Как найти входное сопротивление транзистора

Кафедра
радиоэлектроники

Практикум по
полупроводниковой

электронике

Работа №5

СОСТАВНОЙ
ТРАНЗИСТОР

СОСТАВНОЙ
ТРАНЗИСТОР

Цель работы:
Исследование
основных параметров составного
транзистора, включенного по схеме с
общим эмиттером, определение коэффициента
передачи тока, входного и выходного
сопротивления и предельной частоты
усиления.

Рис.1 Схема составного
транзистора (а) и включенного по схеме
с общим эмиттером (б)

В полупроводниковой
электронике для повышения коэффициента
передачи и входного сопротивления
усилителей часто применяют определенную
комбинацию, состоящую из двух или
большего числа транзисторов (Рис. 1а) и
называемую составным транзистором.
Такой комплекс можно рассматривать как
отдельный транзистор, поскольку
характеристики составного и одиночного
транзистора качественно одинаковы.
Количественные параметры определяются
параметрами одиночных транзисторов.

Коэффициент передачи тока.

Составной транзистор
чаще всего применяют, чтобы получить
наибольший коэффициент передачи тока
в схеме с общим эмиттером. Покажем, что
составной транзистор имеет коэффициент
передачи тока больший, чем каждый из
одиночных транзисторов. Токи коллектора,
эмиттера и базы составного транзистора
(Рис.1б) обозначим, соответственно
IК,IЭ,IБ.
Ток коллектора IК
выразим через ток базы IБ:

IK=IK1
+ IК2=1IБ1+2IЭ1=1IБ1+(1+1)2IБ1=(1+12+2)IБ
(1)

Коэффициент
передачи тока транзистора по определению:

=IK/IБ=12+1+2
(2)

Поскольку величина

всегда больше единицы, коэффициент
можно считать равным произведению
коэффициентов передачи тока отдельных
транзисторов:

=12

(3)

Формула (3) показывает,
что при использовании транзисторов с
малым коэффициентом передачи тока
усиление составного транзистора будет
весьма большим. Однако следует иметь в
виду, что оба они однотипны, но работают
не в одинаковых условиях. Если оба они
однотипны и ток коллектора IK2
равен номинальной величине, то первый
транзистор будет работать при токе
коллектора приблизительно в 1
раз меньше номинального. Как известно,
коэффициент передачи тока 
мал при малых токах коллектора и составной
транзистор может не дать ожидаемого
коэффициента .
Поэтому применение составного транзистора
наиболее эффективно в случае, если
транзистор Т2
более сильноточный, чем транзисторТ1.
В работе составной транзистор применятся
в схеме стабилизатора напряжения, что
позволяет снизить выходное сопротивление
схемы и повысить коэффициент стабилизации.

Входное сопротивление.

Найдем входное
сопротивление транзистора, полагая,
что на выходе осуществляется короткое
замыкание по переменному току. При этом
не будем учитывать внутреннюю обратную
связь в транзисторах. Эквивалентная
схема транзистора для такого случая
показана на рис.2.

Рис.2. Эквивалентная
схема составного транзистора при
коротком замыкании на выходе.

Составим уравнение
для входного контура этой схемы:

Uвх=IБ1rБ1+IЭ1rЭ1+IБ2rБ2+IЭ2rЭ2=IБ1rБ2+rЭ1(1+1)+IБ2rБ2+rЭ2(2+1)
(4)

Заметим, что
выражения в квадратных скобках есть
входные сопротивления транзисторов:

rвх1=rБ1+rЭ1(1+1);
rвх2=rБ2+rЭ2(2+1)
(5)

Если учесть, что
ток IБ2
=IЭ1
=IБ1
(1+1),
уравнение (4) примет вид:

Uвх=IБ1
rвх1
+ rвх2
(1+1)
(6)

Входное сопротивление составного транзистора

rвх
=Uвх
/IБ1
= rвх1
+ rвх2
(1
+1) (7)

Уравнение (7)
показывает, что входное сопротивление
составного транзистора больше входных
сопротивлений отдельных транзисторов.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление
транзистора, rвых
зависит от величины сопротивления
генератора, включенного на входе. Найдем
выходное сопротивление при холостом
ходе на входе (сопротивление генератора
много больше входного сопротивления
транзистора).Эквивалентная схема
составного транзистора приведена на
рис.3.

