Базовая электроника - конфигурации транзисторов

Транзистор имеет 3 клеммы, эмиттер, базу и коллектор. Используя эти 3 клеммы, транзистор может быть подключен в цепи с одной клеммой, общей для обоих входов и выходов в 3 различных возможных конфигурациях.

Три типа конфигураций: конфигурации Common Base, Common Emitter и Common Collector . В каждой конфигурации эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном направлении.

Общая база (CB) Конфигурация

Само название подразумевает, что базовая клемма используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Общее базовое соединение для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CB

Для понимания рассмотрим NPN-транзистор в конфигурации CB. Когда на эмиттер подается напряжение, поскольку оно смещено в прямом направлении, электроны от отрицательного вывода отталкивают электроны эмиттера, и ток течет через эмиттер и основание к коллектору, чтобы внести ток коллектора. Напряжение коллектора V CB поддерживается постоянным на протяжении всего этого.

В конфигурации CB входной ток - это ток эмиттера I E, а выходной ток - ток коллектора I C.

Коэффициент усиления тока (α)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta I_ {C} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta I_ {E} $), когда напряжение коллектора V CB поддерживается постоянным, называется коэффициентом усиления тока . Обозначается через α.

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: константа \: V_ {CB} $$

Выражение для тока коллектора

Имея идею выше, давайте попробуем нарисовать некоторое выражение для тока коллектора. Наряду с протекающим током эмиттера существует некоторое количество базового тока IB, который протекает через базовый вывод из-за рекомбинации электронных дырок. Поскольку соединение коллектор-база имеет обратное смещение, существует другой ток, который протекает из-за неосновных носителей заряда. Это ток утечки, который можно понимать как утечка . Это связано с меньшим количеством носителей заряда и, следовательно, очень мало.

Ток эмиттера, который достигает коллектора, равен

$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$

Общий ток коллектора

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {утечка} $$

Если напряжение на базе эмиттера V EB = 0, даже тогда протекает небольшой ток утечки, который можно назвать I CBO (ток на базе коллектора с открытым выходом).

Следовательно, ток коллектора может быть выражен как

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {C}, \ + \: I_ {B}, $$

$$ I_ {C}, \: = \: \ альфа (I_ {C}, \ + \: I_ {B}) \ + \: I_ {СВО} $$

$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}}} { 1 \: - \: \ альфа}) $$

$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ альфа}) I_ {СВО} $$

Следовательно, полученное выше выражение является выражением для тока коллектора. Значение тока коллектора зависит от тока базы и тока утечки, а также от коэффициента усиления тока используемого транзистора.

Характеристики конфигурации CB

  • Эта конфигурация обеспечивает усиление напряжения, но не дает усиления тока.

  • При постоянном значении V CB при небольшом увеличении напряжения на базе эмиттера V EB ток эмиттера I E увеличивается.

  • Ток эмиттера I E не зависит от напряжения коллектора V CB .

  • Напряжение коллектора V CB может влиять на ток коллектора I C только при низких напряжениях, когда V EB поддерживается постоянным.

  • Входное сопротивление ri - это отношение изменения базового напряжения эмиттера ($ \ Delta {V_ {EB}} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) при постоянном базовом напряжении коллектора V CB .

    $$ \ ETA \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {ЕВ}}} {\ Delta {I_ {Е}}} \: \: в \: константы \: V_ {CB} $$

  • Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V EB , чтобы создать большой ток тока эмиттерного тока I E.

  • Выходное сопротивление r o - это отношение изменения базового напряжения коллектора ($ \ Delta {V_ {CB}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянном токе эмиттера I Э.

    $$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: l_ {E} $$

  • Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение V CB приводит к очень небольшому изменению тока коллектора I C.

  • Эта конфигурация обеспечивает хорошую стабильность против повышения температуры.

  • Конфигурация CB используется для высокочастотных применений.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Само название подразумевает, что клемма эмиттера используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Общее подключение эмиттера для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CE

Как и в конфигурации CB, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном направлении. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток - это базовый ток I B, а выходной ток - ток коллектора I C здесь.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как коэффициент усиления базового тока . Обозначается через

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

Связь между β и α

Попробуем вывести соотношение между коэффициентом усиления базового тока и коэффициентом усиления тока эмиттера.

