Лекція 2. Транзистор - напівпровідниковий елемент з трьома електродами, який служить для підсилення або перемикання сигналу

2. ТРАНЗИСТОР І СХЕМИ
НА ЙОГО ОСНОВІ

Транзистор - напівпровідниковий елемент з трьома електродами, який
служить для підсилення або перемикання сигналу. Розрізняють кремнієві і германієві
транзистори. Вони бувають p-n-p- і n-p-n-типу. На рис. 2.1 та 2.2 показані їх умовні позначення.

Рис. 2.1. n-p-n-транзистор та його діодна
еквівалентна схема

Транзистор складається з двох протилежно включених діодів, які
мають одну загальну n-або p- шаром. Електрод, пов'язаний з ним, називається базою
В.

Рис. 2.2. р-п-р-транзистор і його діодний
еквівалентна схема

Два інших електрода називаються емітером Е і колектором С. діодний еквівалентна схема, наведена поряд з умовним позначенням, пояснює структуру включення переходів транзистора. Хоча ця схема не характеризує повністю функції транзистора, вона дає можливість представити діючі в ньому зворотні і прямі напруги. Зазвичай перехід емітер-база зміщений у прямому напрямку, а перехід база-колектор - у зворотному. Тому джерела напруги повинні бути включені, як показано на
рис. 2.3 та 2.4.
Основна особливість транзистора полягає в тому, що колекторний струм IС
є кратним базового струму IB. Їхнє ставлення В = IС / IB називають коефiцiєнтами про-
тому посилення по струму. Режим транзистора докладно описується за допомогою сімей-
сімейства його характеристик.
Крім того, особливістю транзистора є той факт, що малого зміни вхідного напруги виявляється достатньо для того, щоб викликати щодо велика зміна колекторного струму.
Відомо, що передавальна характеристика транзистора, як і діода, має вигляд експоненційної функції. Однак, на відміну від формули для діода, тут поправочний коефіцієнт m з великою точністю дорівнює одиниці. Тоді

Часто транзистор можна розглядати як лінійний підсилювач. Це
справедливо в робочій точці, в околиці якої здійснюється управління
малим сигналом.
Зміна колекторного струму IС залежно від UBE характеризується
крутизною S:

Цю величину можна розрахувати, використовуючи вираз:

Колекторний струм пропорційний базового току. Коефіцієнт пропорційно
ціональний В = IС / IB називають коефіцієнтом статичного посилення по струму.
Однак пропорційність має місце тільки в обмеженій області струму, так
як У залежить від IС. Диференціальний коефіцієнт посилення по струму в робочій точці
визначається виразом

Рис. 2.3. Полярність включення
n-p-n-транзистора

Рис. 2.4. Полярність включення
p-n-p-транзистора

Є три основні схеми включення транзистора в підсилювальні ланцюга.
Залежно від того, чи приєднається емітер, колектор або база до спільної точки, розрізняють відповідно схеми з загальним емітером, колектором або базою.
Розглянемо ці різновиди схем, тому що вони утворюють основу пристроїв на
транзисторах. Для наочності розгляду будемо виходити з npn-транзісто-
рів і використовуємо pnp-транзистори тільки там, де це необхідно. У всіх
схемах можна замінити npn-транзистори на pnp-транзистори, помінявши одночасно полярність живлячих напруг. Параметром, який можна покласти в основу розгляду, є напруга база-емітер в робочій точці UBEA, що становить для кремнієвих транзисторів ~ 0,6 В, а для германієвих - приблизно 0,2 В. Крім того, необхідно врахувати, що зворотний струм германієвих транзисторів набагато більше, ніж у кремнієвих.

2.1. Схемі із загальним
Емітер

На рис. 2.5 наведена схема включення транзистора із загальним емітером.

