Основные параметры транзистора: основные параметры и характеристики, маркировка транзисторов

Содержание

Характеристики и параметры транзисторов | Основы электроакустики

Транзисторы разделяются на типы (подтипы) по классификационным параметрам. Например,маломощные низкочастотные и среднечастотные транзисторы классифицируются по таким параметрам, как коэффициент усиления по току и предельная частота усиления или генерации. В отдельных случаях особо выделяют шумовые свойства транзисторов, характеризуемые коэффициентом шума, или способность транзисторов работать при повышенных напряжениях на коллекторе.

Маломощные высокочастотные транзисторы классифицируются по статическому коэффициенту усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и модулю коэффициента усиления тока на частоте 10…20 МГц.

Мощные низкочастотные транзисторы классифицируются по максимальному обратному напряжению между коллектором и базой и статическому коэффициенту усиления тока в схеме с ОЭ.

При практическом использовании транзисторов используются следующие параметры.

Параметры постоянного тока используются для расчета режима транзистора по постоянному току. К этим параметрам относятся:

  •  Обратный ток коллекторного перехода Iко — ток через переход коллектор—база при отключенном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе.
  • Обратный ток эмиттерного перехода Iэо — ток через переход эмиттер—база при отключенном коллекторе и заданном напряжении на эмиттере.
  • Начальный ток коллектора Iкн — ток в цепи коллектора при замкнутых эмиттере и базе и заданном напряжении на коллекторе. В некоторых случаях указывается начальный ток коллектора при включении между базой и эмиттером заданного сопротивления.
  •  Ток коллектора запертого транзистора Iкз — ток коллектора при обратном смещении эмиттерного перехода и заданных напряжениях на эмиттере и коллекторе.

Параметры малого сигнала характеризуют работу транзисторов в различных усилителях.

Переменные токи и напряжения на электродах транзисторов при измерениях этих параметров должны быть малыми по сравнению с постоянными токами и напряжениями, определяющими выбор начальной рабочей точки (начальное смещение). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в два раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений. Так как транзисторы имеют резко выраженные нелинейные свойства, параметры малого сигнала сильно зависят от выбора начального смещения. Для характеристики таких параметров чаще всего используется система Н-параметров в следующем составе:

  • входное сопротивление Н11 — отношение напряжения на входе к вызванному им изменению входного тока;
  • коэффициент обратной связи по напряжению h22 — отношение изменения напряжения на входе к вызвавшему его приращению напряжения на выходе;
  • выходная проводимость Н22 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения при условии холостого хода по переменному току на входе;
  • коэффициент усиления тока h31 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его приращению входного при условии короткого замыкания выходной цепи.

В зависимости от схемы включения к цифровым индексам добавляется буквенный: б — для схемы с ОБ, э — в схеме ОЭ, к — для схемы с ОК. Применяются и другие символы для обозначения коэффициента усиления по току: для схемы с ОБ — а, а для схемы с ОЭ — В или р.

Измерение Н-параметров, как правило, производится на низкой частоте (50… 1000 Гц). Они используются при расчетах низкочастотных усилителей, преимущественно первых каскадов, работающих на малых сигналах. На высокой частоте коэффициенты усиления тока становятся комплексными величинами (так же как и другие Н-параметры). Усилительные свойства транзисторов на высокой частоте характеризуются модулем коэффициента усиления тока ¦а¦, ¦h31б] или ¦В¦.

Частота, на которой значение ¦h31бl уменьшается на 3 дБ (около 30%) по сравнению с Наш, измеренным на низкой частоте, называется предельной частотой усиления тока fa.

Модуль усиления тока в схеме ОЭ уменьшается с ростом частоты более заметно, чем в схеме ОБ. В некоторой области частот параметр ¦h31э¦ обратно пропорционален частоте: ¦h31э¦=Fт/F. Частота F, — граничная частота усиления тока базы. На этой частоте модуль ¦Н21э¦ равен 1. Имеет место приближенное соотношение: fа=mFт где т=2 для бездрейфовых и т=1,6 для дрейфовых транзисторов.

К малосигнальным параметрам относятся также емкости переходов транзистора.

  •  Емкость коллекторного перехода Ск — емкость, измеренная между коллекторным и базовым выводами транзистора при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе.
  •  Емкость эмиттерного перехода Сэ — емкость, измеренная между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере. Значения емкостей Ск и Сэ зависят от приложенного напряжения. Если, например, указано значение Ск при напряжении U, то емкость Скх при напряжении U, можно найти из приближенной формулы: Скх = Cк(U/Uх)m, где m определяется таким же образом, как и в формуле .
  • Максимальная частота генерации Fмакс — наибольшая частота автоколебаний в генераторе на транзисторе. С достаточной точностью можно считать, что Fмакc — частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.
  • Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к части мощности, вызываемой тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума выражается в децибелах. Его значение дается для определенного частотного диапазона. Для большинства транзисторов минимальные шумы наблюдаются при работе на частотах 1000.. .4000 Гц. На высоких и низких частотах шумы увеличиваются. Обычно минимальное значение Рш соответствует малым токам коллектора (0,1. ..0,5 мА) и малым коллекторным напряжениям (0,5… 1,5 В). Шумы резко увеличиваются при повышении температуры. Приводимые в справочных данных значения Рд, относятся к оптимальному внутреннему сопротивлению источника сигнала и режиму работы, которые и следует использовать при проектировании малошумящих усилителей.

Параметры большого сигнала характеризуют работу в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах. Эти параметры используются для расчета ключевых схем, предоконечных и оконечных усилителей низкой и высокой частоты, автогенераторов.

  • Статический коэффициент усиления по току: Вcт=(Iк-Iко)/(Iб+Iко). В рассматриваемом случае ток коллектора и ток базы существенно превосходят тепловой ток коллектора 1„„, поэтому на практике пользуются формулой: Вст=Iк/Iб.
  • Статическая крутизна прямой передачи Sст — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению на входе транзистора. Параметр Sст используется для транзисторов средней и большой мощности, работающих в схемах, где источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов или определенной глубине насыщения.
  • Глубина насыщения — это отношение прямого тока базы к току, при котором транзистор находится на границе насыщения.Напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при тех же условиях, что и напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.
  • Время рассасывания Тр — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе достигает уровня (0,1…0,3)Е„ — напряжение питания коллекторной цепи). Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора и измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов.

Параметры предельных режимов работы.

  •  Максимальная мощность, рассеиваемая прибором — Раакс- Так как в транзисторах подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода, то эта мощность практически равна максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе.
  • Максимальный ток коллектора — определяет максимальный ток коллектора при максимальном напряжении на коллекторе и максимально допустимой рассеиваемой мощности.
  • Максимальное обратное напряжение между коллектором и базой транзистора — Этот параметр используется обычно для расчета режима работы запертого транзистора или при включении его по схеме ОБ и генератора тока в цепи эмиттера.
  • Максимальное обратное напряжение на переходе эмиттер—база . Этот параметр используется для расчета режима работы, когда на входе действует запирающее напряжение (усилители в режиме В, различные импульсные схемы).
  • Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ макс при условии короткого замыкания эмиттера с базой. В ряде случаев этот параметр приводится при условии включения между базой и эмиттером резистора заданного сопротивления.Параметр Uкэ макс используется при расчетах режима работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и при отсутствии запирающего напряжения или когда оно мало, например, менее 1 В.
  • Максимальные значения токов, напряжений и мощности определяют границы области гарантированной надежности работы. Так как работа в предельном режиме соответствует самой низкой надежности, то использование предельных режимов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.

Практика показывает, что при использовании полупроводниковых приборов в облегченных режимах надежность их работы повышается в десятки раз по сравнению с надежностью в предельном режиме.

Тепловые параметры полупроводниковых приборов устанавливают допустимые пределы или диапазоны температуры окружающей среды и самих приборов, при которых гарантируется их надежная работа Параметры предельных режимов устанавливают­ся исходя из условий обеспечения надежной работы транзисторов. Чтобы радиотехнические устройства на транзисторах работали безот­казно, рабочие режимы транзисторов выбирают такими, при которых ток, напряжения и мощность не превышают 0,8 их максимально до­пустимых значений.

Основные параметры транзисторов — Энциклопедия по машиностроению XXL

Параметры транзисторов зависят от схем включения и режимов работы. Наиболее распространены две схемы включения с общей базой (ОБ) и с общим эмиттером (ОЭ). Основными параметрами транзисторов. в этих схемах являются коэффициенты усиления по току а (для схемы ОБ) и (для схемы ОЭ), граничная чистота усиления по току а также предельно-  
[c.151]

Выбор режима работы триода. Выбор схемы и режима работы, а также расчет усилителей на транзисторах, наиболее целесообразно производить в такой последовательности. Вначале, исходя из требований к усилителю по статическим характеристикам и типовым параметрам, выбирается тип транзистора, схема включения и режима работы по постоянному току. Рабочая точка выбирается в соответствии с формой усиливаемого сигнала по усредненным статическим характеристикам транзистора. Для данной рабочей точки по соответствующим характеристикам определяются значения основных параметров транзистора. Затем аналитическим путем производится расчет коэффициента усиления, полосы пропускания и других параметров усилителя. Такой метод позволяет быстро производить оценку основных параметров схемы и правильно выбирать режим работы каскада.  

[c.151]

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ  [c.65]

Основные параметры транзисторов  [c. 174]

Перечислить основные параметры транзистора.  [c.175]

Основными параметрами транзисторов являются коэффициент усиления по току допустимая мощность, рассеиваемая коллектором максимальное обратное напряжение, прикладываемое к эмиттерному и коллекторному переходам максимальный ток эмиттера и коллектора обратный ток коллектора и диапазон рабочих температур.  [c.147]

В табл. 9 приведены основные эксплуатационные параметры транзисторов, применяемых в схемах автоматических противокоррозионных устройств.  [c.65]

При подключении тахометра в цепь транзистор VT2 переключается в состояние насыщения ток базы протекает по цепи резистор RIO — транзистор — резистор R5. Конденсаторы С6 и С5 заряжаются током, протекающим по цепи R7—pV—R4—С5—VT2—R5. При этом транзистор VT находится в состоянии насыщения, так как напряжение между эмиттером и коллектором меньше падения напряжения на резисторе R8. В момент размыкания контактов прерывателя образуется стартовый импульс, который переключает транзистор VTI в состояние насыщения, и через вольтметр проходит импульс с длительностью, определяемой параметрами разрядной цепи конденсатора С5 и резистора RIO. Транзистор VT2 под действием обратных связей переключается в состояние отсечки. Время отсечки транзистора VT2 зависит от длительности разряда конденсатора С. э через открытый транзистор VTI—R5—VD3—RIO. Частота импульсов, подаваемых мультивибратором на измерительный прибор, равна частоте срабатывания прерывателя, а время разряда конденсатора выбирается меньшим, чем время между последовательными его размыканиями при максимальном значении п. Таким образом, измерительный прибор показывает силу среднего эффективного тока, которая пропорциональна частоте импульсов, получаемых на мультивибраторе. Амплитуда силы тока, подаваемого мультивибратором, регулируется с помощью резистора R7 в процессе настройки тахометра. Для уменьшения погрешности при изменении температуры окружающей среды в схеме предусмотрен терморезистор R3. Защита транзистора VTI осуществляется диодом VD2. Основные параметры отечественных тахометров приведены в табл. 11.19.  [c.336]

Основными параметрами, которыми следует руководствоваться при выборе транзистора, являются  [c.471]

Параметры транзисторов при старении изменяются незначительно, поэтому считаем => 0. Величина Rв в основном определяется входным сопротивлением транзистора следующего каскада и, следовательно, Ср = 0. Как уже отмечалось, при рас-  [c.732]

Расчет допусков на влажность. Как уже отмечалось, под влиянием влаги параметры транзисторов и конденсаторов практически не меняются, поэтому их погрешности можно принять равными нулю. Это относится и к / н, так как его величина в основном определяется параметрами транзистора. Следовательно, погрешности увлажнения будут определяться изменением сопротивлений резисторов МЛТ. По ТУ на резисторы МЛТ для сопротивлений до 1 МОм коэффициент увлажнения находится в пределах от —3 до +6%. Полагая распределение КУ нормальным и симметричным, имеем  [c.732]

В тайл. 23. 30 приведены основные параметры маломощных низкочастотных и высокочастотных германиевых транзисторов.  [c.720]

Надежность и экономичность — вот основные параметры, позволившие транзисторам очень быстро совершить революционный переворот в электронике. Но этот переворот не успел закончиться, как на смену схемам с дискретными компонентами на транзисторах стали приходить интегральные схемы. Собственно говоря, во многих случаях — особенно при больших мощностях сигналов — интегральные схемы прекрасно работают в в комплексах с отдельными, дискретными транзисторами, которые и используются в качестве мош ных элементов.  [c.79]

Для обеспечения таких же, как и в радиоприемнике А-370 , режимов работы по постоянному току транзисторов УРЧ, УПЧ, преобразователя частоты и первых двух каскадов УЗЧ сопротивление резистора К27 выбрано равным 330 Ом. Для повышения стабильности основных параметров радиоприемника при колебаниях напряжения источника питания и для повышения устойчивости работы радиоприемника при отрицательной температуре окружающей среды все радиочастотные каскады и предварительные каскады УЗЧ стабилизированы по напряжению с помощью стабилитрона УОЗ.  [c.17]

Посмотрев на эту диаграмму, специалист сразу определит шум в данной схеме, хотя его частотные компоненты и меньше полезного сигнала почти в 2000 раз, в целом настолько сильный, что будет создавать значительные звуковые помехи. Следовательно, необходимо выявить основную причину возникновения шума, а затем изменить схему таким образом, чтобы он уменьшился. В выходном файле вы найдете подробные данные относительно того, какой вклад вносят в полный шум резисторы и параметры транзистора (см. листинг). Например, из таблицы для частоты f = 100 кГц вы узнаете, что значительное влияние на возникновение шумов оказывает внутреннее сопротивление источника напряжения. И здесь у разработчиков есть немало возможностей для оптимизации.  [c.189]

Это способствует повышению КПД усилителя, которое можно физически объяснить преобразованием мощности высших гармоник в мощность основной частоты на нелинейной емкости коллекторного перехода. Верхняя же полуволна вследствие уменьшения емкости коллекторного перехода при возрастании напряжения на нем получается заостренной, что и приводит к увеличению П . Описанные явления называются параметрическими, так как являются следствием изменения параметров транзистора под действием усиливаемых колебаний. В данном случае происходит параметрическое преобразование мощности колебаний одной частоты (точнее, нескольких частот) в мощность колебаний другой частоты.  [c.133]

АФАР находят биполярные и полевые транзисторы. Основными параметрами СВЧ транзисторов, применяемых в выходных каскадах активных модулей передающей АФАР и определяющих в основном энергетические характеристики антенной решетки, являются выходная мощность, коэффициент усиления и КПД. На рис. 1.9 приведены зависимости выходной мощности от частоты современных мощных биполярных и полевых транзисторов 0.1, 27—29]. Мощные  [c.29]

