Bipolare Transistorverbindungen
Definition des Bipolartransistors
Ein Bipolartransistor (BJT) ist ein dreieingängiges Bauteil. Er kann als Verstärker oder Schalter fungieren und erfordert einen Eingangsschaltkreis und einen Ausgangsschaltkreis. Um dies mit nur drei Anschlüssen zu bewältigen, dient ein Anschluss als gemeinsame Verbindung für Eingang und Ausgang. Die Wahl des gemeinsamen Anschlusses hängt von der Anwendung ab. Es gibt drei Arten von Transistorverbindungen: Gemeinsamer Basisanschluss, gemeinsamer Emitteranschluss und gemeinsamer Kollektoranschluss.
Transistor mit gemeinsamem Basisanschluss
Transistor mit gemeinsamem Emitteranschluss
Transistor mit gemeinsamem Kollektoranschluss.
Hierbei ist zu beachten, dass unabhängig von der Verbindung des Transistors die Basis-Emitter-Spannung vorgespannt und die Basis-Kollektor-Spannung rückgespannt bleiben muss.
Gemeinsamer Basisanschluss des BJT
Hier ist der Basisanschluss für den Eingangs- und den Ausgangsschaltkreis gemeinsam. Die Konfigurationen oder Modi mit gemeinsamem Basisanschluss sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Hier werden die gemeinsamen Basismodi für npn- und pnp-Transistoren separat gezeigt. Der Emitter-Basis-Schaltkreis wird als Eingangsschaltkreis und der Kollektor-Basis-Schaltkreis als Ausgangsschaltkreis verwendet.
Stromverstärkung
Hier ist der Eingangsstrom der Emitterstrom IE und der Ausgangsstrom der Kollektorstrom IC. Die Stromverstärkung wird betrachtet, wenn wir nur die Gleichspannungs-Vorspannung des Schaltkreises berücksichtigen und kein Wechselspannungssignal am Eingang anliegt. Wenn wir nun ein Wechselspannungssignal am Eingang berücksichtigen, wäre der Stromverstärkungsfaktor (α) bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung
Hier ist zu sehen, dass weder die Stromverstärkung noch der Stromverstärkungsfaktor Werte über eins haben, da der Kollektorstrom auf keinen Fall größer sein kann als der Emitterstrom. Aber wie wir wissen, sind Emitterstrom und Kollektorstrom in einem Bipolartransistor fast gleich, so dass diese Verhältnisse sehr nahe an eins liegen. Der Wert liegt in der Regel zwischen 0,9 und sogar 0,99.
Ausdruck des Kollektorstroms
Wenn der Emitterkreis offen ist, gibt es keinen Emitterstrom (IC = 0). In dieser Situation fließt jedoch ein kleiner Strom durch die Kollektorregion. Dies ist auf den Fluss von Minderheitsladungsträgern zurückzuführen, und dies ist der Rückwärtsleckstrom. Da dieser Strom durch Kollektor und Basis fließt, während der Emitteranschluss offen ist, wird der Strom als ICBO bezeichnet. Bei Transistoren mit geringer Leistungsaufnahme ist der Rückwärtsleckstrom ICBO ziemlich klein und wird in der Regel bei Berechnungen vernachlässigt, aber bei Transistoren mit hoher Leistungsaufnahme kann dieser Leckstrom nicht vernachlässigt werden. Dieser Strom hängt stark von der Temperatur ab, so dass bei hohen Temperaturen der Rückwärtsleckstrom ICBO bei Berechnungen nicht vernachlässigt werden kann. Dieser Ausdruck beweist, dass der Kollektorstrom auch vom Basisstrom abhängt.
Charakteristik des gemeinsamen Basisanschlusses
Eingangscharakteristik
Diese wird zwischen dem Eingangsstrom und der Eingangsspannung des Transistors selbst gezogen. Der Eingangsstrom ist der Emitterstrom (IE) und die Eingangsspannung ist die Emitter-Basis-Spannung (VEB). Nachdem die Vorschaltungsspannung des Emitter-Basis-Übergangs überschritten wurde, steigt der Emitterstrom (IE) mit zunehmender Emitter-Basis-Spannung (VEB) rasch an.
Der Eingangswiderstand des Schaltkreises ist das Verhältnis der Änderung der Emitter-Basis-Spannung (ΔV EB) zum Emitterstrom (ΔIE) bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung (VCB = Konstant). Da die Änderung des Emitterstroms im Vergleich zur Änderung der Emitter-Basis-Spannung (ΔIE >> ΔVEB) ziemlich groß ist, ist der Eingangswiderstand des Transistors mit gemeinsamem Basisanschluss ziemlich klein.
Ausgangscharakteristik
Der Kollektorstrom erhält nur einen konstanten Wert, wenn eine ausreichende Rückwärtsvorspannung zwischen Basis und Kollektorregion hergestellt ist. Deshalb steigt der Kollektorstrom mit zunehmender Kollektor-Basis-Spannung, wenn diese Spannung einen sehr niedrigen Wert hat. Aber nach einer bestimmten Kollektor-Basis-Spannung wird der Kollektor-Basis-Übergang ausreichend rückgespannt, und daher wird der Kollektorstrom für einen bestimmten Emitterstrom konstant und hängt vollständig vom Emitterstrom ab.
In dieser Situation trägt der gesamte Emitterstrom, abzüglich des Basisstroms, zum Kollektorstrom bei. Da der Kollektorstrom für den angegebenen Emitterstrom in diesem Bereich der Charakteristik fast konstant wird, ist der Anstieg des Kollektorstroms im Vergleich zum Anstieg der Kollektor-Basis-Spannung sehr gering.
Das Verhältnis der Änderung der Kollektor-Basis-Spannung zur Änderung des Kollektorstroms wird als der Ausgangswiderstand des Transistors mit gemeinsamem Basisanschluss definiert. Natürlich ist der Wert des Ausgangswiderstands im Modus mit gemeinsamem Basisanschluss eines Transistors sehr hoch.
Gemeinsamer Emitteranschluss des BJT
Der Transistor mit gemeinsamem Emitteranschluss ist die am häufigsten verwendete Transistorverbindung. Hier ist der Emitteranschluss für den Eingangs- und den Ausgangsschaltkreis gemeinsam. Der Schaltkreis, der zwischen Basis und Emitter verbunden ist, ist der Eingangsschaltkreis, und der Schaltkreis, der zwischen Kollektor und Emitter verbunden ist, ist der Ausgangsschaltkreis. Die gemeinsamen Emittermodi für npn- und pnp-Transistoren sind in der folgenden Abbildung getrennt dargestellt.
Stromverstärkung
Bei der Konfiguration mit gemeinsamem Emitteranschluss ist der Eingangsstrom der Basisstrom (IB) und der Ausgangsstrom der Kollektorstrom (IC). Im Bipolartransistor steuert der Basisstrom den Kollektorstrom. Das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms (ΔIC) zur Änderung des Basisstroms (ΔIB) wird als die Stromverstärkung des Transistors mit gemeinsamem Emitteranschluss definiert. Im Bipolartransistor ist der Emitterstrom (IE) die Summe des Basisstroms (IB) und des Kollektorstroms (IC). Wenn sich der Basisstrom ändert, ändert sich auch der Kollektorstrom, und dadurch ändert sich auch der Emitterstrom entsprechend.
Wiederum wird das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms zur entsprechenden Änderung des Emitterstroms durch α bezeichnet. Da der Wert des Basisstroms im Vergleich zum Kollektorstrom (IB << IC) ziemlich gering ist, ist die Stromverstärkung im Transistor mit gemeinsamem Emitteranschluss ziemlich hoch und liegt zwischen 20 und 500.
Charakteristik des Transistors mit gemeinsamem Emitteranschluss
Im Modus mit gemeinsamem Emitteranschluss des Transistors gibt es zwei Schaltkreise – den Eingangsschaltkreis und den Ausgangsschaltkreis. Im Eingangsschaltkreis sind die Parameter der Basisstrom und die Basis-Emitter-Spannung. Die Charakteristikkurve, die gegen die Variationen des Basisstroms und der Basis-Emitter-Spannung gezeichnet wird, ist die Eingangscharakteristik eines Transistors mit gemeinsamem Emitteranschluss. Die pn-Übergangsschicht zwischen Basis und Emitter ist vorgespannt, daher ähnelt die Charakteristik der eines vorgespannten pn-Übergangsdioden. Auch hier erhält der Basisstrom keinen Wert, bevor die Basis-Emitter-Spannung die Vorschaltungsspannung des Übergangs überschreitet, aber danach steigt der Basisstrom signifikant mit der Zunahme der Basis-Emitter-Spannung. Die Steigerungsrate des Basisstroms in Bezug auf die Basis-Emitter-Spannung ist hier hoch, aber nicht so hoch wie im Fall des gemeinsamen Basisanschlusses.
