Биполярные транзисторы

Содержание

Слайд 2

Изобретатели действующей модели транзистора В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин

Изобретатели действующей модели транзистора

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в
лабораториях Bell Labs впервые

создали действующий биполярный транзистор
Слайд 3

Классификация транзисторов [править | править вики-текст] Транзисторы Биполярные p-n-p n-p-p Полевые

Классификация транзисторов

[править | править вики-текст]

Транзисторы

Биполярные

p-n-p

n-p-p

Полевые

С изолированным
затвором

С p-n затвором

С каналом p типа

С каналом n

типа

Со встроенным
каналом

С индуцированным
каналом

С плавающим затвором

Усилительный режим
Режим ключа.
Режим хранения заряда.

Слайд 4

Классификация транзисторов по мощности и частоте Маломощные транзисторы до 100 мВт

Классификация транзисторов по мощности и частоте
Маломощные транзисторы до 100 мВт
Транзисторы средней мощности от 0,1

до 1 Вт
Мощные транзисторы (больше 1 Вт).
Низкочастотные – до 3 МГц,
Среднечастотные – от 3 до 30 МГц,
Высокочастотные – от 30 до 300 МГц,
Сверхвысокочастотные – более 300 МГц. 
Слайд 5

Классификация транзисторов по исполнению корпуса Дискретные транзисторы Корпусные; Для свободного монтажа.

Классификация транзисторов по исполнению корпуса
Дискретные транзисторы
Корпусные;
Для свободного монтажа.
Для установки на радиатор.
Для автоматизированных

систем пайки.
Бескорпусные;
Транзисторы в составе интегральных схем.
Слайд 6

Биполярный транзистор Полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами. Биполярный, так как

Биполярный транзистор

Полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами. Биполярный, так как использует

два типа носителей дырки и электроны.

Эмиттер – база - коллектор

Слайд 7

ВАЖНО Уникальность транзистора состоит в том, что этот элемент способен усиливать

ВАЖНО

Уникальность транзистора состоит в том, что этот элемент способен усиливать сигнал

по мощности.
ВОПРОС. Трансформатор это усилительный элемент?
ВОПРОС. Что является источником повышения мощности?
Слайд 8

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока Для транзистора n-p-n типа действуют

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока

Для транзистора n-p-n типа действуют следующие

правила:
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи база-эмиттер и база коллектор работают как диоды. Обычно диод база эмиттер открыт, а диод база коллектор смещен в обратном направлении и ток через него не протекает.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями: тока коллектора; тока базы и напряжения коллектор – эмиттер. Превысил – убил транзистор.
Слайд 9

Первая модель транзистора: усилитель тока 4. Если правила 1- 3 соблюдены,

Первая модель транзистора: усилитель тока

4. Если правила 1- 3 соблюдены, то

ток в коллекторе прямо пропорционален току базы и можно записать соотношение:

Коэффициент усиления по току

ЗАМЕЧАНИЕ: ток коллектора
не связан с прямой проводимостью
диода база-коллектор!!!
Так работает транзистор

ВЫВОД: малый ток базы управляет большим током коллектора

Слайд 10

Первая модель транзистора: усилитель тока Рассмотрим правило 2. Из него следует

Первая модель транзистора: усилитель тока

Рассмотрим правило 2. Из него следует ,что

напряжение межу базой и эмиттером нельзя увеличивать не ограничено, так как если потенциал базы будет превышать 0.6 В, то возникнет очень большой ток.
Следовательно в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны соотношением:
Слайд 11

Транзисторный переключатель Эта схема с помощью небольшого управляющего тока может создать

Транзисторный переключатель

Эта схема с помощью небольшого управляющего тока может создать в

другой схеме – лампе – ток значительно большей величины.

