Биполярные транзисторы

Транзнсторы являются важнейшими полупроводниковыми цриборами. Их основная особенность заключается в усилении слабых электрических сигналов, при этом, разумеется, энергия передается от источника питния. Поэтому они используются везде, rде нeoходнмо усиление сиrналов, например, в радиоприемниках, телевнзорах, маrни- тофонах, электронной аппаратуре, автоматических устройствах и т. д.

Все транзисторы могут быть разделены на две большие группы: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы имеют большее распространение, и мы рассмотрим, в основном, их свойства.

Биполярные транзисторы можно клас­сифицировать следующим образом.

1.В зависимости от используемого полупроводника они бывают кремние­вые и германиевые.

2.В зависимости от технологии производства они бывают эпитак­сиально-планарные, сплавные, меза-транзисторы, конверсионные и пр.

3.В зависимости от механизма движения носителей зарядов бывают диффузионные и дрейфовые.

4.В зависимости от мощности бывают маломощные (до 0,3 Вт), сред­ней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (более 3 Вт).

5.В зависимости от граничной час­тоты бывают низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные(выше 300 МГц).

Как показано на рис. 18.1, основную часть транзистора представляет маленький кристаллик, называемый базой (Б), на котором сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К). При образовании этих спаек между эмиттером и базой и между коллектором и базой образуются два p-n перехода. Это получается, когда проводимость эмиттера и коллектора избирается противоположной проводимости базы. Важно отметить, что оба перехода находятся очень близко друг к другу, т.е. база очень тонкая, примерно 1 – 20 мкм.

Рис. 18.1

В зависимости от проводимости эмиттера, базы и коллектора производится два типа транзисторов: n-p - n и p-n-p. Это показано на рис.18.2 вместе с их схемными обозначениями. Эти оба основных типа транзисторов имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные свойства. Однако они отличаются полярностью цепей питания.

Поскольку каждый p-n переход, в сущности, представляет собой диод, на верхнем рисунке транзистор представ­лен как совокупность двух диодов. И действительно, цепи база-эмиттер н ба­за-коллектор, взятые отдельно, имеют одностороннюю проводимость. Одна­ко, если мы возьмем два диода и сое­диним их так, как показано на нижнем рис. 18.2, то усилительного прибора не получим. Разница в том, что в транзис­торах оба перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимо­действие называется еще транзистор­ным эффектом, и ему обязаны усили­тельными свойствами биполярные транзисторы.

Для предохранения от внешних влияний транзистор герметически за­крыт в металлическом или пластмассо­вом корпусе.

Рис.18.2

Как усиливает биполярный транзистор

Чтобы понять, как усиливает транзистор, рассмотрим рис. 18.3 а, где показана цепь, содержащая микрофон, батарею и громкоговоритель. Если на микрофон не подается звук, то в цепи будет протекать только постоянный ток, и громкоговоритель молчит (участок A). Если на микрофон подается звук, то ток в цепи будет содержать не только постоянную, но и переменную составляющую (участок Б), и в громкоговорителе услышим слабый звук.

Рис. 18. 3

Используя транзистор, мы можем усилить этот звук, Это показано на рис. 18.3б, где использованы две бата­реи питания. Если проделаем соот­ветствующие измерения, то увидим, что ток и напряжение на выходе тран­зистора значительно больше тока и на­пряжения на входе.

Важнейшей особенностью каждого усилительного элемента является зна­чительное увеличение мощности на выходе (на нагрузке) по сравнению с мощностью, поданной на вход. И по­скольку мощность — это произведение тока на напряжение (см. гл. 4), воз­можны следующие варианты усилите­лей:

1.Схема усиливает по напряжению и по току. В транзисторных усилителях этот случай наиболее желателен.

2. Схема усиливает только по напряжению, а ток на выходе почти один и тот же.

3. Схема усиливает только по току, а напряжение на выходе почти одно и то же.

Рис.18.4.

Биполярный транзистор проявляет усилительные свойства в трех видах схем. которые отличаются способом включения транзисюра: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (OK).

