Біполярні транзистори 4

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

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 однією загальною 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 коллектром. Область, яка управляє потоком цих носіїв, називається базою.

При підключенні прямої напруги між емітером і базою відбувається інжекція носіїв зарядів через відкритий (зміщений у 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 "діркової" провідності типу "p" основними носіями заряду є "дірки", а неосновними - електрони. Частина "дірок" прийшли в базову область рекомбінують в електрони, з'являється струм бази (Іб), який дуже малий у порівнянні стоком емітера, так як тільки мала частина інжектованих "дірок" (носіїв заряду) рекомбінує.
Між колектором і базою прикладається зворотна напруга, тому говорять що носії заряду з області бази екстрагуються (втягуються) в колекторних 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 та колектора:
Iе = Iб + Ік (1); Iб <<Ік (Iе) (2); Ік @ Iе (3);
Ік = a × Iе ® a = Ік / Iе »(0,9 ¸ 0,99) <1 (4);
Ік = a × Iе + Iкбо (5),
де a × Iе - керований струм, Iкбо - некерований (зворотний) струм, що протікає через перехід Б-К в напрямку протилежному прямому струму Ік через цей перехід.

Ік = b × Iб ® b = Ік / Iб (6);
Ік = b × Iб + Iкбо;
Uб »Uе - Uеб (7);
b = a / 1 - a (8);

4. Подача напруги живлення

Зазвичай перехід Е-Б зміщений у прямому напрямку, а К-Б - у 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 Іб. Їхнє ставлення b = Ік / Iб називають коефіцієнтом посилення по струму.

5. Схеми включення та 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 сталий).

Рис.5. Включення транзистора по схемі з ОЕ (а) та 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 по схемі з ОЕ.
На сімействі вихідних характеристик виділяють три області:
1) Область лінійного підсилення;
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 динамічне опір ділянки К-Е прагне до ¥
rке = vUк / vIк;
¨ В області насичення, зміна струму колектора не призводить 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 розсіюваною потужністю 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.
У цьому режимі перехід Б-Е зміщений у прямому напрямку, а Б-К - у 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 колекторному ланцюзі використаний керований джерело струму колектора (Ік = S × Uбе),
де

При цьому внутрішнє динамічний опір включено паралельно цьому джерела струму, як і випливає з теорії електричних ланцюгів (Теорема Теверена про еквівалентному генераторі). При визначенні основних характеристик і параметрів схеми тут і далі будемо вважати, що ідеальні джерела напруги живлення (Еп) і вхідного сигналу (Uвх).
Струм колектора
1) Ік = a / 1 - a × Iб + 1 / 1 - a × Iкбо = b × Iб + (1 + b) × Iкбо »b × Іб,
де: a - коефіцієнт передачі по струму (тобто коефіцієнт передачі струму з емітерний ланцюга в колекторних) в схемі з ОЕ. Т. до b>> 1, то в схемі з ОЕ можливе посилення по струму (тому, що Iб <<Ік!).
2) Струм бази закритого транзистора. При Uбе = 0 (транзистор закритий) Iб »Iкбо, тобто з бази випливає струм, »зворотного тепловому току переходу К-Б.
3) Вхідний опір


Тоді струм бази, який також залежить і від Uбе можна приблизно визначити так:
Iб = Ік × b, де b = h 21 е.
4) Коефіцієнт підсилення по напрузі

5) Коефіцієнт підсилення по струму

6) Вихідний опір

Режим насичення
У цьому режимі обидва переходу зміщені в прямому напрямі.
Зовнішнім проявом режиму насичення є відсутність залежності Ік від Iб. Для схеми з ОЕ існує деякий "граничний" ток Iбн, при якому досягається насичення колекторного струму
Iкн = b × Iбн
При подальшому збільшенні струму бази струм колектора не збільшується і може бути введений певний коефіцієнт, що характеризує:
1) Ступінь насичення
N = Iб / Iбн Þ Iкн = N × Ік
2) Вхідний опір
Rвх н = Rвх / b,
де Rвх - вхідний опір в активній лінійної області.
3) Вихідна напруга
Uвих = Uкен »Uбе
Це так зване залишкову напругу на ділянці К - Е, слабо залежне від величини колекторного струму.
4) Вихідний опір
Rвих »rке» Rвих / b »Rк / b,
де Rвих - вихідний опір в активній лінійної області.
Режим відсічення
У цьому режимі обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.
1) Iе »0
2) Ік »Iкбо
3) Iб »- Iкбо
Межею режиму відсічки є зворотна напруга (напруга відсічення) на переході Б-Е (Uбе обр), при якому Iе = 0!
У більшості цифрових схем Uбе обр таке, при якому Iб зменшується в 100-200 разів!!
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 у 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 у прямому напрямку, перехід К-Б в - зворотному.
1) Ік = a × Iе + Ікс (e Uкб / Uт -1) = a × Iе + Iкбо »a × Iе
Т. до a <1, то посилення по струму в такій схемі неможливо Ік = b × Iб.
2)

3) Ki = a »1
4) Rвх »rбе / ÙUвх / Ù Iвх, тобто в b разів менше ніж всхеме з ОЕ!!
5)
,
тобто таке ж як і в схемі з ОЕ.
Режим насичення
в даній схемі можливо тільки при Uк <Uб, що недосяжно при фіксованій полярності живлення. Тобто режиму насичення немає.
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 керуючу напругу докладено до ділянки Б-Е, вихідний сигнал знімається з резистора навантаження, включеного в еміттерную 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 у схемі з ОЕ!!
На рис.8 наведені схема включення і її еквівалентна схема.

Рис.8
1)

2)

3) Rвх = rбе + b × Rе, тобто у багато разів більше ніж Rвх у схемах з ОЕ та ОБ! (Десятки і сотні кОм).
4)

Тобто така схема має високий Ki, мале Rвих і велика 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. = ÙUбе / ÙIбе ÷ Uк = const = Rвх
h 12 е. = ÙUбе / ÙUк ½ Iб = const -
коефіцієнт внутрішньої ОС (дуже мала величина, якої в інженерній практиці нехтують і приймають = 0)
h 21 е. = ÙIк / ÙIб ½ Iб = const = b
h 22 е = ÙIк / ÙUк ½ Iб = 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 у ключових схемах.
Частотні властивості транзистора в активному режимі визначаються:
інерційністю процесів поширення рухливих носіїв у 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, велику частину джерел інерційності процесів у транзисторі зводяться до еквівалентних ємностей (залежних, в загальному випадку, від напруги і частоти). За рахунок цього отримують досить прості еквівалентні схеми транзистора на змінному струмі, наведені на ріс.5.6.

Рис.9. Еквівалентні схеми для активного режиму а) і режиму відсічки б).
Коефіцієнт передачі по струму може бути представлений характеристикою ФНЧ першого порядку
,
де w b - частота зрізу.
У тимчасовій області ця залежність має вигляд:
,
де t b = 1 / w b - постійна часу зміни коефіцієнта передачі по струму.
Граничною частотою посилення (або "частотою одиничного посилення") називають частоту, при якій модуль коефіцієнта підсилення зменшується до
У практичних в розрахунках використовується співвідношення
w гр = b × w b
t a = t b / (1 ​​+ b) або t b = (1 + b) t a »b × t a,
де t a = 1/2pf a, f a - гранична частота підсилення для схеми з ОЕ, яка приводиться зазвичай в довідкових даних!
Крім f a в довідкових даних наводяться значення t a і t b, а також величини ємностей емітерного (С * ЕО) і колекторного (С * ко) переходів при Uкб = 0, Uеб = 0, Uкк і Uек - контактна різниця потенціалів переходів До -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 у відритому і насиченому стані. Причому, зі збільшенням Iкн збільшується tр!
Ік (t) = b (t) × Iб
Iкн = b 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 <Uкб 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, рівною 25 о С. Зі збільшенням t о С необхідне 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: РадіоСофт, 2000. - 512с.
4. Пєтухов В.М. Біполярні транзистори середньої та великої потужності надвисокочастотні і їх зарубіжні аналоги. Довідник. Том 4. Видавництво: кубки-а, 1997. - 544с.
5. Чіжма С.М. Основи схемотехніки. СПб., 2008. - 424с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
29.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Біполярні транзистори 2
Біполярні транзистори 3
Біполярні транзистори
Біполярні транзистори
Біполярні горизонтальні і амакріновие клітини
Транзистори
Транзистори
Діоди і транзистори
Польові транзистори
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru