Elettronica di base - Configurazioni transistor
Un transistor ha 3 terminali, l'emettitore, la base e il collettore. Utilizzando questi 3 terminali il transistor può essere collegato in un circuito con un terminale comune sia all'ingresso che all'uscita in 3 diverse configurazioni possibili.
I tre tipi di configurazioni sono Common Base, Common Emitter e Common Collectorconfigurazioni. In ogni configurazione, la giunzione dell'emettitore è polarizzata in avanti e la giunzione del collettore è polarizzata inversamente.
Configurazione Common Base (CB)
Il nome stesso implica che il terminale di base sia considerato come terminale comune sia per l'ingresso che per l'uscita del transistor. La connessione di base comune per entrambi i transistor NPN e PNP è come mostrato nella figura seguente.
Per motivi di comprensione, consideriamo il transistor NPN in configurazione CB. Quando viene applicata la tensione dell'emettitore, poiché è polarizzata in avanti, gli elettroni dal terminale negativo respingono gli elettroni dell'emettitore e la corrente fluisce attraverso l'emettitore e la base al collettore per contribuire alla corrente del collettore. La tensione del collettoreVCB è mantenuto costante durante tutto questo.
Nella configurazione CB, la corrente di ingresso è la corrente dell'emettitore IE e la corrente di uscita è la corrente del collettore IC.
Current Amplification Factor (α)
Il rapporto tra la variazione della corrente del collettore ($ \ Delta I_ {C} $) e la variazione della corrente dell'emettitore ($ \ Delta I_ {E} $) quando la tensione del collettore VCB è mantenuto costante, è chiamato come Current amplification factor. È indicato da α.
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: constant \: V_ {CB} $$
Espressione per la corrente del collettore
Con l'idea sopra, proviamo a disegnare qualche espressione per la corrente del collezionista. Insieme al flusso di corrente dell'emettitore, c'è una certa quantità di corrente di base IB che scorre attraverso il terminale di base a causa della ricombinazione del foro di elettroni. Poiché la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente, c'è un'altra corrente che scorre a causa dei portatori di carica di minoranza. Questa è la corrente di dispersione che può essere intesa comeIleakage. Ciò è dovuto a portatori di carica di minoranza e quindi molto piccolo.
La corrente dell'emettitore che raggiunge il terminale del collettore è
$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$
Corrente totale del collettore
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {leakage} $$
Se la tensione emettitore-base V EB = 0, anche allora, fluisce una piccola corrente di dispersione, che può essere definita I CBO (corrente collettore-base con uscita aperta).
La corrente del collettore quindi può essere espressa come
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {C} \: + \: I_ {B} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha (I_ {C} \: + \: I_ {B}) \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}} { 1 \: - \: \ alpha}) $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ alpha}) I_ {CBO} $$
Quindi quanto sopra derivato è l'espressione per corrente di collettore. Il valore della corrente del collettore dipende dalla corrente di base e dalla corrente di dispersione insieme al fattore di amplificazione della corrente di quel transistor in uso.
Caratteristiche della configurazione CB
Questa configurazione fornisce guadagno di tensione ma nessun guadagno di corrente.
Essere VCBcostante, con un piccolo aumento della tensione base emettitore V EB , corrente emettitoreIE viene aumentata.
Corrente di emettitore IE è indipendente dalla tensione del collettore VCB.
Tensione del collettore VCB può influenzare la corrente del collettore ICsolo a basse tensioni, quando V EB è mantenuto costante.
La resistenza di ingresso ri è il rapporto tra la variazione della tensione di base dell'emettitore ($ \ Delta {V_ {EB}} $) e la variazione della corrente dell'emettitore ($ \ Delta {I_ {E}} $) a tensione di base del collettore costante VCB.
$$ \ eta \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {EB}}} {\ Delta {I_ {E}}} \: \: at \: constant \: V_ {CB} $$
Poiché la resistenza di ingresso è di valore molto basso, un piccolo valore di V EB è sufficiente per produrre un grande flusso di corrente di emettitoreIE.
La resistenza di uscita r o è il rapporto tra la variazione della tensione di base del collettore ($ \ Delta {V_ {CB}} $) e la variazione della corrente del collettore ($ \ Delta {I_ {C}} $) a corrente di emettitore costanteIE.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: l_ {E} $$
Poiché la resistenza di uscita è di valore molto alto, un grande cambiamento in VCB produce una variazione minima nella corrente del collettore IC.
Questa configurazione fornisce una buona stabilità contro l'aumento della temperatura.
La configurazione CB viene utilizzata per applicazioni ad alta frequenza.
Configurazione Common Emitter (CE)
Il nome stesso implica che il Emitterterminale è considerato come terminale comune sia per l'ingresso che per l'uscita del transistor. La connessione dell'emettitore comune per entrambi i transistor NPN e PNP è come mostrato nella figura seguente.
Proprio come nella configurazione CB, la giunzione dell'emettitore è polarizzata in avanti e la giunzione del collettore è polarizzata inversamente. Il flusso di elettroni è controllato nello stesso modo. La corrente di ingresso è la corrente di baseIB e la corrente di uscita è la corrente del collettore IC Qui.