Качества любого усилителя зависят не только от того, во сколько раз он усиливает, но и от его входного и выходного сопротивления. В некото­рых случаях эти сопротивления даже важнее коэффициента усиления. Поэтому на практике используют все три ос­новные схемы включения транзистора, так каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.

В схеме с ОЭ входной сигнал дейст­вует между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и эмиттером (рис. 18.4). Эта схема усиливает и по напряжению и по току и поэтому на практике используется наиболее часто. Ее входное и выходное сопротивления не очень велики.

В схеме с ОБ входной сигнал дейст­вует между эмиттером и базой, а нагрузка включена между коллектором и базой (рис. 18.4). Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное.

В схеме с ОК (ее называют еще эмиттерный повторитель) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер-база, проходя через нагрузку, а сама нагрузка включена между эмиттером и коллектором (рис. 18.4). Это схема усиления по току. Ее входное сопротивление велико, а выходное мало.

Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: независимо от схемы включения (с ОЭ, ОБ, ОК) уп­равляющий переход в транзисторе – эмиттерный, а управляемая цепь, сопро­тивление которой изменяется, – эмит­тер-коллектор (на рис. 18.5 эта цепь изображена толстой линией).

Рис. 18.5.

При этом по­лярность источников питания такова, что эмиттерный переход включен всег­да в прямом направлении, а коллектор­ный – в обратном. Поэтому во всех схемах (с ОЭ, ОБ, ОК) напряжения, ко­торые действуют на управляющем участке, малы – например 0,1-0,4 В в германиевых и 0,4 - 0,8 В в кремние­вых транзисторах (рис. 18.6), в то вре­мя как напряжения коллектор-эмит­тер могут быть довольно значи­тельными – порядка 6-24 В.

Рис. 18.6.

Другая важная особенность транзистора – базовый ток намного меньше эмиттерного и коллекторного токов (последние два практически одинаковы).

Таким образом, основное свойство транзистора можно сформу­лировать так: малый базовый ток уп­равляет намного большим коллектор­ным током. Эта особенность показана на рис. 18.7, где видна аналогия между транзистором и водно-механическим устройством. И действительно, тонкая струя воды в трубе Б управляет толстой струей воды посредством труб К и Э. При этом струя Э равна сумме струй Б и К.

Рис. 18.7.

В импульсной технике транзистор чаще всего используется в качествеключа. В этом случае он или заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это запира­ние и открывание достигается путем соответствующего запирания или про­пускания базового тока. Подобный же опыт, который можно легко проде­лать, показан на рис. 18.8. В первом случае базовый и коллекторный ток равны нулю, а во втором случае 1_Б = 2-3 мА, а I_К = 200 мА. Следова­тельно, и здесь посредством небольшо­го базового тока можно управлять до­вольно большим током в цепи коллек­тора.

Особенности биполярных транзисторов

Когда коллекторный переход соединен в обратном направлении, а эмиттер свободен (рис. 19.1 а, б), в цепи проте­кает так называемый обратный коллек­торный ток I_КБО. Индекс КБО рас­шифровывается так: ток между коллек­тором и базой при открытом эмиттере. Этот ток очень мал, но является важ­ным параметром биполярных транзис­торов и приводится в справочниках. В маломощных германиевых транзисто­рах он равен 1-30 мкА, в кремние­вых – менее 1 мкА, а в мощных гер­маниевых транзисторах достигает 50-100 мкА.

Обратный коллекторный ток очень мал, однако на него надо обращать внимание, потому что с повышением температуры перехода (во время рабо­ты любой транзистор нагревается) об­ратный коллекторный ток сильно воз­растает – на каждые 10С удваивает

свое значение (рис. 19)

Рис. 19.1 а) схема измерения обратнолго коллекторного тока n-p-n транзистора; б) схема измерения обратного коллекторного тока p-n-p транзистора.

Температурная нестабильность

Если говорить о недостатках транзис­торной аппаратуры, то прежде всего надо вспомнить о температурной не­стабильности транзисторов. Как мы уже видели, основным виновником этого является обратный коллектор­ный ток.