Рис.3. Эквивалентная
схема составного транзистора при
холостом ходе на входе.

Источник тока в
схеме отсутствует, так как входной ток
IБ1
=0. При вычислениях для простоты будем
пренебрегать сопротивлением эмиттера

Ток коллектора,
как видно из рис.3 ,

IK
=IБ2
+2IБ2
+ UK
/ rK2
= IБ2
(2
+1) = UK
/ r*K2
, (8)

где r*K2
=rK(1-).

Ток базы транзистора
Т2

IБ2
= UK
/ r*K1
+ rЭ1
+ rБ2
= UK
/ r*K1
(9)

Связь напряжения
и тока на выходе найдем из уравнений
(8,9)

IK
= UK
(2+1)
/ r*K1
+ 1 / r*K2
(10)

Выходное сопротивление
составного транзистора в разомкнутом
виде

rвых
= UK
/ IK
= r*K2
r*K1
/ (2+1)
(11)

Если считать, что
выходные сопротивления составляющих
транзисторов равны

rвых1
= r*K1
и rвых2
= r*K2
,

то выходное
сопротивление составного транзистора
будет определяться соотношением

rвых
= rвых2
r
вых1
/ (2+1)
(11)

Таким образом,
выходное сопротивление составного
транзистора меньше выходных сопротивлений
отдельно взятых транзисторов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.

Предисловие

Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие «блок». Например, источник питания, собранный по этой схеме:

блок питания на стабилитроне

состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.

В красном блоке мы получаем постоянное напряжение, а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:

Входное и выходное сопротивление

Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.

Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

— Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?

Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника ;-) Микроконтроллеры  и конструкторы, типа Arduino, добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое резистор. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления?  А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева — это вход блока, справа — выход.

блок радиоэлектронного устройства

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение Uвх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение Uвых (или не появится, если блок является конечным).

Входное и выходное сопротивление

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение Uвх), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока Iвх.

Входное и выходное сопротивление

Теперь самое интересное… От чего зависит Iвх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :

Входное и выходное сопротивление

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти?  А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

входное и выходное сопротивление

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.

Как измерить входное сопротивление

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1)Замерить напряжение Uвх, подаваемое на этот блок

2)Замерить силу тока Iвх, которую потребляет наш блок

3) По закону Ома найти входное сопротивление Rвх.

Входное и выходное сопротивление

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

входное и выходное сопротивление

Мы  с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как UR

Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление

Из всего этого получаем…

Входное и выходное сопротивление

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление Rвх=1 МегаОм, а резистор взяли  R=1 КилоОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

В результате получается цепь:

Входное и выходное сопротивление

 Высчитываем силу тока в цепи в Амперах

Входное и выходное сопротивление

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:

Входное и выходное сопротивление

Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также  очень большого номинала.  В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Измерение входного сопротивления на практике

Ну все, запарка прошла ;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:

Входное и выходное сопротивление

А на деле вот так:

Входное и выходное сопротивление

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Входное и выходное сопротивление

Получаем:

Входное и выходное сопротивление

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление». Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

Входное и выходное сопротивление

И как только  подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Входное и выходное сопротивление

Разница напряжения,  то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r ;-) Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС (Е).

Входное и выходное сопротивление

Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был)  говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (Eэквивалентное) и с каким-то внутренним сопротивлением (Rэквивалентное).

Входное и выходное сопротивление

Eэкв  — эквивалентный источник ЭДС

Rэкв  — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

выходное сопротивление

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить Rвых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания Iкз.