Для обеспечения требуемой защиты элементов аппаратуры вместо диода может быть использован транзистор, переход эмиттер — коллектор которого включается в цепь питания аппаратуры. При прав ильно выбранных параметрах транзистора падение напряжения в его переходе эмиттер — коллектор может быть умень шено до 0,2 — 0,3 В, а в некоторых случаях оказывается даже воз можным совместить в транзисторе как основные его функции, так и функции защиты эл ементов цепей от напряжения обратной полярности. В обоих случаях обязательным условием является Применение транзисторов, у которых допустимое напряжение эмиттер — база не ниже напряжения источника питания аппа ратуры.  [c.26]

Основным объектом анализа является исследование нагрузок, которым подвергаются элементы схемы во время работы. Уравнения изменений нагрузок, выраженные через параметры элементов и решения матриц, вводятся в вычислительную машину и решаются ею. Максимальные значения каждой нагрузки (запоминаемые машиной и выводимые на печать после завершения программы вычислений, а также в каждом случае отказа в процессе анализа) анализируются после выполнения программы, чтобы определить, не будут ли перегружаться элементы во время работы при изменении различных параметров. Например, перегрузка транзистора может быть определена при анализе мощности рассеяния на его коллекторе (фиг. 1.17)  [c.47]

Коэффициент асимметрии у параметров работоспособности реле РЭС-6 лежит в диапазоне — 2,2 + 0,3. В большинстве сечений случайных процессов распределения имеют небольшую отрицательную асимметрию (в среднем 0,25). У резисторов кривые распределений скошены влево. Коэффициент асимметрии резисторов лежит в пределах 0,3—1,6. Параметры работоспособности транзисторов имеют в основном положительную асимметрию до 2,2—2,5.  [c. 141]

И конденсатор С5 разряжается по цепи эмиттер—коллектор транзистора VT2 — резистор RIO. При этом транзистор У7 4 переходит в закрытое состояние, и пока конденсатор С5 не разрядится, остается закрытым, так как к его базе приложен отрицательный потенциал. Транзистор VT2 в этом случае открыт под действием силы тока, протекающего по цепи R9—R8. При открытом состоянии транзистора VT2 через измерительный прибор Р проходит импульс, длительность которого определяется параметрами разрядной цепи конденсатора С5 (в основном цепи Я10— G5). После разряда конденсатора С5 мультивибратор скачкообразно переходит в исходное устойчивое состояние до поступления нового запускающего импульса.  [c.174]

К генератору импульсов относятся транзистор ПШ, трансформатор Тр, конденсатор С2, диоды ДЗ—До и резистор Н2. На гене-ратор импульсов подается напряжение питания, пульсация которого сглаживается конденсатором С1, а ток во входной цепи ограничивается резистором Н1. Транзисторно-трансформаторный контур генератора импульсов одновременно выполняет функции стабилизатора напряжения, подаваемого на Я—С-цепочку и триггер. Этим практически исключается зависимость выдержки времени от изменения иапряжения питания. Основное звено — цепочка Н—С, параметрами которой определяется требуемая выдержка времени. В цепь этого звена входят конденсатор СЗ, резисторы ЯП—ИЗО, сопротивление которых изменяется двумя переключателями В1 п 32. Пороговым диодом и делителем напряжения Н3—Я5 создается опорное напряжение, устанавливаемое с помощью резистора Я5 на заводе-изготовителе.  [c.42]

Включение я выключение машин, регулирование и контроль различных параметров процесса сварки в контактных машинах осуществляются в основном с помощью электрических аппаратов и приборов. В последнее время в системах управления оборудования для контактной сварки широко применяются изделия электронной техники — транзисторы, бесконтактные логические элементы, кремниевые выпрямители, тиристоры, игнитроны.[c.97]

Первые массовые автоматические регуляторы, построенные на базе электронных усилителей, так же как и первые цифровые и аналоговые вычислительные машины, появились после второй мировой войны. Это были громоздкие и капризные сооружения. Основным активным элементом в них была электронная лампа, вакуумный прибор, созданный еще на рубеже XX в. и ведущий свое начало от Эдисона. Правда, технология производства и качество их резко улучшились за 50 лет. Возросла и долговечность, но сам по себе принцип вакуумного прибора несет в себе возможность быстрого старения, а необходимость в подогреваемых цепях накала (нужно создавать электронную эмиссию катода) — склонность к катастрофическим, т. е. мгновенным и полным отказам. Первые транзисторы, разрабатывавшиеся главным образом на основе германия, по своим параметрам выглядели слабыми конкурентами электронным лампам — и усиление, и частотные характеристики, и неустойчивость к температурным и радиационным воздействиям казались многим разработчикам непреодолимыми препятствиями.  [c.78]

Подвижный ионный заряд N ) обусловлен в основном положительно заряженными ионами щелочных металлов Li , Na» и i и, возможно, протонами Н . В начале 1960-х годов, когда разрабатывалась МОП-технология, основная трудность изготовления МОП-транзисторов заключалась в том, что их параметры были нестабильными например, пороговое напряжение  [c.68]

Инвертор при мощностях свыше нескольких десятков вольт-ампер выполняют не по схеме автогенератора, а с независимым возбуждением (с усилителем мощности). В таком инверторе не наступает насыщение силового трансформатора, он мепее чувствителен к изменениям нагрузки, и при формировании сигнала управления специальной формы может стабилизировать выходное напряжение. Независимо от того,. по какой схеме выполнен силовой каскад, его режим работы определяется рядом основных соотношений. Сравнение различных силовых каскадов проведем по следующим параметрам загруженности транзистора относительно входного напряжения qu= использованию инвер-  [c. 207]

Изменение температуры окружающей среды оказывает влияние на параметры элементов транзисторного стабилизатора. Изменяют свои параметры резисторы, конденсаторы, но основное влияние оказывают изменения параметров самих транзисторов и стабилитронов.  [c.271]

Широкополосные трансформаторы. Эти устройства, называемые сокращенно ШПТ, в последние годы стали одним из основных элементов схем транзисторны передатчиков, в особенности широкополосных. Современный транзисторный КВ радиопередатчик нередко содержит больше ШПТ, чем транзисторов. ШПТ выполняют в них функции согласования сопротивлений, симметрирования, сложения и разделения мощности, а также переворота (инверсии) фазы ВЧ напряжения. Они характеризуются следующими параметрами.  [c.145]

Рассмотрим основные параметры транзисторов, которые могут быть использованы в качестве управляющих элементов (см. прилож. 4).  [c.18]

Рассмотрим, какие возможности представляют стабилитрона по напряжению стабилизации и допустимому току. Данные основных параметров кремниевых стабилитротюв, выпускаемых в настоящее время, приведены в нрнлож. 2. Резистор Я следует выбирать таким, чтобы при минимальном напряжении /дом генератора ток через стабилитрон был не менее 0,1/ст.макс. По току стабилитрон должен быть выбран таким образом, чтобы максимальный допустимый ток стабилизации /ст.мапс был в 2—3 раза больше тока базы транзистора, который отпирается стабилитроном.  [c.15]

Транзисторы, предназначенные в основном для применения в силовых цепях, используют и в некоторых устройствах, где токи нагрузки не превыша ют десятых долей ампера, но где транзи сторы должны работать в активном режиме со значительным падением напряжения в цепи эмиттер — коллектор. В этом случае лимитирующим параметром транзистора становится величина Ртах — Такой режим, в частности, характерен для выходныхтран зисторов стабилизаторов напряжения, а также мощных эмиттер -ных повторителей.[c.26]

С помощью коммутатора 36.3734 можно решить в основном все функциональные задачи по обеспечению необходимых выходных параметров системы зажигания, но он обладает невысоким уровнем надежности. Расширение числа функций обеспечивается в результате большего числа активных и пассивных изделий электронной техники, что при одинаковом уровне технологии, неизбежно приводит к снижению надежности. Решение задачи повышения надежности изделий, функционально подобных коммутатору 36.3634, заключается в применении новых технологических операций, изменяющих и конструктивное исполнение изделий. В коммутаторах БСЗ с регулируемым периодом накопления для реализации сложных функций управления применяются микросхемы К1401УД1 вместо транзисторов.  [c.235]

Основными недостатками моделей транзистора, полученных путем модификации модели Эберса—Молла, являются отсутствие непосредственной физической интерпретации таких параметров, как /до, faN, и синтез конфигурации эквивалентной схемы на основе эмпирического подхода. Следствием этих недостатков являются трудности определения формул связи ряда электрических и структурных параметров модели и неюзможность построения более точных многосекционных моделей путем развития двухсекционной модели Эберса—Молла.  [c.59]

Неизвестные функции этой системы — концентрация дырок и электронов р(х, у, z, t) и п х, у, z, t) и напряженность электрического поля Е(х, у, Z, t). Вместо Е может фигурировать электрический потенциал ф(д , у, z, t), так как Е=—gradf. Краевые условия состоят из начальных условий, характеризующих распределение зависимых переменных по объему кристалла в начальный момент времени, и граничных, задающих значения зависимых переменных на границах рассматриваемой полупроводниковой области. Геометрические размеры и конфигурация диффузионных областей и омических контактов транзистора также учитываются граничными условиями. Параметрами этой модели являются основные электрофизические параметры полупроводника. Дифференциальные уравнения в частных производных можно решать методами конечных разностей либо конечных элементов. С помощью физико-топологической модели можно с высокой степенью точности определить основные статические и динамические характеристики транзистора. Модель не учитывает влияния магнитного поля и возможных неоднородностей полупроводникового материала, что несущественно для моделирования реальных транзисторов, так как большее значение имеет точное определение параметров модели. Применение подобных моделей транзистора в задачах анализа электронных схем практически нереализуемо. Они применяются только для идентификации параметров более простых схемных моделей транзистора.  [c.132]

Модель программы ПА-1 получается в случае, если область базы представить одной секцией модели Линвилла и пренебречь дрейфовыми составляющими токов перехода. Для статического режима получим распределение токов в базе (рис. 6.2,а). Здесь /э, /б, /к — токи через выводы эмиттера, базы и коллектора. Электроны, инжектируемые эмиттером и коллектором в базу, частично рекомбинируются в ней, образуя рекомбинационные токи, а частично достигают противоположного перехода. Здесь / э, /пк — общий электронный ток соответственно через эмиттерный и коллекторный переходы. Рекомбинация происходит во всей области базы. Параметры и переменные усредняются в пределах секции, поэтому рекомбинационный ток представляется в виде двух сосредоточенных составляющих /рек.э и /рек.к. Ток ПереНОСа /г = / э—/рек.э. Дырочная составляющая эмиттерного диффузионного тока /рэ не создает переноса носителей между эмиттером и коллектором, так как для основных носителей в базе р-типа переходы создают не пропускающий дырки потенциальный барьер. Поэтому ток /рэ полностью входит в ток базы. Сумму рекомбинационного /рек.э и дырочного тока /рэ обозначим /эд. Аналогично, /кд — сумма рекомбинационного /рек.к и дырочного тока /рк коллекторного перехода в зоне базы. Задачу получения математической модели транзистора можно сформулировать следующим образом — необходимо связать токи /г, /эд, /кд с напряжениями (по отношению к базе) на эмит-терном 7эб и коллекторном [/кб переходах. Представив эти токи как зависимые источники, можно от распределения токов в базе перейти к исходному варианту эквивалентной схемы. Дополнив статическую схему емкостями эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов, сопротивлениями утечки переходов Яуэ, Яук и объемными сопротивлениями тел базы Гб и коллектора Гк, получим полную эквивалентную схему транзистора (рис. 6.4).  [c.134]

Задачи анализа цифровых схем связаны с исследованием схем невысокой степени сложности (до 100 транзисторов)—цифровых микросхем малой степени интеграции, фраг.ментов БИС и др., и сложных схем БИС с учето.м распределенных параметров электрических цепей, связывающих фрагменты БИС между собой. Основным методом анализа в первом случае является численное решение системы (6.12) на заданном интервале времени при заданном наборе входных импульсов или уровней напряжения. Обычно используются неявные методы интегрирования невысокого порядка точности с переменным шагом. В ходе интегрирования рассчитываются выходные статические и дина.мические параметры — функционалы, характеризующие цифровые схемы уровни логической 1 и О , времена задержек и длительности фронтов выходных сигналов и т. п. Во втором случае необходима разработка специальных быстродействующих алгоритмов анализа БИС.  [c.146]

В этой главе мы попытались описать моделирование МОП-транзисторов с помощью численных методов. Были обсуждены физические основы и кратко рассмотрены все более усложняющиеся численные методы. Безусловно, только развитие основ физики полупроводников приведет к разработке моделей, пригодных для более надежного моделирования работы приборов, т. е. моделей, которые соответствовали бы достижениям технологии на современном уровне миниатюризации. Наиболее важная цель моделирования, а именно способность прогнозировать характеристики нового прибора на этапе проектирования, может быть достигнута только в том случае, если физические параметры в основных уравнениях будут проанализированы еще более тщательно. Возможно, для этого придется полностью пересмотреть некоторые общепринятые предположения и приближения и, по-видимому, это единственный способ освободиться от огромного количества подгоночных параметров и эвристических формул, которые все еще моделируют с той или иной точностью некоторые сложные физические явления. До разработки наиболее адекватной модели нужно провести очень тщательный анализ собственно физических процессов. Широкие возможности аппарата численного анализа в предсказании свойств приборов были продемонстрированы на примере программы моделирования МОП-транзистора -MINIMOS.  [c.446]

Концентрация примеси задается следующим образом каждому узлу конечно-элементной структуры сопоставляется плотность электрически активных ионов примеси. Это осуществляется либо заданием измеренных значений, либо использованием результатов расчета технологических процессов, либо описанием профиля распределения примеси с помощью ряда аналитических выражений. Включенная в препроцессор программа DOPING позволяет до выполнения основных расчетов по программе FIELDAY визуально проверить профили распределения примесей, чтобы убедиться в правильности задания параметров моделируемого прибора. Распределение концентрации примеси на дисплее можно изобразить с помощью линий уровня, графиков в некоторых сечениях, либо в виде трехмерной поверхности. На рис. 16.9 показан профиль распределения примеси в биполярном транзисторе в виде трехмерной поверхности.  [c.474]

Помехообразующими элементами являются входной выпрямитель yD7…yD (генерирует, в основном, симметричное напряжение помех с уровнем до 90 дБ резко снижающемся в диапазоне до 1МГц) конденсатор входного фильтра С1 (генерирует, в основном, симметричное напряжение помех из-за паразитных параметров R и L при прохождении через конденсатор переменной составляющей импульсов тока силовой цепи L способствует генерации помех на частотах мегагерцевого диапазона) диоды VD5 размагничивающей обмотки, VD8 — защитной цепочки, VD6 — выпрямительной и VD7 коммутационной выходной цепи (генерируют кондуктивные помехи в силовую и нагрузочную цепи) силовой трансформатор TV (генерирует помехи излучения, симметричные и несимметричные кондуктивные помехи в силовой и нагрузочной цепях) силовой транзистор VT1 (генерирует в основном несимметричные и симметричные помехи во входной и выходной через трансфор-  [c.326]

Уменьшение уровня гармоник в передатчике достигается снижением уровней сигналов, подаваемых и снимаемых с каскадов усиления, умножения и преобразования частоты. Поскольку все эти каскады являются генераторами гармоник, важно, чтобы в схемах каскадов не было цепей, резонирующих на ненужных гармониках и усиливающих их. Такие цепи образуются индуктивностями соединительных проводов и паразитными емкостями, в том числе емкостями электродов ламп и транзисторов. Во многих случаях паразитные резонансы можно обнару жить с помощью гетеродинного индикатора резонанса, который, кроме основной Частоты, индицирует побочные. Если частота резонанса совпадает с частотой мешающего колебания, необходимо устранить резонанс или, по крайней мере, изменить его частоту, изменяя параметры элементов, выбывающих его. Например, можно изменить длину проводов или заменить конденсаторы. Включение йнтипаразитных сопротивлений и контуров, помимо устрйТ1ения самовозбуждения, снижает и уроЬень гармоник.  [c.248]

Для реализации этого требования необходимо обеспечить рабо ту транзистора в режиме с минимальным падением напряжения в его переходе эмиттер — коллектор. Таким режимом является ре жим насыщения транзистора, поэтому при выборе типа транзи стора для коммутации токов в силовых цепях, в первую очередь, следует оценивать величину Пканас Следует, однако, иметь в виду, что в случае работы транзистора с высокой частотой комму тации тока, в особенности при растянутых фронтах его изменения, основным фактором, определяющим величину рассеиваемой мощ ности, являются потери энергии в периоды нарастания и уменьше -ния силы тока. Поэтому для данных условий работы транзистор а наиболее важным его параметром является величинаР.  [c.25]


описание, типы, устройство, маркировка, применение.

