Базовая электроника - конфигурации транзисторов

Транзистор имеет 3 вывода: эмиттер, базу и коллектор. Используя эти 3 вывода, транзистор можно подключить в схему с одним общим выводом для входа и выхода в 3 различных возможных конфигурациях.

Три типа конфигураций: Common Base, Common Emitter и Common Collectorконфигурации. В любой конфигурации эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном.

Общая базовая конфигурация (CB)

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

Для понимания рассмотрим транзистор NPN в конфигурации CB. Когда на эмиттер подается напряжение, поскольку оно смещено в прямом направлении, электроны с отрицательного вывода отталкивают электроны эмиттера, и ток течет через эмиттер и базу к коллектору, внося вклад в ток коллектора. Напряжение коллектораV_CB остается неизменным на протяжении всего этого.

В конфигурации CB входным током является ток эмиттера. I_E а выходной ток - это ток коллектора I_C.

Current Amplification Factor (α)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta I_ {C} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta I_ {E} $) при напряжении коллектора V_CB остается постоянным, называется как Current amplification factor. Обозначается символом α.

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

Выражение для тока коллектора

Используя изложенную выше идею, давайте попробуем изобразить ток коллектора. Наряду с протекающим током эмиттера существует некоторая величина базового тока IB, который протекает через базовый вывод из-за рекомбинации электронных дырок. Поскольку переход коллектор-база имеет обратное смещение, возникает еще один ток, протекающий из-за неосновных носителей заряда. Это ток утечки, который можно понимать какI_leakage. Это связано с неосновными носителями заряда и, следовательно, очень маленькими.

Ток эмиттера, который достигает клеммы коллектора, равен

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

Полный ток коллектора

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

Если напряжение эмиттер-база V _EB = 0, даже в этом случае протекает небольшой ток утечки, который можно обозначить как I _CBO (ток коллектор-база при открытом выходе).

Следовательно, ток коллектора можно выразить как

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

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

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

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

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

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

Следовательно, полученное выше выражение для тока коллектора. Величина тока коллектора зависит от тока базы и тока утечки, а также от коэффициента усиления этого транзистора.

Характеристики конфигурации CB

Эта конфигурация обеспечивает усиление по напряжению, но без усиления по току.
Быть V_CBпостоянная, с небольшим увеличением напряжения эмиттер-база V _EB , ток эмиттераI_E увеличивается.
Ток эмиттера I_E не зависит от напряжения коллектора V_CB.
Напряжение коллектора V_CB может повлиять на ток коллектора I_Cтолько при низких напряжениях, когда V _EB поддерживается постоянным.
Входное сопротивление ri - это отношение изменения напряжения эмиттер-база ($ \ Delta {V_ {EB}} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) при постоянном напряжении базы коллектора. V_CB.

$$ \ eta \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {EB}}} {\ Delta {I_ {E}}} \: \: at \: constant \: V_ {CB} $$
Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, небольшого значения V _EB достаточно для создания большого тока, протекающего через ток эмиттера.I_E.
Выходное сопротивление r _o - это отношение изменения напряжения базы коллектора ($ \ Delta {V_ {CB}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянном токе эмиттера.I_E.

$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: l_ {E} $$
Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение V_CB производит очень небольшое изменение тока коллектора I_C.
Эта конфигурация обеспечивает хорошую устойчивость к повышению температуры.
Конфигурация CB используется для высокочастотных приложений.

Конфигурация общего эмиттера (CE)

Само название подразумевает, что Emitterклемма принимается как общая клемма как для входа, так и для выхода транзистора. Общее соединение эмиттера для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Как и в конфигурации CB, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном. Таким же образом регулируется и поток электронов. Входной ток - это базовый токI_B а выходной ток - это ток коллектора I_C Вот.

Base Current Amplification factor (β)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как Base Current Amplification Factor. Обозначается β

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

Связь между β и α

Попробуем найти связь между коэффициентом усиления тока базы и коэффициентом усиления тока эмиттера.

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

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

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

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

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

Мы можем написать

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

Делим 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,

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$

Из приведенного выше уравнения очевидно, что, когда α приближается к 1, β достигает бесконечности.

Следовательно, the current gain in Common Emitter connection is very high. Это причина того, что такое подключение схемы в основном используется во всех транзисторных приложениях.

Выражение для коллекторного тока

В конфигурации Common Emitter, I_B входной ток и I_C - выходной ток.

Мы знаем

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

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

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

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

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

Если цепь базы разомкнута, т. Е. Если I_B = 0,

Коллектор-эмиттер тока с открытой базой - _{генеральный директор}

$$ I_ {CEO} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, мы получаем

$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$

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

Таким образом получается уравнение для тока коллектора.

Колено напряжение

В конфигурации CE, поддерживая базовый ток I_B константа, если V_CE разнообразен, I_C увеличивается почти до 1v от V_CEи остается неизменным после этого. Это значениеV_CE до какой ток коллектора I_C меняется с V_CE называется Knee Voltage. Транзисторы, работая в конфигурации CE, работают с напряжением выше этого излома.

Характеристики конфигурации CE

Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление по току и напряжению.
Сохранение V_CE постоянная, с небольшим увеличением V_BE базовый ток I_B увеличивается быстрее, чем в конфигурациях CB.
Для любого значения V_CE напряжение выше колена, I_C примерно равно βI_B.
Входное сопротивление r_i представляет собой отношение изменения напряжения базы-эмиттера ($ \ Delta {V_ {BE}} $) к изменению тока базы ($ \ Delta {I_ {B}} $) при постоянном напряжении коллектора-эмиттера V_CE.

$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: at \: constant \: V_ {CE} $$
Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, небольшое значение V_BE достаточно, чтобы произвести большой текущий ток базы I_B.
Выходное сопротивление r_o это отношение изменения напряжения коллектора-эмиттера ($ \ Delta {V_ {CE}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянном I_B.

$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: I_ {B} $$
Поскольку выходное сопротивление цепи CE меньше, чем у цепи CB.
Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и приложений звуковой частоты.

Конфигурация общего коллектора (CC)

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

Как и в конфигурациях CB и CE, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном. Таким же образом регулируется и поток электронов. Входной ток - это базовый токI_B а выходной ток - это ток эмиттера I_E Вот.

Current Amplification Factor (γ)

Отношение изменения тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как Current Amplification factorв конфигурации с общим коллектором (CC). Обозначается онγ.

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

Текущее усиление в конфигурации CC такое же, как и в конфигурации CE.
Коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем установить связь между γ и α

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

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

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

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

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

Подставляя значение I _B , получаем

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

Деление на $ \ Delta I_ {E} $

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

$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$

$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$

Выражение для тока коллектора

Мы знаем

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

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

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

$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ альфа} $$

$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$

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.
Коэффициент усиления по напряжению, обеспечиваемый этой схемой, меньше 1.
Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.
Входные и выходные сигналы синфазны.
Эта конфигурация работает как неинвертирующий выход усилителя.
Эта схема в основном используется для согласования импеданса. Это означает, что нужно управлять нагрузкой с низким импедансом от источника с высоким сопротивлением.