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

$$ \ альфа \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {Е}}} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$

Мы можем написать

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$

Деление на $$

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

У нас есть

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

Следовательно,

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} $$

Из приведенного выше уравнения очевидно, что при приближении α к 1, β достигает бесконечности.

Следовательно, коэффициент усиления по току в соединении с общим эмиттером очень высок . По этой причине это схемное соединение в основном используется во всех транзисторных приложениях.

Выражение для тока коллектора

В конфигурации с общим эмиттером I B - входной ток, а I C - выходной ток.

Мы знаем

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

И

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ = \: \ alpha (I_ {B} \: + \: I_ {C}) \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} I_ {B}, \ + \: \ гидроразрыва {1} {1- \ альфа} \: I_ {СВО} $ $

Если базовая цепь разомкнута, т.е. если I B = 0,

Коллектор эмиттер тока с открытой базой генерального директора

$$ I_ {генеральный директор} \: = \: \ гидроразрыва {1} {1- \ альфа} \: I_ {СВО} $$

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, получим

$$ I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} I_ {B}, \ + \: I_ {генеральный директор} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$

Отсюда получается уравнение для тока коллектора.

Колено Напряжение

В конфигурации CE, поддерживая постоянный ток I B базы, если V CE изменяется, I C увеличивается почти до 1 В от V CE и остается постоянным после этого. Это значение V CE, до которого ток коллектора I C изменяется с V CE , называется напряжением на колене . Транзисторы, работая в конфигурации CE, работают с напряжением выше колена.

Характеристики конфигурации CE

  • Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление тока и напряжения.

  • Сохраняя V CE постоянным, при небольшом увеличении V BE базовый ток I B увеличивается быстрее, чем в конфигурациях CB.

  • Для любого значения V CE выше напряжения колена I C приблизительно равно β I B.

  • Входное сопротивление r i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера ($ \ Delta {V_ {BE}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) при постоянном напряжении эмиттера коллектора V CE .

    $$ R_ {я} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {В}}} \: в \: константы \: V_ {CE} $$

  • Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V BE , чтобы создать большой ток тока базового тока I B.

  • Выходное сопротивление r o представляет собой отношение изменения напряжения эмиттера коллектора ($ \ Delta {V_ {CE}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянной I B.

    $$ R_ {O} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: в \: константы \: I_ {B}, $$

  • Поскольку выходное сопротивление цепи CE меньше, чем сопротивление цепи CB.

  • Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и применения звуковых частот.

Конфигурация с общим коллектором (CC)

Само название подразумевает, что клемма коллектора используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Подключение общего коллектора для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CC

Как и в конфигурациях CB и CE, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток - это базовый ток I B, а выходной ток - это ток эмиттера I E.

Коэффициент усиления тока (γ)

Отношение изменения тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как коэффициент усиления тока в конфигурации с общим коллектором (CC) , Обозначается через γ .

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {Е}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

  • Коэффициент усиления по току в конфигурации CC такой же, как в конфигурации CE.

  • Усиление напряжения в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем нарисовать некоторую связь между γ и α

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {Е}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

$$ \ альфа \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {Е}}} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$

Подставляя значение I B , получаем

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$

Деление на $ \ Delta I_ {E} $

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа} $$

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа} $$

Выражение для тока коллектора

Мы знаем

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {СВО}) $$

$$ I_ {Е} (1 \: - \: \ альфа) \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {СВО} $$

$$ I_ {Е} \: = \: \ гидроразрыва {I_ {B}, {1} \: - \: \ альфа} \ + \: \ гидроразрыва {I_ {СВО}} {1 \: - \: \ альфа} $$

$$ I_ {C}, \: \ Cong \: I_ {Е} \: = \: (\ бета \ + \: 1) I_ {B}, \ + \: (\ бета \ + \: 1) I_ {СВО} $$

Выше приведено выражение для тока коллектора.

Характеристики конфигурации CC

  • Эта конфигурация обеспечивает усиление по току, но без усиления по напряжению.

  • В конфигурации CC входное сопротивление высокое, а выходное сопротивление низкое.

  • Усиление напряжения, обеспечиваемое этой схемой, составляет менее 1.

  • Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.

  • Входные и выходные сигналы находятся в фазе.

  • Эта конфигурация работает как неинвертирующий выход усилителя.

  • Эта схема в основном используется для согласования импедансов. Это означает, что необходимо управлять нагрузкой с низким сопротивлением от источника с высоким сопротивлением.