называют эмиттерным повторителем . Однако этот тип включения используется сравнительно редко.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы :

Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180. Это самая распространенная усилительная схема.

Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот.

Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы - согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.15:

Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I б, и напряжение на коллекторе U к, а выходными характеристиками будут ток коллектора I к и напряжение на эмиттере U э.

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:

В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа) .

после перегруппирования сомножителей получаем: (5.30)

Рис. 5.15. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Коэффициент α/(1-α) перед сомножителем I б показывает, как изменяется ток коллектора I к при единичном изменении тока базы I б. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком β.

Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α < 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98÷0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50÷100.

С учетом (5.31), а также I к0 * = I к0 /(1-α) выражение (5.30) можно переписать в виде:

(5.32)

где I к0 * = (1+β)I к0 - тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора I к0 , а величина r к определяется как r к * = r к /(1+β).

Продифференцировав уравнение (5.32) по току базы I б, получаем β = ΔI к /ΔI б. Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I к при изменении тока базы I б.

Для характеристики величины β как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как α = γ·κ, где . Следовательно, . Для величины β было получено значение: β = α/(1-α). Поскольку W/L << 1, а γ ≈ 1, получаем:

(5.33)

На рисунке 5.16а приведены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с током базы, как параметром кривых. Сравнивая эти характеристики с аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I б вызывают значительные изменения коллекторного тока I к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Рис. 5.16. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора КТ215В, включенного по схеме с общим эмиттером :а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.