В  этой статье рассказывается об важно элементе радиоэлектронике — транзисторах. Про принцип действия диодов и их характеристики читайте по ссылке — http://www.radioingener.ru/diody-i-ix-primenenie/

Что такое транзистор.

Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами.

Биполярный (обычный) транзистор

Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем.  В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода.

Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Устройство и структура.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором.

Это три электрода транзистора. Во время работы эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в структуре p — n — р) или электроны (в структуре n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером.

Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n — от базы.

Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — эмиттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными.

Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2).

Изготовление транзисторов.

Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус прибора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах данной серии. Существуют другие способы изготовления, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 — Устройство и конструкция сплавного слева и диффузионно — сплавного справа транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

  • Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
  • Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
  • Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
  • Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность прибора данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений по этой системе :

ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А;

ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г;

КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В.

Применение транзисторов

Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д.

Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты.

Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные приборы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты.

Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты.

Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения.

КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Советую просмотреть обучающий фильм:

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

 

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

 

  • Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств.

  • Включение прибора схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с полупроводником, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
  • Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

  • Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
  • Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении полупроводник включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный прибор.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Рк.max — мощность, превращающуюся в тепло.

 

Полевой транзистор

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G).

И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например — КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы.

Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением.

Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала.

В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных.

Кодовая и цветовая маркировка транзисторов

Все картинки кликабельны. Вы можете нажать и сохранить их себе на ПК, чтобы в дальнейшем пользоваться. Или просто сохраните данную страницу нажав в браузере добавить в закладки.

 

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5 — КТ315, КТ361

И так сказать на закуску классификацию корпусов, чтобы при заказе или обозначении на схеме иметь представление о внешнем виде транзистора

 

8 Основные параметры биполярных транзисторов

Параметры и обозначения параметров биполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 20003-74. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы.

  1. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся:

    1. Обратный ток коллектора (IКБ0) – ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера.

    2. Обратный ток эмиттера (IЭБ0) – ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

    3. Обратный ток коллектор-эмиттер (IКЭ0) – ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

Обратные токи коллектора и эмиттера зависят от температуры переходов и могут быть определены по приблизительным эмпирическим формулам:

(5.34)

где и — обратные токи коллектора и эмиттера при температуре 250С;

k – коэффициент, равный 0,06…0,09 1/0С для германия и 0,08…0,12 1/0С для кремния;

ТП – температура перехода, 0С.

  1. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 5.

Обычно в справочниках приводятся значения h-параметров для схемы включения с общей базой или общим эмиттером. Для пересчета используют выражение:

(5.35)

Малосигнальные параметры транзистора зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h21Е прямо пропорционален, а параметр h11Б обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.

  1. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах. К ним относятся:

    1. Граничная частота по определенному параметру (fГР) – это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером равен единицы.

    2. Предельная частота по определенному параметру – это частота, при которой этот параметр уменьшится на 3 дБ по сравнению с первоначальным (низкочастотным) значением. Предельная частота передачи тока при включении с общей базой – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока меньше на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне характеристики – это частота, при которой модуль крутизны передаточной характеристики при включении с общим эмиттером меньше на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте.

    3. Максимальная частота генерации (fмах) – это наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в автогенераторе.

    4. Емкость коллекторного перехода (СК) – это емкость между выводами базы и коллектора при заданных обратных напряжениях эмиттер-база и режиме с общим эмиттером. Емкость коллекторного перехода является функцией напряжения коллектор-эмиттер:

(5.36)

где СКсправ – емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного напряжения коллектор-эмиттер UКЭ.

    1. Сопротивление базы (rБ) – это сопротивление между выводом базы и переходом база-эмиттер.

    2. Постоянная времени обратной связи на высокой частоте К) – это произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода.

    3. Коэффициент шума Ш) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума указывается только для малошумящих транзисторов.

  1. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются:

    1. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер.

    2. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-база.

    3. Постоянный (импульсный) ток коллектора.

    4. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность.

    5. Температура перехода.

    6. Диапазон температур окружающей среды.

    7. Общее тепловое сопротивление корпуса транзистора (переход — окружающая среда). Оно определяется из:

, (5.37)

где ТП и ТСР – температура перехода и окружающей среды соответственно;

РП –мощность рассеиваемая на переходе.

Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение  u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.

Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |б = const,где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )

Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

∆iк ≈ β · ∆ iб

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.

Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi >1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.


Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔId /ΔUGS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. IDmax — максимальный ток стока.

2.UDSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.UGSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.РDmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.ton — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.toff — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.RDS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Транзистор что это? Основные параметры и характеристики, маркировка транзисторов

Транзисторы. Определение и история

 

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Принцип работы транзистора

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда , что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

  • мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
  • отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
  • переноса подвижных частиц;
  • стабильности при отклонениях температуры;
  • небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
  • потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно биполярный транзистор, определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Биполярные транзисторы

Биполярные конструкции производятся в виде полупроводниковых приборов с тремя проводниками. В каждом из электродов предусмотрены слои с дырочной p-проводимостью или примесной n-проводимостью. Выбор комплектации слоев определяет выпуск p-n-p или n-p-n типов приборов. В момент включения устройства разнотипные заряды одновременно переносятся дырками и электронами, задействуется 2 вида частиц.

Носители движутся за счет механизма диффузии. Атомы и молекулы вещества проникают в межмолекулярную решетку соседнего материала, после чего их концентрация выравнивается по всему объему. Перенос совершается из областей с высоким уплотнением в места с низким содержанием.

Электроны распространяются и под действием силового поля вокруг частиц при неравномерном включении легирующих добавок в массе базы. Чтобы ускорить действие прибора, электрод, соединенный со средним слоем, делают тонким. Крайние проводники называют эмиттером и коллектором. Обратное напряжение, характерное для перехода, неважно.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор управляет сопротивлением с помощью электрического поперечного поля, возникающего от приложенного напряжения. Место, из которого электроны движутся в канал, называется истоком, а сток выглядит как конечная точка вхождения зарядов. Управляющее напряжение проходит по проводнику, именуемому затвором. Устройства делят на 2 вида:

  • с управляющим p-n-переходом;
  • транзисторы МДП с изолированным затвором.

Приборы первого типа содержат в конструкции полупроводниковую пластину, подключаемую в управляемую схему с помощью электродов на противоположных сторонах (сток и исток). Место с другим видом проводимости возникает после подсоединения пластины к затвору. Вставленный во входной контур источник постоянного смещения продуцирует на переходе запирающее напряжение.

Источник усиливаемого импульса также находится во входной цепи. После перемены напряжения на входе трансформируется соответствующий показатель на p-n-переходе. Модифицируется толщина слоя и площадь поперечного сечения канального перехода в кристалле, пропускающем поток заряженных электронов. Ширина канала зависит от пространства между обедненной областью (под затвором) и подложкой. Управляющий ток в начальной и конечной точках регулируется изменением ширины обедненной области.

Транзистор МДП характеризуется тем, что его затвор отделен изоляцией от канального слоя. В полупроводниковом кристалле, называемом подложкой, создаются легированные места с противоположным знаком. На них установлены проводники — сток и исток, между которыми на расстоянии меньше микрона расположен диэлектрик. На изоляторе нанесен электрод из металла — затвор. Из-за полученной структуры, содержащей металл, диэлектрический слой и полупроводник транзисторам присвоена аббревиатура МДП.

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

  • Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
  • Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
  • Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
  • Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистораГруппы транзисторовМесяц выпускаГод выпуска
ОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировка
ян в.бежевая
Арозоваяфев.синяя1977бежевая
Бжелтаямартзеленая1978еалатовая
Всиняяапр.красная1979оранжевая
Гбежеваямайеалатовая1980электрик
Доранжеваяиюньсерая1981бирюзовая
КТ3107голубаяЕэлектрикиюлькоричневая1982белая
Жеалатоваяавг.оранжевая1983красная
Изеленаясент.электрик1984коричневая
Ккраснаяокт.белая1985зеленая
Лсераяноябр.желтая1986голубая
декаб.голубая

Таблица 2.  Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3.  Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

КодТип
4КТ814
5КТ815
6КТ816
7КТ817
8КТ683
9КТ9115
12К.У112
40КТ940
Год выпускаКодМесяц выпускаКод
1986иЯнварь1
1987VФевраль2
1988WМарт3
1989XАпрель4
1990АМай5
1991ВИюнь6
1992СИюль7
1993DАвгуст8
1994ЕСентябрь9
1995FОктябрь0
1996ННоябрьN
19971ДекабрьD
1998К
1999L
2000М

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

  1. Усилительные схемы.
  2. Генераторы сигналов.
  3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

  • Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
  • Неплохая температура и частота триода;
  • Допустимое напряжение весьма большое;
  • Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

  • Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
  • Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
  • Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

  • Низкие показатели электронапряжения по усилению;
  • Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода

Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Читаем электрические схемы с транзистором

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно,  мощность свечения самой лампы.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо  различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы Iб . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания.  В ней будет протекать ток коллектора Iк.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток Iб , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который  также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки 😉

И еще один небольшой нюанс.

Как вы заметили в схеме есть резистор R2. Для чего он нужен? Дело все в том, что может случится пробой перехода база-эмиттер. Или, простым языком, он выгорит. Если бы его не было, то при изменении сопротивления на переменном резисторе R1 до нуля Ом, мы бы махом выжгли P-N переход базы-эмиттера. Поэтому, чтобы такого не было, мы должны  подобрать резистор, который бы при сопротивлении на R1 в ноль Ом, ограничивал бы силу тока на базу, чтобы ее не выжечь.

Получается, мы должны подобрать такую силу тока на базу, чтобы лампочка светилась на полную яркость, но при этом переход база-эмиттер был бы целым. Если сказать языком электроники –  мы должны подобрать такой резистор, который бы вогнал  транзистор в границу насыщения, но не более того.

Такой резистор я подбирал с помощью магазина сопротивления. Его также можно подобрать с помощью переменного резистора. Резистор в базе часто называют токоограничительным.

Регулятор свечения лампочки на транзисторе

Ну а теперь дело за практикой. Собираем схему в реале:

Кручу переменный резистор и добиваюсь того, чтобы лампочка горела на весь накал:

Кручу еще чуток и лампочка светит в пол накала:

Выкручиваю переменный резистор до упора и лампочка тухнет:

Вместо лампочки можно взять любую другую нагрузку, например, вентилятор от компьютера. В этом случае, меняя значение переменного резистора, я могу управлять частотой вращения вентилятора, тем самым убавляя или прибавляя силу потока воздуха.

Здесь вентилятор не крутится, так как я на переменном резисторе выставил большое сопротивление:

Ну а здесь, покрутив переменный резистор, я уже могу регулировать обороты вентилятора:

Можно сказать, что получилась готовая схема, чтобы обдувать себя жарким летним деньком ;-). Стало холодно – убавил обороты, стало слишком жарко – прибавил 😉

Прошаренные чайники-электронщики могут сказать: “А зачем так сильно все было усложнять? Не проще ли было просто взять переменный резистор и соединить последовательно с нагрузкой?

Да, можно.

Но должны соблюдаться некоторые условия. Предположим у нас лампа накаливания большой мощности, а значит и сила тока в цепи тоже будет приличная. В этом случае переменный резистор должен быть большой мощности, так как при выкручивании до упора в сторону маленького сопротивления через него побежит большой ток. Вспоминаем формулу выделяемой мощности на нагрузке: P=I2R. Переменный резистор сгорит (проверено не раз на собственном опыте).

В схеме с транзистором весь груз ответственности, то бишь всю мощность рассеивания, транзистор берет на себя. В схеме с транзистором переменный резистор спалить уже будет невозможно, так как сила тока в цепи базы в десятки, а  то и в сотни раз меньше (в зависимости от беты транзистора), чем сила тока через нагрузку, в нашем случае через лампочку.

Греться по-максимуму транзистор будет только тогда, когда мы регулируем мощность нагрузки наполовину. В этом случае половина отсекаемой мощности в нагрузке будет рассеиваться на транзисторе. Поэтому, если вы регулируете мощную нагрузку, то для начала поинтересуйтесь таким параметром, как мощность рассеивания транзистора и при необходимости не забывайте ставить транзисторы на радиаторы.

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.


Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Резюме

Главное предназначение транзистора – управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим – это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

  1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
  2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
  3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Источники

  • https://habr.com/ru/post/133136/
  • https://principraboty.ru/princip-raboty-tranzistora/
  • https://odinelectric.ru/knowledgebase/kak-rabotaet-tranzistor-i-gde-ispolzuetsya
  • https://rusenergetics.ru/oborudovanie/skhema-tranzistora
  • https://RadioStorage.net/1670-tranzistory-osnovnye-parametry-i-harakteristiki-markirovka-tranzistorov.html
  • https://tokar.guru/hochu-vse-znat/tranzistor-vidy-primenenie-i-principy-raboty.html
  • https://www.RusElectronic.com/chitaem-elektricheskie-skhemy-s-tranzistorami/

[свернуть]

Важные параметры транзистора для выбора правильного транзистора для вашего приложения

Транзистор — это трехконтактный полупроводниковый прибор, который используется в качестве усилителя или переключателя в электронных схемах. Из этих трех выводов входное напряжение или ток подается на одну пару выводов транзистора, а контролируемое выходное напряжение / ток можно получить через другую пару выводов.

