Транзисторы. Пример решения задач

Транзисторы

Наиболее распространенными в настоящее время являются биполярные транзисторы. Для определенности при изучении транзисторов и схем с их использованием следует всегда иметь в виду транзистор n-p-n типа. Схемы на транзисторах р-n-р-типа будут точно такими же, только полярность источников питания изменится на обратную. Соответственно изменятся на противоположные и направления всех протекающих через транзистор токов.

В структуре биполярного транзистора имеются два р-n-перехода: эмиттерный -между эмиттером и базой и коллекторный - между коллектором и базой. Следует с самого начала запомнить правило: в обычном усилительном режиме на эмиттерный р-n -переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Следовательно, в этом режиме у транзистора n-p-n-типа потенциал базы должен быть более положительным, чем потенциал эмиттера (на десятые доли вольта), а потенциал коллектора - более положительным, чем потенциал базы (на несколько вольт).

Возможны три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (0Б). Это следует понимать следующим образом. Входная цепь, откуда подается входное усиливаемое напряжение, имеет два провода; так же два провода имеет и выходная цепь, Но у транзистора только три ввода, следовательно, один из них должен быть общим для входной и выходной цепей. Обычно этот общий провод заземляют. Из указанных трех схем включения наиболее распространена схема ОЭ, поскольку она усиливает сигнал как по току, так и по напряжению. Следовательно, мощность сигнала возрастает сильнее всего. Схема ОК усиливает только ток и называется эмиттерным повторителем, поскольку коэффициент усиления по напряжению у нее близок к единице (немного меньше единицы). Схема ОБ усиливает только напряжение и используется реже.

По этим причинам именно схему ОЭ нужно понять лучше всего. Следует разобраться в том, почему такая схема дает усиление и тока, и напряжения входного сигнала.

Представим себе структуру транзистора типа n-р-n, включенного по схеме ОЭ (рис. а). Условное обозначение такого транзистора приведено на рис.б. Для удобства отсчета потенциалов эмиттер транзистора заземлим. Входным электродом транзистора является база р-типа, выходным - коллектор n-типа, Между базой и эмиттером подается небольшое положительное напряжение Uбэ, а между коллектором и эмиттером напряжение Uкэ также положительное и большее, чем Uбэ (несколько вольт). Тогда на переходах транзистора получаются напряжения, соответствующие его работе в усилительном режиме.

При подаче указанных напряжений в структуре транзистора происходят следующие явления. Поскольку на эмиттерный р-n-переход подано прямое напряжение, возникает инжекция, т.е. введение электронов из эмиттера в базу.

Одновременно инжектируют и дырки из базы в эмиттер, но этим явлением можно пренебречь, так как база имеет меньшую концентрацию примесей по сравнению с эмиттером, а следовательно, и меньшую концентрацию носителей заряда.

Небольшая часть инжектированных электронов (1-3 %) рекомбинирует с дырками базы. За счет этого по проводу, соединенному с базой, будет протекать небольшой ток базы Iб. Остальная часть электронов проникает далее в коллектор. Этому способствует положительный заряд коллектора, а также то, что базу намеренно выполняют очень тонкой (порядка 1 мкм).

Из такого рассмотрения легко понять механизм усиления схемы ОЭ по току и напряжению. Действительно, пусть за счет входного переменного сигнала напряжение Uбэ изменяется. Это приведет к значительным колебаниям инжектированного эмиттером тока. Наиболее значительная часть этого тока будет протекать в коллектор, а на долю базы опять будет приходиться только небольшая часть тока. Это означает, что хотя входной ток базы небольшой, однако он вызывает значительные колебания тока на выходе. Если же в коллекторную цепь включить резистор с достаточно большим сопротивлением, то в соответствии с законом Ома колебания тока вызовут увеличение амплитуды колебания напряжения, т.е, произойдет усиление сигнала и по току, и по напряжению.

Поскольку полярность напряжений, подаваемых на базу и коллектор, положительная, обе цепи можно питать от одного источника, на базу напряжение подают с помощью делителя, так как оно должно быть небольшим.

Иногда бывает трудно понять смысл h-параметров транзисторов. Это дифференциальные параметры, справедливые для малых уровней сигнала на фоне исходных напряжений и токов в состоянии покоя. Полностью описать поведение транзистора можно четырьмя величинами: входными и выходными напряжениями и токами. Для схемы ОЭ - это напряжения на базе Uбэ и коллекторе Uкэ относительно эмиттера, а также токи базы Iб и коллектора Iк. Из четырех величин две являются независимыми, а две другие – функциями. Все величины связаны между собой двумя уравнениями, которые в общем случае являются нелинейными. Однако при оперировании приращениями указанных величин эти уравнения становятся линейными, поскольку на малом участке вольт-амперной характеристики можно заменить отрезками прямых.

Из всех параметров особенно следует отметить коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ в = h_21Э. Все h-параметры могут быть найдены графически по входным и выходным характеристикам транзистора.

Пример решения задач

Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходную характеристики, определить коэффициент усиления h_21э, величину сопротивления нагрузки R_k1 и R_k2и мощность на коллекторе Р_k1и Р_k2, если известно напряжение на базе U_бэ, напряжение на коллекторе U_kэ1 и U_kэ2 и напряжение источника питания Е_k.

1 Схема:

1. Определяем коэффициент усиления h_21э по выходным характеристикам:

h_21э=ΔI_к/ ΔI_б=(0,4-0,21)/(0,004-0,002)=95

1. Определяем ток в цепях базы и коллектора по входным характеристикам: I_б= 4 мА, следовательно для заданных параметров

I_к= h_21э· I_б =95·0,004=0,38А.

1. Определяем сопротивления R_k1 и R_k2:

для R_к1 :

Ом;

для R_к2 :

Ом;

1. Определяем ток на коллекторе I_k1:

А;

1. Определяем ток на коллекторе I_k2:

А;

1. P_к1= U_кэ1· I_к1 = 20·0,38 = 7,6 Вт;

2. P_к2= U_кэ2· I_к2 = 30·0,126 = 3,78 Вт;

Размещено на Allbest.ru