Напряжение смещения транзистора – Смещение транзистора-подробные схемы функции.

Смещение транзистора-подробные схемы функции.

Транзисторы являются широко используемыми полупроводниковыми устройствами. Они используется во множестве разных случаев, включая усиление и коммутацию. Для того чтобы выполнить подобные функции удовлетворительно, транзистор должен быть снабжён определенным электрическим током и/или напряжением.

Процесс обеспечения данных условий для транзистора называется “Смещение транзистора”. Эта цель может быть достигнута множеством методик, которые дают множество различных схем смещения.

Как бы там ни было, все эти схемы базируются на принципе обеспечения точно высчитанного тока, IB, и тока на коллекторе, Ic от подаваемого напряжения, напряжении постоянного тока, когда сигнал на входе отсутствует.

Более того, резистор коллектора Rc должен быть выбран так, чтобы напряжение коллектора и эмиттера, VCE, оставалось больше 0,5 вольт для транзисторов, сделанных из германия, и более 1 вольта для кремниевых транзисторов. Ниже объяснены несколько вполне удовлетворительных схем смещения.

Смещение с постоянной базой и смещение с постоянным сопротивлением

Схема имеет базовый резистор RB, который соединяет базу и напряжение постоянного тока. Тут соединение базы-эмиттера у транзистора, который смещён за счёт снижения напряжения через RB, что является результатом течения IB через него.

Здесь величины напряжения постоянного тока и VBE постоянны, в то время как величина RB постоянна с момента создания схемы. Это приводит к постоянной величине для IB за счёт постоянного операционного усилителя. Благодаря последнему данная схема называется смещением с постоянной базой. Этот вид смещения – результат стабилизирующего фактора (ß + 1), который приводит к очень низкой термической стабильности.

Причина этого кроется в том, что ß – параметр транзистора непредсказуем, и сильно изменяется, даже если транзисторы одного типа и модели. Это изменение в ß выражается в больших изменениях в Ic, которые не могут быть компенсированы никакими средствами при проектировании. Отсюда можно сделать вывод, что этот вид смещения, зависящего от ß, подвержен изменениям в операционном усилителе, возникающим из за изменений в характеристиках транзистора и температуры.

Как бы там ни было, стоит отметить, что смещение с постоянной базой наиболее простое и использует меньше деталей. Более того, оно даёт пользователю возможность менять операционный усилитель где угодно в активной зоне просто за счёт смены значения RB в проектировании. Также оно предлагает не загружать источник как соединение базы-эмиттера без резистора. Благодаря этим факторам, этот тип смещения используется при коммутации и для достижения автоматического контроля за коэффициентом усиления в транзисторах.

Смещение при обратной связи с коллектором

На данной схеме базовый резистор RB подсоединён через коллектор и базовые выводы транзистора. Это означает, что базовое напряжение, VB, и напряжение коллектора, Vс, взаимосвязаны.

Увеличение в Ic уменьшает Vс, из-за уменьшившегося IB. Автоматически уменьшается Ic. Это показывает, что для такого типа смещения, операционный усилитель остается постоянным безотносительно к изменениям в поступающем токе, являющимся причиной того, что транзистор постоянно находится в своей активной зоне вне зависимости от величины ß.

Эта схема также называется схемой само-смещения с отрицательной обратной связью, ведь обратная связь тут от выхода к входу через RB. Этот довольно простой вид смещения имеет стабилизирующий фактор меньше (ß + 1). Это обеспечивает большую стабильность по сравнению с постоянным смещением. Как бы там ни было, уменьшение тока коллектора за счёт базового электрического тока приводит к уменьшению коэффициента усиления на усилителе.

Смещение с двойной связью

Схема смещения с двойной связью в данном случае является импровизацией, основанной на смещении обратной связи с коллектором. Тут имеется дополнительный резистор R1. Это объясняется усилением тока, текущего через базовые резисторы. Схема устойчива к изменениям значений ß.

Постоянное смещение с резистором эмиттера

Это смещение не что иное, как постоянное смещение с дополнительным резистором эмиттера, RE. Если Ic возрастёт из-за увеличения температуры, то IE тоже возрастёт, что в дальнейшем приведет к увеличению уменьшения напряжения через RE. Уменьшение в Vc станет причиной уменьшения в IB, которое вернёт Ic к его нормальному значению. Таким образом, этот вид смещения обеспечивает лучшую стабильность, чем смещение с постоянной базой. Наличие RE уменьшает напряжение от усилителя, а также результаты его нежелательной AC обратной связи.

Смещение эмиттера

Это смещение использует два напряжения, напряжение постоянного тока (Vcc) и VEE, которые равны, но противоположны по заряду. Тут смещения VEE, соединение через базу-эмиттер через RE за счёт Vcc обратных смещений, соединение коллектор-база. В этом случае смещения, Ic может быть сделано независимой и от ß, и от VBE за счёт выбора RE > > RB и VEE > > VBE, соответственно. В итоге получается стабильный операционный усилитель.

Смещение эмиттера с обратной связью

Это само-смещение эмиттера использует и обратную связь коллектора-базы, и обратную связь эмиттера. В итоге – более высокая стабильность. Соединение эмиттер-база смещается из-за уменьшения напряжения через резистор эмиттера, RE. Это происходит из-за течения тока через эмиттер, IE. Это также приводит к более интенсивному понижению напряжения через RE, что, в свою очередь, уменьшает напряжение на коллекторе, Vc и IB, тем самым возвращая Ic прежнее значение.

Как бы там ни было, это является следствием уменьшения коэффициента усиления на выходе из-за наличия дегенеративной обратной связи, которая является нежелательной AC обратной связью. В такой связи количество тока, проходящего через резистор обратной связи, определяется за счёт значения напряжения коллектора, Vc. Этот эффект может быть компенсирован использованием большого обходного конденсатора через резистор эмиттера, RE.

Смещение с делителем напряжения

Этот вид смещения использует делитель напряжения, который сформирован за счёт резисторов R1 и R2 для смещения транзистора. Это означает, что напряжение, проходящее через R2, будет напряжением на базе транзистора, который смещает своё соединение базы-эмиттера. В общем, ток через R2 будет постоянным и будет являться током на базе, используемым 10 раз, IB (i.e. I2 = 10IB). Это сделано, чтобы обойти его воздействие на ток делителя напряжения или на изменения в ß.

В этом типе смещения, Ic устойчив к изменениям и в ß, и в VBE, что ведёт к стабилизирующему фактору со значением 1 (теоретически) и максимально возможной термической стабильности. Это объясняется тем, что подобно тому как Ic увеличивается из-за роста температуры, IE также увеличивается из-за возрастания напряжения на эмиттере, VE, которое, напротив, уменьшает напряжение базы-эмиттера, VBE. Это приводит к уменьшению тока на базе, IB, что возвращает Ic к исходному значению.

Очень высокая стабильность, которую обеспечивает данное смещение, сделало его наиболее широко используем, несмотря на обеспечение уменьшенного коэффициента усиления у усилителя в силу наличия RE. Отдельно от проанализированных основных типов схем смещения, транзисторы с биполярным соединением могут также быть смещены при использовании активных схем или за счёт применения кремниевых или стабилизирующих диодов. Стоит также отметить, что несмотря на то, что схемы смещения объяснены для транзисторов с биполярным соединением, похожие схемы смещения существуют и для транзисторов с эффектом поля.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

elektronchic.ru

Расчет смещения (биполярные транзисторы)

Добавлено 23 октября 2017 в 00:45

Сохранить или поделиться

Хотя транзисторные коммутационные схемы работают без смещения, для аналоговых схем работать без смещения – это необычно. Одним из немногих примеров является радиоприемник на одном транзисторе в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9 с усиливающим АМ (амплитудная модуляция) детектором. Обратите внимание на отсутствие резистора смещения базы в этой схеме. В этом разделе мы рассмотрим несколько базовых схем смещения, которые могут устанавливать выбранное значение тока эмиттера I_Э. Учитывая величину тока эмиттера I_Э, которую необходимо получить, какие потребуются номиналы резисторов смещения, R_Б, R_Э и т.д.

Схема смещения с фиксированным током базы

В простейшей схеме смещения применяется резистор смещения базы между базой и батареей базы V_смещ. Использовать существующий источник V_пит, вместо нового источника смещения, – очень удобно. Пример данной схемы смещения показан в каскаде аудиоусилителя в детекторном приемнике в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9. Обратите внимание на резистор между базой и клеммой батареи. Подобная схема показана на рисунке ниже.

Напишите уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_Б и падение напряжения V_БЭ на переходе транзистора, на рисунке ниже. Обратите внимание, что мы используем обозначение V_смещ, хотя на самом деле это V_пит. Если коэффициент β велик, мы можем сделать приближение, что I_К = I_Э. Для кремниевых транзисторов V_БЭ ≅ 0.7 В.

Схема смещения с фиксированным током базы

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Б R_Б\]

\[I_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б }\]

\[I_Э = (\beta + 1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta }\]

Коэффициент β малосигнальных транзисторов, как правило, лежит в диапазоне 100–300. Предположим у нас есть транзистор β=100, какое номинал резистора смещения базы потребуется, чтобы достичь тока эмиттера 1 мА?

Решение уравнения I_Э для определения R_Б и подстановка значений β, V_смещ, V_БЭ и I_Э дадут результат 930 кОм. Ближайший стандартный номинал равен 910 кОм.

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \)

\[R_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { 10 — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 930 кОм \]

Чему будет равен ток эмиттера при резисторе 910 кОм? Что случится с током эмиттера, если мы заменим транзистор на случайный с β=300?

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad R_Б = 910 кОм \qquad V_{БЭ} = 0,7 В\)

\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta } = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 100 } = 1,02 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 300 } = 3,07 мА \]

При использовании резистора стандартного номинала 910 кОм ток эмиттера изменится незначительно. Однако при изменении β со 100 до 300 ток эмиттера утроится. Это неприемлемо для усилителя мощности, если мы ожидаем, что напряжение на коллекторе будет изменяться от почти V_пит до почти земли. Тем не менее, для сигналов низкого уровня от микровольт до примерно вольта точка смещения может быть отцентрирована для β, равного квадратному корню из (100·300), что равно 173. Точка смещения будет по-прежнему дрейфовать в значительном диапазоне. Однако сигналы низкого уровня не будут обрезаны.

Схема смещения с фиксированным током базы по своей природе не походит для больших токов эмиттера, которые используются в усилителях мощности. Ток эмиттера в схеме смещения с фиксированным током базы не стабилен по температуре. Температурный уход – это результат большого тока эмиттера, который вызывает повышение температуры, которое вызывает увеличение тока эмиттера, что еще больше повысит температуру.

Схема автоматического смещения (с обратной связью с коллектором)

Изменения смещения из-за температуры и коэффициента бета могут быть уменьшены путем перемещения вывода резистора смещения с источника напряжения V_смещ на коллектор транзистора, как показано на рисунке ниже. Если ток эмиттера будет увеличиваться, увеличится падение напряжения на R_К, что уменьшит напряжение V_К, что уменьшит I_Б, подаваемый обратно на базу. Это в свою очередь уменьшит ток эмиттера, корректируя первоначальное увеличение.

Напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_К, R_Б и падение напряжения V_БЭ. Заменим I_К≅I_Э и I_Б≅I_Э/β. Решение для I_Э дает формулу I_Э для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором. Решение для R_Б дает формулу R_Б для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором.

Схема автоматического смещения при обратной связи с коллектором

\[I_К = \beta I_Б \qquad I_К \approx I_Э \qquad I_Э \approx \beta I_Б \]

\[V_{пит} — I_К R_К — I_Б R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} — I_Э R_К — (I_Э/ \beta) R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э R_К + (I_Э/ \beta) R_Б\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э (( R_Б / \beta) + R_К)\]

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} -V_{БЭ} \over I_Э } — R_К \right] \]

Найдем необходимый резистор смещения при обратной связи с коллектором для тока эмиттера 1 мА, резистора нагрузки коллектора 4,7 кОм и транзистора с β=100. Найдем напряжение коллектора V_К. Оно должно быть примерно посередине между V_пит и корпусом.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \qquad R_К = 4,7 кОм \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_К \right] = 100 \left[ {10 — 0,7 \over 1 мА } — 4,7 кОм \right] = 460 кОм \]

\[ V_К = V_{пит} — I_К R_К = 10 — (1 мА) (4,7 кОм) = 5,3 В \]

Ближайший стандартный номинал к резистору 460 кОм для автоматического смещения при обратной связи с коллектором равен 470 кОм. Найдем ток эмиттера I_Э для резистора 470 кОм. Пересчитаем ток эмиттера для транзисторов с β=100 и β=300.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad R_К = 4,7 кОм \qquad R_Б = 470 кОм \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 100 + 4,7 кОм } = 0,989 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 300 + 4,7 кОм } = 1,48 мА \]

Мы видим, что по мере того как коэффициент бета изменяется от 100 до 300, ток эмиттера увеличивается с 0,989 мА до 1,48 мА. Это лучше, чем в предыдущей схеме смещения с фиксированным током базы, где ток эмиттера увеличился с 1,02 мА до 3,07 мА. При изменении коэффициента бета смещение с обратной связью с коллектором в два раза стабильнее, чем смещение с фиксированным током базы.

Смещение эмиттера

Вставка резистора R_Э в схему эмиттера, как показано на рисунке ниже, вызывает уменьшение уровня сигнала на выходе, также известное как отрицательная обратная связь. Она препятствует изменениям тока эмиттера I_Э из-за изменений температуры, допустимых отклонений номиналов резисторов, изменений коэффициента бета или допустимых отклонений напряжения питания. Типовые допуски составляют: сопротивление резисторов – 5%, бета – 100-300, источник питания – 5%. Почему резистор эмиттера может стабилизировать изменение тока? Полярность падения напряжения на R_Э обусловлена V_пит на батарее коллектора. Полярность на выводе резистора, ближайшем к (-) клемме батареи, равна (-), а на выводе, ближайшем к клемме (+), равна (+). Обратите внимание, что (-) вывод R_Э подключен к базе через батарею V_смещ и R_Б. Любое увеличение тока через R_Э увеличит величину отрицательного напряжения, приложенного к цепи базы, уменьшая ток базы, что уменьшает ток эмиттера. Это уменьшение тока эмиттера частично компенсирует первоначальное увеличение.

Смещение эмиттера

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} — I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} — (I_Э / \beta) R_Б — V_{БЭ} — I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Э ((R_Б / \beta) +R_Э)\]

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э }\]

\[R_Б / \beta +R_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right]\]

Обратите внимание, что на рисунке выше для смещения базы, вместо V_пит, используется батарея базы V_смещ. Позже мы покажем, что смещение эмиттера более эффективно с меньшей батареей смещения базы. Между тем, напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера, обращая внимание на полярности компонентов. Подставим I_Б≅I_Э/β и решим уравнение для тока эмиттера I_Э. Это уравнение может быть решено для R_Б (смотрите выше).

Прежде чем применять формулы R_Б и I_Э (смотрите выше), нам нужно выбрать значения резисторов R_К и R_Э. R_К зависит от источника питания коллектора V_пит и тока коллектора, который мы хотим получить, и который, как мы предполагаем, приблизительно равен току эмиттера I_Э. Обычно точка смещения для V_К устанавливается равно половине V_пит. Хотя ее можно было бы установить и выше для компенсации падения напряжения на резисторе эмиттера R_Э. Ток коллектора – это то, что нам необходимо. Он варьируется от микроампер до ампер в зависимости от приложения и параметров транзистора. Мы выберем I_К = 1 мА, типовое значение для транзисторной схемы для малых сигналов. Мы вычисляем значение R_К и выбираем ближайшее стандартное значение. Как правило, хорошо подходит резистор эмиттера, который составляет 10-50% от резистора нагрузки коллектора.

\[V_К = V_{пит} / 2 = 10/2 = 5 В \]

\[R_К = V_К / I_К = 5/1 мА = 5 кОм \quad \text{(стандартный номинал 4,7 кОм)} \]

\[R_Э = 0,1 R_К = 0,1 (4,7 кОм) = 470 Ом \]

В нашем первом примере используем источник смещения с высоким напряжением V_смещ = V_пит = 10 В, чтобы показать, почему желательно более низкое напряжение. Определим стандартный номинал резистора. Рассчитаем ток эмиттера для β=100 и β=300. Сравним стабилизацию тока с предыдущими схемами смещения.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = V_{смещ} = 10 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {10 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 883 кОм\]

Для рассчитанного сопротивления резистора R_Б 883 кОм ближайшим стандартным номиналом является 870 кОм. При β=100 ток эмиттера I_Э равен 1,01 мА.

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 870 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 — 0,7 \over 870кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 — 0,7 \over 870кОм / 300 + 470 } = 2,76 мА\]

Токи эмиттера показаны в таблице ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА

В приведенной выше таблице показано, что для V_смещ = 10 В смещение эмиттера не очень хорошо помогает стабилизировать ток эмиттера. Пример со смещением эмиттера лучше, чем предыдущий пример смещения базы, но не намного. Ключом к эффективности смещения эмиттера является снижение напряжения смещения базы V_смещ ближе к величине смещения эмиттера.