Существуют тысячи различных типов транзисторов, и каждый транзистор имеет разные параметры.Транзисторы сложнее резисторов и конденсаторов, потому что вы можете выбрать резистор или конденсатор в соответствии с требуемым сопротивлением или значением емкости, но при выборе транзистора вы должны искать многие параметры транзистора . Поэтому выбрать подходящий транзистор для вашей схемы — непростая задача.

Ниже приведены некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выборе транзистора.

1. Типовой номер

Типовой номер транзистора — это уникальный номер, присвоенный каждому транзистору.Используя номер типа транзистора, мы можем найти его характеристики и особенности. Существует три основных системы нумерации: JIS, Pro Electron и JEDEC . JIS используется японским промышленным стандартом, Pro Electron — европейским стандартом, а JEDEC — американским стандартом. Если вы создаете схему из Интернета, то ее можно выбрать напрямую, используя типовое количество транзисторов, используемых в исходной схеме.

2. Коэффициент усиления по току (β)

В любой схеме коэффициент усиления транзистора по току является важным параметром.Текущее усиление обычно обозначается как β или h fe . Ток — это отношение тока базы к току коллектора и мера усилительной способности транзистора. Если вы хотите использовать транзистор в качестве усилителя, выберите транзистор с более высоким коэффициентом усиления по току.

3. Напряжение коллектор-эмиттер (В CEO )

В CEO — это максимальное напряжение, с которым может работать переход коллектор-эмиттер транзистора.Для большинства транзисторов напряжение V CEO обычно составляет 30 В или более и измеряется при разомкнутой цепи базы. Подача напряжения выше V CEO может повредить транзистор. Поэтому перед использованием транзистора проверьте максимальное значение V CEO по даташиту.

4. Напряжение эмиттер-база (В EBO )

В EBO — максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу эмиттер-база. Напряжение выше V EBO может повредить или разрушить ваш транзистор.V EBO относительно меньше, чем V CEO . Максимальное напряжение V EBO обычно составляет 6 В или более для большинства транзисторов и измеряется при разомкнутой цепи коллектора.

5. Напряжение коллектор-база (В CBO )

В CBO — максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу коллектор-база, и оно измеряется при разомкнутой цепи эмиттера. V CBO обычно составляет 50 В и более.V CBO относительно выше, чем V CEO , потому что напряжение между коллектором и базой часто выше, чем напряжение между коллектором и эмиттером.

6. Ток коллектора (I C )

Коллекторный ток — это максимальный ток, который может протекать через коллектор. Обычно он измеряется в миллиамперах, но для мощных транзисторов он определяется в амперах. Ток коллектора не должен превышать максимальное значение, иначе можно повредить транзистор.Вы можете использовать резистор для ограничения тока коллектора.

7. Общая рассеиваемая мощность (Ptot)

Это полная мощность, рассеиваемая транзистором. Рассеиваемая мощность меняется от транзистора к транзистору. Для небольших транзисторов номинальная мощность составляет порядка нескольких сотен милливатт, но для мощных транзисторов она определяется в ваттах. Рассеиваемая мощность на устройстве может быть рассчитана путем умножения тока коллектора на напряжение на самом устройстве.

Итак, вот некоторые основные параметры для выбора подходящего транзистора для вашего приложения. Если вы используете печатную плату, вам также следует проверить тип корпуса транзистора.

Параметры

BJT

Параметры BJT
Верх
Elliott Sound Products Параметры биполярного переходного транзистора

Авторские права © 2018 — Род Эллиотт (ESP)
Страница Создана в декабре 2018 г.
Обновлено в феврале 2020 г. (Коммутационные транзисторы)


Указатель статей
Главный указатель

Содержание
Введение

В транзисторах есть много вещей, которые сбивают с толку как новичка, так и не новичка.Некоторые схемы просты и не требуют большего, чем закон Ома, в то время как другие кажутся намного сложнее. Парадоксально, но часто самые простые схемы вызывают наибольшее количество проблем. Прекрасным примером является схема усилителя BJT, в которой используется только один транзистор и пара резисторов (как показано на рисунке 1). Хотя эту топологию легко превзойти даже самый обычный операционный усилитель для большинства задач, она предлагает довольно простой способ определения параметров транзистора. Есть даже приложения, где это полезно, особенно там, где в цепи нет операционных усилителей, и вам нужен каскад усиления.

Для определения коэффициента усиления по постоянному току требуется всего несколько простых вычислений (он же β / h FE ), с тем преимуществом, что вы можете установить фактические рабочие условия транзистора при настройке теста. Это полезный инструмент, который позволяет вам понять, как работает транзистор, и легко адаптируется к задаче согласования устройств, если вам это нужно. Хотя большинству схем не нужны согласованные устройства, в некоторых случаях это улучшает производительность.

В схемах, показанных ниже, входной разделительный конденсатор был выбран так, чтобы обеспечить низкую частоту -3 дБ около 10 Гц.Это не является частью процесса определения характеристик постоянного тока и необходимо только для измерения характеристик переменного тока. Хотя это не обязательно, я ожидаю, что большинство читателей захотят запустить тесты AC, и они информативны (даже если на самом деле не очень полезны). По крайней мере, для определения общей линейности полезен тест переменного тока, который включает в себя измерения искажений — действительно линейная схема не вносит искажений.

Транзистор может находиться в одном из трех возможных состояний: отключенном (ток коллектора незначительный или отсутствует), активном (или «линейном») и насыщенном (напряжение коллектора минимально возможное).Для усиления нам нужно находиться в активной области. Области отсечки и насыщения важны только в схемах переключения. В этих случаях обычно считается, что ток базы должен составлять около 1/10 тока коллектора, независимо от β транзистора. Это означает, что почти любой транзистор будет работать, если он рассчитан на ток и напряжение, используемые в цепи. Хотя часто можно увидеть вопросы о заменах, если вы знаете эти основные факты, вы можете решить для себя, что будет (или не будет) работать.

Бета; β: Это основное обозначение коэффициента усиления прямого тока транзистора.
h fe : Это коэффициент усиления по току для транзистора, выраженный как параметр h (гибридный). Буква «f» означает, что это прямой перевод. характеристику, а буква «е» указывает, что это для общей конфигурации эмиттера. Маленькая буква «h» указывает на небольшое усиление сигнала. h fe и бета-версия малого сигнала одинаковы.
h FE : Параметр h FE описывает усиление прямого тока в установившемся режиме постоянного или большого сигнала. Он всегда меньше h fe .

Терминология может быть разной в зависимости от того, какой исходный материал вы просматриваете. Не все согласны с тем, что указанные термины представляют характеристики, и h fe и h FE часто используются как взаимозаменяемые. В конечном счете, терминология не имеет большого значения, если вы понимаете концепцию текущего усиления.Транзисторы — это, по сути, преобразователи тока в ток, поэтому небольшой базовый ток управляет большим током коллектора. Ток эмиттера , всегда , равный сумме токов базы и коллектора.

Примечание: Эта статья не предназначена для того, чтобы показать способ построения простого транзисторного усилителя, но позволяет вам определить параметры транзистора. Схема, показанная на рисунке 1, определенно будет работать как усилитель, но для нее требуются входные и выходные конденсаторы, а входное сопротивление очень низкое.Как показано (и, возможно, удивительно), входное сопротивление составляет около 660 Ом — намного ниже, чем можно было ожидать. Это связано с обратной связью, обеспечиваемой R2, который действует как для переменного тока , так и для постоянного тока. Обратная связь по постоянному току стабилизирует рабочие условия, а обратная связь по переменному току снижает входное сопротивление. Если бы транзистор имел бесконечное усиление, входной импеданс был бы равен нулю !


1 — Определяющие характеристики

В настоящее время мы проигнорируем производительность переменного тока и просто рассмотрим требования к смещению.Схема показана ниже, и ее довольно легко проанализировать, поскольку она очень проста. Однако внешность обманчива. Не требуется много предварительных знаний, чтобы определить, что схема, показанная на Рисунке 1, будет находиться в активной области. Вам нужно только посмотреть номиналы резисторов в цепях коллектора и базы. Поскольку R2 в 24 раза больше значения R1, отсюда следует, что базовый ток будет примерно в таком же соотношении. Если транзистор имеет β около 250 (совсем не редкость), схема должна смещаться к центру диапазона питания (т.е.е. где-то между 5В и 7В).


Рисунок 1 — Смещение обратной связи коллектор-база

Проблема анализа заключается в слове «обратная связь». Все, что происходит на коллекторе, отражается обратно в базу, поэтому напряжение коллектора зависит от тока базы, который, в свою очередь, зависит от … напряжения коллектора ! Транзистор h FE изменяет соотношение между коллектором и базой, и, не зная заранее одного из параметров, просто невозможно точно предсказать, что будет делать схема.

Будет ли напряжение коллектора равным или близким к напряжению питания (отключено), заземлению (насыщено) или где-то посередине (активно)? Единственное, что мы знаем наверняка, — это то, что он будет где-то посередине между двумя крайностями. При условии, что транзистор исправен (это должно быть задано), напряжение на коллекторе не может упасть до нуля или достигнуть напряжения питания. В первом случае базе всегда требуется некоторый ток для транзистора, чтобы проводить, а во втором случае, если транзистор имеет ток базы, он должен потреблять ток коллектора.Следовательно, на резисторе коллектора всегда должно быть некоторое напряжение (даже небольшое).

Даже знание коэффициента усиления транзистора не очень помогает, потому что процесс является итеративным. Вам нужно будет сделать предположение о напряжении коллектора и выполнить несколько расчетов, чтобы увидеть, дает ли это разумный ответ, а затем скорректировать свое предположение в большую или меньшую сторону, пока вы не придете к окончательному значению. Гораздо проще построить (или смоделировать) схему, чем пытаться угадать (несколько нелинейную) сеть обратной связи.

В целом можно с уверенностью предположить, что напряжение коллектора будет примерно вдвое меньше напряжения питания транзисторной схемы, предназначенной для использования в качестве линейного усилителя. Конечно, могут быть исключения, и фактическое напряжение коллектора может сильно отличаться от вашего первого предположения. Снова посмотрите на рисунок 1 и примите β равным 240 для Q1 (на основе отношения между R1 и R2). Это означает, что его базовый ток составляет 1/240 тока коллектора. Поскольку на R1 (коллекторный резистор) около 6 В, ток должен быть около 6 мА.Это означает, что базовый ток можно оценить в 25 мкА. Напряжение на R2 (коллектор к базе) можно рассчитать по закону Ома (но мы проигнорируем напряжение база-эмиттер) …

V = I × R = 25 мкА × 240 кОм = 6 В

Если бы это было ваше первое предположение, вы были бы очень близки ! Ваша первоначальная оценка может оказаться невозможной, если вы недооцените усиление, потому что мы знаем, что напряжение на R2 не может быть больше, чем Vce — Vbe (около 5,3 В). Например, если ваше первое предположение об усилении было 150, напряжение на R2 будет слишком высоким (около 9.6 В при 40 мкА). Если вам не нужно точное определение (которое не является ни необходимым, ни полезным), этого на самом деле достаточно ! Я знаю, что поначалу это может не казаться так, но учтите, что при производстве транзисторы одного и того же базового типа имеют «разброс» усиления, что означает, что никакие два транзистора не гарантируют одинаковых результатов. Напряжение между базой и эмиттером также варьируется — обычно оно составляет 650 мВ (0,65 В), но это зависит от конкретного транзистора, тока базы и температуры.

Важно то, что большая точность не имеет значения. Если схема спроектирована правильно (а на самом деле сложно сделать это «неправильно» с этой конкретной топологией схемы), она будет работать, как задумано, почти независимо от используемого транзистора. Не следует ожидать, что такая схема, как показанная, будет иметь выходное напряжение переменного тока более 500 мВ — 1 В RMS, где ее искажения должны оставаться ниже 1%.


2 — Согласование транзисторов

Может не быть очевидным, что схема, показанная на рисунке 1, может быть исключительно полезной.Это не будет как усилитель, но он позволяет очень точно согласовывать транзисторы. В первую очередь необходимо определить ожидаемый ток коллектора, и знание напряжения коллектор-база, которое будет применяться в цепи, требующей согласованных устройств, также может помочь. Например, усилитель мощности может использовать шины питания ± 35 В, а входной каскад может работать с общим током 4 мА (), равным (задается «хвостовым» током длинно-хвостовой пары). Однако вам действительно не нужно обеспечивать полное напряжение коллектор-база, которое в конечном итоге будет использоваться.

Теперь вы знаете, что ток через каждый транзистор должен быть 2 мА. Источник питания 20 В отлично подойдет для большинства тестов, и хорошие результаты все же можно получить при более низком напряжении. Основываясь на таблице данных транзистора, вы можете получить разумную первоначальную оценку h FE и использовать коллекторный резистор, который упадет примерно на 2 В при 2 мА (1 кОм). Затем выберите соответствующий резистор коллектор-база или обманите и используйте резистор 1 МОм последовательно с потенциометром 1 МОм. Транзистор следует установить в три гнезда гнезда ИС или использовать беспаечный макет.Например, если у используемых транзисторов h FE = 200, то вы знаете, что сопротивление резистора должно быть около 1,72 МОм.

Если у вас есть настройка потенциометра, которая понижает 2 В на резисторе 1 кОм, ток составляет 2 мА. Затем просто устанавливайте транзисторы, пока не найдете пару с одинаковым падением напряжения на сопротивлении коллектора и тем же напряжением база-эмиттер. Неизбежно будет небольшое несоответствие, потому что найти два, которые идентичны , маловероятно, но если они находятся в пределах (скажем) 5% друг от друга, это вполне приемлемо.При установке на печатной плате два транзистора должны быть термически связаны, и это гарантирует, что тепловые изменения одинаково влияют на оба устройства.


3 — Характеристики переменного тока

В моделировании с тремя разными типами транзисторов (2N2222, BC547 и 2N3904) выходное напряжение переменного тока составляет 161 мВ, 170 мВ и 132 мВ (среднеквадратичное значение) для входа 1 мВ от источника 50 Ом. Разброс от максимального к минимальному усилению составляет лишь часть 2 дБ, а это очень разных устройств.Полезно взглянуть на их таблицы данных, чтобы увидеть, насколько они разные, но все они работают почти так же хорошо, как и другие, без изменения схемы. 2N3904 имеет меньшее усиление, но два других работают почти одинаково. Искажения не вызывают нареканий, но этого ожидают от каскада с высоким коэффициентом усиления без обратной связи.

Обратите внимание, что одноступенчатый усилитель, такой как этот, представляет собой , инвертирующий , и не имеет значения, используете ли вы вентиль (вакуумную лампу), BJT, JFET или MOSFET. При работе с заземленным эмиттером, катодом или источником все устройства инвертируют.Положительный вход вызывает отрицательный выход и наоборот.


Рисунок 2 — Смещение обратной связи коллектор-база (измерения переменного тока)

Заманчиво думать, что усиление по переменному току транзисторного каскада определяется усилением по постоянному току (β или h FE ). Это совсем не так, хотя они связаны. Транзистор функционирует как преобразователь тока в ток, где небольшой ток на базе управляет большим током в коллекторе (и эмиттере).Хотя это описывает действия, которые происходят внутри самого устройства, мы склонны прилагать большую часть наших усилий к усилителям напряжения и . Однако одно без другого не существует.

Например, мы можем легко вычислить, что β 2N3904 составляет около 200, однако, если коллектор питается от очень высокого импеданса, мы можем довольно легко получить усиление переменного напряжения более 3300. Этот метод на удивление распространен и используется почти во всех усилителях мощности в качестве каскада «усилителя класса A» (также известного как VAS — «усилитель напряжения»).Питание коллектора осуществляется от источника постоянного тока. Это обеспечивает желаемый ток, но с исключительно высоким импедансом. («Идеальный» источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление.)

Выше я говорил, что показанные здесь схемы включают обратную связь. Это может быть не сразу очевидно, но R2 (коллектор к базе) является резистором обратной связи. Обратная связь отрицательная, поэтому, если напряжение коллектора пытается подняться, доступен больший базовый ток (через R2), и транзистор включается немного сильнее, пытаясь сохранить стабильное напряжение коллектора.Эта обратная связь действует как на сигналы постоянного, так и переменного тока, а входное сопротивление очень низкое. Фактически, входной импеданс показанной схемы составляет менее 1 кОм (в диапазоне от 650 до 750 Ом), что делает его полезным только для источников с низким импедансом. Это одна из многих причин того, что показанная схема не является распространенной — схемы с очень низким входным сопротивлением и высокими искажениями обычно не считаются полезными для большинства аудиоприложений.

Не то чтобы это помешало его использовать в те времена, когда транзисторы были дорогими и все еще находились в процессе понимания большинством разработчиков.Однако даже тогда он использовался только для «нетребовательных» приложений, где его ограничения не были замечены. Сегодня большинство людей не станет беспокоиться, потому что есть операционные усилители, которые настолько дешевы, гибки и точны, что нет смысла использовать непредсказуемую схему с таким количеством ограничений.


4 — Результаты измерений

Ради удовольствия, я установил схему выше, как показано на рисунке. Источник питания был 12 В постоянного тока, и я использовал несколько транзисторов. Большинство из них были типа BC546 (показаны только результаты 4 тестов), но от двух разных производителей, и я также протестировал несколько устройств BC550C.Я даже тестировал BC550C с перевернутыми эмиттером и коллектором (в конце концов, они — это биполярные транзисторы ). Результаты измерений представлены в таблице (искажения не измерял). Напряжение база-эмиттер (Vbe) составляло около 680 мВ для тестов BC546, но не измерялось для BC550.

В CE (постоянный ток) ч FE (вычислено) Выход переменного тока (среднеквадратичное значение) Коэффициент усиления переменного тока
BC546
5.94 В 276 1,52 В 152
5,80 В 291 1,52 В 152
5,77 В 293 1,52 В 152
7,20 В 177 1,24 В 124 (-1,8 дБ)
BC550C
4,36 В 498 2,04 В 204
4.31 В 508 2,04 В 204
3,65 В 675 2,12 В 212 (+0,3 дБ)
4,83 В 414 1,92 В 192 (-0,5 дБ)
BC550C Перевернутое положение !
8,39 В 112 255 мВ 25,5
Таблица 1 — Измеренные характеристики постоянного и переменного тока

Результаты интересные.Совершенно очевидно, что при измерении низкого напряжения коллектора транзистор имеет высокий коэффициент усиления (постоянный ток) и наоборот. Что не так очевидно, так это причина изменения выходного напряжения переменного тока при входном среднеквадратичном значении 10 мВ от генератора 50 Ом. Точно так же несколько транзисторов показывают одинаковый коэффициент усиления по напряжению, даже если очевидно, что их h FE отличается. Вы можете ожидать, что усиление переменного напряжения будет связано с транзистором h FE , но, очевидно, здесь есть нечто большее.

Частично причиной является собственное сопротивление эмиттера « r e » (обычно известное как «маленький r e»), которое составляет примерно 26 / Ie (в миллиамперах).Если ток эмиттера составляет 2,6 мА, тогда относительно составляет 10 Ом. Это неточная цифра, но в целом она достаточно близка для грубых расчетов. Поскольку оно изменяется с током эмиттера, отсюда следует, что коэффициент усиления по напряжению также изменяется вместе с током эмиттера, поэтому коэффициент усиления отличается для положительного входного сигнала (который увеличивает Ie) и отрицательного входного напряжения (который уменьшает Ie). В результате r e изменяется с уровнем сигнала, вызывая искажения. Также стоит отметить, что тест с «настоящими» транзисторами и моделирование дают удивительно близкие ответы.

Во многих ранних звуковых конструкциях использовались сравнительно высокие напряжения питания, чтобы минимизировать изменение r e за счет уменьшения изменения тока для заданного выходного напряжения. Большая часть этого стала ненужной, когда более совершенные схемы с высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура и отрицательной обратной связью заменили простые транзисторные каскады. Они подробно описаны в статье «Альтернативы операционным усилителям».

Конечным результатом всего этого является то, что вы можете определить параметры транзистора, установив его в схему, подобную показанной здесь.Вам не нужен тестер транзисторов, и результаты, которые вы получите, будут настолько точными, насколько вам когда-либо понадобится. Это базовый анализ схем, который помогает вам понять более сложные схемы и оценить значение основных математических функций. В большинстве случаев для определения характеристик транзистора требуется немного больше, чем закон Ома.

Главный параметр (и тот, который, кажется, интересует большинство людей) — это усиление постоянного тока — h FE или β. Вам нужно всего два показания напряжения, чтобы можно было определить усиление (при условии, что напряжение питания фиксировано и известно значение, например 12 В).Измерьте напряжение на коллекторе и базе, общей точкой является эмиттер (в конце концов, — это каскад с общим эмиттером). Теперь у вас есть все, что нужно для получения прибыли.

Сначала определите ток коллектора Ic. Это устанавливается напряжением на R1, которое составляет Vcc — Vce (предположим, что Vcc составляет 12 В для этого примера). Затем выработайте коллекторный ток. Я буду использовать Vce равным 6 В, но оно редко будет ровно половиной напряжения питания.

Ic = (Vcc — Vce) / R1
Ic = (12-6) / 1k = 6 мА

Теперь вы измеряете базовое напряжение и определяете ток через R2 (240 кОм).Для примера предположим, что 0,68 В. Ток в R2 — это базовый ток.

Ib = (Vce — Vb) / R2
Ib = (6 — 0,68) / 240k = 22,17 мкА

Усиление — это просто Ic / Ib, то есть 6 мА / 22,17 мкА, что составляет 270. Это коэффициент усиления транзистора по постоянному току. Да, это утомительнее, чем считывание с тестера транзисторов, но это точная цифра, полученная в тестируемой цепи. Он будет меняться в зависимости от температуры и тока коллектора, поэтому в данном конкретном случае применяется только .В конечном счете, точная цифра не особенно полезна. Это даже не очень полезно в качестве «показателя качества», потому что коэффициент усиления переменного напряжения схемы не сильно меняется, даже если h FE отличается.

Вы можете использовать такую ​​схему для согласования транзисторов, как описано в разделе 2, если это необходимо для схемы, которую вы строите. Обратите внимание, что Vbe по-прежнему является переменной, и ее необходимо сопоставить независимо от h FE .


5 — Стабилизирующее усиление напряжения

В большинстве случаев требуется определенный коэффициент усиления, который достигается добавлением еще одного резистора.На рисунке ниже я добавил эмиттерный резистор 100 Ом. Теперь коэффициент усиления определяется отношением R1 к R3 плюс re (внутреннее базовое сопротивление). При 100 Ом, как показано, теоретическое усиление составляет около 9,57, но это не совсем так, потому что транзистор имеет конечное усиление, поэтому обратная связь не может дать точный результат. Однако это не так уж плохо и гораздо более предсказуемо, чем можно было бы ожидать в противном случае.


Рисунок 3 — Резистор эмиттера стабилизирует усиление

Как видно из рисунков, в идеале цепи должны быть повторно смещены, чтобы получить напряжение коллектора, близкое к 6.5 В (на резисторе эмиттера падает небольшое напряжение). Однако даже с одной и той же партией очень разных транзисторов разница между максимальным и самым низким коэффициентом усиления теперь составляет всего 0,15 дБ. Искажения также уменьшаются, но не в той же пропорции, что и уменьшение усиления. Добавление эмиттерного резистора называется дегенерацией эмиттера, и это не то же самое, что отрицательная обратная связь. Это эффективно для стабилизации усиления (например), но не уменьшает искажения, а также «истинную» отрицательную обратную связь.Шум от R3 фактически усиливается этой схемой и всеми подобными устройствами, поэтому, несмотря на уменьшение усиления, шум не будет уменьшаться пропорционально.

Не сразу очевидно, что входной импеданс намного выше, более 11 кОм для каждого моделируемого транзистора. Входное сопротивление (очень грубо) определяется сопротивлением эмиттера (как внутренним, так и внешним), умноженным на коэффициент усиления постоянного тока. Однако на него также влияет отрицательная обратная связь через R2, поэтому это непростой расчет.

Коэффициент усиления дополнительно уменьшается при добавлении внешней нагрузки, поскольку она фактически включена параллельно резистору коллектора (R1). Выходное сопротивление (почти) равно значению R1. На самом деле это немного меньше из-за отрицательной обратной связи через R2 (около 990 Ом при моделировании). Вырождение эмиттера не влияет на выходной импеданс, в отличие от отрицательной обратной связи, которая уменьшает его пропорционально коэффициенту обратной связи.

Замерил искажения как с эмиттерным резистором, так и без него.При уровне сигнала всего около 230 мВ без R3 искажение составляло 2,5%. Когда был включен R3. усиление упало до 9, и даже при выходе 900 мВ искажение составляло «всего» 0,25%. Хотя это выглядит довольно значительным улучшением, учтите, что ни один из когда-либо созданных операционных усилителей не имеет такого большого искажения на любом уровне выходного сигнала. Также стоит отметить, что симулятор на удивление хорошо оценивает искажения — для тех же условий симулятор показал около 0,24%, что очень близко к измеренному значению.


6 — Ранний эффект

Эффект Раннего назван в честь его первооткрывателя Джеймса Эрли. Это вызвано изменением эффективной ширины базы в BJT из-за изменения приложенной базы к напряжению коллектора. Помните, что при нормальной работе переход база-коллектор имеет обратное смещение, поэтому большее на обратное смещение на этом переходе увеличивает ширину обеднения коллектор-база. Это уменьшает ширину несущей части базы и увеличивает коэффициент усиления транзистора.

Эффект раннего транзистора имеет некоторое влияние на характеристики (для переменного и постоянного тока). При напряжении коллектора 5 В коэффициент усиления почти точно равен 200 (при моделировании, Ib = 20 мкА), при 10 В оно возрастает до 215, а при 50 В — до 317. Как видно из графика, наклон довольно линейный. . Отсюда следует, что с изменением напряжения коллектора изменяется и эффективное значение h fe . Графики показаны для трех различных базовых токов — 15 мкА, 20 мкА и 25 мкА (в схеме показан только источник тока 20 мкА).Ток коллектора ниже 2 мА (при напряжении коллектора менее 500 мВ) не отображается, поскольку здесь он не имеет значения. Форма волны переменного тока не включена в тестовую схему или график. Примечательно, что даже при напряжении коллектора 500 мВ транзистор работает нормально.


Рисунок 4 — Схема тестирования раннего воздействия (2N2222)

Существует также изменение r e по мере изменения тока коллектора, но я не пытался количественно оценить это в показанных тестах (это становится актуальным только тогда, когда ожидается напряжение усиление).Нагрузочный резистор коллектора не используется, поскольку базовый ток поддерживается на постоянном (и очень низком) значении. Во всем показанном ниже диапазоне коэффициент усиления по переменному току изменяется примерно в 1,6: 1 для диапазона тока, показанного на рисунке 5, и при напряжении коллектора от 1 до 50 В. Коэффициент усиления переменного напряжения почти прямо пропорционален току коллектора. Коэффициент усиления по переменному току был измерен, хотя это не показано на схеме или графике испытания. При подаче в базу сигнала 1 мкА (пика) коэффициент усиления по переменному току изменяется с минимума примерно 110 при токе коллектора 4 мА до 165 при 6.Ток коллектора 5 мА. Коэффициент усиления по напряжению не имеет отношения к этому тесту, потому что контролируется только ток.


Рисунок 5 — Ранний эффект (2N2222)

Хотя изучение Early Effect — интересное наблюдение, оно не особенно полезно для простых каскадов усиления. В более сложных схемах (особенно линейных ИС) обычно напряжение коллектора транзистора поддерживается постоянным, насколько это возможно. Это можно увидеть, например, на входном каскаде большинства усилителей мощности, где значительная часть усиления всей схемы создается во входном каскаде.Когда для входа используется пара с длинным хвостом, напряжение коллектора входных транзисторов не меняется очень сильно (если вообще изменяется), поэтому колебания усиления из-за напряжения коллектор-база сводятся к минимуму — но только при использовании в инвертирующей конфигурации.

Это относится к , а не к , когда операционный усилитель работает в неинвертирующем режиме. Следовательно, для усилителя с единичным усилением напряжение между коллектором и базой может варьироваться от примерно 28 В (пиковое отрицательное входное напряжение) до всего 2 В (пиковое положительное входное напряжение).Эта модуляция напряжения может вызвать изменение усиления входных транзисторов на ± 10% или более из-за эффекта Раннего (хотя, вероятно, это не единственная причина повышенных искажений). Более высокие искажения в неинвертирующей конфигурации — хорошо известное явление для операционных усилителей, хотя в компетентных устройствах любые искажения, которые добавляются и , остаются значительно ниже порога слышимости. Некоторые устройства имеют настолько низкие искажения, что их практически невозможно измерить независимо от топологии.

Также стоит отметить, что если для переключения используется транзистор, вам необходимо обеспечить гораздо больший базовый ток, чем вы думаете. Это связано с тем, что при очень низких напряжениях коллектора коэффициент усиления транзистора по току намного ниже, чем указано в таблице данных. «Здравый смысл» заключается в том, чтобы гарантировать, что базовый ток для схемы переключения составляет примерно 1/10 тока коллектора, хотя при низком токе часто можно обойтись меньшим током. Для показанного 2N2222, если коммутируемый ток коллектора составляет 50 мА, вы должны обеспечить базовый ток около 5 мА, чтобы гарантировать, что напряжение коллектора в состоянии «включено» не превышает 100 мВ.В таблице данных указано, что напряжение насыщения (транзистор полностью открыт) составляет 300 мВ, ток коллектора составляет 150 мА, а базовый ток — 15 мА. Это указывает на то, что h FE всего 10, чтобы получить полное насыщение. В техническом описании вы только дошли до этого места, и вам нужно провести собственные тесты, чтобы получить реалистичные цифры. Очень важно проверить несколько устройств — тест, основанный на одном транзисторе, не покажет вам вероятных результатов с разными устройствами, даже если все они из одной партии.


