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 — это 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.

Для понимания рассмотрим NPN-транзистор в CB-конфигурации. 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 DeltaIC DeltaIEatконстантаVCB $$\ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: константа \: V_ {CB}$$

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

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

Если напряжение на базе эмиттера V _EB = 0, то 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

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

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

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

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

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

IC=( frac alpha1− alpha)IB+( frac11− альфа)IСВО $$I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ альфа}) I_ {СВО}$$

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 по току.

• 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 DeltaVЕВ DeltaIЕвконстантаVCB $$\ ETA \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {ЕВ}}} {\ Delta {I_ {Е}}} \: \: в \: константа \: V_ {CB}$$

• 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.

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

• 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.

Эта конфигурация обеспечивает усиление напряжения, но не дает усиления по току.

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 DeltaVЕВ DeltaIЕвконстантаVCB $$\ ETA \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {ЕВ}}} {\ Delta {I_ {Е}}} \: \: в \: константа \: V_ {CB}$$

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.

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

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.

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.

Базовый коэффициент усиления 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 DeltaIC DeltaIB $$\ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}}$$

Связь между β и α

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

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

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

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

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

 DeltaIB= DeltaIE− DeltaIC $$\ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}$$

Мы можем написать

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

Деление на $$

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

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

У нас есть

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

Следовательно,

 бета= гидроразрыва альфа1− альфа $$\ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа}$$

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

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

А также

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

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

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

$$ 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}

Iгенеральныйдиректор= гидроразрыва11− альфаIСВО $$I_ {генеральный директор} \: = \: \ гидроразрыва {1} {1- \ альфа} \: I_ {СВО}$$

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, получим

IC,= гидроразрыва альфа1− альфаIB, +Iгенеральныйдиректор $$I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} I_ {B}, \ + \: I_ {генеральный директор}$$

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

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 .

  Rя= гидроразрыва DeltaVBE DeltaIВвпостояннаяVCE $$R_ {я} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {В}}} \: в \: постоянная \: V_ {CE}$$

• Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _BE , чтобы создать большой ток 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.

  RO= гидроразрыва DeltaVCE DeltaICвконстантаIB, $$R_ {O} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: в \: константа \: I_ {B},$$

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

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

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 .

Rя= гидроразрыва DeltaVBE DeltaIВвпостояннаяVCE $$R_ {я} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {В}}} \: в \: постоянная \: V_ {CE}$$

Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _BE , чтобы создать большой ток 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.

RO= гидроразрыва DeltaVCE DeltaICвконстантаIB, $$R_ {O} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: в \: константа \: I_ {B},$$

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

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

Конфигурация Common Collector (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.

Как и в конфигурациях CB и CE, 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 — 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 DeltaIЕ DeltaIB $$\ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {Е}}} {\ Delta {I_ {B}}}$$

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

• Коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CC всегда меньше 1.

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

Коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем нарисовать некоторую связь между γ и α

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

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

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

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

 DeltaIB= DeltaIE− DeltaIC $$\ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}$$

Подставляя значение I _B , получаем

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

Деление на $\ Delta I_ {E}$

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

 гидроразрыва11− альфа $$\ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа}$$

 Gamma= гидроразрыва11− альфа $$\ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа}$$

Выражение для тока коллектора

Мы знаем

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

IE=IB+IC=IB+( alphaIE+IСВО) $$I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {СВО})$$

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

IЕ= гидроразрываIB,1− альфа + гидроразрываIСВО1− альфа $$I_ {Е} \: = \: \ гидроразрыва {I_ {B}, {1} \: - \: \ альфа} \ + \: \ гидроразрыва {I_ {СВО}} {1 \: - \: \ альфа}$$

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

Выше приведено выражение для тока коллектора.

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 выход неинвертирующего усилителя.

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