Какую величину смещения эмиттера мы сейчас имеем? Округляя, ток эмиттера, умноженный на сопротивление резистора эмиттера: I_ЭR_Э = (1 мА)(470) = 0,47 В. Кроме того, нам необходимо превысить V_БЭ = 0,7 В. Таким образом, на необходимо напряжение V_смещ > (0.47 + 0.7) В или > 1.17 В. Если ток эмиттера изменяется, это число изменится по сравнению с фиксированным напряжение смещения базы V_смещ, что приведет к коррекции тока базы I_Б и тока эмиттера I_Э. Нам подойдет V_Б > 1.17 В, равное 2 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 83 кОм\]

Рассчитанный резистор базы 83 кОм намного меньше, чем предыдущий 883 кОм. Мы выбираем 82 кОм из списка стандартных номиналов. Токи эмиттера при R_Б = 82 кОм и коэффициентах β=100 и β=300 равны:

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 82 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 82 кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 82 кОм / 300 + 470 } = 1,75 мА\]

Сравнение токов эмиттера для смещения эмиттера при V_смещ = 2 В и коэффициентах β=100 и β=300 с предыдущими примерами схем смещения показано в таблице ниже. И здесь мы видим значительное улучшение при 1,75 мА, хотя и не так хорошо, как 1,48 мА при обратной связи с коллектором.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В	1,01 мА	1,75 мА

Как мы можем улучшить эффективность смещения эмиттера? Либо увеличить резистор эмиттера R_Э или уменьшить напряжение источника смещения V_смещ, или и то, и другое. В качестве примера удвоим сопротивление резистора эмиттера до ближайшего стандартного значения 910 Ом.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 910 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 910 \right] = 39 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 39 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 39 кОм / 300 + 910 } = 1,25 мА\]

Эффективность схемы смещения эмиттера с резистором эмиттера 910 Ом намного лучше. Смотрите таблицу ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА

В качестве упражнения изменим пример смещения эмиттера, вернув резистор эмиттера на 470 Ом, и уменьшив напряжение источника смещения до 1,5 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 33 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 33 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Поэтому пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {1,5 — 0,7 \over 33 кОм / 300 + 470 } = 1,38 мА\]

В таблице ниже приведено сравнение результатов 1 мА и 1,38 мА с предыдущими примерами.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 1,5 В, RЭ = 470 Ом	1,00 мА	1,38 мА

Формулы для смещения эмиттера были повторены ниже с учетом внутреннего сопротивления эмиттера для лучшей точности. Внутреннее сопротивление эмиттера представляет собой сопротивление в цепи эмиттера внутри корпуса транзистора. Это внутреннее сопротивление r_Э оказывает большое влияние, когда (внешний) резистор эмиттера R_Э мал или даже равен нулю. Значение внутреннего сопротивления эмиттера является функцией тока эмиттера I_Э. Формула приведена ниже.

\[ r_Э = KT/I_Э m \]

где

• K=1.38×10^-23 Дж·К⁻¹ – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• I_Э – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

\[ r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э \]

Ниже приведен вывод формул с учетом r_Э.

Схема смещения эмиттера с учетом внутреннего сопротивления r_Э

Более точные формулы смещения эмиттера могут быть получены при написании уравнения закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера. В качестве альтернативы, начнем с формулы I_Э, а затем перейдем в к формуле R_Б, заменив R_Э на r_Э + R_Э. Результаты показаны ниже.

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} — I_Э r_Э — I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} — (I_Э / \beta) R_Б — V_{БЭ} — I_Э r_Э — I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Э (R_Б / \beta) + I_Э r_Э + I_Э R_Э\]

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta + r_Э +R_Э }\]

\[R_Б / \beta + r_Э +R_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — r_Э — R_Э \right]\]

\[r_Э = 26 мВ / I_Э \]

Повторим расчет R_Б из предыдущего примера, но уже с учетом r_Э, и сравним результаты.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\( r_Э = 26 мВ / 1 мА = 26 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — r_Э — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 26 — 470 \right] = 80,4 кОм\]

Включение в расчеты r_Э приводит к более низкому значению сопротивления резистора базы R_Б, как показано в таблице ниже. Это значение находится ниже стандартного номинала 82 кОм, а не выше его.

Эффект от учета r_Э на расчет R_Б

rЭ?	Значение RБ
Без учета rЭ	83 кОс
С учетом rЭ	80,4 кОм

Конденсатор обхода R_Э

Одна из проблем смещения эмиттера заключается в том, что значительная часть выходного сигнала падает на резисторе эмиттера R_Э (рисунок ниже). Это падение напряжения на резисторе эмиттера находится в последовательном соединении с базой и обладает полярностью, противоположной полярности входного сигнала. (Это похоже на схему с общим коллектором с коэффициентом усиления по напряжению < 1). Это уменьшение уровня сигнала сильно снижает коэффициент усиления по напряжению от базы до коллектора. Решение для усилителей сигналов переменного тока заключается в обходе резистора эмиттера с помощью конденсатора. Это восстанавливает усиление переменного напряжения, поскольку конденсатор для сигналов переменного тока представляет собой короткое замыкание. Постоянный ток эмиттера всё еще будет уменьшаться на резисторе эмиттера, таким образом, стабилизация постоянного тока сохранится.

Конденсатор обхода требуется для предотвращения уменьшения усиления сигнала переменного напряжения

Какая величина емкости должна быть у конденсатора обхода? Она зависит от самой низкой частоты усиливаемого сигнала. Для радиочастот C_обхода может быть небольшим. Для аудиоусилителя с нижней частотой 20 Гц этот конденсатор будет большим. «Эмпирическое правило» для конденсатора обхода состоит в том, что реактивное сопротивление должно составлять 1/10 или меньше от сопротивления резистора эмиттера. Конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы поддерживать самую низкую частоту усиливаемого сигнала. Конденсатор для аудиоусилителя 20 Гц – 20 кГц равен:

\[X_C = { 1 \over 2 \pi f C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi f X_C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi 20 (470/10) } = 169 мкФ\]

Обратите внимание, что внутреннее сопротивление эмиттера r_Э не обходится конденсатором обхода.

Смещение делителем напряжения

Устойчивое смещение эмиттера требует низковольтного источника смещения базы (рисунок ниже). Альтернативой источнику базы V_смещ является делитель напряжения, питаемый источником питания коллектора V_пит.

Смещение делителем напряжения заменяет источник напряжения базы на делитель напряжения

Технология проектирования заключается в том, чтобы сначала разработать схему смещения эмиттера, затем преобразовать ее в схему смещения базы с помощью делителя напряжения, используя теорему Тевенина. Этапы графически показаны на рисунке ниже. Нарисуем делитель напряжения, не присваивая номиналов резисторов. Отделите делитель от базы (база транзистора является его нагрузкой). Примените теорему Тевенина, чтобы получить эквивалентные одно сопротивление Тевенина R_Тев и один источник напряжения V_Тев.

Теорема Тевенина преобразует делитель напряжения в один источник напряжения V_Тев и одно сопротивление R_Тев

Эквивалентное сопротивление Тевенина – это сопротивление от точки нагрузки (стрелка) при уменьшении напряжения батареи (V_пит) до 0 (земля). Другими словами, R1 || R2. Эквивалентное напряжение Тевенина представляет собой напряжение разомкнутой цепи (снятая нагрузка). Этот расчет осуществляется методом коэффициента деления делителя напряжения. R1 получается путем исключения R2 из пары формул для R_Тев и V_Тев. Ниже приведена формула расчета R1, исходя из значений R_Тев, V_Тев и V_пит. Обратите внимание, что R_Тев представляет собой R_Б, резистор смещения из схемы смещения эмиттера. Также ниже приведена формула расчета R2, исходя из значений R1 и R_Тев.

\[R_{Тев} = R1 || R2\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { 1 \over R1} + { 1 \over R2}\]

\[V_{Тев} = V_{пит} \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[\text f = { V_{Тев} \over V_{пит} }= \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { R2 + R1 \over R1 \cdot R2 } = { 1 \over R1 } \left[ { R2 + R1 \over R2 } \right] = { 1 \over R1 } \cdot { 1 \over \text f }\]

\[R1 = { R_{Тев} \over \text f } = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}}\]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1}\]

Преобразуем предыдущий пример смещение эмиттера в смещение с помощью делителя напряжения.

Пример смещения эмиттера, преобразованный в смещение с помощью делителя напряжения

Эти значения были ранее выбраны или расчитаны для примера смещения эмиттера.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 33 кОм\]

Подстановка значений V_пит, V_смещ и R_Б даст в результате значения R1 и R2 для схемы смещения с делителем напряжения.

\[V_Б = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[R_Б = R_{Тев} = 33 кОм \]

\[R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} = 33 кОм { 10 \over 1,5} = 220 кОм \]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1} = { 1 \over 33 кОм} — { 1 \over 220 кОм} \]

\[R2 = 38,8 кОм \]

Значение R1 равно стандартному значению 220 кОм. Ближайшее стандартное значение для R2, равного 38,8 кОм, рано 39 кОм. Это не сильно изменить I_Э, чтобы его рассчитывать.

Задача: Рассчитаем резисторы смещения для каскодного усилителя на рисунке ниже. V_Б2 – это напряжение смещения каскада с общим эмиттером. V_Б1 – это довольно высокое напряжение 11,5 В, потому что мы хотим, чтобы каскад с общей базой удерживал напряжение на эмиттере на уровне 11,5 – 0,7 = 10,8 В, примерно 11 В. (Это будет 10 В после учета падения напряжения на R_Б1.) То есть, каскад с общей базой является нагрузкой, заменяющей резистор, коллектора каскада с общим эмиттером. На нужен ток эмиттера 1 мА.

Смещение для каскодного усилителя

\( V_{пит} = 20 В \qquad I_Э = 1 мА \qquad \beta = 100 \qquad V_A = 10 В \qquad R_{нагр} = 4,7 кОм \)

\( V_{смещ1} = 11,5 В \qquad V_{смещ2} = 1,5 В \)

\[ I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } \]

\[R_{Б1} = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (V_{смещ1} — V_A) — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (11,5 — 10) — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

\[R_{Б2} = { V_{смещ2} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (1,5) — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

Задача: Преобразуем резисторы смещения базы в каскодном усилителе в резисторы схемы смещения с делителем напряжения, питающимся от V_пит 20 В.

\[ R_{смещ1} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ1} = 11,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 11,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R1 = 80 кОм { 20 \over 11,5} = 139,1 кОм \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1} \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over 80 кОм} — { 1 \over 139,1 кОм} \]

\( R2 = 210 кОм \)

\[ V_{пит} = V_{Тев} = 20 В \]

\[ R_{смещ2} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ2} = 1,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R3 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R3 = 80 кОм { 20 \over 1,5} = 1,067 МОм \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R3} \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over 80 кОм} — { 1 \over 1067 кОм} \]

\( R4 = 86,5 кОм \)

Окончательная схема показана в главе 9 «Практические аналоговые схемы» в разделе «Радиочастотные схемы» под названием «Каскодный усилитель класса A…».

