Способы включения биполярного транзистора

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор, определение и типы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

• в линейных стабилизаторах напряжения;
• в усилительных каскадах электронных схем;
• в генераторных устройствах;
• в качестве ключевого элемента;
• в качестве элемента логических схем;
• и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

• рабочая частота;
• рассеиваемая мощность;
• структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
• и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

• схема с общим эмиттером;
• схема с общей базой;
• эмиттерный повторитель.

Рисунок BJT.2 — Основные способы включения биполярного транзистора: а — схема с общим эмиттером; б — схема с общей базой; в — эмиттерный повторитель

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер I_B (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер I_C (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером h_FE:

Еще h_FE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Рисунок BJT.3 — Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Рисунок BJT.4 — Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера I_E коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1

где h_FE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы R_in, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

h_FE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

R_load – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению h_FE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Основные параметры биполярного транзистора

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) V_CEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) V_CBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) I_C – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) V_EBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) I_CEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) I_BL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) h_FE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) V_CE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) V_BE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) f_T – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) C_CBO – емкость коллекторного перехода.
12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) C_EBO – емкость эмиттерного перехода.
13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
14. Время задержки включения (Delay Time) t_d — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
15. Время задержки выключения (Storage Time) t_s — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
16. Время включения (Rise Time) t_r — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
17. Время включения (Fall Time) t_f — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) P_D – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n	p-n-p
КТ3102	КТ3107
2N3904	2N3906
BC237 (238,239)	BC307 (308,309)
2N4401	2N4403
2N2222A	2N2907 (* почти)
2N6016	2N6015
2N6014	2N6013
BC556 (557, 558, 559, 560)	BC546 (547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения h_FE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
3. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Проводим ряд преобразований:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
2. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Источник