Принцип дії біполярних транзисторів

 

В умовах роботи транзистора до лівого р — п— переходу прикла­дається напруга емітер — база U_е–б у прямому напрямку, а до пра­вого р — п – переходу — напруга база — колектор U_б-к у зворот­ному напрямку. Під дією електричного поля велика частина носіїв зарядів з лівої ділянки (емітера), долаючи р — n – перехід, переходить у дуже вузьку середню ділянку (базу). Далі велика частина но­сіїв зарядів продовжує рухатися до другого переходу і, наближа­ючись до нього, потрапляє в електричне поле, утворене зовнішнім дже­релом U_e—к. Під впливом цього поля носії зарядів втягуються в пра­ву ділянку (колектор), збільшуючи силу струму в колі батареї U_е–к . Якщо збільшити напругу U_е–б, то зростає кількість носіїв зарядів, що перейшли з емітера в базу, тобто збільшиться сила струму еміте­ра на ΔI_е-, при цьому також зросте сила струму колектора ΔI_к.

У базі незначна частина носіїв зарядів, що перейшли з емітера, рекомбінує з вільними носіями зарядів протилежної полярності, ви­буття яких поповнюється новими носіями зарядів із зовнішнього ко­ла, які утворюють базовий струм силою I_б. Отже, сила колекторного струму

 

l_к=І_е-І_б, (2.4)

 

буде дещо меншою від сили емітерного струму. Відношення

 

α=ΔІ_к/ΔІ_е, приU_б-к=const (2.5)

 

називається ко­ефіцієнтом підсилення за силою струму і ста­новить 0,9...0,995.

Якщо коло емітер — база розімкнене і сила струму в ньому до­рівнює нулеві (У_е = 0), а між колектором і базою прикладена напру­га U_к-б. то в колі колектора протікатиме незначної сили зворотний (тепловий) струм I_к.зв, обумовлений неосновними носіями зарядів. Сила цього струму значною мірою залежить від температури і є одним із параметрів транзистора (чим менша сила струму, тим кращі якості у транзистора).

Оскільки емітерний р — п - перехід перебуває під прямою напру­гою, то він має малий опір. На колекторний р — n - перехід діє зво­ротна напруга і він має великий опір. Тому напруга, що прикладаєть­ся до емітера, дуже мала (десяті частки вольта), а напруга, що пода­ється на колектор, може бути досить великою (до кількох десятків вольт). Зміна сили струму в колі емітера, обумовлена малою напру­гою

U_e, створює приблизно таку ж зміну сили струму в колі колек­тора, де діє значно вища напругаU_к, внаслідок чого транзистор збіль­шує потужність.

Для роботи транзистора як підсилювача електричних коливань вхідну змінну напругу U_ax (сигнал, що підлягає підсиленню) подають послідовно з джерелом постійної напруги зміщення и_зн між емітером і базою, а вихідну напругу U_вих (підсилений сигнал) знімають з на­вантажувального резистора R_н.

 

2.4.3 Схеми включення біполярних транзисторів

 

Можливі три схеми приєднання транзисторів п — р — п-типу (мал. 2.10, а) та р — п — р-типу (мал. 2.10, б): зі спільною базою (СБ), спільним емітером (СЕ) та спільним колектором (СК). Назва схеми показує, який електрод транзистора є спільним для вхідного та вихід­ного кола.

 

 

 

 

 

Схеми приєднання транзисторів відрізняються своїми властивостями, але принцип підсилення коливань залишається одна­ковим.

У схемі зі спільною базою позитивний приріст напруги на вході ΔU_вх обумовлює збільшення сили емітерного струму I_e, що призво­дить до зростання сили колекторного струму I_к та напруги виходу ΔI_вих, причому ΔI_вих>>ΔI_вх. У схемі з СБ джерело вхідної напруги введено в коло емітер — база, а навантаження та джерело живлен­ня — в коло колектор — база. Вхідний опір схеми з СБ малий (кіль­ка омів або десятків омів), оскільки емітерний перехід ввімкнений у прямому напрямку. Вихідний опір схеми, навпаки, великий (сотні кілоомів), бо колекторний перехід ввімкнено у зворотному напрям­ку. Малий вхідний опір схеми з СБ є істотним недоліком, який обмежує її застосування у підсилювачах. Через джерело вхідного сигналу в цій схемі протікає весь емітерний струм і підсилення за силою струму не відбувається (коефіцієнт підсилення за силою струму α < 1).

Підсилення за напругою й потужністю в цій схемі може досягти кількох сот.

У схемі зі спільним емітером джерело вхідної напруги введено в коло емітер — база, а опір навантаження R_a та джерло живлення — в коло емітер — колектор, тому емітер е спільним електродом для вхідного й вихідного кола. Вхідний опір схеми з СЕ більший, ніж у схеми з СБ, бо вхідним струмом у цій схемі е базовий струм, сила якого набагато менша від сили емітерного й колекторного струму. Цей опір становить сотні омів. Вихідний опір схеми з СЕ великий і може доходити до ста кілоомів. Коефіцієнт підсилення за силою струму β в цій схемі є відношенням приросту сили колекторного струму ΔІ_к до приросту сили базового струму А/_в за постійної напруги на колекторі, тобто

 

β = ΔІ_к/ΔІ_б при U_K = const (2.6)

 

і для різних тран­зисторів може мати значення р = 10...200. Ураховуючи рівності І_е=І_к+І_б та α=ΔІ_к/ΔІ_е, маємо

 

β = ΔІ_к/(ΔІ_е — ΔІ_к) = (ΔІ_к/ΔІ_е)/(1 — ΔІ_к/ΔІе) = α/(1 — а). (2.7)

 

Коефіцієнт підсилення за напругою k_u для схеми з СЕ такий, як і для схеми з СБ. Коефіцієнт підсилення за потужністю k_p = βk_u в ба­гато разів більший, ніж у схемі з СБ.

У схемі зі спільним емітером з підсиленням вхідної напруги від­бувається поворот фази вихідної напруги на півперіоду (на 180°): додатний приріст вхідної напруги обумовлює від'ємний приріст вихід­ної і навпаки.

У схемі зі спільним колектором джерело вхідної напруги вводить­ся в коло бази, а джерело живлення та опір навантаження — в коло емітера. Вхідним струмом є базовий струм, а вихідним — емітерний. Коефіцієнт підсилення за силою струму для цієї схеми

 

k_і = ΔІ_е/ΔІ_б = ΔІ_е,/(ΔІ_е - ΔІ_к) = 1/(1- а) (2.8)

 

Вхідний опір схеми з СК великий (десятки кілоомів), а вихідний — малий (до 1...2 кОм). Коефіцієнт підсилення за напругою k_u = 0,9... 0,95, тобто наближається до одиниці; цю схему часто називають емітерним повторювачем. Схему з СК використовують для узгодження окремих каскадів підсилення — джерела сигналу або навантаження з підсилювачем.