Podstawowa elektronika - konfiguracje tranzystorów
Tranzystor ma 3 zaciski, emiter, podstawę i kolektor. Korzystając z tych 3 zacisków, tranzystor można podłączyć do obwodu z jednym zaciskiem wspólnym dla wejścia i wyjścia w 3 różnych możliwych konfiguracjach.
Trzy typy konfiguracji to Common Base, Common Emitter i Common Collectorkonfiguracje. W każdej konfiguracji złącze emitera jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektora do tyłu.
Konfiguracja Common Base (CB)
Sama nazwa wskazuje, że zacisk Base jest traktowany jako zacisk wspólny zarówno dla wejścia, jak i wyjścia tranzystora. Połączenie wspólnej bazy dla tranzystorów NPN i PNP jest pokazane na poniższym rysunku.
Dla zrozumienia rozważmy tranzystor NPN w konfiguracji CB. Po przyłożeniu napięcia emitera, ponieważ jest ono spolaryzowane do przodu, elektrony z ujemnego zacisku odpychają elektrony emitera, a prąd przepływa przez emiter i podstawę do kolektora, dostarczając prąd kolektora. Napięcie kolektoraVCB jest stale utrzymywany.
W konfiguracji wyłącznika prądem wejściowym jest prąd emitera IE a prąd wyjściowy jest prądem kolektora IC.
Current Amplification Factor (α)
Stosunek zmiany prądu kolektora ($ \ Delta I_ {C} $) do zmiany prądu emitera ($ \ Delta I_ {E} $) przy napięciu kolektora VCB jest utrzymywana na stałym poziomie, nazywa się as Current amplification factor. Jest oznaczony przez α.
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: constant \: V_ {CB} $$
Wyrażenie dla prądu kolektora
Mając powyższy pomysł, spróbujmy narysować jakieś wyrażenie na prąd kolektora. Wraz z przepływającym prądem emitera istnieje pewna ilość prądu bazowego IB, który przepływa przez zacisk podstawowy w wyniku rekombinacji dziury elektronowej. Ponieważ połączenie kolektor-podstawa jest spolaryzowane odwrotnie, istnieje inny prąd, który płynie z powodu nośników ładunku mniejszościowego. Jest to prąd upływowy, który można rozumieć jakoIleakage. Wynika to z mniejszościowych nośników ładunku, a zatem bardzo małych.
Prąd emitera docierający do zacisku kolektora wynosi
$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$
Całkowity prąd kolektora
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {wyciek} $$
Jeżeli napięcie bazy nadajnika V EB = 0, nawet wtedy płynie niewielki prąd upływu, który można określić jako I CBO (prąd kolektora przy otwartym wyjściu).
Dlatego prąd kolektora można wyrazić jako
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {C} \: + \: I_ {B} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha (I_ {C} \: + \: I_ {B}) \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}} { 1 \: - \: \ alpha}) $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ alpha}) I_ {CBO} $$
Stąd powyższe wyprowadzone jest wyrażeniem na prąd kolektora. Wartość prądu kolektora zależy od prądu bazowego i prądu upływu oraz współczynnika wzmocnienia prądu używanego tranzystora.
Charakterystyka konfiguracji CB
Ta konfiguracja zapewnia wzmocnienie napięcia, ale brak wzmocnienia prądowego.
Istota VCBstały, z niewielkim wzrostem napięcia podstawy emitera V EB , prąd emiteraIE wzrasta.
Prąd emitera IE jest niezależne od napięcia kolektora VCB.
Napięcie kolektora VCB może wpływać na prąd kolektora ICtylko przy niskich napięciach, gdy V EB jest utrzymywane na stałym poziomie.
Rezystancja wejściowa ri to stosunek zmiany napięcia podstawy emitera ($ \ Delta {V_ {EB}} $) do zmiany prądu emitera ($ \ Delta {I_ {E}} $) przy stałym napięciu podstawy kolektora VCB.
$$ \ eta \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {EB}}} {\ Delta {I_ {E}}} \: \: at \: constant \: V_ {CB} $$
Ponieważ rezystancja wejściowa ma bardzo małą wartość, niewielka wartość V EB wystarczy do wytworzenia dużego przepływu prądu prądu emiteraIE.
Rezystancja wyjściowa r o jest stosunkiem zmiany napięcia podstawy kolektora ($ \ Delta {V_ {CB}} $) do zmiany prądu kolektora ($ \ Delta {I_ {C}} $) przy stałym prądzie emiteraIE.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: l_ {E} $$
Ponieważ rezystancja wyjściowa ma bardzo dużą wartość, duża zmiana VCB powoduje bardzo małą zmianę prądu kolektora IC.
Taka konfiguracja zapewnia dobrą stabilność przy wzroście temperatury.
Konfiguracja CB jest używana w aplikacjach o wysokiej częstotliwości.
Konfiguracja wspólnego emitera (CE)
Sama nazwa sugeruje, że Emitterzacisk jest traktowany jako zacisk wspólny dla wejścia i wyjścia tranzystora. Typowe połączenie emitera dla tranzystorów NPN i PNP pokazano na poniższym rysunku.
Podobnie jak w konfiguracji CB, złącze emitera jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektora jest spolaryzowane do tyłu. Przepływ elektronów jest kontrolowany w ten sam sposób. Prąd wejściowy to prąd bazowyIB a prąd wyjściowy jest prądem kolektora IC tutaj.