Входное и выходное сопротивление

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Входное и выходное сопротивление

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически  — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Измерение выходного сопротивления на практике

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

как измерить выходное сопротивление

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.

Входное и выходное сопротивление

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе Ur тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Входное и выходное сопротивление

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение UR=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило Ur=E-UR=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

Входное и выходное сопротивление

Входное и выходное сопротивление

Заключение

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль. В этом мы убедимся, когда начнем рассматривать статью по согласованию узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.

  1. Радиоэлектроника
  2. Схемотехника
  3. Основы электроники и схемотехники
  4. Том 3 – Полупроводниковые приборы
  1. Книги / руководства / серии статей
  2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Добавлено 26 января 2018 в 06:04

Входное сопротивление усилителя значительно варьируется в зависимости от конфигурации схемы, как показано на рисунке ниже. Оно также зависит от смещения. Здесь не учитывается, что входной импеданс является комплексной величиной и зависит от частоты. Для схем с общим эмиттером и общим коллектором он равен сопротивлению базы, умноженному на коэффициент β. Сопротивление базы по отношению к транзистору может быть как внутренним, так и внешним. Для схемы с общим коллектором:

(R_{вх} = beta R_Э)

Для схемы с общим эмиттером немного сложнее. Нам необходимо знать внутреннее сопротивление эмиттера rЭ. Оно вычисляется по формуле:

(r_Э = KT/I_Э m)

где

  • K=1.38×10-23 Дж·К−1 – постоянная Больцмана;
  • T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
  • – ток эмиттера;
  • m – для кремния изменяется от 1 до 2.

(r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э)

Таким образом, Rвх для схемы с общим эмиттером равно:

(R_{вх} = beta r_{Э})

Например, входное сопротивление усилителя на транзисторе с β = 100, на схеме с общим эмиттером и смещением 1 мА равно:

(r_Э = 26 мВ/ 1 мА = 26 ;Ом)

(R_{вх} = beta r_Э = 100 cdot 26 = 2600 ;Ом)

Для более точного определения Rвх для схемы с общим коллектором необходимо учитывать RЭ:

(R_{вх} = beta (R_Э + r_Э))

Формула выше также применима и для схемы с общим эмиттером с резистором эмиттера.

Входной импеданс схемы с общей базой равен Rвх = rЭ.

Высокий входной импеданс схемы с общим коллектором согласовывается с источниками с высоким выходным сопротивлением. Одним из таких источников с высоким импедансом является керамический микрофон. Схема с общей базой иногда используется в RF (радиочастотных) схемах для согласования с источником с низким импедансом, например, с коаксиальным кабелем 50 Ом. С источниками со средним импедансом хорошо согласуется схема с общим эмиттером. Примером может служить динамический микрофон.

Выходные сопротивления трех основных типов схем приведены на рисунке ниже. Средний выходной импеданс схемы с общим эмиттером сделал ее самой популярной в использовании. Низкое выходное сопротивление схемы с общим коллектором хорошо подходит для согласования, например, для бестрансформаторного соединения с 4-омным динамиком.

Характеристики схем усилителей на биполярных транзисторах

Характеристики схем усилителей на биполярных транзисторах

Подведем итоги

Смотрите рисунок выше.

Теги

Биполярный транзисторВходной импедансВыходной импедансКаскад с общей базойКаскад с общим коллекторомКаскад с общим эмиттеромКаскодный усилительКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять
комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации
комментария требуется время на премодерацию.

san_raise

Новобранец

    • Поделиться

Здравствуйте! Объясните, пожалуйста, что такое входное сопротивление по своей сути ( я понимаю это как сопротивление эмиттера и базы в схеме с ОЭ) и почему оно уменьшается с ростом тока базы. Заранее спасибо.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

salyamkamrad

Профи

    • Поделиться

Входное сопротивление есть отношение приращения напряжения на базе к вызванному им приращению тока базы.

А почему оно уменьшается, та это смотрите графики ВАХ, там все понятно.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

А в терминах токов как можно это объяснить?

