за счет чего происходит усиление в транзисторе

Биполярный транзистор. Что он собой представляет, как устроен и как
работает?

Структура, носители, принципы и режимы работы: нормальный режим (в активной области), режимы отсечки и насыщения. Как и за счёт чего усиливает биполярный транзистор?

Ну вот, а теперь можно переходить к описанию структурной схемы транзистора.

Рис.1

Рассмотрим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в различных режимах.

Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра

На следующей странице рассмотрим эквивалентную схему транзистора, а также свойства и характеристики различных типов усилительных каскадов.

Источник

Работа биполярного транзистора. Режим усиления.

27 Май 2014г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор. Это очень просто! 1964г.

Источник

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?

Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.

Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.

На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.

Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления

Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.

Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания» при достаточно слабом токе в цепи «база — эмиттер — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.

Источник

Усиление с помощью транзистора

Биполярные транзисторы

Общие сведения

Наиболее распространены транзисторы с двумя n–р-переходами, называемые биполяр­ными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были то­чечными, но они работали недостаточ­но устойчиво. В настоящее время из­готовляются и применяются исключи­тельно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполяр­ного транзистора показано схемати­чески на рисунке 4.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной элект­ропроводностью. Для примера взят транзистор типа п–р–п, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа р — п — р, в ко­торых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а сред­няя имеет электронную электропровод­ность.

Рисунок 4.1 – Принцип устройства (а) и условное графическое

обозначение (б) плоскостного транзистора

Средняя область транзистора назы­вается базой, одна крайняя область –эмиттером, другая – коллектором. Та­ким образом, в транзисторе имеются два n–р-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т. е. об­ласть базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сдела­ны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и кол­лектора обозначают соответственно i_б, i_э, i_к.Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, на­пример напряжение между базой и эмит­тером u_б-э, между коллектором и базой u_б-э. На условном графическом обозна­чении транзисторов р – п – р и п – р – п стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в актив­ном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллектор­ном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обрат­ного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в ре­жиме насыщения. Активный режим яв­ляется основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим ра­боту транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характер­ны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальней­шем.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управ­ляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых коле­баний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответст­венно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2.

Физические процессы

Рассмотрим прежде всего, как ра­ботает транзистор, для примера типа п– р–п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е₁и Е₂ (рисунок 4.2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рисунке 4.2, а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависи­мостью

u_к-э = u_к-б + u_б-э

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда u_б-э >1, то

Сравнительно большой ток i_к-э0 объ­ясняется тем, что некоторая часть на­пряжения u_к-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении на­пряжения u_к-э ток i_к-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если u_к-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдать­ся быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, огра­ничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения «_к._э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток i_э и равный ему ток i_э, на коллекторный переход поступает больше носи­телей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации тран­зисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала вклю­чить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток г_к._э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

Усиление с помощью транзистора

На рисунке 4.6 изображена схема усили­тельного каскада с транзистором типа п — р — п. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходи­мо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмит­тер. На базу подано также положи­тельное смещение от источника Е₁, яв­ляющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следо­вательно, входное сопротивление тран­зистора получается сравнительно не­большим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₁, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости С₁. Этот конденсатор на самой низкой рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротив­ления транзистора.

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е₂.Для получе­ния усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка R_н. Источник Е₂зашунтирован конденсато­ром С₂ для того, чтобы не было потери части выходного усиленного на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₂.На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора долж­но быть во много раз меньше R_н. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы C₁и С₂ не всегда будут показаны. Можно считать, что они име­ются внутри самих источников Е₁и Е₂. Если эти источники являются выпрями­телями, то в них всегда есть конденса­торы большой емкости для сглаживания пульсаций.

Рисунок 4.6 – Схема включения транзистора в усилительный каскад

Работа усилительного каскада с тран­зистором происходит следующим обра­зом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рисунке 4.7). Напряжение источника Е₂делится между сопротивлением нагрузки R_ни внутренним сопротивлением транзистора r₀, ко­торое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление прибли­женно равно сопротивлению коллек­торного перехода r_к0 для постоянного тока. В действительности к сопротив­лению r_к0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также п- и р-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Рисунок 4.7 – Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада с транзистором

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмит­тера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода r_к0. Тогда напряжение источника Е₂ будет перераспре­деляться между R_ни г_к0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десят­ки раз большим, чем входное пере­менное напряжение. Изменения тока кол­лектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше из­менений тока базы. Поэтому в рас­сматриваемой схеме получается значи­тельное усиление тока и очень боль­шое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е₂.

Для большей наглядности рассмот­рим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения Е₁ =0,2 В и Е₂= 12 В, сопротивление резистора нагрузки R_н = 4 кОм и сопротивление транзистора r₀при отсутствии колеба­ний на входе также равно 4 кОм, т. е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток кол­лектора, который можно приближен­но считать равным току эмиттера, составляет i_к = E₂/(R_н + r₀) = 12:8 = 1,5 мА. Напряжение Е₂разделится пополам, напряжение на R_ни на г₀ будет по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становит­ся равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки паде­ние напряжения 2,5´4 = 10 В, а падение напряжения на сопротивлении r₀тран­зистора уменьшится до 12–10 = 2 В. Сле­довательно, это сопротивление умень­шится до 2:2,5 = 0,8 кОм. Через пол­периода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – 0,1 В, произойдет обратное явление. Минимальное напря­жение база – эмиттер станет 0,2–0,1 = 0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе R_н падение напряжения уменьшится до 0,5 ´ 4 = 2 В, а на сопротивлении r₀ оно возрастет до 10 В; следовательно, это сопротивление увеличится до 10:0,5 = 20 кОм. Таким образом, подача на вход транзистора перемен­ного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления r₀от 0,8 до 20 кОм, и при этом напря­жения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2 В). Следо­вательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входного напряжения. (Этот числовой пример является прибли­женным, так как на самом деле зави­симость между током коллектора и вход­ным напряжением нелинейна.)

Рисунок 4.8 – Усиление колебаний с помощью транзистора

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны гра­фиками на рисунке 4.8. Графикам этим соответствуют следующие уравнения: входное напряжение u_вх = U_{m вх} sinwt; на­пряжение на участке база – эмиттер u_б-э = U_б-э0 + U_{m б-э} sin wt, где U_{m б-э} = U_{m вх}; ток коллектора i_{к =} I_{к0 +} I_{m к}sinwt. Аналогично выражается напряжение на нагрузке: U_R = U_R0 + U_mR sinwt, где

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 1350 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник