Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n . Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Примерный вид структуры и обозначения на схемах биполярных транзисторов представлены на рис.3.1,а. Жирной чертой показаны невыпрямляющие контакты выводов; на рис.3.1,б даны обозначения n-p-n транзистора и p-n-p транзистора.

Рис. 3.1

Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n , так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Ниже будут рассматриваться в основном биполярные транзисторы типа n-p-n, однако выводы в основном справедливы и для биполярных транзисторов типа p-n-р , с той лишь разницей, что прямое и обратное напряжение у них имеют противоположный знак по сравнению с n-p-n .

Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p - n -переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n⁺ - эмиттер, n - коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Из-за большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней - дырок - здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора.

К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером. По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные.

Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй - бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие.

Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

а) активный режим - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное;

б) режим отсечки - на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);

в) режим насыщения - на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);

г) инверсный активный режим - напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном - прямое.

Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях. В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв (см.рис.3.2,а).

Рис. 3.2

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Говорят, что транзистор «стягивается в точку».

Более сложная картина токов в транзисторе наблюдается при разных полярностях напряжений на переходах, т.е. в активном режиме. Рис. 3.3 иллюстрирует принцип работы транзистора в активном режиме.

Здесь показаны области p - n -переходов и потоки электронов и дырок в результате взаимодействия переходов в активном режиме.

Рис. 3.3

Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае - электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки - в транзисторе типа p-n-р).

Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок, большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток I_К . В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы I_Б, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей - дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода.

Способы включения бипролярного транзистора

Биполярный транзистор, как управляемый прибор с тремя выводами, может быть описан двумя семействами вольтамперных характеристик (ВАХ): семейством входных ВАХ и семейством выходных ВАХ. Вид их определяется способом включения в схему транзистора, а именно: какой из трех выводов является общим с источниками питания и нагрузки.

Входными ВАХ транзистора являются зависимости входного тока транзистора от входного напряжения при заданном постоянном напряжении на выходе:

выходными ВАХ являются зависимости выходного тока от выходного напряжения при заданном постоянном входном токе (или, реже, напряжении):

.

Возможны три схемы включения (по числу выводов) биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис.3.4. представлены эти схемы включения транзистора вместе с полярностью источников питания, причем указанная полярность обеспечивает активный режим. Напряжения обычно отсчитываются относительно общего вывода транзистора.

Рис. 3.4.

В справочниках обычно даются семейства ВАХ транзисторов, включенных по схеме ОБ или ОЭ. Однако основные необходимые параметры транзистора можно рассчитать для остальных схем включения, зная их для какой-либо одной.

Отметим, что включение транзистора, например, отличным от ОБ способом, не отражает никаких новых физических эффектов в транзисторе. Кроме того, при расчетах схем с транзисторами на компьютерах с помощью моделирующих программ чаще всего вообще никак не учитывается способ включения. Программы используют математические модели транзистора, являющиеся едиными для всех схем включения. Однако, анализ характеристик и параметров различных схем включения часто облегчает понимание принципа работы схемы и получение некоторых предварительных результатов.

Расчета усилителя мощности типа ПП2.

Дано: P_Н = 15Вт; R_Н = 8Ом; U_ВХ = 2…2,5 В; диапазон рабочих частот

f = 40 Гц…16 кГц, режим работы - в классе В.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В эмиттерной цепи транзисторов оконечного каскада (VT7, VT8) включены стабилизирующие резисторы R₁₂= R_13.

C учётом этих резисторов напряжение одного источника питания (или суммы двух источников E = U_S1 + U_S2 при двуполярном питании) в режиме работы усилителя в классе В равно:

(1.1)

= 34 В

где о = 0,95-коэффициент использования напряжения источника питания,

Обычно принимают:

R₁₂ = R₁₃ = 0,05R_Н (1.2)

R₁₂ = R₁₃ = 0,05•8=0.4Ом

6

Окончательно принимаем стандартные значения напряжений U_S1 = U_S2

из ряда: 9; 12; 15; 20; 24; 30; 36 В. Принимаем U_S1 = U_S2=20 В.

Выбираем резисторы R₁₂ R₁₃ по ряду Е24.

РАСЧЁТ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЦЕПИ ТРАНЗИСТОРОВ (VT7, VT8) ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

Амплитудное и действующее значения напряжения на нагрузке:

U_{H m} = U_S1 / (1,1…1,2) U_{H m} = 20/ 1,1=18.1 В (2.1)

U_H = U_{H m} / v2 U_H = 18.1 / v2=12.8 (2.2)

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером

U_{KЭ max} ? Е U_{KЭ max} ? 34 В (2.3)

Максимальный ток коллектора

I_{K8 max} = U_{H m} / R_H I_{K8 max} = 18.1 / 8=2.3 А (2.4)

Постоянная составляющая тока коллектора

(2.5)

Мощность, потребляемая от источника питания

(2.6)

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора

 (2.7)

Для оконечного каскада выбираются транзисторы, с паспортными параметрами [8,9, 15], превышающими расчетные::

Р_{K max ПАСП} > Р_{K8 max}; I_{K max ПАСП} > I_{K8 max ;} U_{KЭ max ПАСП} > U_{KЭ max}

Выполнив данные условия принимаем транзистор КТ 817Б паспортные параметры которого равны: Р_{K max ПАСП} = 25Вт; I_{K max ПАСП} =3А; U_{KЭ max ПАСП} = 45 B;U_БЭ =5В. Дополнительные необходимые параметры транзистора h_21E = 25, ток базы отсечки Iб0=0.6 mA.

I_Б= I_К / h_21E

Ток коллекторов транзисторов VT7 и VT8 в режиме покоя:

; (2.8)

Токи базы оконечных транзисторов

, (2.9)

где, h_{21 E} - паспортное значение динамического коэффициента усиления выбранных транзисторов по току.

РАСЧЁТ ЦЕПЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ VT5 И VT6

Наибольший ток коллектора (рис.2)

I_{К5 max} = I_{К6 max} = I_{Б7 max} =124мА. (3.1)

Наибольшая рассеиваемая на коллекторе мощность:

,= 20 •0.037=0.75Bт (3.2)

где: I_{Б7 СР} = I_{K5 СР} = I_{Б7 max} /р = 0.124/3.14=0.037 A (3.3)

Наибольшее напряжение:

=20+18.1=38.1B (3.4)

Выбираем (комплементарные пары транзисторов),следующих типов:

КТ 807А (n-p-n), КТ216А (p-n-p)

с параметрами:

=10Вт =0.75Вт

= 100В =60В

= 0.5А = 10mA

h_21E = 20 h_21E=20

=4 В =30 В

Максимальный ток базы транзисторов VT5 и VT6

I_{Б5 max} = I_{К5 max} / h_21E I_{Б5 max} = 0.5 / 20 =0.025 A (3.5)

Ток базы покоя

I_{К5 Q} по паспортным данным транзистора = 1mkA.

I_{Б5 Q} = I_{К5 Q} / h_21E I_{Б5 Q} = 1 / 20=0.05mkA. (3.6)

Сопротивления резисторов R₁₀, R₁₁:

Считая I_{K5 СР} ? I_{Э5 СР ,} получим

, 151Ом (3.7)

где: U_R12 = I_{K7 СР *} R₁₂ . U_R12 = 1.46_*0.4=0.59 B (3.8)

Выбираем по ряду Е24, =150 Ом.

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПЕЙ СМЕЩЕНИЯ

Напряжение смещения:

= 19.1 В (4.1)

Иначе:

,

т.е.: R₆ /R₇ = (U_СМ/U_R6) - 1 R₆ /R₇ = (19.1/18.5) - 1 (4.2)

Откуда R6=97 Oм

Исходя из сказанного ниже по закону Ома U_R7 = 0.6 В.

Задаваясь током = (0,2…0,5) мА и принимая R₇ = 3 кОм, получим R₆ , в качестве которого выбираем подстроечный резистор с сопротивлением, большим расчетного, принимаем подстроечный резистор СП5 - 35А.

Выбираем резистор R₇ по ряду Е24

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ТРАНЗИСТОРА VT3

Наибольший ток коллектора транзистора VT3:

(5.1)

Наибольшая мощность, рассеиваемая на коллекторе

(5.2)

0.79 Вт

Напряжение

U_{КЭ max} = (U_S1 + U_СМ/2) U_{КЭ max} = (20 + 19.1/2)=29.55 В (5.3)

Выбираем транзистор типа, КТ911В, со следующими паспортными параметры:

, , ,

, 20.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ТРАНЗИСТОРА VT4.