Переключатель разомкнут. Тока в базе нет.
Нет тока в коллекторе. Лампа не светится.
2. Переключатель замкнут. Напряжение на базе
составляет 0.6 В (диод база эмиттер открыт)
Падение напряжения на резисторе базы
составит 9.4 В. Следовательно ток в базе
равен 9.4 мА, если коэффициент
усиления равен 100, ТО МОЖНО ПОЛУЧИТЬ НЕПРАВИЛЬНЫЙ ВЫВОД, что в коллекторе
ток равен 940 мА. Ошибка в том, что правило 4
работает, если выполняется правило 1.
Чтобы получить ток выше 100 мА, для этого
необходимо, чтобы потенциал коллектора
был меньше потенциала земли, что невозможно.
Так как транзистор переходит в режим насыщения.

Для переключения
достаточен ток 1 мА

Слайд 12

Режимы работы биполярного транзистора Нормальный активный режим. Инверсный активный режим. Режим

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим.
Инверсный активный режим.
Режим насыщения.
Режим отсечки.

Эти режимы

можно посмотреть и выделить на графиках
- вольт амперных характеристиках
Слайд 13

Нормальный активный режим Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход

коллектор-база — в обратном (закрыт):
Uэб > 0; Uкб < 0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид Uэб < 0; Uкб > 0.
Слайд 14

Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: Uкб

> 0; Uэб < 0 (для транзистора n-p-n типа).
Слайд 15

Режим насыщения Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Коллекторный переход отпирается,

если напряжение коллектор база будет меньше - 0.4 В.
В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Напряжение насыщения примерно 0.2-0.3 В.
Слайд 16

Режим отсечки В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на

эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).
Режим отсечки соответствует условию Uэб<0,6—0,7 В, или ток базы = 0.
Слайд 17

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов Дана схема с общим эмиттером. Для получения

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

Дана схема с общим эмиттером.

Для получения характеристик необходимо
построить

графики ниже указанных функций

Входная ВАХ

Выходная ВАХ

Слайд 18

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов Входная ВАХ Выходная ВАХ Uкэ

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

Входная ВАХ

Выходная ВАХ

Uкэ

Слайд 19

Область безопасной работы транзистора ВОПРОС. Какие предельные значения могут принимать токи

Область безопасной работы транзистора

ВОПРОС. Какие предельные значения могут принимать токи и

напряжения биполярного транзистора!!!
ОТВЕТ. В режиме усилителя тока подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода Р=Uкэ Iк. Поэтому параметры тока и напряжения должны учитывать неравенство
Pмах< Uкэ Iк

Это неравенство можно представить
следующим графиком

Слайд 20

Определение рабочей точки на входе транзистора Пусть дана схема с общим

Определение рабочей точки на входе транзистора

Пусть дана схема с общим эмиттером

и R1=20 КОм

Нагрузочные прямые
при R1=20 КОм

При увеличении Е1 от 0.4 В до 1.6 В, ток базы увеличивается от 0 до 80 мкА

Рабочие точки транзистора

Слайд 21

Определение рабочей точки транзистора Рабочая точка выходной цепи транзистора представляет пересечение

Определение рабочей точки транзистора

Рабочая точка выходной цепи транзистора представляет пересечение нагрузочной

прямой двухполюсника Е2, R2 с ветвью выходной характеристики транзистора

Если Е1<0.6 В, ток базы примерно равен нулю и транзистор находится
в режиме отсечки.

Определение рабочей точки транзистора

Слайд 22

Транзистор работает как инвертор Определение рабочей точки транзистора Увеличение входного напряжения вызывает уменьшение выходного

Транзистор работает как инвертор

Определение рабочей точки транзистора

Увеличение входного напряжения вызывает уменьшение

выходного
Слайд 23

Основные параметры транзистора Коэффициент усиления по току. Входное сопротивление. Выходное сопротивление.

