Рис. 1.111.
Глава 2
ТРАНЗИСТОРЫ
Введение
ПереводО.А. Соболевой
Транзистор — это один из основных «активных» компонентов. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал по мощности. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Отметим, что увеличение амплитуды сигнала не является в данном случае определяющим. Так, например, повышающий трансформатор — «пассивный» компонент, такой же, как резистор или конденсатор, обеспечивает усиление по напряжению, но не может усилить сигнал по мощности. Устройства, которые обладают свойством усиления по мощности, характеризуются способностью к генерации, обусловленной передачей выходного сигнала обратно на вход.
Изобретателей транзистора когда-то заинтересовала именно способность устройства усиливать сигнал по мощности. Для начала они соорудили с помощью транзистора усилитель звуковых частот для громкоговорителя и убедились, что на выходе сигнал больше, чем на входе.
Транзистор является неотъемлемой частью всякой электронной схемы, начиная от простейшего усилителя или генератора до сложнейшей цифровой вычислительной машины. Интегральные схемы (ИС), которые в основном заменили схемы, собранные из дискретных транзисторов, представляют собой совокупности транзисторов или других компонентов, построенные на едином кристалле полупроводникового материала.
Обязательно следует разобраться в том, как работает транзистор, даже если вам придется пользоваться в основном интегральными схемами. Дело в том, что, для того чтобы собрать электронное устройство из интегральных схем и подключить его к внешним цепям, необходимо знать входные и выходные характеристики каждой используемой ИС. Кроме того, транзистор служит основой построения межсоединений, как внутренних (между ИС), так и внешних. И наконец, иногда (и даже довольно часто) случается, что подходящей ИС промышленность не выпускает и приходится прибегать к схемам, собранным из дискретных компонентов. Как вы сами вскоре убедитесь, транзисторы сами по себе очень интересны, и ознакомление с их работой доставит вам удовольствие.
Мы будем рассматривать транзисторы совершенно не так, как авторы других книг. Обычно изучая транзистор, пользуются его эквивалентной схемой и h-параметрами. На наш взгляд, такой подход сложен и надуман. И дело не только в том, что, глядя на мудреные уравнения, вы едва ли поймете, как работает схема, скорее всего вы будете иметь смутное представление о параметрах транзистора, их значениях и самое главное диапазонах изменения.
Мы предлагаем вам другой подход. В этой главе мы построим простую модель транзистора и с ее помощью создадим несколько схем. Как только начнут проявляться ограничения модели, дополним ее с учетом уравнений Эберса-Молла. Полученная таким образом модель даст правильное представление о работе транзистора; с ее помощью вы сможете создавать самые хорошие схемы, не прибегая к большим расчетам. Кроме того, характеристики ваших схем не будут серьезно зависеть от таких неуправляемых параметров транзистора как, например, коэффициент усиления по току.
И наконец, несколько слов о принятых в инженерной практике условностях.
Напряжение на выводе транзистора, взятое по отношению к потенциалу земли, обозначается буквенным индексом (К, Б или Э): например, Uк- это напряжение на коллекторе. Напряжение между выводами обозначается двойным индексом, например, UБЭ - это напряжение между базой и эмиттером. Если индекс образован двумя одинаковыми буквами, то это — напряжение источника питания: UKK- это напряжение питания (обычно положительное) коллектора, UЭЭ — напряжение питания (обычно отрицательное) эмиттера.
2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока
Итак, начнем. Транзистор — это электронный прибор, имеющий три вывода (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Условные обозначения транзистора и маленькие транзисторные модули.
Различают транзисторы n-р-n- и p-n-p-типа. Транзисторы n-р-n-типа, подчиняются следующим правилам (для транзисторов р-n-р-типа, правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 2.2). Обычно диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор смещен в обратном направлении, т. е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через, него.
Рис. 2.2. Выводы транзистора с точки зрения омметра.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IK, IБ и UКЭ. За превышение этих значений приходится расплачиваться новым транзистором (типичные значения приведены в табл. 2.1).
Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности (IКЭUКЭ), температуры, UБЭ и др.
4. Если правила 1–3 соблюдены, то ток IК прямо пропорционален току IБ и можно записать следующее соотношение:
IK = h21ЭIБ = βIБ
где h21Э - коэффициент усиления по току (обозначаемый также β), обычно составляет около 100. Токи IK и IЭ втекают в эмиттер. Замечание: коллекторный ток не связан с прямой проводимостью диода база-коллектор; этот диод смещен в обратном направлении. Будем просто считать, что «транзистор так работает».
Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.
Запомните: параметр h21Э нельзя назвать «удобным»; для различных транзисторов одного и того же типа его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером, и температуры. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра h21Э.
Рассмотрим правило 2. Из него следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6–0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ = UЭ + 0,6 В (UБ = UЭ + UБЭ). Еще раз уточним, что полярности напряжений указаны для транзисторов n-р-n-типа, их следует изменить на противоположные для транзисторов р-n-р-типа.
Обращаем ваше внимание на то, что, как уже отмечалось, ток коллектора не связан с проводимостью диода. Дело в том, что обычно к диоду коллектор-база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость диода резко увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.