Общие сведения о биполярных транзисторах

Содержание

Задание на курсовую работу……………………………………………....3

Введение…………………………………………………………………….4

1.Теоретическая часть…………………………………………………….5

1.1 Общие сведения о биполярных транзисторах……………………..5

1.2 Общие сведения об электронных усилителях…………………….10

1.3 Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором (эмиттерный повторитель)……………………………….11

2. Практическая часть……………………………………………………13

3. Расчетная часть………………………………………………………..16

Заключение……………………………………………………………….20

Список литературы………………………………………………………21

Приложение (электрическая принципиальная схема)………………...22

Введение

В современной электронике все большая роль отводится использованию достижений цифровой и (в несколько меньшей мере) аналоговой микросхемотехники. Устройства на микросхемах (более того, иногда только на микросхемах) стали проникать даже в те области, где ранее никому не приходило в голову их использовать из-за явно большей себестоимости по сравнению с простейшими транзисторными цепочками (различные датчики, игрушки, бытовые и промышленные индикаторы и сигнализаторы и т.п.). Несмотря на это все еще остаются сферы, где применение дискретных элементов по-прежнему популярно, а иногда и неизбежно. Кроме того, знание способов включения и режимов работы транзисторов, а также методик построения и анализа транзисторных схем является обязательным для любого инженера – электронщика, даже если ему и не приходится в реальной жизни проектировать схемы на дискретных элементах (ведь современные микросхемы — суть транзисторные схемы, помещенные в один общий корпус с внешними выводами).

Целью данной работы является расчет параметров усилительного каскада с общим коллектором (ОК).

В результате выполнения данной работы, будут получит базовые навыки проведения инженерных расчётов аналоговых электронных устройств.

В первом разделе, теоретическая часть, будут рассмотрены общие сведения об усилителях и транзисторах.

Во втором разделе, практическая часть, будет рассмотрена схема электрическая принципиальная усилительного каскада с ОК.

В третьем разделе, практическая часть, будет проведен расчет основных параметров схемы и выбор элементной базы.

В заключении будут подведены итоги работы.

Теоретическая часть

Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на рис 1.

Рис 1. Биполярный транзистор.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — большая площадь p-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Нормальный активный режим. Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) U_ЭБ>0; U_КБ<0 ( для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U_ЭБ<0; U_КБ>0);

2) Инверсный активный режим. Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

3) Режим насыщения. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

4) Режим отсечки. В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I_ЭБО) и коллектора (I_КБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

5) Барьерный режим. В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис 2.

Рис 2. Схема включения с ОБ.

Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]

Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

· Хорошие температурные и частотные свойства.

· Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с ОБ:

· Малое усиление по току, так как α < 1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис 3:

Рис 3. Схема с ОЭ.

I_вых=I_к

I_вх=I_б

U_вх=U_бэ

U_вых=U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_б=I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_б

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:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема включения биполярного транзистора с ОК изображена на рис 4. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Рис 4. Схема с ОК.

I_вых=I_э

I_вх=I_б

U_вх=U_бк

U_вых=U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_э/I_б=I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бэ+U_кэ)/I_б

Достоинства:

· Большое входное сопротивление

· Малое выходное сопротивление

Недостатки:

· Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.