Base Current Amplification factor (β)
Stosunek zmiany prądu kolektora ($ \ Delta {I_ {C}} $) do zmiany prądu podstawowego ($ \ Delta {I_ {B}} $) jest znany jako Base Current Amplification Factor. Jest oznaczony przez β
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Zależność między β i α
Spróbujmy wyprowadzić zależność między współczynnikiem wzmocnienia prądu podstawowego a współczynnikiem wzmocnienia prądu emitera.
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Możemy pisać
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dzielenie przez $$
$$ \ 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}} $$
Mamy
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$
W związku z tym,
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$
Z powyższego równania jasno wynika, że gdy α zbliża się do 1, β osiąga nieskończoność.
W związku z tym, the current gain in Common Emitter connection is very high. Z tego powodu to połączenie obwodu jest najczęściej używane we wszystkich zastosowaniach tranzystorowych.
Wyrażenie dla prądu kolektora
W konfiguracji wspólnego emitera IB jest prądem wejściowym i IC jest prądem wyjściowym.
Wiemy
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
I
$$ 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} $ $
Jeśli obwód podstawowy jest otwarty, tj. Jeśli IB = 0,
Prąd kolektora-emitera przy otwartej podstawie to I CEO
$$ I_ {CEO} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$
Zastępując wartość tego w poprzednim równaniu, otrzymujemy
$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
Stąd otrzymujemy równanie na prąd kolektora.
Napięcie kolana
W konfiguracji CE, zachowując prąd podstawowy IB stała, jeśli VCE Jest zróżnicowana, IC wzrasta prawie do 1 v z VCEi od tego czasu pozostaje stały. Ta wartośćVCE do jakiego prądu kolektora IC zmienia się z VCE nazywa się Knee Voltage. Tranzystory podczas pracy w konfiguracji CE pracują powyżej tego napięcia kolanowego.
Charakterystyka konfiguracji CE
Taka konfiguracja zapewnia dobre wzmocnienie prądowe i napięciowe.
Konserwacja VCE stały, z niewielkim wzrostem VBE prąd bazy IB rośnie szybciej niż w konfiguracjach CB.
Dla dowolnej wartości VCE napięcie powyżej kolana, IC jest w przybliżeniu równa βIB.
Opór wejściowy ri jest stosunkiem zmiany napięcia bazowego emitera ($ \ Delta {V_ {BE}} $) do zmiany prądu podstawowego ($ \ Delta {I_ {B}} $) przy stałym napięciu kolektora na emiterze VCE.
$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: at \: constant \: V_ {CE} $$
Ponieważ rezystancja wejściowa ma bardzo małą wartość, mała wartość VBE wystarczy do wytworzenia dużego przepływu prądu podstawowego IB.
Opór wyjściowy ro jest stosunkiem zmiany napięcia kolektora nadajnika ($ \ Delta {V_ {CE}} $) do zmiany prądu kolektora ($ \ Delta {I_ {C}} $) przy stałej IB.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: I_ {B} $$
Ponieważ rezystancja wyjściowa obwodu CE jest mniejsza niż rezystancji obwodu CB.
Ta konfiguracja jest zwykle używana do metod stabilizacji polaryzacji i aplikacji częstotliwości dźwięku.
Konfiguracja wspólnego kolektora (CC)
Sama nazwa sugeruje, że Collectorzacisk jest traktowany jako zacisk wspólny dla wejścia i wyjścia tranzystora. Typowe połączenie kolektora dla tranzystorów NPN i PNP pokazano na poniższym rysunku.
Podobnie jak w konfiguracjach CB i CE, złącze emitera jest spolaryzowane do przodu, a złącze kolektora jest spolaryzowane do tyłu. Przepływ elektronów jest kontrolowany w ten sam sposób. Prąd wejściowy to prąd bazowyIB a prąd wyjściowy jest prądem emitera IE tutaj.
Current Amplification Factor (γ)
Stosunek zmiany prądu emitera ($ \ Delta {I_ {E}} $) do zmiany prądu podstawowego ($ \ Delta {I_ {B}} $) jest znany jako Current Amplification factorw konfiguracji wspólnego kolektora (CC). Jest oznaczonyγ.
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Wzmocnienie prądowe w konfiguracji CC jest takie samo jak w konfiguracji CE.
Wzmocnienie napięcia w konfiguracji CC jest zawsze mniejsze niż 1.
Zależność między γ i α
Spróbujmy narysować relację między γ i α
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Zastępując wartość I B , otrzymujemy
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dzielenie przez $ \ Delta I_ {E} $
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$
$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
Wyrażenie na prąd kolektora
Wiemy
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO}) $$
$$ I_ {E} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$
Powyższe jest wyrażeniem na prąd kolektora.
Charakterystyka konfiguracji CC
Ta konfiguracja zapewnia wzmocnienie prądu, ale brak wzmocnienia napięcia.
W konfiguracji CC rezystancja wejściowa jest wysoka, a wyjściowa niska.
Wzmocnienie napięcia zapewniane przez ten obwód jest mniejsze niż 1.
Suma prądu kolektora i prądu bazowego równa się prądowi emitera.
Sygnały wejściowe i wyjściowe są w fazie.
Ta konfiguracja działa jako nieodwracające wyjście wzmacniacza.
Ten obwód jest głównie używany do dopasowania impedancji. Oznacza to, że należy kierować obciążenie o niskiej impedancji ze źródła o wysokiej impedancji.