7 — Транзисторы переключающие

Раньше BJT были преобладающей технологией для коммутации в цифровых системах (TTL — транзисторно-транзисторная логика). В то время как устройства CMOS (дополнительные металлооксидные полупроводники) заняли львиную долю в цифровых схемах, транзисторные переключатели остаются очень распространенным явлением. Для высокой мощности мы склонны думать о MOSFET как о наиболее распространенном переключателе, но IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) теперь являются лучшим вариантом для приложений с высоким напряжением и током.

Транзисторы, используемые в коммутационных приложениях, не работают в линейном режиме — это для усилителей. Транзистор либо выключен (нет тока коллектора, кроме небольшого тока утечки, который почти всегда можно игнорировать), либо он полностью включен в состоянии, известном как насыщение. Бета (или h FE ) важна только для того, чтобы позволить разработчику определить, какой базовый ток необходим для принудительного насыщения. Все коммутационные системы будут подвергаться большему, чем ожидалось, рассеиванию энергии в момент включения или выключения.Это потому, что переходы не мгновенные. В основном это не проблема, но это может стать важным, если сигнал переключения (управляющий транзистором) имеет медленные переходы. Если в активной области проводится слишком много времени (между «включенным» и «выключенным»), пиковое рассеивание может быть намного выше ожидаемого.

Транзисторные переключатели очень часто используются для включения светодиодов и реле, а также для многих других простых коммутационных приложений. Транзисторы NPN или PNP могут использоваться в зависимости от полярности, и многие простые схемы в значительной степени полагаются на BJT в качестве переключателей.Есть несколько сюрпризов, и схемы обычно легко рассчитать, чтобы получить соответствующий базовый ток, соответствующий нагрузке. Следующая схема распространена в проектах из бесчисленных источников, а также используется для переключения реле с выходов микроконтроллера (часто только 3,3 В при довольно низком токе).


Рисунок 6 — Базовая схема переключения

Нагрузка показана как реле, но это может также быть вентилятор постоянного тока, светодиод или небольшая лампа накаливания. Мы будем знать напряжение питания и (обычно) ток нагрузки.Используя пример реле, если катушка имеет сопротивление 250 Ом и рассчитано на 12 В, мы можем определить ток по закону Ома (48 мА). Если мы используем микроконтроллер с выходами 3,3 В, нам нужно знать только «худший случай» усиления (h FE ) для транзистора, чтобы определить значение R b . Если Q1 — это BC546, мы можем взглянуть на таблицу и увидеть, что он может выдерживать 65 В (V CEO ) при токе до 100 мА. Минимальное значение h FE равно 110, поэтому для управления реле базовый ток должен быть на , по крайней мере, на , вдвое больше минимально допустимого (большинство разработчиков стремятся к 5-10-кратному расчетному базовому току).При нагрузке 48 мА базовый ток не превышает 436 мкА, поэтому допустим 2 мА. Это немного меньше предложенного × 5, но все же вполне нормально.

Поскольку напряжение база-эмиттер будет 0,7 В, а у нас есть базовое «питающее» напряжение 3,3 В от микро, закон Ома говорит нам, что значение R b должно быть 1,3 кОм (2,6 В при 2 мА). Для удобства мы будем использовать ближайшее стандартное значение 1,2k (или 1k). Это простое упражнение демонстрирует, насколько легко определить значения, необходимые для 100% надежной работы.Любое другое приложение переключения так же просто.

Одна из интересных особенностей простых транзисторных ключей (в отличие от пар Дарлингтона или Шиклая) заключается в том, что напряжение коллектор-эмиттер упадет всего до нескольких милливольт. Вы можете ожидать, что напряжение коллектора будет основано на напряжении база-эмиттер, но это не так. При описанных значениях напряжение V CE будет около 110 мВ, но с увеличением тока базы оно еще больше упадет. Даже как показано на рисунке, мощность, рассеиваемая в Q1, составляет всего 5.28 мВт, что незначительно.

Конечно, это не всегда так, потому что транзистор имеет конечное время переключения, а в худшем случае — когда он «наполовину включен» (то есть напряжение коллектора 6 В при повышении или понижении). В показанной схеме будет нагрузка 24 мА при напряжении коллектора 6 В, поэтому пиковая рассеиваемая мощность составляет 144 мВт. Это намного меньше, чем максимальное непрерывное рассеивание (500 мВт), и нам не нужно ничего менять. 144 мВт — это переходное состояние, которое обычно длится менее 100 мкс, если вход переключается достаточно быстро.

Точно такой же набор простых вычислений можно использовать для любой схемы переключения транзисторов. Эти схемы очень легко спроектировать, но необходимо соблюдать все шаги, чтобы гарантировать надежность. Если бы реле было заменено вентилятором, потребляющим 200 мА, в техническом паспорте говорится, что BC546 нельзя использовать (максимум 100 мА), и выбранному транзистору потребуется больший базовый ток. BC639 может справиться с текущим и худшим случаями рассеивания мощности. Однако минимальное усиление (согласно таблице данных) составляет всего 40, поэтому вам понадобится базовый ток не менее 5 мА, но предпочтительно 10 мА.Это может быть больше, чем может предоставить микроконтроллер (или другой источник), и я оставляю это в качестве упражнения для читателя, чтобы выработать способ достижения желаемых результатов.

Помните, что для переключения вам необходимо подать , как минимум, на , вдвое превышающий ожидаемый базовый ток, и обычно обеспечивают до десяти раз больше, чтобы вызвать полное насыщение транзисторного ключа. Схемы переключения BJT становятся менее привлекательными при очень высоком токе, потому что базовый ток эффективно «тратится».Он не влияет на ток нагрузки и является просто еще одной частью схемы, которая должна питаться от источника питания. Использование транзистора Дарлингтона является (или использовалось раньше) обычным явлением, поскольку h FE очень велик (до 1 кОм), поэтому для насыщения требуется гораздо меньший базовый ток. Однако , Дарлингтон не может снизить напряжение коллектора до уровня ниже 700 мВ, а при высоком токе оно может достигать 3 В.

Например, TIP141 рассчитан на ток коллектора 10 А и усиление 1000 при 5 А.Напряжение насыщения при токе коллектора 5 А и базовом токе 10 мА составляет 2 В, поэтому он будет рассеивать 10 Вт даже при переходе в режим насыщения. Это бесполезная энергия, которую должен обеспечивать источник питания, но она не может использоваться нагрузкой. Время переключения также довольно велико, поэтому работа на высоких скоростях не рекомендуется. Транзистор должен быть установлен на радиаторе для поддержания безопасной рабочей температуры.

Это одна из многих причин, по которым полевые МОП-транзисторы предпочтительны для переключения с высоким током.Современный МОП-транзистор может иметь сопротивление во включенном состоянии (R DS на ) примерно 40 мОм, а при нагрузке 5 А напряжение на устройстве будет всего 200 мВ, рассеивая 1 Вт. Ток затвора равен нулю в установившемся режиме, но должен быть достаточно высоким во время переключения (до 2 А или около того, в зависимости от скорости переключения). Однако этот высокий ток длится очень короткий период, обычно значительно ниже 100 мкс. Пиковое рассеивание (во время переключения) может достигать 15 Вт с описанной схемой, но в среднем будет менее 600 мВт.Сравните это с рассеянием 10 Вт для транзистора Дарлингтона, и легко понять, почему полевые МОП-транзисторы стали выбором №1 для коммутации. При таком низком общем рассеивании небольшого участка плоскости печатной платы обычно достаточно в качестве радиатора !


Выводы

Главное здесь — продемонстрировать основы самого простого смещения транзистора и выяснить, сколько всего можно узнать из некоторых простых наблюдений. Хотя я настоятельно рекомендую создать и протестировать его, я рекомендую использовать вместо , если для чего-нибудь.Его можно использовать для согласования, но основная цель — узнать, как транзистор работает в цепи. Реальная топология не имеет значения для транзистора. Он может выполнять только одну задачу — преобразовывать небольшой базовый ток в гораздо больший ток коллектора. Создавая его, вы узнаете, что он делает на самом фундаментальном уровне.

Также поучительно посмотреть на характеристики переменного тока. В частности, обратите внимание, что вырождение эмиттера (также известное как «местная обратная связь») не так эффективно для уменьшения искажений по сравнению с «истинной» отрицательной обратной связью.Хотя два показанных теста показывают, что коэффициент усиления по переменному току уменьшается примерно в 17 раз (коэффициент усиления по напряжению снижен со 160 до 9,3), искажения уменьшаются менее чем в 6. При отрицательной обратной связи улучшение примерно пропорционально коэффициенту уменьшение коэффициента усиления разомкнутого контура. Не менее важно, что отрицательная обратная связь также снижает шум , в то время как дегенерация эмиттера часто усугубляет его.

Ни в одну из вышеперечисленных не включены попытки количественно оценить коэффициент отклонения источника питания (PSRR) цепей.Это показатель того, насколько хорошо схема может ослаблять шум источника питания, пульсации и т. Д. Он не был включен по одной простой причине — он настолько плох, что означает, что стабилизированный (или очень хорошо сглаженный) источник питания имеет важное значение. Напряжение шины питания должно быть полностью свободным от каких-либо шумов, потому что полные 50% от всех помех питания попадают на выход.

Транзисторы гораздо более линейны, чем принято считать, если напряжение и / или ток коллектора не меняются. Это невозможно в реальной схеме, но большинство входных каскадов усилителей мощности и операционных усилителей работают с почти постоянным напряжением, и изменяется только ток.Ситуация меняется в каскаде усилителя класса A (также известном как VAS — каскад усилителя напряжения), но он всегда работает с (близким к) постоянным током, и на этот раз изменяется только напряжение. Большинство входных каскадов усилителей мощности и операционных усилителей вносят значительный вклад в усиление и работают только с небольшими (часто незначительными) изменениями напряжения из-за сигнала, а также с очень небольшими изменениями тока. Когда вы вынуждены работать в широком диапазоне напряжений, синфазное входное напряжение значительно изменяется, что приводит к более высоким искажениям (синфазным искажениям).

Выполнение тестов, подобных описанным здесь, важно не только для вашего собственного понимания, но и для гарантии того, что результаты будут согласованными, если схема будет построена другими (возможно, в рамках проекта). Например, все проекты, опубликованные на сайте ESP, учитывают обычные варианты транзисторов. Поскольку мы знаем, что никакие два компонента никогда не будут идентичными, разработчик должен учитывать типичный разброс параметров частей, полученных конструкторами. Если бы это было не так, многие проекты ESP не работали бы !

Обратите внимание, что крики «Я знал это — JFET (или клапаны / вакуумные лампы) звучат лучше!» неуместны, потому что их искажение обычно выше, чем у BJT, и здесь задействованы различные нелинейные эффекты.Нет сомнений в том, что полевые транзисторы (и, в меньшей степени, IMO, клапаны) имеют свое место в схемотехнике (в том числе в операционных усилителях), но «превосходное» качество звука не входит в их достоинства. Это не означает, что операционные усилители на входе JFET звучат «плохо» с любой точки зрения — существует несколько таких операционных усилителей с отличными характеристиками (и качеством звука). Каждое известное усилительное устройство является нелинейным, и различны только причины (и способы устранения). Использование ламп в схемах с очень низким уровнем искажений обычно обеспечивает производительность, даже близко не подходящую к приличному операционному усилителю.

Цепи переключения остаются очень распространенными, и для работы с низким током трудно превзойти BJT. Базовый ток низкий, и он может быть получен от низкого напряжения. Если у вас есть доступное напряжение более ~ 1,5 В, легко создать надежный коммутатор, который может легко выдерживать ток до 100 мА. Процесс проектирования прост, и результат, как правило, очень надежен, если конструкция оптимизирована. Они также легкодоступны и дешевы — два фактора, которые обычно желательны (особенно для крупносерийного производства).В большинстве случаев замена проста, если оригинальная деталь не известна или снята с производства.


Список литературы

Эта статья была частично вдохновлена ​​Гарри Пауэллом (адъюнкт-профессором и ассоциированным кафедрой программ бакалавриата) из UVA (Университет Вирджинии) и основана (частично) на лаборатории «Основы 2» в области электротехники и вычислительной техники. Оригинал называется «Лаборатория ECE 2660 для модуля 6». Направленный материал был связан с тем, что Гарри увидел статью, описывающую тестер постоянного тока коллектора h FE для транзисторов — проект 177.

  1. Ранний эффект (Википедия)
  2. Разработка с низким уровнем искажений с помощью высокоскоростных операционных усилителей (Джеймс Л. Карки — Texas Instruments SLYT113)
  3. Электроника Примечания

Нет других ссылок, потому что показанные методы довольно распространены, а представленные данные были результатами моделирования и экспериментов на рабочих станциях для проверки результатов.



Основной индекс
Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2005. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана и авторские права © декабрь 2018 г./ Обновлено в феврале 2020 г. — добавлены переключающие транзисторы.


Модели и параметры транзисторов | r-Параметры

Модели и параметры транзисторов:

T-Equivalent Circuit — Поскольку транзистор состоит из двух pn-переходов с общим центральным блоком, должна быть возможность использовать две эквивалентные схемы pn-перехода переменного тока в качестве моделей и параметров транзистора.На рисунке 6-9 показана эквивалентная схема переменного тока для транзистора, подключенного по схеме с общей базой. Резистор r e представляет сопротивление перехода BE, r c представляет сопротивление перехода CB, а r b представляет сопротивление области базы, которое является общим для обоих переходов. Также включены переходные емкости C BE и C BC .

Если в эквивалентной схеме «Модели и параметры транзисторов» просто оставить комбинацию сопротивлений и емкостей, она не сможет учесть тот факт, что большая часть эмиттерного тока вытекает из клеммы коллектора как ток коллектора.Чтобы представить это, генератор тока включен параллельно с r c и C BC . Генератору тока присвоено значение αI e , где α = I c / I e .

Полная схема известна как Т-эквивалентная схема или эквивалентная схема с r-параметром. Эквивалентная схема может быть преобразована в конфигурацию с общим эмиттером или общим коллектором.

Токи на рис. 6-9 обозначены I b , I c и I e (вместо I B , I C и I E ), чтобы указать, что они величины переменного тока, а не постоянного тока.Параметры схемы r c , r b , r e и α также являются величинами переменного тока.

р-Параметры:

Ссылаясь на рис. 6-9, r e представляет сопротивление переменного тока смещенного в прямом направлении BE перехода, поэтому оно имеет низкое значение сопротивления (обычно 25 Ом). Сопротивление обратносмещенного перехода CB (r c ) высокое (обычно от 100 кОм до 1 МОм). Сопротивление базовой области (r b ) зависит от плотности легирования основного материала.Обычно r b находится в диапазоне от 100 Ом до 300 Ом.