Рис. 2.5. Повна схема

Для даної схеми можна зробити допущення, що струм IС залежить тільки від UBE,
але не залежить від UСE. Тоді збільшення IС складе

Так як колекторний струм джерела напруги протікає через опір
RС, то падіння напруги на RС теж підвищується і вихідна напруга Ua віз-
зростає на величину

Таким чином, схема забезпечує коефіцієнт посилення по напрузі

2.1.1. Схемі із загальним емітером
І ВІД'ЄМНОГО
Зворотний зв'язок щодо Току

Для зменшення нелінійних спотворень можна використовувати негативну
зворотний зв'язок. При цьому частина вихідного сигналу подається назад на вхід, з тим
щоб протидіяти вхідного сигналу. Внаслідок цього зменшується посилення, проте за допомогою негативного зворотного зв'язку можна забезпечити, щоб посилення в основному визначалося співвідношенням провідникові і практично не залежало від нелінійної передатної характеристики транзистора.
У схемі, що зображена на рис. 2.6, негативна зворотній зв'язок реалізована

Рис. 2.6. Схема з загальним емітером і загону
валий зворотним зв'язком по струму

за допомогою введеного в емітерний ланцюг опору RE. Зі збільшенням напруги Ue підвищується колекторний струм. Оскільки IЕ ≈ IС, то збільшується падіння
напруги на RE: UE = IERE. Різниця UBE = Ue - UE становить частину вхідного
напруги ΔUe. Цю напругу, прикладену до емітера, протидіє посиленню. Отже, маємо негативну зворотний зв'язок. Оскільки вона викликана протіканням емітерний струму, то її можна назвати негативного зворотного
зв'язком по струму або послідовної негативним зворотним зв'язком.
Якщо в першому наближенні знехтувати зміною UBE, то отримаємо ΔUE ≈ ΔUe.
У зв'язку з тим, що через RС протікає практично той же струм, що і через RE, зміна падіння напруги на RС більше, ніж ΔUЕ, в RС / RE разів. Отже, коефіцієнт посилення по напрузі схеми з негативним зворотним зв'язком наближено визначається як

В отримане вираз не входять параметри транзистора, залежні від струму.

2.2. Схемі із загальною базою

Якщо схему з загальною базою (мал. 2.7) порівняти зі схемою з загальним емітером, то можна побачити, що джерело напруги сигналу включений між одними і тими ж висновками. Тому виходить те ж посилення по напрузі, хоча і з позитивним знаком.
Суттєва різниця між двома схемами полягає в тому, що джерело напруги сигналу для схеми із загальною базою знаходиться між базовим виведенням і загальною точкою.

Рис. 2.7. Схема з загальною базою

2.3. Схемі із загальним
Колектори,
Емітерний Повторювач

Принцип дії схеми з загальним колектором (рис. 2.8) полягає в наступному. Якщо докласти вхідна напруга Ue більше, ніж 0,6 В, то протікає колекторний струм, який викликає падіння напруги на RE. Вихідна напруга зростає настільки, щоб напруга база-емітер досягло 0,6 В. Тоді

Рис. 2.8. Емітерний повторювач

Якщо Ue збільшити, то колекторний струм, а також і падіння напруги на RE
підвищуються. Внаслідок цього напруга UBEA лише незначно збільшується
при підвищенні колекторного струму. Отже, вихідна напруга зростає майже так само, як вхідний, і коефіцієнт посилення по напрузі дорівнює

Оскільки зміна потенціалу емітера повторює зміну потенціалу бази, то схему із загальним колектором часто називають емітерний повторювачем.