Base Current Amplification factor (β)
Il rapporto tra la variazione della corrente del collettore ($ \ Delta {I_ {C}} $) e la variazione della corrente di base ($ \ Delta {I_ {B}} $) è noto come Base Current Amplification Factor. È indicato con β
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Relazione tra β e α
Proviamo a derivare la relazione tra il fattore di amplificazione della corrente di base e il fattore di amplificazione della corrente dell'emettitore.
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Possiamo scrivere
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dividendo per $$
$$ \ 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}} $$
abbiamo
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$
Perciò,
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$
Dall'equazione di cui sopra, è evidente che, quando α si avvicina a 1, β raggiunge l'infinito.
Quindi, the current gain in Common Emitter connection is very high. Questo è il motivo per cui questo collegamento del circuito viene utilizzato principalmente in tutte le applicazioni a transistor.
Espressione per la corrente del collettore
Nella configurazione Common Emitter, IB è la corrente di ingresso e IC è la corrente di uscita.
Sappiamo
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
E
$$ 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} $ $
Se il circuito di base è aperto, cioè se IB = 0,
Il collettore emettitore di corrente con base aperta è I CEO
$$ I_ {CEO} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$
Sostituendo il valore di this nell'equazione precedente, otteniamo
$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
Quindi si ottiene l'equazione per la corrente del collettore.
Tensione al ginocchio
In configurazione CE, mantenendo la corrente di base IB costante, se VCE è vario, IC aumenta quasi a 1v di VCEe rimane costante da allora in poi. Questo valore diVCE fino a quale corrente di collettore IC cambia con VCE si chiama Knee Voltage. I transistor mentre operano in configurazione CE, vengono azionati al di sopra di questa tensione di ginocchio.
Caratteristiche della configurazione CE
Questa configurazione fornisce un buon guadagno di corrente e guadagno di tensione.
Mantenere VCE costante, con un piccolo aumento di VBE la corrente di base IB aumenta rapidamente rispetto alle configurazioni CB.
Per qualsiasi valore di VCE tensione sopra il ginocchio, IC è approssimativamente uguale a βIB.
La resistenza di ingresso ri è il rapporto tra la variazione della tensione dell'emettitore di base ($ \ Delta {V_ {BE}} $) e la variazione della corrente di base ($ \ Delta {I_ {B}} $) a tensione costante dell'emettitore del collettore VCE.
$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: at \: constant \: V_ {CE} $$
Poiché la resistenza di ingresso è di valore molto basso, un piccolo valore di VBE è sufficiente per produrre un grande flusso di corrente di corrente di base IB.
La resistenza di uscita ro è il rapporto tra la variazione della tensione dell'emettitore del collettore ($ \ Delta {V_ {CE}} $) e la variazione della corrente del collettore ($ \ Delta {I_ {C}} $) alla costante IB.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: I_ {B} $$
Poiché la resistenza di uscita del circuito CE è inferiore a quella del circuito CB.
Questa configurazione viene solitamente utilizzata per metodi di stabilizzazione del bias e applicazioni di frequenze audio.
Configurazione Common Collector (CC)
Il nome stesso implica che il Collectorterminale è considerato come terminale comune sia per l'ingresso che per l'uscita del transistor. La connessione del collettore comune per entrambi i transistor NPN e PNP è come mostrato nella figura seguente.
Proprio come nelle configurazioni CB e CE, la giunzione dell'emettitore è polarizzata in avanti e la giunzione del collettore è polarizzata inversamente. Il flusso di elettroni è controllato nello stesso modo. La corrente di ingresso è la corrente di baseIB e la corrente di uscita è la corrente dell'emettitore IE Qui.
Current Amplification Factor (γ)
Il rapporto tra la variazione della corrente di emettitore ($ \ Delta {I_ {E}} $) e la variazione della corrente di base ($ \ Delta {I_ {B}} $) è noto come Current Amplification factornella configurazione Common Collector (CC). È indicato daγ.
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Il guadagno di corrente nella configurazione CC è lo stesso della configurazione CE.
Il guadagno di tensione nella configurazione CC è sempre inferiore a 1.
Relazione tra γ e α
Proviamo a tracciare una relazione tra γ e α
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Sostituendo il valore di I B , otteniamo
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dividendo per $ \ Delta I_ {E} $
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$
$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
Espressione per corrente di collettore
Sappiamo
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO}) $$
$$ I_ {E} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$
Quanto sopra è l'espressione per corrente del collettore.
Caratteristiche della configurazione CC
Questa configurazione fornisce guadagno di corrente ma nessun guadagno di tensione.
Nella configurazione CC, la resistenza di ingresso è alta e la resistenza di uscita è bassa.
Il guadagno di tensione fornito da questo circuito è inferiore a 1.
La somma della corrente del collettore e della corrente di base è uguale alla corrente dell'emettitore.
I segnali di ingresso e di uscita sono in fase.
Questa configurazione funziona come uscita dell'amplificatore non invertente.
Questo circuito viene utilizzato principalmente per l'adattamento dell'impedenza. Ciò significa pilotare un carico a bassa impedenza da una sorgente ad alta impedenza.