Шапка

2.1 Введение в биполярные транзисторы

==71

Транзисторы - самый важный пример «активного» компонента. Это прибор, который способен усиливать сигнал, выдавая на выход бОльшую мощность, нежели получил на входе. Дополнительная мощность поступает от внешнего источника ( источника питания, если точно ). Отметим, что речь идёт не об усилении напряжения , потому что есть такой элемент, как трансформатор, который является столь же пассивным, как и резистор или конденсатор, но может, тем не менее, усиливать напряжение, но не мощность _1 . Элементы, способные усиливать мощность позволяют строить генераторы за счёт возврата части выходного сигнала обратно на вход.

Интересно отметить, что способность транзисторов усиливать мощность показалась очень важной их изобретателям. Практически первое, что они сделали, проверяя эту идею, - подключили через транзистор динамик и убедились, что выходной сигнал звучит громче, чем входной.

Транзистор - необходимый элемент любого электронного устройства: от простейшего усилителя или генератора до чрезвычайно сложных компьютеров. Интегральные схемы, которые по большей части сменили схемы на дискретных транзисторах, сами представляют собой транзисторные схемы, собранные непосредственно на куске полупроводникового материала.

Понимание работы транзисторов очень важно, несмотря на то даже, что большая часть электронных устройств сейчас делается на интегральных схемах. Оно важно уже потому, что нужно понимать входные и выходные характеристики ИМС, чтобы правильно подключить её к схеме или к внешним сигналам. Наконец, бывают ( и даже довольно часто ) ситуации, когда нужной микросхемы не существует, и приходится разрабатывать собственный вариант на транзисторах. Как будет видно дальше, транзисторы весьма интересны сами по себе, и изучение принципов их работы - весьма занимательно.

Есть две основные популяции транзисторов: в этой части изучаются биполярные транзисторы ( BJT ), которые появились раньше других. Они были открыты в 1947 в Bell Laboratories, и данное событие отмечено Нобелевской премией. В Части ##_3 рассматриваются полевые транзисторы ( FET ), ныне занимающие доминирующее положение в цифровой электронике. Грубо говоря, биполярные транзисторы больше подходят для точных малошумящих схем, а полевые - для малопотребляющих, для высокоомных источников и для мощных ключей, но в данной сложной теме есть масса дополнительных деталей.

Обсуждение биполярных транзисторов будет достаточно сильно отличаться от большинства других книг. Стандартной практикой является использование параметрической h-модели и эквивалентных схем. По мнению авторов, данный путь излишне сложен и неинтуитивен. Он не только затеняет поведение схемы громоздкими уравнениями, но и не позволяет понять, что именно требуется считать и, что ещё важнее, какие именно параметры могут сильно меняться.

Вместо этого в данной части будет разобрана очень простая вводная модель транзистора и сразу же применена в нескольких схемах. Свойственные ей ограничения быстро станут очевидны. Затем модель будет уточнена с учётом соотношений Эберса-Молла. Уравнение Эберса-Молла и простая трёхполюсная модель транзистора позволит хорошо разобраться с принципами работы, не требуя множества расчётов и позволяя быстро проверять идеи. Такой подход в частности практически полностью свободен от плохо контролируемых параметров типа усиления по току.

Следует запомнить некоторые важные технические термины и обозначения. Напряжения на выводах транзистора, измеренные относительно земли обозначаются с индексами самих выводов ( «C», «B» или «E», т.е., скажем, \( V_C\) - напряжение на коллекторе. Разница потенциалов между двумя выводами обозначается двойным индексом: \( V_{BE}\) - падение напряжения база-эмиттер. Если буква повторяется, речь идёт об источнике питания: \( V_{CC}\) - положительное напряжение источника питания, ассоциирующееся с коллектором, а \( V_{EE}\) - отрицательное напряжение источника питания, ассоциирующееся с эмиттером [* подразумевается npn транзистор] _2 .

==72

В чём сложность транзисторных схем

Для новичков в электронике эта часть будет сложна, и вот почему. Все схемы в предыдущей части оперировали двухвыводными элементами как линейными ( резисторы, конденсаторы, индуктивности ), так и нелинейными ( диоды ). Таким образом, раньше требовали учёта только одно напряжение ( разница между двумя терминалами ) и только один ток ( текущий через компонент ). Транзисторы - трёхвыводные компоненты , и теперь надо учитывать два напряжения и два тока _3 .

2.1.1 Первая модель транзистора: усилитель тока

Итак, приступим. Биполярный транзистор - трёхвыводное устройство ( рис. 2.1 ), в котором небольшой ток, текущий в базу, управляет гораздо большим током, текущим между коллектором и эмиттером. Есть два вида биполярных транзисторов: npn и pnp . Свойства npn транзистора описываются следующими правилами ( для pnp надо изменить все полярности ).

