Połączenia tranzystora bipolarnego

Definicja Bipolarnego Tranzystora z Połączeniem

Bipolarny tranzystor z połączeniem (BJT) to urządzenie trójterminalowe. Może działać jako wzmacniacz lub przełącznik, wymagając jednego obwodu wejściowego i jednego obwodu wyjściowego. Aby obsłużyć to za pomocą tylko trzech terminali, jeden z nich służy jako wspólne połączenie dla obu, wejścia i wyjścia. Wybór wspólnego terminala zależy od zastosowania. Istnieją trzy rodzaje połączeń tranzystorów: połączenie ze wspólną bazą, połączenie ze wspólnym emiterem i połączenie ze wspólnym kolektor.

• Tranzystor ze wspólną bazą

• Tranzystor ze wspólnym emiterem

• Tranzystor ze wspólnym kolektorem.

Warto pamiętać, że niezależnie od połączenia tranzystora, połączenie baza-emiter musi być skierowane w przód, a połączenie baza-kolektor musi być skierowane w tył.

Połączenie ze Wspólną Bazą BJT

W tym przypadku terminal bazy jest wspólny dla obwodów wejściowego i wyjściowego. Konfiguracje lub tryby ze wspólną bazą są przedstawione na poniższym rysunku. Pokazano tutaj oddzielnie tryb ze wspólną bazą dla tranzystora typu npn i pnp. Obwód emiter-baza jest traktowany jako obwód wejściowy, a obwód kolektor-baza jako obwód wyjściowy.

Wzmocnienie Prądowe

Wejściowy prąd to prąd emitera IE, a prąd wyjściowy to prąd kolektora IC. Wzmocnienie prądowe jest rozważane, gdy uwzględniamy tylko napięcia DC obwodu i nie stosujemy sygnału przemiennego na wejściu. Jeśli teraz rozważymy zastosowanie sygnału przemiennego do wejścia, współczynnik wzmocnienia prądowego (α) przy stałym napięciu kolektor-baza wyniesie

Zauważmy, że ani wzmocnienie prądowe, ani współczynnik wzmocnienia prądowego nie mają wartości większej niż jedność, ponieważ prąd kolektora w żadnym razie nie może być większy niż prąd emitera. Ale jak wiemy, prąd emitera i prąd kolektora w bipolarnym tranzystorze z połączeniem są prawie równe, te proporcje będą bardzo bliskie jedności. Wartość ta zwykle mieści się w zakresie od 0,9 do nawet 0,99.

Wyrażenie na Prąd Kolektora

Jeśli obwód emitera jest otwarty, nie będzie prądu emitera (IC = 0). Ale w tej sytuacji, przez region kolektora będzie płynąć mały prąd. Jest to spowodowane przepływem mniejszościowych nośników ładunku i to jest prąd przeciekowy. Ponieważ ten prąd płynie przez kolektor i bazę, podczas gdy terminal emitera jest otwarty, oznaczany jest jako ICBO. W małych tranzystorach o niskiej mocy prąd przeciekowy ICBO jest bardzo mały i zwykle pomijamy go w obliczeniach, ale w tranzystorach o wysokiej mocy ten prąd przeciekowy nie może być pominięty. Ten prąd jest silnie zależny od temperatury, więc przy wysokich temperaturach prąd przeciekowy ICBO nie może być pominięty w obliczeniach. To wyrażenie dowodzi, że prąd kolektora zależy również od prądu bazy.

Charakterystyka Połączenia ze Wspólną Bazą

Charakterystyka Wejściowa

Ta charakterystyka jest rysowana między prądem wejściowym a napięciem wejściowym samego tranzystora. Prąd wejściowy to prąd emitera (IE), a napięcie wejściowe to napięcie emiter-baza (VEB). Po przekroczeniu napotkania potencjału barierowego połączenia emiter-baza, prąd emitera (IE) zaczyna szybko rosnąć wraz ze wzrostem napięcia emiter-baza (VEB).

Opor wejściowy obwodu to stosunek zmiany napięcia emiter-baza (ΔV EB) do prądu emitera (ΔIE) przy stałym napięciu kolektor-baza (VCB = Stałe). Ponieważ zmiana prądu emitera jest znacznie większa w porównaniu do zmiany napięcia emiter-baza (ΔIE >> ΔVEB), opór wejściowy tranzystora ze wspólną bazą jest stosunkowo mały.

Charakterystyka Wyjściowa

Prąd kolektora osiąga stałą wartość tylko wtedy, gdy między regionami bazy i kolektora jest wystarczająco duży odwracający się bias. Dlatego też, gdy napięcie kolektor-baza ma bardzo niską wartość, następuje wzrost prądu kolektora. Ale po pewnym napięciu kolektor-baza, połączenie kolektor-baza staje się wystarczająco odwrócone, co powoduje, że prąd kolektora staje się stały dla określonego prądu emitera i zależy on wyłącznie od prądu emitera.

W takiej sytuacji, cały prąd emitera, z wyjątkiem prądu bazy, przyczynia się do prądu kolektora. Ponieważ prąd kolektora staje się niemal stały dla określonego prądu emitera w tym rejonie charakterystyki, wzrost prądu kolektora jest bardzo mały w porównaniu do wzrostu napięcia kolektor-baza.

Stosunek zmiany napięcia kolektor-baza do zmiany prądu kolektora definiuje się jako opór wyjściowy trybu ze wspólną bazą tranzystora. Naturalnie, wartość oporu wyjściowego jest bardzo duża w trybie ze wspólną bazą tranzystora.