Подведем итоги:

• Посмотрите на рисунок ниже.
• Выберите схему смещения.
• Выберите R_К и I_Э для вашего приложения. Значения R_К и I_Э обычно должны устанавливать напряжение коллектора V_К на 1/2 от V_пит.
• Рассчитайте резистор базы R_Б, чтобы получить необходимый ток эмиттера.
• Если необходимо, пересчитайте ток эмиттер I_Э для стандартных номиналов резисторов.
• Для схемы смещения с делителем напряжения выполните сначала расчет смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
• Для усилителей переменного тока: конденсатор обхода, параллельный R_Э, улучшает усиление по переменному напряжению. Выберите X_C≤0,10R_Э для самой низкой частоты.

Формулы расчета смещения (вкратце)

Оригинал статьи:

Теги

Автоматического смещение с обратной связью с коллекторомБиполярный транзисторНапряжение смещенияСмещение делителем напряженияСмещение с фиксированным током базыСмещение транзистораСмещение эмиттераУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Методы смещения (биполярные транзисторы)

Добавлено 17 октября 2017 в 18:30

Сохранить или поделиться

В разделе данной главы про схему усилителя с общим эмиттером мы видели результаты SPICE анализа, где выходной сигнал был похож по форме на сигнал на выходе полуволнового выпрямителя: воспроизводилась только одна полуволна входного сигнала, а вторая полностью отсекалась. Поскольку наша цель на тот момент заключалась в воспроизведении всей формы сигнала, это представляло собой проблему. Решением этой проблемы было добавление на вход усилителя небольшого напряжения смещения, так чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. Это дополнение называлось напряжением смещения.

Для некоторых приложений полуволновый выход не является проблемой. На самом деле, некоторые приложения могут потребовать усиление такого рода. Поскольку возможно работать с усилителем в режимах, отличных от полуволнового воспроизведения, и для конкретных приложений требуются воспроизведение разных диапазонов форм сигнала, полезно описать степень, в которой усилитель воспроизводит форму входного сигнала, назначая ей соответствующий класс. Усилители подразделяются по классам с помощью букв: A, B, C и AB.

При работе класса A воспроизводится вся форма входного сигнала. Хотя я еще не представил эту концепцию в разделе про схему с общим эмиттером, это то, чего мы хотели достичь в наших моделированиях. Работа в классе A может быть получена только тогда, когда транзистор всё время находится в активном режиме, никогда не достигая режимов отсечки или насыщения. Для достижения этого обычно постоянное напряжение смещения устанавливается на уровне, необходимом для того, чтобы вывести транзистор в режим, ровно посередине между отсечкой и насыщением. Таким образом, входной сигнал переменного напряжения будет идеально «центрирован» между минимальным и максимальным ограничивающими сигнал уровнями.

Класс A: Выходной сигнал усилителя точно воспроизводит по форме входной сигнал

Работа в классе B – это то, что мы впервые получили, подав сигнал переменного напряжения на вход усилителя с общим эмиттером без постоянного напряжения смещения. Транзистор провел половину периода синусоиды в активном режиме, а вторую половину – в режиме отсечки с входным напряжением, слишком низким (или даже противоположной полярности!) для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Класс B: смещение такое, что воспроизводится половина (180°) синусоиды

Сам по себе усилитель, работающий в режиме класса B, не очень полезен. В большинстве случаев сильное искажение, введенное в форму сигнала путем отсечки ее половины, было бы неприемлемым. Однако работа в режиме класса B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактная пара, каждый усилитель обрабатывает за период синусоиды только одну полуволну:

Двухтактный усилитель класса B: каждый транзистор воспроизводит только половину формы сигнала. Объединение этих половинок дает точное воспроизведение всей формы сигнала.

Транзистор Q1 «толкает» (подает выходное напряжение в положительном направлении относительно земли), в то время как транзистор Q2 «тянет» (в отрицательном направлении относительно земли). Отдельно каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активен только во время одной половины периода входной синусоиды. Однако вместе они работают как команда для формирования выходного сигнала, идентичного по форме входному сигналу.

Решающим преимуществом схемы усилителя класса B (двухтактного) по сравнению со схемой класса A является большая выходная мощность. В схеме класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, так как он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках периода синусоиды он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток, и на нем падает значительное напряжение. Существенная мощность рассеивается транзистором на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. В схеме класса B каждый транзистор проводит половину периода синусоиды в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток = нулевая рассеиваемая мощность). Это дает каждому транзистору время для «отдыха» и охлаждения, в то время как другой транзистор переносит сигнал на нагрузку. Усилители класса A более просты в разработке, но, как правило, их применение по простой причине (рассеяние тепла на транзисторе) ограничено низкочастотными сигнальными приложениями.

Другой класс работы усилителя, известный как класс AB, находится где-то между классами A и B: транзистор проводит ток во время более 50%, но менее 100% длительности периода входного сигнала.

Если смещение входного сигнала для усилителя будет немного отрицательным (противоположно полярности смещения для режима класса A), то форма выходного сигнала будет «обрезана» больше, чем при смещении класса B, что приведет к такой работе, когда транзистор проводит большую часть времени в режиме отсечки:

Класс C: ток проводится во время менее половины периода (<180°) синусоиды входного сигнала

Сначала эта схема может показаться совершенно бессмысленной. В конце концов, насколько полезным может быть усилитель, если он так обрезает сигнал? Если выходной сигнал используется напрямую без каких-либо обработок, польза от этого усилителя действительно будет сомнительной. Однако с применением схемы резонансного контура (параллельно включенных индуктивности и конденсатора) на выходе усилителя редкие всплески выходного сигнала, выдаваемые усилителем, могут привести в движение непрерывные колебания, поддерживаемые резонансным контуром. Это можно сравнить с машиной, где тяжелый маховик получает редкие «толчки», чтобы он вращаться:

Усилитель класса C подает выходной сигнал на резонансный контур

Схема усилителя класса C обладает высокой энергоэффективностью, поскольку транзистор(ы) проводят большую часть времени в режиме отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Величина отсечки формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний «толчков» от усилителя) здесь для наглядности преувеличена. Из-за наличия резонансного контура на выходе эта схема используется только для усиления сигналов определенной фиксированной амплитуды. Усилитель класса C может использоваться в радиопередатчиках с FM (частотной модуляцией). Однако из-за искажений он не может напрямую усилить AM (амплитудно-модулированный) сигнал.

Еще один режим работы усилителя, значительно отличающийся от классов A, B, AB и C, называется классом D. Он не зависит от прикладывания определенной величины напряжения смещения, как другие классы режимов, а требует радикального изменения схемы усилителя. В этой главе слишком рано исследовать, как построен усилитель класса D, но не слишком рано обсудить основной принцип его работы.

Усилитель класса D воспроизводит очертание формы входного напряжения, создавая высокочастотные импульсы на выходе. Коэффициент заполнения этого выходного сигнала (отношение времени «включения» к периоду сигнала) изменяется в зависимости от мгновенного напряжения сигнала на входе. Графики на рисунке ниже демонстрируют этот принцип работы.

Усилитель класса D: входной сигнал и нефильтрованный выходной сигнал

Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше коэффициент заполнения прямоугольных импульсов выходного сигнала. Если и есть цель использования схемы усилителя класса D, то это избегание работы транзистора в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только в режимах отсечки и насыщения, на нем будет рассеиваться мало тепловой энергии. Это приводит к очень высокой энергоэффективности этого усилителя. Конечно, недостатком этой технологии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку частоты этих гармоник обычно намного превышают частоту входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы с помощью фильтра нижних частот, в результате чего выходной сигнал очень близко напоминает по форме входной. Технология класса D обычно встречается там, где используются чрезвычайно высокие уровни по мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянное напряжение в переменное для запуска двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных аудиоусилителях.

Термин, который вы, скорее всего, встретите во время изучения электроники, называется точка покоя, что означает условие нулевого сигнала на входе схемы. Ток точки покоя представляет собой величину тока в схеме с приложенным нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в транзисторной схеме вынуждает транзистор работать при таком значении тока коллектора при нулевом напряжении входного сигнала, которое отличается от значения тока коллектора при отсутствии смещения. Следовательно, величина смещения в схеме усилителя определяет параметры его точки покоя.

В усилителе класса A ток покоя должен быть равен точно половине его значения насыщения (на полпути между насыщением и отсечкой, отсечка определяется по нулю). В усилителях классов B и C токи покоя равны нулю, поскольку при отсутствии сигнала на входе они должны быть в режиме отсечки. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на графике выходных характеристик транзистора иногда рисуется «нагрузочная линия», чтобы проиллюстрировать диапазон работы транзистора при подключении определенного сопротивления нагрузки (рисунок ниже).

