Соединения биполярного транзистора

Определение биполярного транзистора

Биполярный транзистор (BJT) — это трехвыводное устройство. Он может функционировать как усилитель или переключатель, требуя одного входного и одного выходного контура. Для обработки этого с помощью только трех выводов один вывод служит общим соединением для входа и выхода. Выбор общего вывода зависит от применения. Существует три типа соединений транзисторов: общий эмиттер, общий базовый и общий коллектор.

• Транзистор с общим базовым выводом

• Транзистор с общим эмиттерным выводом

• Транзистор с общим коллекторным выводом.

Важно помнить, что независимо от типа соединения транзистора, базово-эмиттерное соединение должно быть прямосмещено, а базово-коллекторное соединение — обратносмещено.

Соединение BJT с общим базовым выводом

Здесь базовый вывод является общим для входного и выходного контуров. Конфигурации или режимы с общим базовым выводом показаны на рисунке ниже. Здесь показаны режимы с общим базовым выводом для npn-транзистора и pnp-транзистора отдельно. Входной контур представляет собой эмиттер-базовое соединение, а выходной контур — коллектор-базовое соединение.

Коэффициент усиления по току

Здесь входной ток — это ток эмиттера IE, а выходной ток — это ток коллектора IC. Коэффициент усиления по току рассматривается, когда мы учитываем только постоянные напряжения смещения в цепи, и на вход не подается переменный сигнал. Если же на вход подается переменный сигнал, то коэффициент усиления по току (α) при постоянном напряжении коллектор-база будет равен

Здесь видно, что ни коэффициент усиления по току, ни коэффициент усиления по току не могут иметь значение больше единицы, так как ток коллектора никак не может быть больше тока эмиттера. Однако, как известно, ток эмиттера и ток коллектора почти равны в биполярном транзисторе, поэтому эти отношения будут очень близки к единице. Обычно значения находятся в диапазоне от 0,9 до 0,99.

Выражение тока коллектора

Если цепь эмиттера открыта, ток эмиттера (IC = 0) будет равен нулю. Однако в этом случае через область коллектора будет протекать небольшой ток. Это связано с потоком меньшинства зарядовых носителей, и это обратный ток утечки. Так как этот ток протекает через коллектор и базу, оставляя эмиттерный вывод открытым, он обозначается как ICBO. В маломощных транзисторах обратный ток утечки ICBO довольно мал, и обычно его игнорируют при расчетах, но в мощных транзисторах этот ток утечки нельзя игнорировать. Этот ток сильно зависит от температуры, поэтому при высоких температурах обратный ток утечки ICBO нельзя игнорировать при расчетах. Это выражение доказывает, что ток коллектора также зависит от тока базы.

Характеристики соединения с общим базовым выводом

Входная характеристика

Эта характеристика строится между входным током и входным напряжением самого транзистора. Входным током является ток эмиттера (IE), а входным напряжением — напряжение эмиттер-база (VEB). После преодоления порогового напряжения эмиттер-база ток эмиттера (IE) начинает быстро увеличиваться с увеличением напряжения эмиттер-база (VEB).

Входное сопротивление цепи представляет собой отношение изменения напряжения между эмиттером и базой (ΔV EB) к току эмиттера (ΔIE) при постоянном напряжении между коллектором и базой (VCB = Constant). Поскольку изменение тока эмиттера значительно больше, чем изменение напряжения между эмиттером и базой (ΔIE >> ΔVEB), входное сопротивление транзистора с общей базой очень мало.

Выходная характеристика

Ток коллектора принимает постоянное значение только тогда, когда между базой и коллектором устанавливается достаточное обратное смещение. Поэтому при низком значении напряжения между коллектором и базой наблюдается увеличение тока коллектора. Однако после определенного значения напряжения между коллектором и базой это соединение получает достаточное обратное смещение, и ток коллектора становится постоянным для определенного тока эмиттера, полностью завися от тока эмиттера.

В этом случае весь ток эмиттера, за исключением тока базы, вносит свой вклад в ток коллектора. Поскольку ток коллектора становится почти постоянным для заданного тока эмиттера в этой области характеристики, увеличение тока коллектора очень мало по сравнению с увеличением напряжения между коллектором и базой.

Отношение изменения напряжения между коллектором и базой к изменению тока коллектора определяется как выходное сопротивление транзистора с общей базой. Естественно, значение выходного сопротивления в режиме с общей базой транзистора очень велико.

Схема с общим эмиттером биполярного транзистора

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной схемой подключения транзистора. Здесь эмиттерный вывод является общим для входной и выходной цепей. Цепь, соединенная между базой и эмиттером, является входной цепью, а цепь, соединенная между коллектором и эмиттером, является выходной цепью. Режимы с общим эмиттером для npn и pnp транзисторов показаны на рисунке ниже.

Коэффициент усиления по току

В схеме с общим эмиттером входной ток является током базы (IB), а выходной ток — током коллектора (IC). В биполярном транзисторе ток базы управляет током коллектора. Отношение изменения тока коллектора (ΔIC) к изменению тока базы (ΔIB) определяется как коэффициент усиления по току транзистора с общим эмиттером. В биполярном транзисторе ток эмиттера (IE) равен сумме тока базы (IB) и тока коллектора (IC). Если изменяется ток базы, то изменяется и ток коллектора, что приводит к соответствующему изменению тока эмиттера.

Снова отношение изменения тока коллектора к соответствующему изменению тока эмиттера обозначается α. Поскольку значение тока базы значительно меньше, чем ток коллектора (IB << IC), коэффициент усиления по току в транзисторе с общим эмиттером довольно высок и находится в диапазоне от 20 до 500.

Характеристика транзистора с общим эмиттером

В режиме с общим эмиттером транзистора существуют два контура – входной и выходной. Входной контур характеризуется базовым током и напряжением между базой и эмиттером. Характеристическая кривая, построенная в зависимости от изменений базового тока и напряжения между базой и эмиттером, является входной характеристикой транзистора с общим эмиттером. Соединение p-n между базой и эмиттером имеет прямое смещение, поэтому характеристика будет похожа на характеристику диода с прямым смещением. Здесь базовый ток не принимает значения до тех пор, пока напряжение между базой и эмиттером не превысит потенциал барьера прямого смещения соединения, но после этого базовый ток значительно увеличивается с ростом напряжения между базой и эмиттером. Скорость возрастания базового тока относительно напряжения между базой и эмиттером высока, но не так высока, как в случае схемы с общей базой.

Таким образом, входное сопротивление цепи выше, чем в случае схемы с общей базой транзистора.

Выходная характеристика транзистора с общим эмиттером

Выходная характеристика строится в зависимости от изменений выходного тока и выходного напряжения транзистора. Коллекторный ток является выходным током, а напряжение между коллектором и эмиттером – выходным напряжением транзистора. Здесь изменение коллекторного тока для различных значений напряжения между коллектором и базой строится при фиксированном значении базового тока. Наблюдается, что в начале коллекторный ток пропорционально увеличивается с ростом напряжения между коллектором и эмиттером, но после определенного уровня напряжения коллекторный ток становится практически постоянным. Это происходит потому, что вначале соединение между базой и коллектором не получает достаточного обратного смещения, но после определенного напряжения оно становится достаточно обратно смещенным, и тогда большая часть зарядовых носителей, приходящих из области эмиттера в область базы, мигрирует в область коллектора, внося свой вклад в коллекторный ток. Количество основных носителей заряда, приходящих из области эмиттера, зависит от базового тока в BJT, поэтому при определенном базовом токе коллекторный ток остается постоянным.

Выходное сопротивление будет

Схема с общим коллектором BJT

В схеме с общим коллектором входной контур находится между базой и коллектором, а выходной контур – между эмиттером и коллектором.

Отношение изменения эмиттерного тока к изменению базового тока определяется как коэффициент усиления по току в схеме с общим коллектором. Это обозначается как,

Коэффициент усиления по току цепи – это отношение изменения эмиттерного тока к изменению базового тока при подаче на вход сигнала, меняющегося во времени.

Входная характеристика транзистора с общим коллектором

Входной ток – это базовый ток, а входное напряжение транзистора – напряжение между базой и коллектором. Соединение p-n между базой и коллектором имеет обратное смещение, поэтому с увеличением напряжения между базой и коллектором обратное смещение соединения увеличивается. Это приводит к небольшому уменьшению базового тока с ростом напряжения между базой и коллектором. При этом условиях больше миноритарных носителей заряда из области базы будут распространяться в область коллектора, что приведет к уменьшению скорости рекомбинации электрон-дырка в области базы и, следовательно, к уменьшению базового тока.

Выходная характеристика транзистора с общим коллектором

Выходная характеристика транзистора с общей базой практически такая же, как и выходная характеристика транзистора с общим эмиттером. Единственное различие заключается в том, что в случае конфигурации с общей базой выходным током является ток эмиттера, а не ток коллектора, как в случае конфигурации с общим эмиттером. Здесь также при фиксированном токе базы, ток эмиттера линейно увеличивается с увеличением напряжения между коллектором и эмиттером до определенного уровня этого напряжения, после чего ток эмиттера становится почти постоянным, независимо от напряжения между коллектором и эмиттером. Хотя будет наблюдаться очень медленное увеличение тока эмиттера с повышением напряжения между коллектором и эмиттером, как показано на характеристической кривой ниже.