Температурная нестабильность – явление нежелательное, т. к. темпера­тура изменяет ряд основных парамет­ров усилительных каскадов, как коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, частота ав­тогенерации и т. д. И поскольку каж­дый транзистор имеет строго опреде­ленный обратный коллекторный ток (он зависит только от конструкции транзистора), то хорошая ста­бильность достигается следующим об­разом.

1.Использованием транзисторов с наименьшим током I_КБо. В этом отно­шении кремниевые транзисторы лучше германиевых и это одна из причин их широкого распространения в последнее время.

2. Использованием таких схем, в которых большая часть тока I_КБо от­клоняется во внешние цепи, а через уп­равляющий переход протекает воз­можно меньшая часть.

3. Использованием дополнитель­ных средств (отрицательной обратной связи, сбалансированных схем н пр.), которые улучшают температурную стабильность.

Коэффициент усиления

Как мы уже видели, схема с ОЭ хо­роший усилитель тока. В этом можно убедиться с помощью схемы, показан­ной на рис. 19.2. Здесь через источник тока Е₁ (например, регулируемый выпрямитель) можно подавать различ­ный базовый ток и учитывать соот­ветствующий коллекторный ток. Опыты с различными транзисторами показывают, что коллекторный ток всегда во много раз больше базового.

Число, покалывающее во сколько раз коллекторный ток больше базового, обозначается буквой и на­зывается коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Следовательно, мо­жем записать

Это равенство приблизительное, поскольку не учтены относительно ма­лые неуправляемые токи. Коэффи­циент является основным параметром транзисторов и приводится в справоч­никах. Различные виды транзисторов имеют обычно коэффициент = 30 – 300, но есть и такие, которых достигает 1000.

На основе вышесказанного, основ­ное свойство биполярного транзистора можно сформулировать так: любой ток, протекающий через управляющий эмиттерный переход, вызывает в раз больший коллекторный ток.

Коэффициент усиления

Свойства схемы с ОБ можно исследо­вать, собрав схему, показанную на рис. 19.5. Число, показывающее во сколько раз коллекторный ток больше эммиттерного, обозначается буквой и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОБ. Следо­вательно, можно записать

Рис. 19.5

Это равенство тоже приблизи­тельное,.т. к. не учтен относительно малый ток I_КБо. Опыты с различными транзисторами показывают, что кол­лекторный ток всегда меньше эмиттерного и поэтому коэффициент всегда меньше единицы. Этот коэффи­циент является параметром транзисто­ров и иногда приводится в стравочниках. Обычно = 0,950 – 0,998.

На основании вышесказанного мо­жет возникнуть вопрос, есть ли польза от такой схемы, если ток на выходе меньше тока на входе?

Действительно, здесь ток, вместо того чтобы увеличиваться, уменьшается. Однако схема с ОБ – хороший усилитель по напряжению. Поэтому она часто используется для усиления высоких частот.

Коэффициенты и любого тран­зистора связаны между собой. Если мы знаем один из них, можем легко найти другой, при помощи номограммы, здесь не приведенной.

Полярность напряжений питания

Поскольку имеется два основных типа транзисторов (n-р-n и р-n-р), в схемах с ОЭ и ОБ надо запомнить полярность восьми источников питания (см. рис. 19.2 и 19.5). Это сделать легко, ес­ли обратить внимание на само обозна­чение транзистора. Действительно, эмиттерная стрелка в круге обозна­чает, что в n-р-n транзисторах эмиттер­ный ток (имеются в виду постоянные составляющие) „выходящий", а ос­тальные два „входящие"; в р-n-р тран­зисторах эмиттерный ток „входящий", а остальные два „выходящие". Направ­лениям этих токов соответствует и по­лярность напряжения питания. В связи с этим, применив к транзистору пер­вый закон Кирхгофа, получим

I _Э = I_Б + I_К.

Эта формула действительна для всех трех схем включения (ОЭ, ОБ и ЭК). При этом надо помнить, что эмиттерный и коллекторный ток имеют почти одинаковую величину, в то время как базовый во много раз (раз) меньше..

Дата добавления: 2014-01-13