Пример нагрузочной линии, нарисованной через выходные характеристики транзистора от V_{питания} до тока насыщения

Нагрузочная линия представляет собой график напряжения коллектор-эмиттер в диапазоне токов коллектора. В нижнем правом конце нагрузочной линии напряжение находится на максимуме, а ток равен нулю, что представляет собой состояние отсечки. В верхнем левом конце линии напряжение равно нулю, а ток максимален, что представляет собой состояние насыщения. Точки отмечают, где нагрузочная линия пересекается с различными выходными характеристиками транзистора, и представляют реальные рабочие состояния для данных токов базы.

На этом графике может быть отмечена точка покоя в виде одной точки на нагрузочной линии. Для усилителя класса A точка покоя будет находиться на середине нагрузочной линии, как показано на рисунке ниже.

Точка покоя для класса A

На этой иллюстрации точка покоя попадает на выходную характеристику, соответствующую току базы 40 мкА. Если бы мы изменили в схеме сопротивление нагрузки на большее значение, это повлияло бы на наклон нагрузочной линии, так как большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор-эмиттер при отсечке. Графически результат представляет собой нагрузочную линию с левым верхним концом в другой точке и правым нижним концом на том же месте (рисунок ниже).

Нагрузочная линия при увеличенном сопротивлении нагрузки

Обратите внимание, что новая нагрузочная линия теперь не пересекает выходную характеристику 75 мкА на ее прямом участке, как это было ранее. Это очень важно понимать, поскольку негоризонтальная часть выходной характеристики представляет собой состояние насыщения. При пересечении нагрузочной линии выходной характеристики 75 мкА вне горизонтального участка характеристики означает, что усилитель при такой величине тока базы будет находиться в состоянии насыщения. Увеличение значения сопротивления нагрузки вызывает то, что нагрузочная линия пересекает выходную характеристику 75 мкА в новой точке, и это указывает на то, что насыщение будет происходить при меньшем значении тока базы.

При использовании в схеме старого резистора нагрузки меньшего номинала ток базы 75 мкА даст пропорциональный ток коллектора (ток базы, умноженный на β). На первом графике нагрузочной линии ток базы 75 мкА давал ток коллектора почти в два раза больше, чем при токе базы 40 мкА, что можно было бы предугадать в соответствии с коэффициентом β. Однако на последнем графике ток коллектора между токами базы 40 мкА и 75 мкА увеличивается незначительно, поскольку на транзисторе начинает падать напряжение коллектор-эмиттер, недостаточное для продолжения регулирования тока коллектора.

Для поддержания линейной (без искажений) работы транзисторные усилители не должны работать в точках, где транзистор будет насыщаться; то есть, когда нагрузочная линия может не попадать на горизонтальный участок выходной характеристики коллекторного тока. Нам нужно добавить еще несколько выходных характеристик на график на рисунке ниже, прежде чем сможем сказать, насколько сильно мы сможем «раскачать» транзистор, увеличивая ток базы, до того, как он уйдет в режим насыщения.

Большее количество выходных характеристик при разных токах базы показывает более подробную информацию о насыщении

На этом графике видно, что самая высокая точка на нагрузочной линии, попадающая на прямой участок выходной характеристики, является точкой на кривой при токе базы 50 мкА. Эта новая точка должна считаться максимально допустимым уровнем входного сигнала для работы в режиме класса A. Также для работы в режиме класса A смещение должно быть установлено так, чтобы точка покоя находилась на полпути между этой новой точкой и отсечкой, как показано на рисунке ниже.

Новая точка покоя исключает работу в области насыщения

Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней постоянного напряжения смещения, пришло время исследовать практические методы смещения. До сих пор я показывал источник небольшого постоянного напряжения (батарею), подключенный последовательно с входным сигналом переменного напряжения, для смещения усилителя в требуемый класс режима работы. В реальной жизни подключение точно калиброванной батареи к входу усилителя просто не практично. Даже если бы можно было настроить батарею для выдачи только необходимой величины напряжения для любого заданного смещения, эта батарея не оставалась бы в своем первоначальном состоянии неограниченно долго. Как только она начнет разряжаться, ее выходное напряжение опустится, а усилитель начнет постепенно переходить к работе в режиме класса B.

Возьмем для примера схему, которую мы использовали для SPICE моделирования в разделе про каскад с общим эмиттером (рисунок ниже).

Непрактичное смещение с помощью батареи

Эту батарею с напряжением V_смещ = 2.3 вольта в реальную схему усилителя включать нецелесообразно. Более практичный способ получения напряжения смещения для этого усилителя состоял бы в получении необходимых 2.3 вольт с помощью делителя напряжения, подключенного к батарее 15 вольт. В конце концов, батарея 15 вольт уже есть, а схемы делителей просты в проектировании и сборке. Посмотрим, как это может выглядеть на рисунке ниже:

Смещение делителем напряжения

Если мы выберем пару номиналов резисторов R₂ и R₃, которые дадут 2,3 вольта на R3 из общих 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), то получим необходимое значение 2,3 вольта между базой и эмиттером для смещения без сигнала на входе. Единственная проблема заключается в том, что эта схема помещает источник сигнала переменного напряжения непосредственно параллельно с R₃ в нашем делителе напряжения. Это неприемлемо, так как источник переменного напряжения будет стремиться подавить любое постоянное напряжение, падающее на R₃. Параллельные компоненты должны иметь одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключен к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного напряжения «победит», и к сигналу не добавится постоянное напряжение смещения.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть пока и не понятно, почему она будет работать, заключается в установке конденсатора между источником переменного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Разделительный конденсатор предотвращает попадание постоянного напряжения смещения с делителя на генератор сигнала

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного напряжения и делителем постоянного напряжения, передавая правктически всё переменное напряжение сигнал на транзистор, блокируя при этом всё постоянное напряжения от замыкания через источник сигнала переменного напряжения. Это имеет смысл, если вы понимаете теорему суперпозиции, и как она работает. В соответствии с суперпозицией любая линейная, двухсторонняя схема может быть проанализирована по частям, рассматривая за раз только один источник питания, а затем алгебраически сложить влияния всхе источников питания, чтобы получить конечный результат. Если бы мы отделили конденсатор и делитеьл напряжения R₂–R₃ от остальной части схемы усилителя, было бы легче понять, как работает эта суперпозиция переменного и постоянного напряжений.

При наличии только одного источника сигнала переменного напряжения и конденсатора с очень низким сопротивлением на частоте сигнала, почти всё переменное напряжение появится на резисторе R₃:

Из-за очень низкого сопротивления разделительного конденсатора на частоте сигнала, он ведет себя как кусок провода, поэтому на этом этапе в суперпозиционном анализе его можно опустить

При наличии только источника постоянного напряжения конденсатор оказывается разомкнутой цепью, и поэтому ни он, ни источник сигнала переменного напряжения не будут влиять на работу делителя напряжения R₂–R₃ (рисунок ниже).

Когда речь идет об анализе по постоянному току, конденсатор ведет себя как разрыв в цепи

Объединив эти два отдельных анализа на рисунке ниже, мы получим суперпозицию (почти) 1,5 вольт переменного напряжения и 2,3 вольт постоянного напряжения, готовых к подаче на базу транзистора.

Объединение цепей переменного и постоянного тока

Достаточно разговоров, пора промоделировать в SPICE схему всего усилителя на рисунке ниже. Мы будем использовать конденсатор номиналом 100 мкФ, чтобы получить очень низкое (0,796 Ом) сопротивление на частоте 2000 Гц:

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 8466
r3 5 0 1533
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15 
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

SPICE моделирование смещения делителем напряжения

Обратите внимание на существенное искажение выходного сигнала на рисунке выше. Синусоида обрезается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит о том, что транзистор переходит в режим отсечки, хотя и не должен (я предполагал работу в режиме класса A). Почему? Этот новый способ смещения должен давать нам точно такое же постоянное напряжение смещения, как и старый, верно?

Ненагруженная цепь из конденсатора и резисторов R₂–R₃ обеспечивает точно 2,3 вольта постоянного напряжения смещения. Однако, как только мы подключаем эту схему к транзистору, она больше не является ненагруженной. Ток, протекающий через базу транзистора, буде нагружать делитель напряжения, тем самым уменьшая постоянное напряжение смещения, доступное для транзистора. Использование модель транзистора с диодом и источником тока (рисунок ниже) делает проблему смещения очевидной.

Диодная модель транзистора показывает нагрузку делителя напряжения

Напряжение на выходе делителя зависит не только он номиналов составляющих его резисторов, но и от того, какой ток протекает от него через нагрузку. PN переход база-эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая уменьшает постоянное напряжение на R₃, из-за того, что ток смещения складывается с током R₃ и вместе с ним проходит через R₂, нарушая коэффициент деления, установленный ранее значениями сопротивлений R₂ и R₃. Чтобы получить постоянное напряжение смещения 2,3 вольта, значения R₂ и R₃ должны быть скорректированы для компенсации влияния нагрузки тока базы. Чтобы увеличить постоянное напряжение на R₃, уменьшите сопротивление R₂ или увеличьте сопротивление R₃, или сделайте и то, и другое.

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 6k  <--- R2 уменьшен до 6 кОм
r3 5 0 4k  <--- R3 увеличен до 4 кОм
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1) 
.end

После подстройки R2 и R3 на выходе нет никаких искажений

Новые значение резисторов 6 кОм и 4 кОм (R₂ и R₃ соответственно) на рисунке выше приводят к воспроизведению формы сигнала в режиме класса A, как мы и хотели.