2.4. Транзистор як
ДЖЕРЕЛО
Стабільного струму

Ідеальне джерело струму забезпечує в навантаженні RV струм, який не залежить від
падіння напруги на RV. Схема ідеального джерела струму можна побудувати на базі джерела напруги U0 з послідовно включеним провідникові Ri.
Якщо необхідний значний струм короткого замикання I0, то потрібно вибрати
напругу U0 великий величини. Для того, щоб забезпечити I0 = 1 мА та Ri = 10 МОм, необхідно докласти напругу U0 = 10 кВ. Ця умова можна обійти, якщо вимагати більшого внутрішнього опору тільки для певного інтервалу вихідних напруг. У цьому випадку великим може бути лише диференціальне внутрішній опір ri = - (dUa / dIa), тоді як статичне внутрішній опір може бути малим. Цією особливістю має вихідна характеристика транзистора. У той час як UCE / IC має порядок декількох кіло, dUCE / dIc вище UCEнас і становить декілька сотень кіло. За допомогою негативного зворотного зв'язку значення диференціального внутрішнього опору можна збільшити на кілька порядків.
Схема джерела струму, що на рис. 2.9, побудована на основі схеми з загальним емітером і негативним зворотним зв'язком по струму.
.

Рис. 2.9. Джерело стабільного струму
з дільником напруги

Істотна відмінність полягає в тому, що навантаження у цьому випадку включена послідовно з транзистором. Вихідний струм залишається незмінним, поки транзистор насичений, тобто поки UCE> UCEнас.
Загальний опір подільника напруги несприятливо впливає на внутрішній опір джерела струму. Тому опір R2 доцільно замінити стабілітронів, як показано на рис. 2.10; при цьому потенціал бази стає значною мірою незалежним від коливань напруги живлення.

Рис. 2.10. Джерело стабільного струму
з стабілітронів

2.5. Біполярний ДЖЕРЕЛО
ХАРЧУВАННЯ

Іноді буває необхідний джерело струму, що забезпечує як позитивний,
так і негативний вихідний струм Ia, який пропорційний що додається
вхідного напрузі Ue. Для цієї мети можна з'єднати один з одним два комплементарних джерела, як показано на рис. 2.11. Якщо Ue = 0, то протікають
рівні струми I1 і I2, вихідний струм Іа дорівнює нулю. Якщо докласти позитивне напруга, то I2 збільшується, а I1 зменшується. Завдяки цьому протікає негатив-
негативний вихідний струм. При негативному вхідній напрузі має місце
зворотна картина.

Рис. 2.11. Біполярний джерело стабільного
струму

2.6. ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИХ
ПІДСИЛЮВАЧ

2.6.1. ОСНОВНА СХЕМА

Диференціальний підсилювач - це симетричний підсилювач постійного
напруги з двома входами і двома виходами. Основна схема його представлена на
рис. 2.12.

Рис. 2.12. Основна схема диференціального
підсилювача

У загальну емітерний ланцюг включений джерело стабільного струму. Він забезпечує сталість суми емітерний струмів IЕ1 IЕ2. При відсутності сигналу Ue1 = Ue2 = 0. У цьому випадку струм Ik, внаслідок симетрії, рівномірно розподіляється між обома транзисторами T1 і Т2. Тоді отримаємо

Нехтуючи базовим струмом, знайдемо

Ці співвідношення не зміняться, якщо обидва вхідних напруги отримають збільшення
на одну і ту ж величину (синфазних сигнал). Так як в цьому режимі колекторні
струми залишаються рівними один одному, є сталою і різниця вихідних напруг,
тобто коефіцієнт посилення синфазного сигналу дорівнює нулю.

Якщо Uel> Ue2, то змінюється розподіл струмів в диференціальній
підсилювачі: IС1 збільшується, a IC2 зменшується. Їх сума при цьому залишається рівною Ik.
Тому

Таким чином, різниця вхідних напруг на відміну від синфазного управління викликає зміна вихідної напруги.
Зміна напруги база-емітер, що відбувається під впливом
температури, діє як синфазних сигнал і, отже, не впливає на роботу схеми. Тому диференціальний підсилювач добре пристосований до роботи в якості
підсилювача постійного струму. Через малий дрейфу диференціальний підсилювач використовують також, коли потребує зусиль не різниця напруг, а тільки вхідний
напруга. У цьому випадку один з двох входів має нульовий потенціал. При
це UD = Ue або UD =-Ue залежно від того, який був використаний.

Дата добавления: 2014-01-07