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

ИБП MEAN WELL серии DRC-180 на DIN-рейку – новое решение для пожарно-охранных систем

Компания MEAN WELL расширила семейство DRC-40/60/100 – недорогих ИБП (UPS) 2-в-1 (ИП и контроллер заряда/разряда АКБ в одном корпусе) с креплением на DIN-рейку. Теперь доступны модели мощностью 180 Вт новой серии DRC-180.

Источник питания DRC-180 предназначен для создания систем бесперебойного питания с внешней АКБ и может использоваться в охранно-пожарных системах, системах аварийной сигнализации, контроля доступа и в других приложениях, где требуется простая, недорогая и в то же время качественная система бесперебойного питания соответствующей мощности. Подробнее>>

salyamkamrad

Профи

    • Поделиться

Что, объяснить? Уменьшение сопротивления? Это объясняется физикой полупроводников.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

mvkarp

Мастер

    • Поделиться

san_raise, это есть динамическое сопротивление. А не статическое.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

salyamkamrad, это я и прошу сделать) Объяснить с точки зрения физики полупроводников. {за счет чего именно вырастет это сопротивление}


Изменено 13 января, 2016 пользователем san_raise

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Вебинар «Мощные модульные системы питания MEAN WELL 3+N. Новинки и хиты» (22.06.2023)
Приглашаем 22 июня на вебинар, посвященный подходу компании MEAN WELL к созданию мощных управляемых систем низковольтного и высоковольтного питания и зарядных установок для промышленного, технологического, телекоммуникационного, медицинского, радиопередающего и другого оборудования, а также для систем альтернативной энергетики.
На вебинаре мы рассмотрим новинки и серийную продукцию в концепции «3+N», расскажем об этой концепции и о том, как создать из готовых модулей систему питания мощностью до 360 кВт с напряжением до 380…400 В (постоянного тока). Будут представлены ИП с рециркуляцией энергии для тестового оборудования и модули управления питанием. Подробнее>>

salyamkamrad

Профи

    • Поделиться

Ваще ничего не помню из этой области, но могу предположить, что уменьшение сопротивления объясняется снижением потенциального барьера.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

Кто-нибудь может еще подкинуть идей?

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

salyamkamrad

Профи

    • Поделиться

Да какие могут быть еще идеи? При прикладывании к переходу напряжение в прямом направлении толщина перехода будет уменьшаться внешним полем, етить ее за ногу. Вот и уменьшается сопротивление перехода база-эмиттер.

И так уменьшается, уменьшается, толщина перехода, пока не уменьшиться до минимально возможного состояния. Тогда переход начинает вести себя как проводник, ток через который меняется прямо пропорционально напряжению на нем.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

При прикладывании к переходу напряжение в прямом направлении толщина перехода будет уменьшаться внешним полем

Я вот этот график хочу объяснить. Подвязавшись именно к току базы.

post-195365-0-12482700-1452678424.png

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

mvkarp

Мастер

    • Поделиться

san_raise, с точки зрения полупроводников получаем ВАХ прибора.

Теперь смотрим на ВАХ и определяем параметры. Для понимания входного сопротивления транзистора нужно просто понимать различие между статическим и динамическим сопротивлением.

Выбираем на ВАХ рабочую точку.

Статическое — отношение напряжения в данной точке к току есть статическое сопротивление.

Динамическое — выбираем маленькое приращение напряжения, отслеживаем приращение тока. Делим приращение напряжения на приращение тока и получаем динамическое сопротивление.

ВАХ эмиттерного перехода помните? В начале графика при большом приращении напряжения приращение тока маленькое. Динамическое сопротивление большое. Далее при одинаковом приращении напряжения изменение (приращение) тока становится все больше. Т.е. сопротивление снижается.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

Динамическое сопротивление большое. Далее при одинаковом приращении напряжения изменение (приращение) тока становится все больше. Т.е. сопротивление снижается.