C BE — это емкость pn-перехода с прямым смещением, а C BC — емкость обратносмещенного перехода. На средних и низких частотах емкостями перехода можно пренебречь. Вместо генератора тока (αI e ), параллельного r c , можно использовать генератор напряжения (αI e r c ) последовательно с r c . Две модели транзисторов с r-параметром показаны на рис.6-10.

Определение r e :

Поскольку r e — это сопротивление переменному току смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер BJT, его можно определить из графика зависимости I E от V BE . Как показано на Рис. 6-11,

Это аналогично определению динамического сопротивления (r d ) для диода с прямым смещением. Также, как и в случае диода, сопротивление переменному току для перехода BE транзистора может быть рассчитано с точки зрения тока, проходящего через переход.

Как и в случае r ‘ d для диода, r ’ e не включает сопротивление полупроводникового материала устройства. Следовательно, r ’ e немного меньше фактического измеренного значения r e для данного транзистора.

Уравнение 6-2 применимо только к транзисторам при температуре 25 ° C. Для определения r ’ e при более высоких или более низких температурах уравнение должно быть изменено.

h-Параметры:

Было показано, что схемы моделей и параметров транзисторов могут быть представлены схемой r-параметра или T-эквивалентом.В схемах, включающих более одного транзистора, анализ по r-параметрам может быть практически невозможен. Гибридные параметры, или h-параметры, намного удобнее для анализа схем. Они используются только для анализа цепей переменного тока, хотя коэффициенты усиления постоянного тока также выражаются как It-параметры. Модели транзисторов с h-параметрами упрощают анализ транзисторных схем, разделяя входные и выходные каскады анализируемой схемы.

На рис. 6-12 эквивалентная схема с h-параметром с общим эмиттером сравнивается со схемой с r-параметром с общим эмиттером.В каждом случае включен внешний коллекторный резистор (R C ), а также напряжение источника сигнала (v s ) и сопротивление источника (r s ). Обратите внимание, что генератор выходного тока в цепи r-параметра имеет значение αI e , что равно βI b .

Вход в схему h-параметра представлен как входное сопротивление (h , т.е. ), включенное последовательно с источником напряжения (h re υ ce ). Глядя на схему r-параметра, видно, что изменение выходного тока I c вызывает изменение напряжения на r e .Это означает, что напряжение подается обратно с выхода на вход. В схеме h-параметра это напряжение обратной связи представлено как часть h re выходного напряжения υ ce . Параметр h re соответственно обозначается как коэффициент передачи обратного напряжения .

Выход схемы h-параметра представлен как выходное сопротивление (1 / h oe ), подключенное параллельно генератору тока (h fe I b ), где I b — (вход) базовый ток.Итак, h fe I b создается входным током I b , и он делится между выходным сопротивлением устройства 1 / h oe и резистором коллектора R C . I c — ток, передаваемый на R C . Это можно сравнить с эквивалентной схемой с параметром r, где часть тока генератора (βI b ) протекает через r c . Параметр генератора тока (h fe ) обозначается как коэффициент прямого передаточного тока .Выходная проводимость составляет h oe , так что 1 / h oe является сопротивлением.

r π Эквивалентная схема:

Примерная модель h-параметра транзисторной CE-схемы показана на рис. 6-13 (a). В этом случае генератор обратной связи (h re υ ce на рис. 6-12 (b)) не используется. Влияние h re υ ce обычно настолько мало, что им можно пренебречь для большинства практических целей.

Примерная схема h-параметра воспроизведена на рис.6-13 (б) с компонентами, обозначенными как r-параметры; r π = h , т.е. , βI b = h fe I b , и r c = 1 / h oe . Эта схема, известная как гибридная π-модель, иногда используется вместо схемы с h-параметром.

Определение h-параметров:

Буква e в нижнем индексе h , т.е. идентифицирует параметр как величину общего эмиттера, а i означает, что это входное сопротивление.Входные сопротивления с общей базой и общим коллектором обозначены h ib и h ic соответственно.

В качестве входного сопротивления переменному току h , то есть , можно определить как входное переменное напряжение, деленное на входной переменный ток.

Обычно обозначается как,

Это означает, что напряжение коллектор-эмиттер (V CE ) должно оставаться постоянным при измерении h , т.е. .

Входное сопротивление также может быть определено с точки зрения изменения уровней постоянного тока;

Уравнение 6-5 может использоваться для определения h , то есть , исходя из входных характеристик транзистора с общим эмиттером.Как показано на рис. 6-14, ΔV BE и ΔI B измеряются в одной точке характеристики, и вычисляется h , т.е. .

Коэффициент обратной передачи h re также может быть определен в терминах величин переменного тока или как отношение изменений постоянного тока. В обоих случаях входной ток (I B ) должен поддерживаться постоянным.

Коэффициент передачи прямого тока h fe может быть аналогичным образом определен в терминах величин переменного тока или как отношение изменений постоянного тока.В обоих случаях выходное напряжение (V CE ) должно поддерживаться постоянным.

Уравнение 6-8 можно использовать для определения h fe из характеристик усиления тока CE. На рисунке 6-15 показано измерение ΔI C и ΔI B в одной точке характеристик для расчета h fe .

Выходная проводимость h fe представляет собой отношение переменного тока коллектора к переменному напряжению коллектор-эмиттер, и его значение можно определить по выходным характеристикам общего эмиттера (см.рис.6-16).

h-параметр с общей базой и общим коллектором:

H-параметры с общей базой и общим коллектором определяются аналогично h-параметрам с общим эмиттером. Они также могут быть получены из характеристик CB и CC. Параметры с общей базой обозначаются как h ib , h fb и т. Д., А параметры с общим коллектором обозначаются как h ic , h fc и так далее.

Параметры Взаимосвязи:

Производители устройств не указывают значения всех параметров в технических паспортах транзисторов.Обычно указываются только h-параметры CE. Однако h-параметры CB и CC могут быть определены из h-параметров CE. r-параметры также могут быть вычислены из h-параметров CE. Таблица 6-1 показывает взаимосвязь параметров.

Выбор правильного транзистора: общие сведения о параметрах динамического полевого МОП-транзистора

В этой статье мы обсудим характеристики полевого МОП-транзистора, связанные с переходными режимами и режимом переключения.

В предыдущей статье о низкочастотных полевых МОП-транзисторах мы рассмотрели такие параметры, как пороговое напряжение, сопротивление в открытом состоянии и максимальный ток стока, которые управляют установившейся работой полевого МОП-транзистора.Эти свойства актуальны для всех приложений, и если вы разрабатываете низкочастотную систему, они охватывают большую часть информации, необходимой для выбора подходящего устройства.

В настоящее время, однако, очень распространено использование полевых МОП-транзисторов в качестве переключателей, которые управляются относительно высокочастотными (и часто с широтно-импульсной модуляцией) цифровыми сигналами, даже в аналоговых приложениях. Прекрасным примером является усилитель класса D.

Несмотря на то, что входной сигнал аналоговый, а выходной сигнал аналоговый, усиление достигается с помощью транзисторов, которые переключаются из положения полностью включено в положение полностью выключено.Импульсное управление значительно более эффективно, чем линейное, и это делает его привлекательным вариантом, даже когда результирующая схема является более сложной, а на результирующий сигнал отрицательно влияет коммутационный шум.

Переходные максимумы

В предыдущей статье мы обсуждали максимальный непрерывный ток стока. Этот параметр имеет соответствующую спецификацию для переходных событий.

Максимальный переходный ток стока называется «импульсным током стока» или «пиковым током стока».«Здесь задействовано несколько переменных (ширина импульса, рабочий цикл, температура окружающей среды), поэтому эта спецификация не очень полезна. Однако он дает вам общее представление о том, какой кратковременный ток может выдержать устройство, и в некоторых случаях это будет более важно, чем предел установившегося состояния (я думаю о приложениях, где условия сильного тока связаны со сквозным, пусковым током или ШИМ с малой скважностью).

Еще одним параметром, связанным с предотвращением повреждений в контексте переходных процессов, является энергия лавины сток-исток.Технические характеристики указаны в джоулях, но относятся к напряжениям, которые превышают напряжение пробоя сток-исток полевого МОП-транзистора. Этот вопрос немного сложен и, безусловно, выходит за рамки этой короткой статьи. Если вы хотите узнать больше о характеристиках лавин, я рекомендую эту заметку о приложении от Infineon.

Схема взята из упомянутой выше заметки приложения Infineon .

Емкости

Среди динамических параметров полевого транзистора выделяются входная емкость, выходная емкость и емкость обратной передачи.Они тесно связаны с типичными (и более интуитивно называемыми) емкостями полевого МОП-транзистора, называемыми емкостью затвор-сток (C GD ), емкостью затвор-исток (C GS ) и емкостью сток-исток (C DS. ).

  • Входная емкость (C ISS ) — это емкость, воспринимаемая входным сигналом, то есть C GD плюс C GS .
  • Выходная емкость (C OSS ) — это емкость, воспринимаемая выходным сигналом; в контексте дискретных полевых транзисторов выходной контакт является стоком, поэтому C OSS = C GD + C DS .
  • Емкость обратной передачи (C RSS ) — это емкость между стоком и затвором, то есть C RSS = C GD .

Входная емкость (в сочетании с сопротивлением схемы драйвера) влияет на характеристики переключения, поскольку большая входная емкость означает большую задержку включения и выключения. Вы должны заряжать эту емкость, когда вы приводите полевой транзистор в проводимость, и вы должны разряжать ее, когда хотите выключить устройство.

Выходная емкость играет важную роль, когда мы учитываем рассеиваемую мощность и резонансную частоту схемы переключения.

Емкость обратной передачи влияет на время включения и выключения (неудивительно, поскольку она является частью входной емкости), но обратите внимание, что она образует петлю обратной связи (поскольку сток считается выходом, а затвор — входом) . Конденсатор в цепи обратной связи подвержен эффекту Миллера, и, следовательно, степень, в которой C RSS влияет на переходную характеристику, больше, чем можно было бы ожидать, исходя из номинального значения емкости.

Плата за выход

Оказалось, что входная емкость MOSFET — не самый надежный способ оценки коммутационных характеристик устройства, поскольку на значения емкости влияют условия напряжения и тока. Следующий график дает представление о том, как три значения емкости меняются в ответ на изменения напряжения сток-исток.

График взят из этой заметки приложения , опубликованной NXP / Nexperia.

В этом примечании к приложению также упоминаются «размер устройства и крутизна» как факторы, затрудняющие использование емкости в качестве основы для выбора одного полевого МОП-транзистора по сравнению с другим.Лучше использовать спецификации заряда затвора; например:

Спецификации взяты из этого технического описания Vishay .

Заряд затвора, по-видимому, является более простым способом оценки характеристик переключения. Заряд равен току, умноженному на время, поэтому, если вам известен выходной ток устройства, управляющего затвором, и вы знаете характеристики заряда затвора полевого транзистора, вы можете рассчитать количество времени, необходимое для включения устройства.

Время переключения

Если вы действительно хотите избежать всех расчетов и теоретических деталей, вы можете просто ограничить поиск деталей полевыми транзисторами, время переключения которых указано в таблице данных. Ищите спецификации с пометками «время включения» (или «время выключения»), «время нарастания» (или «время спада») и «время задержки».

Этот подход, безусловно, прост, но, как это часто бывает, самое простое решение — не самое надежное. Эти «предварительно приготовленные» характеристики переключения основаны на определенных условиях (возможно, наиболее важным из них является сопротивление схемы управления затвором), которые могут не соответствовать вашим ожидаемым условиям или условиям, используемым в другом техническом описании.В упомянутом выше примечании к приложению NXP / Nexperia говорится, что «необходима крайняя осторожность» при сравнении характеристик времени переключения от одного производителя с характеристиками другого производителя.

Заключение

Динамическое поведение полевого МОП-транзистора

не очень прямолинейно, но я надеюсь, что эта статья предоставила достаточно информации, чтобы помочь вам более тщательно оценить динамическое поведение различных устройств. Если у вас есть опыт, которым вы можете поделиться в отношении переходного поведения дискретных полевых транзисторов в реальной жизни, не стесняйтесь делиться своими мыслями в комментариях.

Характеристики транзистора

| Electrical4U

Характеристики транзистора — это графики, которые представляют отношения между током и напряжением транзистора в конкретной конфигурации. Рассматривая схемы конфигурации транзисторов как аналог двухпортовых сетей, их можно проанализировать с помощью характеристических кривых, которые могут быть следующих типов

  1. Входные характеристики: они описывают изменения входного тока с изменением значений входного напряжения, сохраняя постоянное выходное напряжение.
  2. Выходные характеристики: это график зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.
  3. Характеристики передачи тока: Эта характеристическая кривая показывает изменение выходного тока в соответствии с входным током, сохраняя выходное напряжение постоянным.

Конфигурация транзистора с общей базой (CB)

В конфигурации CB, клемма базы транзистора будет общей между входными и выходными клеммами, как показано на рисунке 1.Эта конфигурация обеспечивает низкий входной импеданс, высокий выходной импеданс, высокий коэффициент усиления сопротивления и высокий коэффициент усиления по напряжению.

Входные характеристики для конфигурации CB транзистора

На рисунке 2 ниже показаны входные характеристики схемы конфигурации CB, которая описывает изменение тока эмиттера, I E с напряжением база-эмиттер, В BE с сохранением коллектор-база напряжение, В CB постоянное.

Это приводит к выражению для входного сопротивления как

Выходные характеристики для конфигурации CB транзистора

Выходные характеристики конфигурации CB (рисунок 3) показывают изменение тока коллектора, I C с V CB , когда ток эмиттера I E поддерживается постоянным.Из представленного графика выходное сопротивление может быть получено как:

Характеристики передачи тока для конфигурации CB транзистора

На рисунке 4 ниже показаны характеристики передачи тока для конфигурации CB, которая иллюстрирует изменение I C с I E , сохраняя V CB постоянным. Результирующий коэффициент усиления по току имеет значение меньше 1 и может быть математически выражено как:

Конфигурация транзистора с общим коллектором (CC)

Эта конфигурация транзистора имеет клемму коллектора транзистора, общую между входными и выходными клеммами (рис. 5) и также называется конфигурацией эмиттерного повторителя.Это обеспечивает высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы и большой коэффициент усиления по току.

Входные характеристики для конфигурации CC транзистора

На рисунке 6 показаны входные характеристики для конфигурации CC, которая описывает изменение I B в соответствии с V CB для постоянного значения напряжения коллектор-эмиттер, В CE .

Выходные характеристики для конфигурации CC транзистора

На рисунке 7 ниже показаны выходные характеристики для конфигурации CC, которые демонстрируют изменения в I E по сравнению с изменениями в V CE для постоянных значений I B .

Характеристики передачи тока для CC-конфигурации транзистора

Эта характеристика CC-конфигурации (рисунок 8) показывает изменение I E с I B , сохраняющее V CE как постоянное.