Основные параметры транзистора

Коэффициент усиления по току.
Входное сопротивление.
Выходное сопротивление.
Обратный ток эмиттера при

заданном Uэб.
Время включения (время задержки).
Предельная частота коэффициента передачи.
Емкость коллекторного перехода.
Обратный ток коллектора при заданном Uкб.
Максимально допустимые параметры Uкб,Uкэ,Iк.
Максимальная мощность рассеиваемая без теплоотвода.
Минимальная и максимальная рабочая температура.
Слайд 24

Схемы включения биполярного транзистора n-p-n Схема с общим эмиттером. Схема с

Схемы включения биполярного транзистора n-p-n

Схема с общим эмиттером.
Схема с общим коллектором.
Схема

с общей базой.

Во всех трех вариантах регулирование входного и выходного токов
достигается изменением напряжения на эмиттерном переходе.
Это изменение может быть достигнуто регулированием входного
напряжения (ОБ) или входного тока (ОЭ, ОК)

Слайд 25

Схема с общим эмиттером Достоинства Большой коэффициент усиления по току. Большой

Схема с общим эмиттером

Достоинства
Большой коэффициент усиления по току.
Большой коэффициент усиления по

напряжению.
Наибольшее усиление мощности.
Можно обойтись одним источником питания.
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.
Слайд 26

Экспериментальное семейство входных и выходных характеристик транзистора по схеме с ОЭ Выходная Входная

Экспериментальное семейство входных и выходных характеристик транзистора по схеме с ОЭ

Выходная

Входная

Слайд 27

Температурная зависимость характеристик транзистора

Температурная зависимость характеристик транзистора

Слайд 28

Инвертор на транзисторе с ОЭ Передаточная характеристика схемы 1 Порог переключения

Инвертор на транзисторе с ОЭ

Передаточная характеристика схемы

1

Порог переключения

Слайд 29

Транзисторные схемы с общей нагрузкой 1 &

Транзисторные схемы с общей нагрузкой

1

&

Слайд 30

Эффект Миллера Переход б-э транзистора обладает емкостью Сбэ. Если транзистор работает

Эффект Миллера

Переход б-э транзистора обладает емкостью Сбэ. Если транзистор работает в

режиме усиления то он обладает коэффициентом усиления Кu.
Но при этом емкость к-э по отношению к источнику сигнала можно рассматривать как Скэ=(Кu+1)Сбэ.
Это увеличение эффективной емкости называют эффектом Миллера.
Слайд 31

Схема с общей базой Достоинства Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим

Схема с общей базой

Достоинства
Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и

наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки схемы с общей базой
Малое усиление по току, немного менее 1.
Малое входное сопротивление
Слайд 32

Схема с общим коллектором Достоинства Большое входное сопротивление. Малое выходное сопротивление.

Схема с общим коллектором

Достоинства
Большое входное сопротивление.
Малое выходное сопротивление.
Большой коэффициент усиления по

току.
Недостатки
Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.
Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем». Выходной сигнал повторяет форму входного и не изменяет его фазу
Слайд 33

Эмиттерный повторитель Uэ = Uб - 0.6В=Uвх - 0.6В = Uвых

Эмиттерный повторитель

Uэ = Uб - 0.6В=Uвх - 0.6В = Uвых

Выходной сигнал

по напряжению фактически
повторяет входной за минусом 0.6 В.

1. Входное сопротивление в схеме
значительно больше, чем выходное.
За счет этого происходит усиление входного
сигнала по току, а значит и по мощности

2. Эмиттерный повторитель обладает
способностью согласовывать сопротивления
источников сигнала и нагрузок.

Слайд 34

Эмиттерный повторитель как схема формирования ассиметричного токового сигнала При напряжении на

Эмиттерный повторитель как схема формирования ассиметричного токового сигнала

При напряжении на входе

-4.4 В транзистор
переходит в состояние отсечки и появляется
эффект ОГРАНИЧЕНИЯ выходного напряжения.
Слайд 35

Расчет эмиттерного повторителя со связью по переменному току Разработать схему эмиттерного

Расчет эмиттерного повторителя со связью по переменному току

Разработать схему эмиттерного повторителя

для сигналов
звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Напряжение питания +15
в ток покоя 1мА.
Слайд 36