Спасибо за объяснения! Но Вы констатируете экспериментальные факты, а мне нужно объяснить в терминах токов или физических явлений в самом транзисторе :unknw:

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

mvkarp

Мастер

    • Поделиться

Давно это было, курс физики полупроводников. :(

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

san_raise

Новобранец

  • Автор
    • Поделиться

mvkarp, все равно, большое спасибо за помощь!

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

  • 4 года спустя…


Гость Евгений

Гость Евгений

    • Поделиться

Здравствуйте. У меня такой вопрос. Как найти входное сопротивление транзистора с отсечкой тока? Типа класс С или В? С классом А все ясно. А как тут быть? Считать по току первой нармоники или интегрировать ток базы?

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Евгений61

Экспериментатор

    • Поделиться

14 минут назад, Гость Евгений сказал:

Здравствуйте. У меня такой вопрос. Как найти входное сопротивление транзистора с отсечкой тока? Типа класс С или В? С классом А все ясно. А как тут быть? Считать по току первой нармоники или интегрировать ток базы?

Присоединяюсь к вопросу

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Lexter

Ветеран

    • Поделиться

3 часа назад, Евгений61 сказал:

Как найти входное сопротивление транзистора с отсечкой тока?

А никак.В этом случае нет такого параметра.  Сами подумайте: если оно меняется в зависимости от входного сигнала, то что это за параметр и зачем он нужен? Максимальный входной ток в базу для рассчёта нагрузочной способности предыдущего каскада, — да, для рассчёта нужен. Ну, можете пересчитать его в минимальное входное сопротивление, если так привычнее. Хотя это гораздо кривее. Транзистор-то током управляется. Напряжение Б-Э вторично и много от чего меняется. :)


Изменено 6 марта, 2020 пользователем Lexter

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты


Гость .гений61

Гость .гений61

    • Поделиться

4 часа назад, Евгений61 сказал:

Присоединяюсь к вопросу

Как правило предварительно принимается некоторое среднее или средневзвешенное значение (в зависимости от предшествующего генератора и последующей нагрузки). Но при этом обязательно проверяются граничные режимы, когда Rвх принимает мин. и макс. значения и возможность «раскачать» такой каскад предыдущим генератором и отдать заданные параметры рассчитываемым каскадом в нагрузку. Обычно «предгенератор» и рассматриваемый «генератор» соединяются согласующим устройством, энергетически усредняющим «неприятные всплески» параметров.

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Евгений61

Экспериментатор

    • Поделиться

3 часа назад, Гость .гений61 сказал:

Как правило предварительно принимается некоторое среднее или средневзвешенное значение (

Я думал что можно проинтегрировать ток базы и получить среднее значение…и из того посчитать входное сопротивление.

Типа как действующее(среднеквадратичное значение)

Что еще за всплески параметров…вы имеете фильтрует гармоники входного тока базы?

:rolleyes:

Ну вообще логично предположить использовать минимальное вх сопротивление в расчете…

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Alkarn

Опытный

    • Поделиться

9 часов назад, Гость Евгений сказал:

Здравствуйте. У меня такой вопрос. Как найти входное сопротивление транзистора с отсечкой тока? Типа класс С или В? С классом А все ясно. А как тут быть? Считать по току первой нармоники или интегрировать ток базы?

Элементарно, Ватсон! Задаете амплитуду входного синусоидального напряжения (входное сопротивлениее транзистора, работающего с отсечкой, сильно зависит от амплитуды входного напряжения), по характеристике транзистора (входная ВАХ) определяете амплитуду тока базы и угол отсечки, раскладываете ток базы в ряд Фурье, и делим амплитуду входного напряжения на амплитуду 1-й гармоники тока базы. Это и будет входное сопротивление транзистора. Применяется для рассчета согласующих и фильтрующих цепей в ВЧ-каскадах. В основном в курсовых и дипломных работах. В жизни редко. Можно определить в симуляторе типа МИКРОКАП, например.

  • Цитата

Отыщи всему начало, и ты многое поймешь!