Подведем итоги:

• Режим работы класса A представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы транзистор находился в активном режиме в течение всего периода входного сигнала, таким образом, точно воспроизводя всю форму сигнала.
• Режим работы класса B представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы воспроизводится только один полупериод формы входного сигнала: либо положительная, либо отрицательная полуволна. Транзистор проводит половину времени в активном режиме, а половину – в режиме отсечки. Пары транзисторов, работающих в режиме класса B, часто используются для обеспечения усиления большой мощности в системах аудиосигналов, каждый транзистор из пары обрабатывает только один полупериод формы сигнала. Режим класса B обеспечивает лучшую энергоэффективность, чем усилитель класса A с такой же выходной мощностью.
• Режим работы класса AB – усилитель смещен в точку где-то между классами A и B.
• Режим работы класса C – усилитель смещен для усиления лишь небольшой части формы сигнала. Большую часть времени транзистор проводит в режиме отсечки. Для того, чтобы на выходе был сигнал полной формы, часто используется схема резонансного контура, применяемая в качестве «маховика», для поддержания колебаний на некоторое время после каждого «толчка» от усилителя. Поскольку транзистор не проводит ток большую часть времени, это приводит к высокой энергоэффективности усилителя класса C.
• Для работы в режиме класса D требуется усовершенствованная схема, которая функционирует по принципу представления мгновенной напряжения входного сигнала с помощью коэффициента заполнения периода высокочастотных прямоугольных импульсов. Выходной транзистор(ы) никогда не работает в активном режиме, а только в режимах насыщения и отсечки. Вследствие чего рассеивается небольшое значение тепловой энергии.
• Постоянное напряжение смещения входного сигнала, необходимое для работы в определенных режимах работы (особенно класс A и класс C), может быть получено за счет использования делителя напряжения и разделительного конденсатора, вместо батареи, соединенной последовательно с источником переменного напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceSPICEБиполярный транзисторВыходные характеристики транзистораМоделированиеНагрузочная прямаяНапряжение смещенияСмещение транзистораУсилитель класса AУсилитель класса ABУсилитель класса BУсилитель класса CУсилитель класса DУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Принцип усиления транзистора | Как усиливает транзистор

Что такое усиление

Давайте для начала разберем, что мы вообще подразумеваем под словом “усиление”? Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал. Усиливаем армию военной техникой, чтобы обеспечить себе и своему народу безопасность, усиливаем свое тело, чтобы выглядеть уверенно и дать отпор гопникам.

Но какое слово идет рядом в паре со словом “усиление”? Мне кажется – это слово “мощность”. 

Усиливаем подвеску на машине, то есть делаем ее мощнее. Усиливаем фундамент – делаем его мощнее. Усиливаем армию танками и самолетами – делаем ее мощнее :-), усиливаем свою тушку – значит делаем ее опять же мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами – то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом – хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его…Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается,  для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же “бодрым и энергичным”, каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своей реактора на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника 😉  Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Как усиливает транзистор

Итак, представим себе нашу сборную России по футболу. Ну да, ребята частенько лажают), но суть не в этом. Для того, чтобы наши футболисты играли хорошо, нужно к каждому футболисту приставить хорошего тренера, установить нормальный график труда и отдыха, кормить самой лучшей спортивной едой, пичкать допингами и тд. Как результат – команда может быть дотянет до полуфинала на чемпионате мира.

Но… есть и другой вариант. Почему бы в команду не пригласить таких футболистов, как Месси, Рональдо, Роналду, Бекхэма и других знаменитостей? То есть в этом варианте мы полностью заменили всю команду. Но для нас ведь главное  – победа, и не волнует, кто играет в нашей команде. Главное, чтобы наша команда порвала всех на чемпионате.

И там и там мы усилили эти команды. Но как вы думаете, какой вариант будет лучше? Ну тут уже и ежу понятно, что второй вариант – стопроцентный! Если провести параллельную грань с электроникой, то можно сказать, что транзистор использует именно второй вариант. В нем нет ничего такого, чтобы он сам бы усиливал сигнал. Он его полностью заменяет другим сигналом. То есть усиливаемый сигнал, который выходит из транзистора, является копией входного слабенького сигнала, но это не тот же самый слабенький сигнал.

Тяжко для понимания? Ну давайте приведем тогда еще один пример.

Вернемся в детство. Вам купили маленького хомячка. Вы за ним ухаживаете, меняете водичку, убираете какашки, покупаете колесико, чтобы он бегал и радовался жизни. Через год из маленького хомячка вырастает здоровый пушистый хомяк. Вы очень рады, что у вас вырос такой здоровый хомячок. Но…  как-то летом вы решили съездить в деревню к бабушке, за хомяком никто не ухаживал и он сдох. Ваши предки, конечно же, ничего вам не сказали. Они быстренько сбегали в зоомагазин и купили точно такого же хомяка! Один в один! Вы приезжаете к себе домой и продолжаете радоваться своему хомяку, даже не догадываясь, что это вообще не он))). Именно точно также ведет себя транзистор). Он не усиливает сигнал, а просто выводит усиленную копию на выходе.

Откуда берется энергия для усиления

Вспомните  также в своей жизни моменты, когда вы или кто-то другой прилагали очень малую силушку, но наворотили делов.

Получается, какое-то слабенькое движение хвостиком привело к нехорошим последствиям, но энергия использовалась извне. Для мышки-норушки это будет гравитационная сила. Тот же самый принцип заложен и в транзисторе. Он не может сам по себе усиливать. Он использует энергию извне. А для энергии извне используется источник постоянного тока.

Можно сказать, транзистор представляет из себя именно такую же систему – слабенький управляющий базовый ток управляет огромным током коллектор-эмиттер. Справа это все показано на бачке с водой. То есть чуток открыв краник, чтобы из трубки “База”(Б) полилась водичка, мы открываем клапан, который держит закрытым бачок “Коллектор” (К). Вода сразу же из бачка “Коллектор” стремится в тазик “Эмиттер” (Э). Если же мы закрываем краник “База”, то пружинка возвращает клапан и закрывает прохождение водички из бачка “Коллектор”.

Из всего выше рассказанного и показанного можно сделать некоторые выводы:

– выходной сигнал с транзистора – это усиленная копия входного сигнала

– транзистор для усиления сигнала использует энергию извне, а точнее, источник постоянного тока.

– малый управляющий базовый ток управляет намного большим коллекторным током (рисунок выше)

– независимо от схемы включения управляющий P-N переход – эмиттерный, а управляемая цепь – эмиттер-коллектор

Усиление в электронике

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал “неуязвимым”, мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы сделаем сигнал мощнее.

Для тех, кто позабыл:

P=IU

где

P – это мощность, измеряется в Ваттах

I – сила тока, в Амперах

U – напряжение, в Вольтах

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

– увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

– оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

– увеличить и напряжение и силу тока

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам.  Поэтому в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора  с ОЭ выглядит так:

А для NPN транзистора вот так:

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Но тогда это уже будет совсем другой сигнал.

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

Принцип усиления

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе мы должны уже получить точную копию сигнала, но бОльшего напряжения. Но как это сделать с практической точки зрения?

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой – переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

Помните, как в одной из статей мы сравнивали транзистор с краником? Открываем чуток – напор воды слабый, открываем больше – сильнее. Открываем полностью – вода бежит полным потоком

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером 😉 Следовательно, наша схема из такого вида:

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так… и далее вы поймете почему.

Опыт с транзистором

Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:

1) Генератор частоты. Он у меня китайского происхождения.

2) Двухканальный цифровой осциллограф OWON

3) Блок питания постоянного напряжения

А также мелочевка… Транзистор и резистор. Собираем все это дело вот по такой схеме:

Осциллограммы будем снимать с красной и желтой точек на схеме.

Загоняю на базу сигнал с частотой в 1 КилоГерц и амплитудой в 1 Вольт. Смотрим, что у нас получилось:

На осциллограмме, снятой с желтой точки, мы видим только шумы.

Ладно, ставлю амплитуду в 2 Вольта:

Ничего не изменилось…

И только тогда, когда уже амплитуда стала больше, чем 2 Вольта, на желтой осциллограмме появился уже какой-то периодический сигнал

С увеличением амплитуды его импульсы просто стали шире.

Итак, теперь обо все по  порядку:

Первый косяк этой схемы в том, что мы не учли напряжение для открытия транзистора. Оно, как вы помните, составляет 0,6-0,7 Вольт.

Режимы работы транзистора

Второй косяк. Для того, чтобы транзистор усиливал, мы его должны вогнать в активный режим. Это промежуточный режим между режимом насыщения и режимом отсечки транзистора.

Режим отсечки – это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

Режим насыщения – это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер. Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h_21э или просто  β.

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалью газа)

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педаль в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором – это и есть режим насыщения.

Вообще убираем ногу от педали – машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педали.

Ну а в активном режиме мы нажимаем педаль с такой силой, которая нам нужна 😉 В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим – едем быстрее, а хотим медленнее 😉  То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения. Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

Недостатки усилителя на транзисторе

Честно говоря, усилитель на биполярном транзисторе – тот еще геморрой.

Во-первых, он управляется силой тока, а не напряжением.

Во-вторых, мы должны обязательно предусмотреть напряжение смещения.

В-третьих, схема каскада усилителя на биполярном транзисторе получается довольно таки громоздкая

В-четвертых, даже тогда, когда мы не подаем сигнал на такой транзисторный каскад, то схема все равно жрет ток.

Как тогда должны выглядеть схема, чтобы мы могли из слабого сигнала получать усиленную копию?

Основные схемы включения транзистора

Итак, существуют три основные схемы соединения биполярного транзистора:

– с Общей Базой (ОБ)

Эта схема усиливает по напряжению. Схема с общей базой используется редко.

– с Общим Эмиттером (ОЭ)

Эта схема усиливает и по напряжению, и по току, и на практике используется наиболее часто.

– с Общим Коллектором (ОК)

Эта схема усиливает по току. Ее часто называют эмиттерный повторитель.

Здесь все просто: какой вывод является общим для входного и выходного сигнала, такая значит и схема включения транзистора.

Обозначение напряжений выводов транзистора

А теперь давайте поговорим об условностях, которые применяются в схемотехническом жаргоне транзистора.

Итак, если вы слышите, что напряжение на базе равно 1 Вольт, то это означает, что это напряжение между базой и общим проводником. На общий в основном садят “минус” и обозначается общий проводник вот таким значком:

Например, U_Б  (напряжение на базе)  транзистора VT1 замеряется как-то вот так:

Напряжение между выводами обозначается двумя индексами, например, напряжение между базой и эмиттером обозначается как U_БЭ . Также на схемах часто можно увидеть обозначения типа U_КК (в буржуйском варианте V_CC ) – это напряжение питания коллектора, обычно положительное. Также есть и U_ЭЭ (в буржуйском варианте V_EE) – напряжение питания эмиттера, обычно отрицательное. Короче говоря, это в основном напряжение питания схемы.

Также имейте ввиду, что каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_К U_КЭ 

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Attention!

Превышение какого-либо параметра из списка выше приведет к неминуемой гибели транзистора!

Принцип работы транзистора

Для того, чтобы понять принцип работы транзистора, давайте рассмотрим вот такое фото:

Условимся считать, что это самая простая модель транзистора. Направление потока воды – это направление электрического тока. Пусть у нашего “транзистора” будет проводимость N-P-N, то есть он будет выглядеть вот так:

С помощью краника (Базы) мы уменьшаем или увеличиваем скорость потока воды через трубу. В нашем случае вода бежит с жёлтой трубы к чёрной трубе, или по аналогии с транзистором: от коллектора к эмиттеру, потому что стрелочка эмиттера показывает направление электрического тока.

Итак, в таком положении краник полностью закрыт, следовательно поток воды не проходит через трубу:

А вот так краник полностью открыт и поток воды бежит на полной мощности через трубу:

Краник открыли, вода через трубу побежала на полной мощности:

Краник закрыли, вода не бежит:

С помощью одного только пальчика, я включал и выключал ОГРОМНЫЙ поток воды, который бы мог смыть все какашки на вашей тельняшке). То есть поток воды из трубы обладает огромнейшей силой, по сравнению с силой пальчика, которую я прикладывал к рыжачку краника. 

Транзистор работает аналогичным образом! Прикладывая небольшое напряжение к базе, я могу управлять огромнейшим током проходящим через коллектор и эмиттер. В данном случае я показал только два положения, краник полностью включен, или краник полностью выключен. Режим, при котором я включал и отключал краник до упора, в транзисторе называется “ключевым режимом”.  Не от слова “ключевой” – типа главный, важный, а от слова “ключ”. А что у нас делает ключ? Что-то отпирает и закрывает, да хотя бы те же самые двери или бабушкин комод.

Режим, когда я ЗАКРЫВАЛ краник полностью, называется в транзисторе закрытый или в простонародье “зАпертый”. В этом случае на базу ток не идет и транзистор не пропускает электрический ток между коллектором и эмиттером.

Режим, когда я полностью ОТКРЫВАЛ краник, называется в транзисторе режимом “насыщения”. В этом случае через эмиттер и коллектор ток бежит по полной. Хочу сказать, что дальнейшее открывание краника бессмысленно, так как от этого ток не увеличится между коллектором и эмиттером, то есть нет резона подавать еще большее напряжение на базу, если транзистор уже работает в режиме насыщения.

Опыты на практике

Ну что же, надо теперь все это дело проверить на реальном транзисторе. У нас в гостях всеми вами любимый транзистор КТ815Б:

Его проводимость N-P-N, то есть он выглядит вот так:

Мы с вами разобрали, что краник – это база, а большой поток воды должен течь с коллектора на эмиттер. Направление стрелки на эмиттере показывает направление движения электрического тока. 

В транзисторе все то же самое. Давайте используем его в деле. Для этого собираем вот такую схемку:

Ну что, вроде бы все элементарно и просто. Есть батарея, есть лампочка. Электрический ток должен бежать от “плюса” к “минусу” и лампа должна гореть. Собираем схему в реале. Щупы-крокодилы идут от Блока питания. Красный – плюс, черный – минус. Напряжение на них около 13,5  Вольт, лампа на такое же напряжение. Лампа  не горит… В чем же дело?

Помните эту картинку?

Елки-палки, нам базу-то надо “повернуть” так, чтобы электрический ток мог бежать от коллектора к эмиттеру!  Но как “повернуть” базу? Да все просто! Для этого нам надо всего-то подать на нее напряжение ;-). 

Теперь наша схема будет выглядеть вот так:

Собираем схему. Крокодилы с синими проводами идут от блока питания Bat1.

Но теперь вопрос. Какое минимальное напряжение должно быть на Bat1, чтобы “краник открылся”?

Помните мы с вами разбирали статью, что на PN переходе у кремниевых транзисторов (а у нас как раз кремниевый) “падает” напряжение где-то 0,5-0,7 В? Кто не помнит, читаем эту статью. А давайте выставим на Bat1 где-то 0,5 В.

Нет… не канает.

Кручу крутилку и выставляю 0,6 Вольт и вуаля! В простонародье говорят, что транзистор “открылся”.

Отсюда делаем вывод: для того, чтобы через коллектор-эмиттер побежал электрический ток, мы должны на базу подать напряжение более чем 0,5-0,7 В, то есть  больше падения напряжения на PN переходе.

Но как много мы можем подать напряжения в базу? Давайте крутанем крутилку на уровень 0,7 В.

При 0,7 В базовый ток составляет уже 20 мА.

Давайте еще чуток добавим:

При 0,8 В уже 140 мА.

А при 0,9 Вольтах:

чуть меньше пол-Ампера! Дальнейшее увеличение напряжения может привести … к полному выходу транзистора из строя.

Максимальные параметры транзистора

Каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_КЭ х U_КЭ

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Более подробно про них можно прочитать здесь.

Если глянуть в даташит, то можно узнать, что максимальный допустимый ток коллектора транзистора КТ815Б составляет 1,5 А. Но как же теперь быть? Наша аппаратура ведь не может работать с такими маленькими допусками напряжения? А что если вдруг случись, напряжение на базе скаканет на 0,3 В? Транзистору сразу придет жопа… Поэтому, чтобы такого не случилось, в базу транзистора ставят токоограничительный резистор. Резистора на 500 Ом вполне хватит, чтобы транзистор был “открытым” от 1 В и до 40 В (ну это в данном опыте). Все, конечно же, зависит от токоограничительного резистора и самого транзистора.

В основном токоограничительный резистор высчитывают по формулам или на практике.

Итак, сколько у нас потребляет транзистор в открытом состоянии?

P = IU

0,7 В х 20 х 10^-3 А = 14 мВт.

А коммутирует нагрузку мощностью 13,5 х 115 х 10^-3 = 1,55 Вт

То есть 14 милливатт управляют 1,55 Ваттами.  Это получилось почти в 110 раз больше.  В этом одна из “фишек” транзистора 😉

www.ruselectronic.com

Работа транзистора в активном режиме

В этой статье мы рассмотрим и даже посчитаем небольшой каскад, а также соберем его в реале и испытаем на практике.

Активный режим транзистора

Если вы читали прошлую статью, то наверняка помните, что транзистор в режиме усиления работает только в активном режиме. Этот активный режим находится между режимами отсечки и насыщения:

Следовательно, выходной усиленный сигнал должен находиться в области активного режима, иначе он будет сильно искажаться.

Далее вспоминаем нехитрую формулу

Коэффициент бета  – это коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Ну и что все это значит? А значит это то, что в любом транзисторе в активном режиме ток коллектора в β (бета) раз больше, чем ток базы. Задав крохотную силу тока через базу, мы в бета раз можем увеличить силу тока в цепи коллектора.

Что будет, если на базу мы подадим переменный сигнал напряжения? Следовательно, в цепи базы переменный сигнал будет либо увеличивать, либо уменьшать силу тока, протекающую через базу, а переменная сила тока через базу в свою очередь будет “тащить” за собой  силу тока в цепи коллектора, который будет в бета раз больше, чем базовый ток.

Если вставить резистор в цепь коллектора, то можно будет с него снимать переменное напряжение. Ну разве не замечательно? А откуда возьмется напряжение на резисторе? Дело в том, что резистор и переход коллектор-эмиттер обладают   сопротивлением  . Самый прикол в том, что переход коллектор-эмиттер – это управляемое сопротивление, зависящее от тока базы. Получаем простой делитель напряжения 😉

Но для того, чтобы усиливать переменный сигнал правильно, есть одно НО… И это “НО” заключается еще в одном резисторе.

