Как определить режим работы транзистора по напряжению

3.1.2. Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);

в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);

г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое.

Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях.

В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв (см.рис.3.2,а).

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Говорят, что транзистор «стягивается в точку» (рис.3.2,б).

Более сложная картина токов в транзисторе наблюдается при разных полярностях напряжений на переходах, т.е. в активном режиме. Рис. 3.3 иллюстрирует принцип работы транзистора в активном режиме.

Здесь показаны области p — n -переходов и потоки электронов и дырок в результате взаимодействия переходов в активном режиме.

Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае – электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным действующим лицом в транзисторе типа n —p-n (аналогично дырки – в транзисторе типа p-n-р).

Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок, большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток I_К .

В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы I_Б, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода.

© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.

Режимы работы транзистора: схемы, классы A, B, AB, C, D

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_кэн, I_кн), где U_кэн и I_кн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;
• с коллекторной стабилизацией;
• с эмиттерной стабилизацией.

Орлов Анатолий Владимирович
Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей
Задать вопрос

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Е_к обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа i_к· R_к + u_кэ− Е_к = 0
Отсюда находим ток коллектора i_к: i_к= − ( 1 / R_к ) · u_кэ+ ( 1 / R_к ) · Е_к что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

Будем пренебрегать напряжением u_бэ так как обычно u_бэ к. Тогда i_б = Е_к / R_б

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i_б задается величинами Е_к и R_б (ток “фиксирован”). При этом i_к= β_ст · i_б + Í_ко

Пусть i_б = i_б2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, i_б = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, i_б > i_б4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

• при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины β_ст и Í_ко, что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки.
• для каждого значения β_ст необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

(рис. 2.16).

Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос

Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помощью сопротивления Rб.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере.

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток i_к начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u_Rк, уменьшению напряжения u_кэ и уменьшению тока i_б ( i_б = u_кэ/ R_б), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_к, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией

В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток i_э и через это ток i_к ( i_к = i_э ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение u_Rэ. При этом оказывается, что i_э= u_Rэ/ R_э= const. Для создания требуемого напряжения u_R используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Сопротивления R₁и R₂ выбирают настолько малыми, что величина тока i_б практически не влияет на величину напряжения u_R2. При этом u_R2= Eк · [ R₂/ ( R₁+ R₂)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа u_Rэ= u_R2– u_б

При воздействии дестабилизирующих факторов величина u_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина u_Rэ. На практике обычно напряжение u_Rэ составляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

1. В режиме «А»ток коллектора всегда больше нуля (i_к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.
2. В режиме «В» I_кн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.
3. Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.
4. В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.
5. Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

2. Режимы работы транзисторов, их характеристики.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, служащий для усиления электрических сигналов.

Биполярный транзистор — ток в нём определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (отсюда и название биполярный)

Униполярный транзистор с n или p типом проводимости (полевой транзистор) в свою очередь униполярные делятся на транзисторы:

с индуцированным каналом

с встроенным каналом

Транзистор с индуцированным или встроенным каналом называют МДП-транзистор или МОП-транзистор

МДП-транзистор — структура металл-диэлектрик-полупроводник

МОП-транзистор — металл-окисид-полупроводник (оксид – диоксид кремния)

Однопереходные транзисторы — трёхэлектродный прибор, имеющий один тип проводимости полупроводника, и проводимость канала полупроводника между двумя базами зависит от потенциала на эмиттере

Тиристоры имеют три p-n перехода они называются динисторами. Тиристор с управляющим электродом называется тринистором (катод, анод, управляющий электрод).

Существуют четыре режима работы транзистора:

1. Прямой или усилительный. Наиболее часто используемый. Переход Э-Б открыт, а коллекторный Б-К закрыт.
2. Режим отсечки. Оба перехода закрыты; используется в ключевом режиме работы транзистора. Ток через транзистор не протекает.
3. Режим насыщения. Оба перехода открыты, характеризуется большой концентрацией неосновных носителей заряда. В области Б. используется ключевой режим.
4. Инверсный. Когда эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход открыт. В этом случае меняются местами К. и Э.

Характеристики транзисторов.