Наибольший ток коллектора транзистора VT4

I_{К6 max} =124mA; h_21E =20.

I_{Б6 max} = I_{К6 max} / h_21E =124/20=6.2mA.

(6.1)

Наибольшая мощность, рассеиваемая на коллекторе:

(6.2)

Выбираем транзистор, например, КТ3102Д с паспортными параметрами:

, , ,

, 200.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

=3*0.025=0.075A

Расчет резисторов R₈, R₉

(7.1)

Oм

=210 Ом

- Выбираем резисторы по ряду Е24.

(7.2)

Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К10-47 А с номинальным напряжением 100В.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СТУПЕНИ УСИЛЕНИЯ

Подходящими для дифференциальной ступени (VT1, VT2) являются транзисторы с большим коэффициентом усиления (например, КТ3102Д). Параметры транзисторов:

, , ,

, 200.

При этом ток базы

I_Б1 = I_{K1 max}/h_21E I_Б1 = 100/200=0.5mA (8.1)

Напряжение на базах транзисторов VT1, VT2

U_Б1 = U_Б2 = - R₁* I_Б1 (8.2)

R1=4 Ом

Выбираем резистор R₁ по ряду Е24

I_Б3 = I_{K3 max}/h_21E = 0.075/20=3.8 mA (8.3)

РАСЧЕТ ОСТАВШИХСЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ СХЕМЫ

Сопротивления резисторов R₂, и R₃:

R₂ = U_{БЭ 3} / (I_К1 - I_Б3) R₂ = 3 / (4 -3.8 ) = 15 Oм (8.4)

Выбираем резистор R₂ по ряду Е24

R₃ = (U_Б1 - U_{БЭ 1} - U_S2) / (I_К1 + I_К2) . (8.5)

R₃ = (2 - 0.7 +20) / (0.1 + 0.1) = 100 Ом.

Выбираем резистор R₃ по ряду Е24

,

где k-коэффициент усиления предпоследней ступени.

=10 Ом (8.6)

Вибираем резистор R₅ =50Ом по ряду Е24

Вибираем резистор R₄ по ряду Е24

Определение емкости конденсаторов

, отсюда

Используя формулу ,

где и находим

(9.1)

Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К10-47 А с номинальным напряжением 100В.

, где отсюда

(9.2)

=2.8 мкФ

Выбираем конденсаторы по ряду Е24, типа К50-16 с номинальным напряжением 50В.

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ТИПА ПП2

 ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ТИПА ПП2

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Скаржепа В.А. ,Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. ч.1.Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/ Под общ. ред. А.А. щаКраснопрошиной.-К.: Ви шк., 1989.-431 с.

Гусев В.Г. , Гусев Ю.М. Электроника.Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш.шк., 1991.-622 с.

Алексенко А.Г. , Шагурин И.И. Микросхемотехника.-М.: Радио исвязь, 1990.-496с.

Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов.-М.: Высш.шк.,1982.-496 с.

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. В.А. Лабунцова.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-320 с.

Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.- К.: Вища шк., 1985.-400 с.

Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций.- СПб.6 КОРОНА принт, 1998.- 400 с.

Справочники

Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя.-К.: Наукова думка, 1988.

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С.Найвельт, К.Б.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др., Под ред.Г.С.Найвельта.-М.: Радио и связь, 1985.- 576 c.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство.- М.: 1983.

Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник.- М.: Радио и связь, 1990,-304 с.

Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учеб. Пособие.- М.: Высш. шк. 1989, -223 с.

Александров К.К., Кузьмина Е.Т. Электротехнические чертежи и схемы.-

М.:Энергоатомиздат, 1990.- 288 с.

Партала О.Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник.-К.: Радіоаматор, М.: КубК-а, 1998, -720 с.

Бирюков С.А. Применение интегральных микросхем серии ТТЛ.-М.: «Патриот», МП «Символ-Р», Радио,1992.-120 с.

Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах .- М.: Радио и связь, 1996.-196 с.