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Lexter

Ветеран

    • Поделиться

1 час назад, Alkarn сказал:

Применяется для рассчета согласующих и фильтрующих цепей в ВЧ-каскадах.

Действительно, разве что студент-недоучка по недосмотру руководителя-недотёпы может «рассчитать» в бумажной работе согласование или фильтр на такую нагрузку. :D

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Евгений61

Экспериментатор

    • Поделиться

15 часов назад, Alkarn сказал:

Можно определить в симуляторе типа МИКРОКАП, например

А можно чуть подробнее. Я так понимаю это делается в АС анализе? Или в переходных процессах?

А кто знает какой метод используется в АС анализе?

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Alkarn

Опытный

    • Поделиться

М.А. Амелина, С.А Амелин
Программа схемотехнического моделирования  Micro-Cap —

Скачиваешь, читаешь — и все становится понятно.
1227466860_Rin.jpg.a5066b466c175c707dc9ed36f68b3d08.jpg

  • Цитата

Отыщи всему начало, и ты многое поймешь!

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

  • 1 месяц спустя…

Евгений61

Экспериментатор

    • Поделиться

10.03.2020 в 00:22, Alkarn сказал:

М.А. Амелина, С.А Амелин
Программа схемотехнического моделирования  Micro-Cap —

Скачиваешь, читаешь — и все становится понятно.
1227466860_Rin.jpg.a5066b466c175c707dc9ed36f68b3d08.jpg

Ну понятно теперь что для гармоники определяется

  • Цитата

Ссылка на комментарий
Поделиться на другие сайты

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления,
генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный,
поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.
Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток,
только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока —
основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.
У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля.
В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

биполярный транзистор принцип работы

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов.
Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей.
Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base).
Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).
Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В
дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора
несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще,
чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного
транзистора. Для примера возьмем
модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет
противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы —
дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В
транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает
концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE).
Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора.
Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера.
Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE
— 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения
подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до
N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе.
Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).
Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация
дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше.
Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая,
все равно потечет в сторону плюса базы.

включение биполярного транзистора база коллектор эмиттер

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE,
и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще
больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и
значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом
изменении тока базы I
B,
сильно меняется ток коллектора I
С.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы.
Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для
понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов
в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200).
Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V,
за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора
подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного
напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.
Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала,
обычно обладающего слабой мощностью.

усилитель биполярный транзистор схема

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением,
нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin).
Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение,
при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности
вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель,
согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0),
то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

ток базы биполярного транзистора формула

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200),
можно с легкостью посчитать максимальное и
минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

ток коллектора биполярного транзистора формула

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout.
В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

усилитель выходное напряжение

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

расчет выходного напряжения усилителя

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того,
что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве
случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда,
которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же,
соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя,
однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

схема усилителя на биполярном транзисторе

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе.
Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие.
Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».
Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация).
Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.
В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний,
но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор
берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно,
транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт.
В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет,
поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе.
Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся.
В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы,
умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора,
который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора,
которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным,
который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал,
поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен».
Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.
В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру,
и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.
Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме.
Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB.
Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора.
Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа,
даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного
транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах,
то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх).
Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться
источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока.
Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом).
Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору,
где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером.
Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер
сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления)
увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных
потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью
усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ,
он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления,
но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.
Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность
(или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала.
С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает.
Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.
На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно,
а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей.
Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:

Не пропустите также:

  • Как правильно составить приказ при увольнении
  • Как найти плагин в wordpress
  • Как найти положение тела в момент времени
  • Как составить таблицу расчетов в экселе
  • Как найти ютуб мультиков

  • 0 0 голоса
    Рейтинг статьи
    Подписаться
    Уведомить о
    guest

    0 комментариев
    Старые
    Новые Популярные
    Межтекстовые Отзывы
    Посмотреть все комментарии