Характеристики делятся на статические и динамические. Статическая характеристика — зависимость входных от выходных параметров при фиксированных значениях. Для входной характеристики фиксируется выходной параметр. Для выходной — входной параметр. По второму закону Кирхгофа Еп =IкRк + Uбэ. 1. Транзистор открыт Uкэ =0 Еп=IкRк  I=Eп/Rк 2. Ток базы равен нулю Еп = IкRк + Uбэ. Iк=0,  Еп = Uбэ РТ – рабочая точка для линейного режима работы транзистора, выбирается в центре динамической характеристики транзистора.

Схемы включения транзисторов.

Существует три схемы включения транзистора:

1. Схема с общим эмиттером, когда эмиттер является общим для входной и выходной цепей транзистора.
2. Схема с общей базой, когда база является общим для входной и выходной цепей транзистора.
3. Схема с общим коллектором, (эмиттерный повторитель).

Схема с общим эмиттером Данная схема является основной схемой включения транзистора в усилительном каскаде, так как она имеет максимальный коэффициент усиления по току, по напряжению и соответственно по мощности. КI = Iк/Iб КU =Uвых/Uвх = (IкRк)/(IбRб) Rб1 и Rб2 сотни кОМ, обеспечивают смещение потенциала базы относительно потенциала эмиттера. Rб – входное сопротивление транзистора, которое характеризуется сопротивлением перехода Э-Б включающее собственное сопротивление базы. Коэффициент усиления измеряется в децибелах : Ку = 20lgК Коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером Ку = Iк / Iб, Iб = 0,1%Iэ Ку = (Iэ – Iб)/Iб = (Iэ – 0,001Iэ)/ 0,001Iэ = (0,999Iэ)/(0,001Iэ) = 999  1000 = 10 3 ; 320 = 60 дБ — коэффициент достаточно высок Недостатком схемы является относительно низкое входное сопротивление и относительно высокое выходное сопротивление. Входное десятки кОм, выходное сотни Ом по отношению к схеме с общим коллектором. Ещё один недостаток этой схемы — резкая зависимость эмиттерного тока от температуры окружающей среды. Для снижения этой зависимости в цепь эмиттера вводят отрицательную обратную связь по току. Действие отрицательной обратной связи осуществляется за счёт передачи из выходной части цепи энергии в противофазе во входную. При росте температуры ток в Э. Возрастает, тем самым увеличивается падение напряжения на Rэ, тем самым снижается разность потенциалов между Б. и Э., а это влечёт снижение тока Э., таким образом компенсируется рост температуры. Ёмкость Сэ необходима для исключения обратной связи по переменному току (т.е. по сигналу). На низких частотах шунтирование конденсатором практически не сказывается вследствие его большого сопротивления согласно вышеприведенной формуле. На высоких частотах (частотах сигнала) конденсатор шунтирует сопротивление RЭ и действие отрицательной обратной связи (ООС) не сказывается. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Схема с общим коллектором (ОК) обладает высоким входным сопротивлением при малом выходном сопротивлении. Коэффициент усиления по напряжению КU равен 1. Фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала, следовательно, выходной сигнал полностью повторяет форму входного сигнала (отсюда название – эмиттерный повторитель). Служит для согласования низкого выходного сопротивления источника сигнала с малым входным сопротивлением предварительного усилителя. Т.е., разместив эмиттерный повторитель между источником сигнала и предварительным усилителем, мы тем самым повышаем входное сопротивление общего усилителя, что повышает эффективность его работы. h – параметры транзистора Транзистор можно представить в виде некого четырёхполюсника, имеющего пару входов и пару выходов. Примем за входные параметры 4-полюсника входной ток I1 и входное напряжение U1. Выходными параметрами будут служить выходной ток I2 и напряжение U2. Считаем независимыми параметрами I1 и U2, зависимыми – U1 и I2. Зависимые параметры можно представить как функции независимых: Продифференцировав данные функции, получим Принимая во внимание малость приращения U1 и I1, и обозначив: получим следующие выражения: Параметры hij мы можем найти по специальным справочникам или вычислить по входным и выходным характеристикам. Физический смысл параметров h: h11 – входное сопротивление транзистора при U2=0 (в режиме короткого замыкания (КЗ) на выходе); h12 – коэффициент обратной связи по напряжению при I1=0, т.е. в режиме холостого хода (ХХ) на входе; h21 – коэффициент усиления по току в режиме КЗ на выходе; h22 – выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис.7.1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы: а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

IК = αIЭ, где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК. Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ, где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.