Описание транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Описание транзисторов

1. Устройство транзистора

Транзистор - это электронный прибор, имеющий три вывода (рис. 2.1). Различают транзисторы п-р-п- и р-п-р-типа.

Транзисторы п-р-п-типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов р-п-р-типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены):

1) коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер;

2) цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 2.2). Обычно диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор смещен в обратном направлении.

3) Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I_К, I_Б и U_КЭ.

4) Если первые три правила соблюдены, то ток I_К прямо пропорционален току I_Б и можно записать следующее соотношение:

,

где в - коэффициент усиления по току.

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

Рассмотрим правило 2. Из него следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, т.к. если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6-0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:

().

2. Примеры транзисторных схем

Эмиттерный повторитель

На рис. 2.6 показан эмиттерный повторитель. Он назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база-эмиттер): . Выходной сигнал по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6 - 0,7 В ниже.

Для приведенной схемы входное напряжение U_ВХ должно составлять по крайней мере 0,6 В, иначе выходное напряжение будет равно потенциалу земли. Если к эмиттерному резистору подключить источник отрицательного напряжения, то входной сигнал может быть отрицательным. В эмиттерном повторителе отсутствует резистор в коллекторной цепи.

На первый взгляд эта схема может показаться бесполезной, но дело в том, что ее входное сопротивление значительно больше, чем выходное. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним сопротивлением источник может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким сопротивлением, без потери амплитуды сигнала. Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиления по напряжению. Он также обеспечивает усиление по мощности.

Эмиттерный повторитель обладает способностью согласовывать сопротивления источников сигналов и нагрузок. В этом и состоит его назначение.

3.Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения

Простейшим стабилизатором напряжения служит стабилитрон (рис. 2.10). Через него должен протекать некоторый ток, поэтому нужно обеспечить выполнение следующего условия: .

Т.к. напряжение U_ВХ не стабилизировано, то в формулу нужно поставить наименьшее возможное значение U_ВХ. Это пример того, как следует проектировать схему для жестких условий работы. На практике учитывают также допуски на параметры компонентов, предельные значения напряжения в сети и т.п., стремясь предусмотреть наихудшее сочетание всех значений.

На стабилитроне рассеивается мощность:

.

Для того, чтобы предусмотреть работу в жестких условиях, при расчете Р_стаб также следует использовать значения U_ВХ(макс), R(мин) и I_ВЫХ(мин).

Стабилизированный источник с зенеровским диодом, как правило, используют в некритичных схемах или в схемах, где потребляемый ток невелик. Ограничения такой схемы проявляются в следующем:

1. Напряжение U_ВЫХ нельзя отрегулировать или установить на заданное значение.

2. Стабилитроны имеют конечное динамическое сопротивление, а в связи с этим они не всегда достаточно сильно сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения нагрузки.

3. При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать стабилитрон с большой мощностью рассеяния, т.к. при малом токе нагрузки он должен рассеять на себе значительную мощность, равную максимальной мощности в нагрузке.

На рис. 2.11 представлена улучшенная схема, в которой стабилитрон отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. В такой схеме ток стабилитрона теперь относительно независим от тока нагрузки, т.к. по цепи базы транзистора протекает небольшой ток и мощность, рассеиваемая на стабилитроне, значительно меньше (уменьшение в в раз). Резистор R_к предохраняет транзистор от выхода из строя при кратковременном коротком замыкании выхода за счет ограничения тока, и, хотя эмиттерный повторитель нормально работает и без этого резистора, его присутствие в схеме вполне обоснованно. Резистор R_к следует выбирать так, чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем было меньше, чем на резисторе R.

В ряде вариантов рассмотренной схемы предусматривают меры для снижения пульсаций тока в стабилитроне (протекающего через резистор R). В частности, может быть использован метод на использовании в цепи питания стабилитрона фильтра низких частот (рис. 2.12). Резистор R выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимый ток в стабилитроне. Конденсатор С должен иметь емкость, достаточно большую для того, чтобы выполнялось условие .

4. Смещение в эмиттерном повторителе

Если на эмиттерный повторитель должен поступать сигнал с предшествующего каскада схемы, то лучше всего подключить его непосредственно к выходу предыдущего каскада, как показано на рис. 2.13. Т.к. сигнал на коллекторе транзистора Т₁ изменяется в пределах диапазона, ограниченного значениями напряжения источников питания, то потенциал базы Т₂ всегда заключен между напряжением U_КК и потенциалом земли, а следовательно, Т₂ находится в активной области. При этом переход база-эмиттер открыт, а потенциал коллектора, по крайней мере, на несколько десятых долей больше, чем потенциал эмиттера.

В некоторых случаях вход эмиттерного повторителя и напряжение питания неудачно соотносятся друг с другом, и тогда может возникнуть необходимость в емкостной связи (или связи по переменному току) с внешним источником сигнала. В этом случае среднее напряжение сигнала равно нулю, и непосредственная связь с эмиттерным повторителем приведет к тому, что сигнал на выходе будет изменяться относительно входа, как показано на рис. 2.14.

В эмиттерном повторителе необходимо создать смещение для того, чтобы коллекторный ток протекал в течение полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения (рис. 2.15).

Резисторы R₁ и R₂ выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен половине разности между напряжением источника U_КК и потенциалом земли, т.е. сопротивления R₁ и R₂ равны. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме в отсутствие поданных на ее вход сигналов называется установкой рабочей точки или точки покоя. Для этой схемы точку покоя устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимальный симметричный сигнал (без ограничений и срезов).

Эмиттерные повторители с расщепленными источниками. В связи с тем, что сигналы часто находятся «возле земли», удобно использовать симметричное питание повторителей - с положительным и отрицательным напряжением. В такой схеме легче обеспечить смещение, и для нее не нужны развязывающие конденсаторы (рис. 2.16).

В данных схемах обязательно должна быть предусмотрена цепь постоянного тока для тока базы, даже если этот ток течет просто «на землю». В схеме на рис. 2.16 эту роль играет источник сигнала, соединенный с землей по постоянному току. Если же это не так (имеется емкостная связь с источником), то следует предусмотреть связь базы с землей через резистор (рис. 2.17). Сопротивление R_Б должно составлять приблизительно 0,1 от произведения в·R_Э.

5.Источники тока

Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.19. При условии, что R_Н<<R (или U_Н<<U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно

.

Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U_конд<<U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого в другом узле схемы.

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.20). Работает он следующим образом: напряжение на базе U_Б>0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U_Э = U_Б - 0,6 В. В связи с этим

независимо от напряжения U_К до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения .

Источник тока передает в нагрузку постоянный ток до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном.

6. Усилитель с общим эмиттером

Рассмотрим источник тока, нагрузкой которого служит резистор (рис. 2.25). Напряжение на коллекторе равно

.

Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.26. Конденсатор С выбран так, чтобы фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты. Иначе говоря,

.

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1 кОм ток покоя коллектора составляет 1 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В (+20 минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1 мА). Допустим, что на базу подан сигнал u_Б. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе u_Б = u_Э и вызывает изменение эмиттерного тока:

,

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока. Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

.

В итоге, данная схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

.

В нашем примере коэффициент усиления равен -10000/1000 = -10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

7. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления

транзистор эмиттерный стабилизатор

Иногда полезно иметь сигнал и его инверсию, т.е. два однородных сигнала, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 180°. Получить такие сигналы нетрудно - нужно использовать усилитель с общим эмиттером, коэффициент усиления которого равен -1 (рис. .2.27).

Размещено на Allbest.ru