Двухрезисторная схема смещения

Я хочу усилить синусоидальный сигнал и поэтому подаю его на базу транзистора. На выходе хочу получить усиленную копию.

Для того, чтобы получить красивую усиленную копию, надо чтобы эта копия не выходила за границы режима отсечки и насыщения и желательно, чтобы она располагалась посередине активной области. То есть надо этот сигнал сместить в середину активной области:

Поэтому, требуется добавить к схеме еще один резистор, чтобы получилась схема смещения.

Итак, давайте рассмотрим самую простую схему смещения и на ее примере разберемся, что к чему

Что здесь имеем?

U_пит  – напряжение питания. На U_вх подаем  переменный сигнал, на U_вых получаем усиленную копию. Или более понятно:

Итак, давайте рассмотрим назначение радиоэлементов в этой схеме. Транзистор используется для усиления. Я думаю, вы это уже поняли 🙂  Резистор  R2  служит для того, чтобы у нас получился делитель напряжения и  потом можно будет снять с резистора это напряжение.

Конденсаторы  С1  и С2 у нас пропуска ют переменный ток, а постоянный не пропускают. А нам постоянный ток на входе и на выходе не нужен. Мы ведь хотим усиливать переменный ток, не так ли?

И самый главный радиоэлемент в этой схеме считается резистор R1, который как раз и задает режим работы усилителя. Зачем он здесь нужен?

Во-первых, чтобы отпереть транзистор. Вывести его из режима отсечки в активный режим. А для этого, как вы помните, достаточно подать напряжение более, чем падение напряжения на переходе база – эмиттер, которое для кремниевых транзисторов составляет 0,6-0,7 Вольт. Поэтому, U_пит  должно быть больше, чем падение напряжения на переходе база-эмиттер.

Во-вторых, задать базовый ток, так как через цепь +Uпит —-> R1—-> база —-> эмиттер —-> земля потечет ток, сила тока которого будет зависеть от того, какой резистор мы туда воткнем.

В-третьих, задавая нужный базовый ток этим резистором, мы выбираем режим работы нашего усилителя. Сейчас нас интересует режим, при котором сигнал будет “болтаться” между режимами отсечки и насыщения примерно в середине активного режима.

Как этого добиться?

Для удобства пусть у нас R1 называется R_Б  (базовый резистор), а R2  назовем R_к (коллекторный резистор):

Так как мы хотим получить усиленную копию сигнала в активном (линейном) режиме транзистора, следовательно, нам надо добиться того, чтобы через базу протекала такая сила тока,  чтобы напряжение на коллекторе (в узле, куда цепляется конденсатор С2) было ровнёхонько половинка от U_пит.

Не забываем, что у нас входной сигнал, подаваемый на базу, может принимать как положительные значения, так и отрицательные. Следовательно, напряжение на коллекторе будет принимать меньшее или большее значение. А чтобы уже усиливаемый сигнал не доходил до режима отсечки или насыщения, мы его как раз и будем держать в серединке активной области.

Расчет каскада c двумя резисторами

Берем рыжий советский транзистор КТ315Б  и рассчитаем вот такую схемку  при напряжении питания в 9 Вольт

Для того, чтобы рассчитать схему, надо действовать с конца, то есть с выхода схемы.

Для получения усиленной копии сигнала, нам надо, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания, то есть получаем U_к = 9 В/2 = 4,5  Вольт. Это значит, что на R_к падает напряжение в 4,5 Вольт и на транзисторе между выводами коллектора и эмиттера тоже падает 4,5 Вольт. Для маломощных усилительных каскадов в основном ток коллектора I_к берут в 1 миллиампер, это значит, что ток потечет по цепи +9 В —> R_к —-> коллектор—> эмиттер—->земля и если его замерить в этой цепи, то получим 1мА.

Долго не думая, находим, чему равняется R_{к .}  Вспоминаем дядюшку Ома  и получаем, что R_к = U_к /I_к =4,5 В/1 мА=4,5 кОм. Берем ближайший из ряда, то есть на 4,7 кОм.

Следующим шагом нам надо приблизительно узнать коэффициент бета. В этом нам может помочь простой мультиметр с функцией замера H_FE (β) либо RLC-транзистор метр. В моем случае на RLC-транзистор-метре получилось что-то около 142.

Высчитываем ток  базы. Так как мы знаем, что

Из этой формулы находим I_Б. Получается, что I_Б = I_к / β = 1мА/142 = 7 микроампер.

Следующим делом находим сопротивление базового резистора: R_Б =(U_пит -0,6)/ I_Б = 9 В/7мкА=1,2 Мегаом. В этой формуле 0,6 В мы берем, как падение напряжения на переходе база-эмиттер.

Следующим шагом вставляем ближе к номиналу этот резистор из ближайшего ряда и замеряем  силу тока по цепи +9 В —> R_к —-> коллектор—> эмиттер—->земля с помощью миллиамперметра. Скорее всего вы не получите на миллиамперметре значение в  1мА, поэтому надо будет подгонять значение R_Б либо с помощью потенциометра либо магазина сопротивления, чтобы амперметр показал нам 1 мА на табло. В моем случае R_Б я подобрал номиналом в 1 Мегаом.

Ну теперь дело за малым. Конденсаторы  С1  и С2 используются для того, чтобы пропускать  и снимать только переменное напряжение, так как мы с вами знаем, что конденсатор постоянный ток через себя  не пропускает. Для усиления звуковых частот (от 20 и до 20 000 Герц) , а также частот более 20 000 Гц вполне подойдут конденсаторы в 10 мкФ.

Вот фото моего усилителя, амперметр показывает ток в 1,04 миллиампер.

Теперь подаю на вход конденсатора С1 слабый синусоидальный сигнал. У нас получается интересная штука. После того, как я настроил каскад, на базе  имеется постоянное напряжение. Если добавить к этому напряжению еще напряжение, ток базы увеличится, что приведет к увеличению коллекторного тока. Если же уменьшить, то наоборот у нас ток базы уменьшится и следовательно, коллекторный ток тоже уменьшится. Переменный сигнал, подаваемый на базу уменьшается и увеличивается поочередно, следовательно, получается типа что-то этого:

А вот и осциллограммы, которые у меня получились. Красный сигнал – это входной, который мы подаем на  С1 , а желтый – выходной, который снимаем с С2. Частота сигнала и его цена деления показаны в нижнем левом уголке скриншота осциллографа. 

Ну вот! Более менее похоже на правду!

Если вы заметили своим наблюдательным глазом, есть одно НО… Фаза усиленного сигнала противоположна фазе исходного сигнала. Если еще помните алгебру, то можно сказать, что фаза усиленного сигнала и фаза исходного различаются на 180 градусов. Получается, что усилитель по схеме с ОЭ (Общим Эмиттером) инвертирует фазу сигнала.

Давайте увеличим амплитуду исходного сигнала:

Как мы видим, усиленный сигнал исказился. В дело вступили так называемые нелинейные искажения, потому что наш усиленный сигнал добрался до области отсечки (верхний уровень желтого графика) и до области насыщения (нижний уровень желтого графика). Вы ведь не забыли, что сигнал инвертированный? В режиме отсечки, как мы видим, синусоида закруглилась, а в режиме насыщения она не могла стать более 9 Вольт, то есть больше, чем U_пит, поэтому ее резко срезало.

Давайте усилим треугольный сигнал

Получились чуток “пухловатые” горки. Как мы видим, данный тип усилителя обладает плохой линейностью. Это значит, что он не пропорционально увеличивает исходный сигнал.

Давайте усилим прямоугольный сигнал

Вроде бы нормально.

Даже если добавить амплитуду, то сигнал остается по форме таким же.

Прямоугольные сигналы усиливать, передавать, обрабатывать намного проще, поэтому цифровая электроника шагнула далеко вперед.

Данный тип усилителя,  работает в классе “А” , то есть в режиме линейного усилителя. Это означает, что мы полностью усиливаем форму сигнала, который подаем на вход такого усилителя. Есть также усилители B,C,D класса и другие. В этих усилителях усиливается  не вся форма сигнала, а остатки сигнала срезаются в области отсечки.

Минусы схемы

В чем минусы этой схемы? В этой схеме рабочий режим  зависит от коэффициента бета.  Это не есть гуд.

“Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра бета”

Хорвиц и Хилл “Искусство схемотехники”

Дело в том, что коэффициент бета “гуляет” в зависимости от температуры. Следовательно, наш график будет смещен, что приведет к нелинейным искажениям, так как он будет ближе находится или к области насыщения, либо к области отсечки

Заключение

Что хочу сказать по этой схеме? Схема – какашка. Она годится только для усиления сигналов с малой амплитудой. Этот пример я показал, чтобы вам было понятнее, что и как происходит в  простой усилительной схеме на транзисторе. Собирать ее не стоит, потому что в этой статье она показана, чтобы вы понимали процесс усиления. На практике лучше ее не использовать. В следующей статье мы разберем  и рассчитаем  качественный усилитель, который не боится коэффициента бета,  а также проверим этот усилитель в деле.

www.ruselectronic.com

Работа биполярного транзистора. Режим усиления

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 3. высокой частоты — 30 МГц 4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

sesaga.ru

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы — radiohlam.ru

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I_Б*β=I_K.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I_К=β*I_Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

radiohlam.ru