Daher ist der Eingangswiderstand des Schaltkreises höher als beim gemeinsamen Basisanschluss eines Transistors.
Ausgangscharakteristik des Transistors mit gemeinsamem Emitteranschluss
Die Ausgangscharakteristik wird gegen die Variationen des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung des Transistors gezeichnet. Der Kollektorstrom ist der Ausgangsstrom und die Kollektor-Emitter-Spannung ist die Ausgangsspannung des Transistors. Hier wird die Variation des Kollektorstroms für verschiedene Werte der Kollektor-Basis-Spannung bei einem festen Wert des Basisstroms dargestellt. Es stellt sich heraus, dass am Anfang der Kollektorstrom proportional mit zunehmender Kollektor-Emitter-Spannung ansteigt, aber nach einem bestimmten Spannungsniveau wird der Kollektorstrom fast konstant. Dies liegt daran, dass am Anfang der Basis-Kollektor-Übergang keine ausreichende Rückwärtsvorspannung erhält, aber nach einer bestimmten Spannung wird er ausreichend rückgespannt und dann wandern die meisten Ladungsträger, die aus der Emitterregion in die Basisregion kommen, in die Kollektorregion, um zum Kollektorstrom beizutragen. Die Anzahl der Mehrheitsladungsträger, die aus der Emitterregion kommen, hängt im BJT vom Basisstrom ab, daher ist der Kollektorstrom für einen bestimmten Basisstrom konstant.
Der Ausgangswiderstand würde
Gemeinsamer Kollektoranschluss des BJT
Bei der Konfiguration mit gemeinsamem Kollektoranschluss ist der Eingangsschaltkreis zwischen Basis- und Kollektoranschluss und der Ausgangsschaltkreis zwischen Emitter- und Kollektoranschluss.
Das Verhältnis der Änderung des Emitterstroms zur Änderung des Basisstroms wird als die Stromverstärkung der Konfiguration mit gemeinsamem Kollektoranschluss definiert. Dies wird bezeichnet als,
Der Stromverstärkungsfaktor des Schaltkreises ist das Verhältnis der Änderung des Emitterstroms zur Änderung des Basisstroms, wenn ein zeitabhängiges Signal am Eingang anliegt.
Eingangscharakteristik des Transistors mit gemeinsamem Kollektoranschluss
Der Eingangsstrom ist der Basisstrom und die Eingangsspannung des Transistors ist die Basis-Kollektor-Spannung. Der Basis-Kollektor-Übergang ist rückgespannt, und daher nimmt die Rückwärtsvorspannung des Übergangs mit zunehmender Basis-Kollektor-Spannung zu. Dies führt dazu, dass der Basisstrom leicht mit zunehmender Basis-Kollektor-Spannung abnimmt. Da in dieser Situation mehr Minderheitsladungsträger der Basisregion in die Kollektorregion wechseln, nimmt die Elektron-Loch-Rekombinationsrate in der Basisregion ab, was zu einer Abnahme des Basisstroms führt.
Ausgangscharakteristik des Transistors mit gemeinsamem Kollektoranschluss
Die Ausgangscharakteristik eines Transistors mit gemeinsamem Kollektoranschluss ist fast identisch mit der Ausgangscharakteristik eines Transistors mit gemeinsamem Emitteranschluss. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hier im Fall der Konfiguration mit gemeinsamem Kollektoranschluss der Ausgangsstrom der Emitterstrom ist, anstatt des Kollektorstroms, wie im Fall der Konfiguration mit gemeinsamem Emitteranschluss. Auch hier steigt der Emitterstrom linear mit zunehmender Kollektor-Emitter-Spannung bis zu einem bestimmten Niveau dieser Spannung, und dann bleibt der Emitterstrom fast konstant, unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung. Allerdings gibt es eine sehr langsame Zunahme des