Połączenie ze Wspólnym Emitterem BJT

Tranzystor ze wspólnym emiterem to najczęściej używane połączenie tranzystora. W tym przypadku terminal emitera jest wspólny dla obwodów wejściowego i wyjściowego. Obwód połączony między bazą a emiterem to obwód wejściowy, a obwód połączony między kolektorem a emiterem to obwód wyjściowy. Tryb ze wspólnym emiterem tranzystora typu npn i pnp jest pokazany oddzielnie na poniższym rysunku.

Wzmocnienie Prądowe

W konfiguracji ze wspólnym emiterem, prąd wejściowy to prąd bazy (IB), a prąd wyjściowy to prąd kolektora (IC). W bipolarnym tranzystorze, prąd bazy kontroluje prąd kolektora. Stosunek zmiany prądu kolektora (ΔIC) do zmiany prądu bazy (ΔIB) definiuje się jako wzmocnienie prądowe tranzystora ze wspólnym emiterem. W bipolarnym tranzystorze, prąd emitera (IE) to suma prądu bazy (IB) i prądu kolektora (IC). Jeśli prąd bazy ulegnie zmianie, prąd kolektora również się zmieni, a w rezultacie prąd emitera również ulegnie odpowiedniej zmianie.

Ponownie, stosunek zmiany prądu kolektora do odpowiedniej zmiany prądu emitera oznaczany jest jako α. Ponieważ wartość prądu bazy jest znacznie niższa w porównaniu do prądu kolektora (IB << IC), wzmocnienie prądowe w tranzystorze ze wspólnym emiterem jest stosunkowo wysokie i mieści się w zakresie od 20 do 500.

Charakterystyka Tranzystora ze Wspólnym Emitterem

W trybie ze wspólnym emiterem tranzystora istnieją dwa obwody – obwód wejściowy i obwód wyjściowy. W obwodzie wejściowym parametry to prąd bazy i napięcie baza-emiter. Krzywa charakterystyczna narysowana w oparciu o zmiany prądu bazy i napięcia baza-emiter to charakterystyka wejściowa tranzystora ze wspólnym emiterem. Połączenie pn między bazą a emiterem jest skierowane w przód, więc charakterystyka będzie podobna do charakterystyki diody pn skierowanej w przód. Tutaj prąd bazy nie ma żadnej wartości, dopóki napięcie baza-emiter nie przekroczy potencjału barierowego połączenia, ale po tym, prąd bazy znacznie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia baza-emiter. Tempo wzrostu prądu bazy w stosunku do napięcia baza-emiter jest tu wysokie, ale nie tak wysokie jak w przypadku trybu ze wspólną bazą.

Dlatego opór wejściowy obwodu jest wyższy niż w przypadku trybu ze wspólną bazą tranzystora.

Charakterystyka Wyjściowa Tranzystora ze Wspólnym Emitterem

Charakterystyka wyjściowa jest rysowana w oparciu o zmiany prądu wyjściowego i napięcia wyjściowego tranzystora. Prąd kolektora to prąd wyjściowy, a napięcie kolektor-emiter to napięcie wyjściowe tranzystora. Tutaj zmiana prądu kolektora dla różnych wartości napięcia kolektor-baza jest nanoszona na stałą wartość prądu bazy. Okazuje się, że na początku prąd kolektora proporcjonalnie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia kolektor-emiter, ale po pewnym poziomie napięcia, prąd kolektora staje się niemal stały. To dlatego, że na początku połączenie baza-kolektor nie ma wystarczającego odwracającego się biasu, ale po pewnym napięciu staje się wystarczająco odwrócone, a następnie większość nośników ładunku przechodzących z regionu emitera do regionu bazy przeniesie się do regionu kolektora, aby przyczynić się do prądu kolektora. Liczba większościowych nośników ładunku przechodzących z regionu emitera zależy od prądu bazy w BJT, więc dla określonego prądu bazy prąd kolektora jest stały.

Opór wyjściowy będzie wynosił

Połączenie ze Wspólnym Kolektorem BJT

W konfiguracji ze wspólnym kolektorem, obwód wejściowy znajduje się między terminalem bazy a kolektorem, a obwód wyjściowy między emiterem a kolektorem.

Stosunek zmiany prądu emitera do zmiany prądu bazy definiuje się jako wzmocnienie prądowe konfiguracji ze wspólnym kolektorem. Oznaczane jest jako,

Współczynnik wzmocnienia prądowego obwodu to stosunek zmiany prądu emitera do zmiany prądu bazy, gdy sygnał zmienny w czasie jest zastosowany do wejścia.

Charakterystyka Wejściowa Tranzystora ze Wspólnym Kolektorem

Prąd wejściowy to prąd bazy, a napięcie wejściowe tranzystora to napięcie baza-kolektor. Połączenie baza-kolektor jest odwrócone, a więc zwiększenie napięcia baza-kolektor powoduje zwiększenie odwracającego się biasu. To powoduje lekkie zmniejszenie prądu bazy wraz ze wzrostem napięcia baza-kolektor. Ponieważ w tej sytuacji więcej mniejszościowych nośników ładunku z regionu bazy przeniesie się do regionu kolektora, a więc tempo rekombinacji elektron-dziura w regionie bazy zmniejszy się, co spowoduje zmniejszenie prądu bazy.