Рис. 2.1 Символы и корпуса малосигнальных транзисторов ( нарисовано без соблюдения масштаба ). Внешний вид некоторых транзисторных корпусов можно посмотреть на рис. 2.3
Рис. 2.3 Здесь показана бОльшая часть самых распространённых корпусов. Верхний ряд ( мощные ) слева направо : TO-220 ( с теплоотводом и без него ), TO-39, TO-5, TO-3. Средний ряд ( для поверхностного монтажа ): SM-8 ( сдвоенный ), SO-8 ( сдвоенный ), SOT-23, керамический SOE, SOT-223. Нижний ряд : DIP-16 ( счетверённый ), DIP-4, TO-92, TO-18, TO-18 ( сдвоенный )

  1. Полярность Коллектор должен находиться под более положительным потенциалом, чем эмиттер.
  2. Переходы Переходы база-эмиттер и база-коллектор ведут себя подобно диодам ( рис. 2.2 ). [* Ключевое слово - «подобно»: переходы БЭ и БК не диоды! Хотя при определённых условиях они могут работать таковыми ( транзистор в диодном включении ) ] . Небольшой ток, текущий в базу, управляет гораздо большим током, между коллектором и эмиттером. В нормальном состоянии переход база-эмиттер находится в проводящем состоянии, а переход база-коллектор смещён в обратном направлении, т.е. к нему приложено напряжение, препятствующее протеканию тока.

Рис. 2.2 Внутреннее устройство транзистора с точки зрения омметра. [* Не уподобляйтесь омметру и не думайте, что транзистор и в самом деле можно сделать из двух диодов]

  1. Предельные параметры Любой конкретный транзистор имеет максимальные значения \(I_C\) , \(I_B\) и \( V_{CE}\) , которые нельзя превышать, т.к. в противном случае транзистор выйдет из строя. Конкретные цифры можно посмотреть в табл. 2.1 на стр. 74 , табл. 2.2 на стр. 106 и табл. 8.1 на стр. 501 - 502 . Есть и другие ограничения, требующие учёта, например, рассеиваемая мощность ( \(I_C×V_{CE}\) ) , температура и \( V_{BE}\) .
  2. Усиление по току Если правила 1-3 соблюдены, \(I_C\) примерно пропорционален \(I_B\) и может быть выражен как \[ I_C=h_{FE}I_B=βI_B , \qquad \qquad [2.1] \] где \(β\) - усиление по току ( иногда называемое \(h_{FE}\) _4 ). Типичное значение 100 . Оба тока текут в эмиттер [* для npn ]

    Предупреждение : ток коллектора возникает не из-за прямой проводимости перехода база-коллектор, который при нормальной работе смещён в обратном направлении. Данное поведение проще всего воспринимать в качестве «транзисторной функции».

«Правило _4 » делает транзистор пригодным для использования: маленький ток базы управляет большим током коллектора.

Важное предупреждение: усиление по току \(β\) - «плохой» параметр. Его величина может меняться в пределах 50...250 для различных экземпляров транзисторов одного типа. Кроме того, он зависит от тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и температуры. Схема, опирающаяся на конкретное значение усиления - плохая схема .

Отметим также эффект «правила _2 ». Оно означает, что к переходу база-эмиттер нельзя приложить произвольное напряжение, потому что, если база будет положительнее эмиттера более чем на 0.6—0.8 V ( падение на диоде ), через переход потечёт очень большой ток. Это правило также определяет, что \( V_B≈V_E\)+0.6 V , т.к. \( V_B=V_E+V_{BE}\) . Опять же: полярности указаны для npn транзисторов, для pnp они противоположны.

==73

Подчеркнём ещё раз: не пытайтесь рассматривать ток коллектора как прямой ток диода. Он таковым не является, потому что в нормальных условиях к переходу коллектор-база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора слабо зависит от напряжения на нём ( коллектор ведёт себя подобно не особо хорошему источнику тока ). Всё это совсем не похоже на режим прямой проводимости диода, ток через который стремительно растёт по мере роста напряжения.

В табл. 2.1 на стр. 74 перечислены некоторые часто используемые биполярные транзисторы, а на рис. 2.4 _5 приведены соответствующие графики усиления по току. В табл. 2.2 на стр. 106 перечислены мощные модели. Более широкая выборка находится в табл. 8.1 на стр. 501 - 502 и на рис. 8.39

Рис. 2.4 Графики усиления по току для транзисторов из табл. 2.1 . Цифры взяты из справочных данных производителей. Правильно будет закладываться на допуск -50%...+100% от «типичных» значений на графиках. См. также рис. 8.39 , где приведены измеренные значения для 44 типов малошумящих транзисторов

1 Некоторое усиление по напряжению можно получить даже в схеме, состоящей только из резисторов и конденсаторов. Данная идея, удивляющая даже видавших виды разработчиков, раскрывается в описании программы SPICE в Приложении _J . <-

2 На практике разработчики используют обозначение \( V_{CC}\) для положительного источника, а \( V_{EE}\) - для отрицательного, даже если речь идёт о pnp транзисторе, для которого все полярности меняются. <-

3 Вы, возможно, полагаете, что должно быть три напряжения и три тока, но ситуация чуть проще, т.к. среди трёх напряжений только два независимы. То же в полной мере относится к токам. Спасибо Кирхгоффу за доказательство данного факта. <-

4 По мере снижения популярности параметрической h-модели транзистора, на месте \(h_{FE}\) всё чаще можно видеть \(β\) - усиление по току. <-

5 В добавление к обычным характеристикам - усилению ( \(h_{FE}\) ) и максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер ( \( V_{CEO} \) ) , в табл. 2.1 попала частота единичного усиления ( \( f_T \) , на которой бета уменьшается до 1 ) и ёмкость обратной связи ( \( C_{cb}\) ) . Они становятся очень важными при работе с быстрыми сигналами или на высоких частотах. [* Примером быстрого сигнала является меандр с частотой 1 Hz и длительностью фронта 1 ns ] . Знакомство с этими характеристиками состоится в §2.4.5 и Части X2 . <-

Previous part:

Next part: