Grundlegende Elektronik - Transistorkonfigurationen
Ein Transistor hat 3 Anschlüsse, den Emitter, die Basis und den Kollektor. Mit diesen 3 Anschlüssen kann der Transistor in einer Schaltung mit einem Anschluss verbunden werden, der sowohl dem Eingang als auch dem Ausgang in 3 verschiedenen möglichen Konfigurationen gemeinsam ist.
Die drei Arten von Konfigurationen sind Common Base, Common Emitter und Common CollectorKonfigurationen. In jeder Konfiguration ist der Emitterübergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Kollektorübergang ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt.
Common Base (CB) -Konfiguration
Der Name selbst impliziert, dass der Basisanschluss als gemeinsamer Anschluss sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang des Transistors verwendet wird. Die gemeinsame Basisverbindung für NPN- und PNP-Transistoren ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Betrachten wir zum besseren Verständnis den NPN-Transistor in der CB-Konfiguration. Wenn die Emitterspannung angelegt wird, während sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, stoßen die Elektronen vom negativen Anschluss die Emitterelektronen ab und der Strom fließt durch den Emitter und die Basis zum Kollektor, um den Kollektorstrom beizutragen. Die KollektorspannungVCB wird dabei konstant gehalten.
In der CB-Konfiguration ist der Eingangsstrom der Emitterstrom IE und der Ausgangsstrom ist der Kollektorstrom IC.
Current Amplification Factor (α)
Das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms ($ \ Delta I_ {C} $) zur Änderung des Emitterstroms ($ \ Delta I_ {E} $) bei Kollektorspannung VCB wird konstant gehalten, heißt als Current amplification factor. Es wird mit α bezeichnet.
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: Konstante \: V_ {CB} $$
Ausdruck für Kollektorstrom
Lassen Sie uns mit der obigen Idee versuchen, einen Ausdruck für den Kollektorstrom zu zeichnen. Zusammen mit dem fließenden Emitterstrom fließt eine gewisse Menge an Basisstrom IB durch den Basisanschluss aufgrund der Elektronenlochrekombination. Da der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist, fließt aufgrund von Minoritätsladungsträgern ein weiterer Strom. Dies ist der Leckstrom, der verstanden werden kann alsIleakage. Dies ist auf Ladungsträger von Minderheiten zurückzuführen und daher sehr gering.
Der Emitterstrom, der den Kollektoranschluss erreicht, beträgt
$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$
Gesamtkollektorstrom
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {Leckage} $$
Wenn die Emitter-Basis-Spannung V EB = 0 ist, fließt selbst dann ein kleiner Leckstrom, der als I CBO (Kollektor-Basis-Strom mit offenem Ausgang) bezeichnet werden kann.
Der Kollektorstrom kann daher ausgedrückt werden als
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {C} \: + \: I_ {B} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha (I_ {C} \: + \: I_ {B}) \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}} { 1 \: - \: \ alpha}) $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ alpha}) I_ {CBO} $$
Daher ist das oben abgeleitete der Ausdruck für den Kollektorstrom. Der Wert des Kollektorstroms hängt vom Basisstrom und dem Leckstrom zusammen mit dem Stromverstärkungsfaktor des verwendeten Transistors ab.
Eigenschaften der CB-Konfiguration
Diese Konfiguration bietet eine Spannungsverstärkung, jedoch keine Stromverstärkung.
Sein VCBkonstant, mit einem kleinen Anstieg der Emitter-Basis-Spannung V EB , Emitter-StromIE wird erhöht.
Emitterstrom IE ist unabhängig von der Kollektorspannung VCB.
Kollektorspannung VCB kann den Kollektorstrom beeinflussen ICnur bei niedrigen Spannungen, wenn V EB konstant gehalten wird.
Der Eingangswiderstand ri ist das Verhältnis der Änderung der Emitter-Basis-Spannung ($ \ Delta {V_ {EB}} $) zur Änderung des Emitter-Stroms ($ \ Delta {I_ {E}} $) bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung VCB.
$$ \ eta \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {EB}}} {\ Delta {I_ {E}}} \: \: at \: Konstante \: V_ {CB} $$
Da der Eingangswiderstand sehr niedrig ist, reicht ein kleiner Wert von V EB aus, um einen großen Stromfluss des Emitterstroms zu erzeugenIE.
Der Ausgangswiderstand r o ist das Verhältnis der Änderung der Kollektorbasisspannung ($ \ Delta {V_ {CB}} $) zur Änderung des Kollektorstroms ($ \ Delta {I_ {C}} $) bei konstantem EmitterstromIE.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: Konstante \: l_ {E} $$
Da der Ausgangswiderstand einen sehr hohen Wert hat, ändert sich stark VCB erzeugt eine sehr kleine Änderung des Kollektorstroms IC.
Diese Konfiguration bietet eine gute Stabilität gegen Temperaturanstieg.
Die CB-Konfiguration wird für Hochfrequenzanwendungen verwendet.
Common Emitter (CE) -Konfiguration
Der Name selbst impliziert, dass die EmitterDer Anschluss wird als gemeinsamer Anschluss sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang des Transistors verwendet. Die gemeinsame Emitterverbindung für NPN- und PNP-Transistoren ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Genau wie in der CB-Konfiguration ist der Emitterübergang in Vorwärtsrichtung und der Kollektorübergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Der Elektronenfluss wird auf die gleiche Weise gesteuert. Der Eingangsstrom ist der BasisstromIB und der Ausgangsstrom ist der Kollektorstrom IC Hier.
Base Current Amplification factor (β)
Das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms ($ \ Delta {I_ {C}} $) zur Änderung des Basisstroms ($ \ Delta {I_ {B}} $) ist bekannt als Base Current Amplification Factor. Es wird mit β bezeichnet
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Beziehung zwischen β und α
Versuchen wir, die Beziehung zwischen dem Basisstromverstärkungsfaktor und dem Emitterstromverstärkungsfaktor abzuleiten.
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Wir können schreiben
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Teilen durch $$
$$ \ 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}} $$
Wir haben
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$
Deshalb,
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$
Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass β unendlich wird, wenn sich α 1 nähert.
Daher, the current gain in Common Emitter connection is very high. Dies ist der Grund, warum diese Schaltungsverbindung hauptsächlich in allen Transistoranwendungen verwendet wird.
Ausdruck für Kollektorstrom
In der Common Emitter-Konfiguration IB ist der Eingangsstrom und IC ist der Ausgangsstrom.
Wir wissen
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
Und
$$ 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} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $ $
Wenn der Basiskreis offen ist, dh wenn IB = 0,
Der Kollektor-Emitter-Strom bei offener Basis ist I CEO
$$ I_ {CEO} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$
Wenn wir den Wert davon in die vorherige Gleichung einsetzen, erhalten wir
$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
Somit wird die Gleichung für den Kollektorstrom erhalten.
Kniespannung
In der CE-Konfiguration durch Beibehalten des Basisstroms IB konstant, wenn VCE ist vielfältig, IC steigt fast auf 1v von VCEund bleibt danach konstant. Dieser Wert vonVCE bis zu welchem Kollektorstrom IC ändert sich mit VCE heißt das Knee Voltage. Die Transistoren werden während des Betriebs in CE-Konfiguration oberhalb dieser Kniespannung betrieben.
Eigenschaften der CE-Konfiguration
Diese Konfiguration bietet eine gute Stromverstärkung und Spannungsverstärkung.
Halten VCE konstant, mit einem kleinen Anstieg in VBE der Basisstrom IB steigt schneller als in CB-Konfigurationen.
Für jeden Wert von VCE über Kniespannung, IC ist ungefähr gleich βIB.
Der Eingangswiderstand ri ist das Verhältnis der Änderung der Basisemitterspannung ($ \ Delta {V_ {BE}} $) zur Änderung des Basisstroms ($ \ Delta {I_ {B}} $) bei konstanter Kollektoremitterspannung VCE.
$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: at \: Konstante \: V_ {CE} $$
Da der Eingangswiderstand einen sehr niedrigen Wert hat, ist ein kleiner Wert von VBE reicht aus, um einen großen Stromfluss des Basisstroms zu erzeugen IB.
Der Ausgangswiderstand ro ist das Verhältnis der Änderung der Kollektoremitterspannung ($ \ Delta {V_ {CE}} $) zur Änderung des Kollektorstroms ($ \ Delta {I_ {C}} $) bei Konstante IB.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: Konstante \: I_ {B} $$
Da der Ausgangswiderstand der CE-Schaltung geringer ist als der der CB-Schaltung.
Diese Konfiguration wird normalerweise für Vorspannungsstabilisierungsverfahren und Audiofrequenzanwendungen verwendet.
Common Collector (CC) -Konfiguration
Der Name selbst impliziert, dass die CollectorDer Anschluss wird als gemeinsamer Anschluss sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang des Transistors verwendet. Die gemeinsame Kollektorverbindung für NPN- und PNP-Transistoren ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Genau wie bei CB- und CE-Konfigurationen ist der Emitterübergang in Vorwärtsrichtung und der Kollektorübergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Der Elektronenfluss wird auf die gleiche Weise gesteuert. Der Eingangsstrom ist der BasisstromIB und der Ausgangsstrom ist der Emitterstrom IE Hier.
Current Amplification Factor (γ)
Das Verhältnis der Änderung des Emitterstroms ($ \ Delta {I_ {E}} $) zur Änderung des Basisstroms ($ \ Delta {I_ {B}} $) ist bekannt als Current Amplification factorin der Common Collector (CC) -Konfiguration. Es wird mit bezeichnetγ.
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Die Stromverstärkung in der CC-Konfiguration ist dieselbe wie in der CE-Konfiguration.
Die Spannungsverstärkung in der CC-Konfiguration beträgt immer weniger als 1.
Beziehung zwischen γ und α
Versuchen wir, eine Beziehung zwischen γ und α zu ziehen
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Wenn wir den Wert von I B einsetzen , erhalten wir
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Teilen durch $ \ Delta I_ {E} $
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$
$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
Ausdruck für Kollektorstrom
Wir wissen
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO}) $$
$$ I_ {E} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$
Das Obige ist der Ausdruck für den Kollektorstrom.
Eigenschaften der CC-Konfiguration
Diese Konfiguration bietet eine Stromverstärkung, jedoch keine Spannungsverstärkung.
In der CC-Konfiguration ist der Eingangswiderstand hoch und der Ausgangswiderstand niedrig.
Die von dieser Schaltung bereitgestellte Spannungsverstärkung beträgt weniger als 1.
Die Summe aus Kollektorstrom und Basisstrom entspricht dem Emitterstrom.
Die Eingangs- und Ausgangssignale sind in Phase.
Diese Konfiguration funktioniert als nicht invertierender Verstärkerausgang.
Diese Schaltung wird hauptsächlich zur Impedanzanpassung verwendet. Das heißt, eine niederohmige Last von einer hochohmigen Quelle anzusteuern.