Пример расчета эмиттерного повторителя ЗАДАНИЕ. Разработать схему эмиттерного повторителя для сигналов

Пример расчета эмиттерного повторителя

ЗАДАНИЕ. Разработать схему эмиттерного повторителя для сигналов звуковой

частоты от 20 Гц до 20 кГц. Напряжение питания +15 в ток покоя 1мА
Шаг 1. Выбор напряжения Uэ. Для получения симметричного сигнала без срезов необходимо выполнение условия Uэ=0.5Uкк или +7.5В.
Шаг 2. Выбор резистора Rэ. Ток покоя должен составлять 1 мА, поэтому Rэ=7.5кОм
Слайд 37

Шаг 3. Выбор резисторов R1 и R2. Напряжение Uб – это

Шаг 3. Выбор резисторов R1 и R2. Напряжение Uб – это

сумма Uэ+0.6 В = 8.1 В. Из этого следует, что сопротивления резисторов R1 и R2 соотносятся к друг другу как 1:1.17. Выберем значения R1=130кОм и R2=150 кОм.
Шаг 4. Выбор конденсатора С1 С2. Конденсато С1 и сопротивление нагрузки источника образуют фильтр высоких частот. Сопротивление нагрузки источника есть параллельное соединение входного сопротивления транзистора со стороны базы и сопротивление делителя напряжения. С1=0.5 мкФ.С2=3.3 мкФ.
(Подробно у Хоровица).

Продолжение примера расчета эмиттерного повторителя

Слайд 38

Защита от пробоя перехода база эмиттер ВСПОМНИМ ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ. Объясните, почему предлагаемая схема обеспечивает заявленную защиту.

Защита от пробоя перехода база эмиттер

ВСПОМНИМ ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ. Объясните, почему предлагаемая

схема обеспечивает заявленную защиту.
Слайд 39

Схемы транзисторных источников тока Очень хороший источник тока можно построить на

Схемы транзисторных источников тока

Очень хороший источник тока можно построить на

основе транзистора. Работает он следующим образом: напряжение на базе Uб > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб - 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uэ - 0,6)/Rэ. Так как для больших значений коэффициента h21эIэ ≈ Iк, то Iк ≅ (Uб - 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк > Uэ + 0.2 В).
Слайд 40

Модель Эберса-Мола До сих пор мы рассматривали транзистор как усилитель тока,

Модель Эберса-Мола

До сих пор мы рассматривали транзистор как усилитель тока, вход

которого работает как диод. (ПРАВИЛО 4).
Это приближение является весьма грубым, хотя в ряде случаев большей точности не требуется.
Более точная формулировка правила 4 определяется формулой Эберса - Мола

Iк = Iнас [ехр(Uбэ/Uт)-1],

Слайд 41

Формула Эберса Мола Iк = Iнас [ехр(Uбэ/Uт)-1], Uт = kT/q =

Формула Эберса Мола

Iк = Iнас [ехр(Uбэ/Uт)-1],

Uт = kT/q = 25,3 мВ

при комнатной температуре (20°С), q-заряд
электрона (1,60 · 10-19 Кл), k -постоянная Больцмана (1,38 · 10-23 Дж/К),
Т-абсолютная температура в Кельвинах (К = °С + 273,16).
Iнас - ток насышения транзистора (зависит от Т).

Iб = Iк/h21э,

где «постоянная» h21э обычно принимает значения от 20 до 1000 и
зависит от транзистора, Iк, Uкэ и температуры. Ток Iнас представляет
собой обратный ток эмиттерного перехода. В активной области Iк » Iнас и
членом -1 можно пренебречь.

Слайд 42

Зависимость тока коллектора от напряжения база эмиттер ВОПРОС, На сколько надо

Зависимость тока коллектора от напряжения база эмиттер

ВОПРОС, На сколько надо увеличить

напряжение Uбэ, чтобы ток коллектора
Увеличить в десять раз!!

Существует температурная нестабильность коэффициента усиления