Конфигурация транзистора с общим эмиттером (CE)

В этой конфигурации клемма эмиттера является общей между входными и выходными клеммами, как показано на рисунке 9. Эта конфигурация предлагает среднее входное сопротивление, среднее выходное сопротивление, среднее усиление по току и усиление напряжения.

Входные характеристики для конфигурации CE транзистора

На рисунке 10 показаны входные характеристики для конфигурации транзистора CE, которые иллюстрируют изменение I B в соответствии с V BE , когда V CE остается постоянным.

Из графика, показанного на рисунке 10 выше, входное сопротивление транзистора может быть получено как

Выходные характеристики для конфигурации CE транзистора

Выходные характеристики конфигурации CE (рисунок 11) также называются характеристиками коллектора. .Этот график показывает изменение I C с изменениями в V CE , когда I B остается постоянным. Из представленного графика выходное сопротивление может быть получено как:

Характеристики передачи тока для конфигурации CE транзистора

Эта характеристика конфигурации CE показывает изменение I C с I B , сохраняя V CE как константа. Математически это может быть задано как

. Это отношение называется усилением по току с общим эмиттером и всегда больше 1.

Наконец, следует отметить, что хотя описанные характеристические кривые относятся к BJT, аналогичный анализ применим даже в случае FET.

Определения МОП-транзисторов

Определения МОП-транзисторов

  • МОП n-типа: основными носителями являются электроны.
  • МОП p-типа: большинство носителей — дырки.

  • Положительное / отрицательное напряжение, приложенное к затвору (по отношению к подложке), увеличивает количество электронов / дырок в канале и увеличивает проводимость между истоком и стоком.

  • V т определяет напряжение, при котором МОП-транзистор начинает проводить. Для напряжений менее В т (пороговое напряжение) канал отключен.
  • При нормальной работе положительное напряжение, приложенное между истоком и стоком ( В DS ).
  • Нет тока между истоком и стоком (I DS = 0) с V GS = 0 из-за двусторонних p-n переходов.

  • Для n-MOS, с V GS > V tn , электрическое поле притягивает электроны, создавая канал.
  • Канал представляет собой кремний p-типа, который превращается в n-тип электронами, притягиваемыми электрическим полем.
  • Три режима на основе величины V GS : накопление, истощение и инверсия.
  • С V DS отличным от нуля, канал становится меньше ближе к стоку.

  • Когда V DS <= V GS — V т (например, V DS = 3 В, В GS = 5V и V т = 1В) канал доходит до стока (так как V gd > V т ).

  • Это называется . линейный , резистивный или ненасыщенный область, край. I DS является функцией как V GS и V DS .
  • Когда V DS > V GS — V т (е.грамм. V DS = 5В, В GS = 5V и V т = 1В) канал ущемлен выкл рядом со стоком (начиная с V gd т ).

  • Это называется насыщенной областью. I DS является функцией V GS , почти не зависит от V DS .
  • МОП-транзисторы можно смоделировать как переключатель, управляемый напряжением. I DS — важный параметр, определяющий поведение, например, скорость переключателя.

  • Какие параметры влияют на величину I ? DS ? (Предположим, V GS и V DS фиксированы, т.е.грамм. 5В).
  • Расстояние между истоком и стоком (длина канала).
  • тип = диск>
  • Ширина канала.
  • тип = диск>
  • Пороговое напряжение.
  • тип = диск>
  • Толщина оксидного слоя затвора.
  • тип = диск>
  • Диэлектрическая проницаемость изолятора затвора.
  • тип = диск>
  • Подвижность носителей (электронов или дырок).
  • тип = диск>

  • Сводка характеристик нормальной проводимости:
  • Отсечка : накопление, I DS по существу равен нулю.
  • тип = диск>
  • Ненасыщенный : слабая инверсия, I DS зависит от обоих V GS и V DS .
  • тип = диск>
  • Насыщенный : сильная инверсия, I DS идеально не зависит от V DS .
  • тип = диск>
  • V т тоже важный параметр. Что влияет на его стоимость?

  • Большинство из них связано со свойствами материала. Другими словами, V т в значительной степени определяется во время изготовления, а не условиями схемы, как I DS .

  • Например, параметры материала, влияющие на V т включают:
  • Материал проводника затвора (поли или металл).
  • тип = диск>
  • Изоляционный материал затвора (SiO 2 ).
  • тип = диск>
  • Толщина материала ворот.
  • тип = диск>
  • Канальная концентрация легирования.
  • тип = диск>

  • Однако V т также зависит от
  • V сб (напряжение между источником и подложкой), которое в цифровых устройствах обычно равно 0.
  • тип = диск>
  • Температура: изменяется на -2 мВ / градус Цельсия для низких уровней легирования подложки.
  • тип = диск>
  • Выражение для порогового напряжения имеет следующий вид:
  • Пороговое напряжение (продолж.):

  • Типичные значения V т для n- и p-канальных транзисторов +/- 700 мВ.
  • Из уравнений можно изменить пороговое напряжение, изменив:
  • Концентрация легирования (N A ).
  • тип = диск>
  • Оксидная емкость (C бык ).
  • тип = диск>
  • Заряд состояния поверхности (Q FC ).
  • тип = диск>

  • Как видите, часто приходится регулировать V т .
  • Распространены два метода:
  • Изменить Q FC путем введения небольшой легированной области на границе оксид / подложка посредством ионной имплантации.
  • тип = диск>

  • Изменить C бык за счет использования другого изоляционного материала для ворот.
  • тип = диск>
    • Слой Si 3 4 (нитрид кремния) с относительной диэлектрической проницаемостью 7,5 сочетается со слоем диоксида кремния (относительная диэлектрическая проницаемость 3,9).
    • Это приводит к относительной диэлектрической проницаемости около 6.

    • Для диэлектрического слоя такой же толщины C бык больше при использовании комбинированного материала, что снижает V т .
  • В цифровых схемах подложка обычно находится на нуле.
    • Источники n-канальных устройств, например, также удерживаются на нуле, за исключением случаев последовательного соединения, например.г.,
  • Источник-подложка (V сб ) может увеличиваться при этих соединениях, например V сбН1 = 0, но V сбН2 / = 0,
  • V сб добавляет к потенциалу канал-подложка:
  • Идеальное уравнение первого порядка для отрезной регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для линейный регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для насыщенность регион:
  • со следующими определениями:
  • Факторы, зависящие от процесса: .

  • Факторы, зависящие от геометрии: W и L.

  • Вольт-амперные характеристики n- и p-транзисторов.
  • Пример расчета бета транзистора:
    • Типичные значения для n-транзистора в технологии 1 микрон:

    • Как эта бета сравнивается с p-устройствами:

  • Коэффициент усиления n-транзистора составляет примерно 2.В 8 раз больше, чем у p-транзисторов.
  • Характеристики инвертора постоянного тока
  • Регион C — самый важный регион. Небольшое изменение входного напряжения, В в , приводит к БОЛЬШОМУ изменению выходного напряжения, В из .

  • Такое поведение описывает усилитель, вход усиливается на выходе.Усиление называется усилением транзистора, которое дается бета-коэффициентом.

  • И n-, и p-канальные транзисторы имеют бета-версию. Изменение их соотношения изменит характеристики выходной кривой.
  • Таким образом,
  • НЕ влияет на коммутационную способность.

  • Какой фактор может служить аргументом в пользу отношения 1 к ? ?

  • Время, необходимое для зарядки или разрядки емкостной нагрузки, равно .

  • Поскольку бета зависит от W и L, мы можем отрегулировать соотношение, изменив размеры ширины канала транзистора, сделав транзисторы с каналом p-типа шире чем n-канальные транзисторы.
  • Параметр, определяющий максимум шум напряжение на входе затвора, что позволяет выходу оставаться стабильным.

  • Два параметра, низкий запас шума (NM L ) и высокий запас шума (NM H ).

  • NM L = разница в величине между максимальным НИЗКОМ выходным напряжением управляющего затвора и максимальным НИЗКОМ входным напряжением, распознаваемым управляемым затвором.
  • Идеальная характеристика: V IH = V IL = (V ОН + V ПР ) / 2.

  • Это означает, что передаточная характеристика должна переключаться резко (высокий коэффициент усиления в переходной области).

  • V IL найдено путем определения точки единичного усиления из V ОН .
  • Следовательно, форма передаточной характеристики и V ПР преобразователя зависит от соотношения .
  • В общем, низкий запас шума значительно хуже, чем высокий запас шума для Pseudo-nMOS.

  • Псевдо-nMOS был популярен для высокоскоростных схем, статических ПЗУ и PLA.
  • Пример: Расчет запаса шума:
  • Кривая передачи для инвертора псевдо-nMOS может использоваться для расчета запаса помехоустойчивости идентичных инверторов псевдо-nMOS.

Параметры и ограничения биполярного режима

Все биполярные транзисторы и модели Дарлингтона основаны на модифицированной SPICE модели Гаммеля-Пуна.Типичная модель для одиночного транзистора показана следующим образом:

* Zetex FMMT493A SPICE Model v1.0 Последняя редакция 30/3/06 * .MODEL FMMT493A NPN IS = 6E-14 NF = 0,99 BF = 1100 IKF = 1,1 + NK = 0,7 VAF = 270 ISE = 0,3E-14 NE = 1,26 NR = 0,98 BR = 70 IKR = 0,5 + VAR = 27 ISC = 1,2e-13 NC = 1,2 RB = 0,2 RE = 0,08 RC = 0,08 RCO = 8 + GAMMA = 5E-9 CJC = 15,9E-12 MJC = 0,4 VJC = 0,51 CJE = 108E-12 + MJE = 0,35 VJE = 0,7 TF = 0,8E-9 TR = 55e-9 XTB = 1,4 QUASIMOD = 1 *

дюймов биполярная модель:

  • IS и NF контролируют Icbo и значение Ic при средних уровнях смещения.
  • ISE и NE контролируют падение hFE, которое происходит при низком Ic.
  • BF контролирует пиковое значение hFE, а XTB контролирует его изменение в зависимости от температуры.
  • BR управляет пиковым обратным hFE, т.е. перевернутыми коллектором и эмиттером.
  • IKF и NK контролируют ток и скорость падения hFE при высоких токах коллектора.
  • IKR контролирует падение обратного hFE при высоких токах эмиттера.
  • ISC и NC контролирует падение обратного hFE при малых токах.
  • RC, RB и RE добавляют к этим клеммам устройства последовательное сопротивление.
  • VAF управляет изменением тока коллектора в зависимости от напряжения, когда транзистор работает в линейной области.
  • VAR — это обратная версия VAF.
  • CJC, VJC и MJC управляют Ccb и как они зависят от Vcb.
  • CJE, VJE и MJE контролируют Cbe Ccb и как это зависит от Veb.
  • TF управляет Ft и скоростью переключения.
  • TR контролирует переключение времени хранения.
  • RCO, GAMMA, QUASIMOD контролируют область квазинасыщения.

Некоторые стандартные модели SPICE биполярных транзисторов могут не включать параметр, который позволяет BF, параметру hFE, изменяться в зависимости от температуры. Если XTB отсутствует, он по умолчанию равен нулю, например. нет температурной зависимости. Если температурные эффекты hFE представляют интерес и XTB не моделируется, то для получения оценки или отправной точки для дальнейшего исследования могут использоваться следующие значения:

Полярность XTB
НПН 1.6
PNP 1,9

Предлагается изучить соответствующий профиль hFE из таблицы данных и создать тестовую схему SPICE, которая имитирует рассматриваемое устройство и генерирует набор кривых hFE. Двух или трех таких итераций обычно бывает достаточно для определения значения XTB в каждом случае.

Пожалуйста, помните, что эти примечания являются лишь приблизительным руководством в отношении влияния параметров модели. Кроме того, многие параметры взаимозависимы, поэтому настройка одного параметра может повлиять на многие характеристики устройства.

В компании Diodes мы постарались сделать модели максимально приближенными к реальным образцам, но вынуждены идти на некоторые компромиссы, которые при некоторых обстоятельствах могут привести к ошибкам моделирования. Основными ошибками, наблюдаемыми до сих пор, были:

ДИОДЫ ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ

ДИОДЫ ВКЛЮЧЕНЫ И ЕГО ДОЧЕРНИЕ КОМПАНИИ (КОЛЛЕКТИВНО, «ДИОДЫ») ПРЕДОСТАВЛЯЮТ ДАННЫЕ МОДЕЛИ И ДАННЫЕ ДЛЯ СПЕЦИЙ «КАК ДАННЫЕ» (КОЛЛЕКТИВНЫЕ ДАННЫЕ) «ЯВЛЯЮТСЯ ДАННЫМИ» «И БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ЗАЯВЛЕНИЙ ИЛИ ГАРАНТИЙ, ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ, ВКЛЮЧАЯ ЛЮБЫЕ ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИЛИ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ КОНКРЕТНОЙ ЦЕЛИ, ЛЮБЫХ ГАРАНТИЙ, ВЫЯВЛЯЮЩИХСЯ ИЗ ГОДА ТОРГОВЛИ ИЛИ ГАРАНТИИ ПО ДАННЫМ ДАННЫХ ИЛИ ЛЮБЫХ ГАРАНТИЙ, ПРЕДУСМОТРЕННЫХ ДАННЫМИ ДАННЫХ, ИЛИ ЛЮБОЙ ГАРАНТИЕЙ БЕСПЕРЕБОЙНЫЙ, ИЛИ ДАННЫЕ SM ИЛИ ЛЮБОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ SM БУДЕТ БЕЗ ОШИБОК.В МАКСИМАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ, РАЗРЕШЕННОЙ ЗАКОНОМ, НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ ДИОДЫ НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА КАКИЕ-ЛИБО КОСВЕННЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ, СЛУЧАЙНЫЕ, КАРАТЕЛЬНЫЕ ИЛИ КОСВЕННЫЕ УБЫТКИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ИЛИ В СВЯЗИ С ПРОИЗВОДСТВОМ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ SM, ТАКОЕ ВЫЗВАННЫЕ И НЕ ПРИНИМАЮТСЯ ИЛИ ТЕОРИЯ ОТВЕТСТВЕННОСТИ (ВКЛЮЧАЯ, БЕЗ ОГРАНИЧЕНИЙ, ПОД ЛЮБЫМ ДОГОВОРОМ, НЕБРЕЖНОСТЬЮ ИЛИ ДРУГИМИ ТОРТ-ТЕОРИЯМИ ОТВЕТСТВЕННОСТИ), ДАЖЕ ЕСЛИ ДИОДЫ БЫЛИ ОБЪЯВЛЯЛИСЬ О ВОЗМОЖНОСТИ ТАКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ДРУГИХ ДИОДОВ В СООТВЕТСТВИИ С ДАННЫМИ ) В ОТНОШЕНИИ ДАННЫХ SM НЕ БУДУТ В ОБЩЕМ ПРЕВЫШАТЬ НИКАКИХ СУММ, ВЫПЛАЧЕННЫХ ВАМИ ЗА ДИОДЫ ЗА ДАННЫЕ SM.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *