94. Транзисторы (биполярные и униполярные). Схемы подключения биполярных транзисторов с об, ок и оэ. Нормальное и инверсное включение схемы с об. Режимы отсечки и насыщения.

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление), электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Транзистор составляют два основных крупных класса: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы.

В униполярных транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака — электронами или дырками.

В биполярных транзисторах (которые обычно называют просто транзисторами) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой транзистор представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой с помощью особых технологических приёмов созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (p) и электронной (n). В зависимости от порядка их чередования различают транзисторы p—n—p-типа и n—p—n-типа. Средняя область (её обычно делают очень тонкой) — порядка нескольких мкм, называется базой, две другие — эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электронно-дырочными переходами (р—n-переходами): эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы.

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи. Схема включения транзистора с общей базой(ОБ) приведена на рис. 1.4.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

· коэффициент усиления по току I_вых / I_вх (для схемы с общей базой I_вых / I_вх = I_К / I_Э = a);

· входное сопротивление R_вхБ =

= U_вх / I_вх = U_БЭ / I_Э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Эта схема имеет следующие недостатки: она не усиливает ток (a < 1), имеет малое входное сопротивление, и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но в то же время такая схема имеет хорошие температурные и частотные свойства.

рис1.6 схема ОК

Схема, изображенная на рис. 1.5, является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база – эмиттер U_БЭ, а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки R_Н или, что то же самое, между коллектором и эмиттером – U_КЭ. Напряжение база – эмит­тер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Е_К достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинствами схемы с общим эмиттером являются:

· большой коэффициент усиления по току;

· большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление;

· для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто

Схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рис. 1.6.

Коэффициент усиления по току в такой схеме равен

а входное сопротивление

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е_Б и Е_Э всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, то есть очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер U_БЭ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между U_вых и U_вх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.