+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Трехточечные LC-генераторы

В конструкциях малогабаритных транзисторных радиопередающих устройств широкое распространение получили ВЧ-генераторы с трехточечным включением резонансного контура, то есть выполненных по схеме так называемой трехточки. Этот термин основан на применяемых при разработке таких устройств соответствующих схемотехнических решениях, для которых характерно подключение резонансного контура к активному элементу в трех точках.

Необходимо отметить, что в специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций транзисторных трехточечных LC-генераторов, которые представляют собой модификации основополагающих схемотехнических решений и лишь на первый взгляд имеют принципиально значимые отличия от классических схем. В связи с ограниченным объемом предлагаемой книги в данном разделе будут рассмотрены особенности построения и функционирования транзисторных трехточечных LC-генераторов, основу которых составляют лишь наиболее часто применяемые при создании миниатюрных радиопередатчиков схемотехнические решения.

В зависимости от схемы включения по высокой частоте активного элемента транзисторного ВЧ-генератора возможны три основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной трехточек: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором. Упрощенные принципиальные схемы транзисторных трехточечных LC-генераторов приведены на рис. 3.5. Особенностью данных схемотехнических решений является включение активного элемента (биполярный транзистор) по переменному току по схеме с общей базой.

Трехточечные LC-генераторы

Рис. 3.5. Упрощенные принципиальные схемы LC-генераторов с индуктивной (а) и емкостной (б) трехточками

В высокочастотном LC-генераторе, выполненном по индуктивной трехточечной схеме (рис. 3.5а), резонансный контур (селективный элемент) образован включенными последовательно катушками L1, L2 и подключенным параллельно им конденсатором С1. Этот контур включен в цепь выходного электрода активного элемента, то есть в цепь коллектора транзистора VT1. В процессе генерации сигнал обратной связи снимается с точки соединения катушек L1, L2 и подается в цепь эмиттера, который является входным электродом активного элемента. Таким образом, селективный элемент оказывается подключенным к транзистору в трех точках. На практике в индуктивных трехточечных генераторах вместо двух катушек применяется одна катушка с отводом, поэтому часто такую схему называют трехточкой по схеме Хартли.

В высокочастотном LC-генераторе, выполненном по емкостной трехточечной схеме (рис. 3.5б), резонансный контур образован включенными последовательно конденсаторами С1, С2 и подключенной параллельно им катушкой L1. Этот контур включен в цепь выходного электрода активного элемента, то есть в цепь коллектора транзистора VT1. В процессе генерации сигнал обратной связи снимается с точки соединения конденсаторов С1, С2, образующих так называемый емкостной делитель, и подается в цепь эмиттера, который является входным электродом активного элемента. Таким образом, в данном случае селективный элемент также подключен к транзистору в трех точках, но уже с помощью емкостного делителя. Впервые использовать емкостной делитель в цепи положительной обратной связи лампового LC-генератора предложил американский изобретатель Эдвин Колпитц (Edwin Colpitts) в 1919 году, поэтому часто такую схему называют трехточкой по схеме Колпитца.

Следует признать, что в миниатюрных транзисторных радиопередающих устройствах LC-генераторы, выполненные по индуктивной трехточечной схеме, применяются сравнительно редко. Поэтому далее будут рассмотрены схемотехнические решения LC-генераторов с емкостным делителем, выполненных по схеме емкостной трехточки. Принципиальная схема одного из вариантов генератора с емкостным делителем в цепи положительной обратной связи приведена на рис. 3.6.

Трехточечные LC-генераторы

Рис. 3.6. Принципиальная схема генератора с емкостным делителем (вариант 1)

В рассматриваемой конструкции транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивления резистора R1. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1.

Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном между коллектором и базой транзистора. Резонансный контур, образованный конденсаторами С2, С3, С4 и катушкой L1, включен на выходе активного элемента, то есть в коллекторной цепи транзистора VТ1. Снимаемое с емкостного делителя, образованного конденсаторами С3 и С4, напряжение подается во входную цепь активного элемента, а именно на эмиттер транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина указанного напряжения, и, соответственно глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.

Как и в других схемотехнических решениях подобных высокочастотных LC-генераторов, в данной схеме коллектор транзистора VT1 подключен непосредственно к нижнему по схеме выводу катушки L1. В этом случае глубина положительной обратной связи определяется лишь соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4. Однако часто коллектор транзистора подключается к отводу от соответствующего витка катушки L1. В этом случае глубина связи цепи ПОС с выхода активного элемента на его вход зависит и от выбора витка катушки, к которому подключается коллектор транзистора VT1.

Настройка контура при регулировке частоты генерируемых колебаний осуществляется преимущественно изменением индуктивности катушки L1 и конденсатора С2, поскольку изменение емкостей конденсаторов С3 и С4 приведет к изменению параметров цепи обратной связи. Помимо этого изменение индуктивности катушки при увеличении частоты колебаний повышает добротность резонансного контура. Затухание колебаний в резонансном контуре, инициированное высоким выходным сопротивлением транзистора VТ1, весьма незначительно.

Как уже отмечалось, зависимость стабильности частоты генерируемых колебаний от положения рабочей точки транзистора минимальна при его включении по переменному току по схеме с общей базой. Коллекторный ток мало зависит от напряжения между коллектором и базой транзистора. В данном случае транзистор работает в режиме практически со 100 % обратной связью, поэтому коэффициент усиления каскада по току почти равен единице. Это означает, что коллекторный ток почти равен току эмиттера, однако протекает в противоположном направлении. Помимо этого, в активном элементе ВЧ-генератора, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общей базой, не происходит поворот фазы выходного напряжения по отношению к входному напряжению. К тому же входное сопротивление такого каскада сравнительно мало и составляет обычно единицы или десятки ом, в то же время его выходное сопротивление на несколько порядков выше.

Принципиальная схема еще одного варианта генератора емкостным делителем приведена на рис. 3.7. Ее главное отличие от рассмотренного ранее схемотехнического решения заключается в ином подключении конденсатора С1, а также в изменении схемотехнического решения емкостного делителя в цепи обратной связи.

Трехточечные LC-генераторы

Рис. 3.7. Принципиальная схема генератора с емкостным делителем (вариант 2)

По постоянному току транзистор VТ1 в данной схеме включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величинами и соотношением сопротивлений делителя, в состав которого входят резисторы R1 и R2. Эти же резисторы совместно с резистором R3 образуют схему стабилизации положения рабочей точки. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1.

Высокочастотные колебания возникают в колебательном контуре, включенном между коллектором и базой транзистора. Резонансный контур, образованный конденсаторами С2, С3, С4 и катушкой L1, включен на выходе активного элемента, то есть в коллекторной цепи транзистора VТ1. При анализе данного схемотехнического решения не следует забывать о том, что верхний по схеме вывод катушки L1 подключен к источнику питания, который имеет такой же высокочастотный потенциал, как и шина корпуса, и, соответственно, как и база транзистора VТ1.

Снимаемое с резонансного контура напряжение через емкостной делитель, образованный конденсаторами С3 и С4, подается во входную цепь активного элемента, а именно на эмиттер транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью. Величина указанного напряжения, и, соответственно глубина обратной связи, определяется соотношением величин емкостей конденсаторов С3 и С4.

В малогабаритных транзисторных радиопередающих устройствах широкое распространение получили более сложные схемотехнические решения LC-генераторов с емкостным делителем. Принципиальная схема одного из вариантов такого ВЧ-генератора, который может формировать колебания на частотах ЧМ– и FM-диапазонов, приведена на рис. 3.8.

Трехточечные LC-генераторы

Рис. 3.8. Принципиальная схема LC-генератора с усовершенствованным емкостным делителем

В данном случае транзистор VТ1 по постоянному току включен также по схеме с общим эмиттером. Как и в рассмотренной ранее схеме, положение рабочей точки транзистора определяется величинами и соотношением сопротивлений делителя, в состав которого входят резисторы R1 и R2. Эти же резисторы совместно с резистором R3 образуют схему стабилизации положения рабочей точки. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1.

Высокочастотные колебания возникают в резонансном контуре, включенном по переменному току между коллектором и базой транзистора. Резонансный контур образован конденсаторами С2, С3, С4, С5 и катушкой L1, включен в коллекторную цепь транзистора VТ1. Снимаемое с емкостного делителя напряжение ОС подается во входную цепь активного элемента, а именно на эмиттер транзистора VТ1, в результате чего каскад оказывается охваченным положительной обратной связью.

В рассмотренных выше схемотехнических решениях трехточечных LC-генераторов транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общей базой. Однако при разработке миниатюрных транзисторных радиопередатчиков и радиомикрофонов широко используются схемы, в которых транзистор активного элемента по переменному току включен по схеме с общим коллектором.

В активном элементе высокочастотного генератора, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором, нагрузка подключена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Входное сопротивление такого каскада, часто называемого эмиттерным повторителем, в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току у эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. Необходимо отметить, что в схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Расчеты показывают, что практическая реализация LC-генератора по схеме емкостной трехточки при включении транзистора по переменному току по схеме с общим коллектором представляет определенные трудности вследствие сравнительно малой индуктивности катушки резонансного контура (до единиц нГн). Поэтому при разработке ВЧ-генераторов малогабаритных транзисторных радиопередающих устройств часто используется схемотехническое решение, основанное на замене катушки с малой индуктивностью последовательно включенными конденсатором и катушкой индуктивности. При этом на рабочей частоте комплексное сопротивление этого последовательного колебательного контура должно быть таким же, как и у катушки в классической схеме трехточки. Впервые использовать последовательный колебательный контур в LC-генераторе по схеме емкостной трехточки предложил в 1948 году американский изобретатель Джеймс Клапп (James Clapp), поэтому часто такую схему называют схемой Клаппа. Отличительной особенностью LC-генераторов, выполненных по схеме Клаппа, является сравнительно высокая стабильность частоты.

Принципиальная схема одного из вариантов LC-генератора, выполненного по схеме Клаппа на биполярном транзисторе, включенном по переменному току по схеме с общим коллектором, приведена на рис. 3.9.

Трехточечные LC-генераторы

Рис. 3.9. Принципиальная схема LC-генератора по схеме Клаппа

По постоянному току транзистор VТ1 в данной схеме включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки транзистора определяется величинами и соотношением сопротивлений делителя, в состав которого входят резисторы R1 и R2. Эти же резисторы совместно с резистором R3 образуют мостовую схему стабилизации положения рабочей точки. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором, поскольку по высокой частоте его коллектор заземлен через шунтирующий конденсатор С5.

Последовательный колебательный контур в данной схеме образован катушкой L1 и конденсатором С2. Параллельно этому контуру включены конденсаторы С3 и С4, образующие емкостной делитель. Коэффициент передачи цепи обратной связи или глубина обратной связи зависит как от величин емкостей указанных конденсаторов, так и от соотношения этих значений. Таким образом, селективный элемент включен между эмиттером (выход активного элемента) и базой (вход активного элемента) транзистора VТ1. Формируемый генератором сигнал синусоидальной формы снимается с эмиттера транзистора.

На частоте резонанса через последовательный контур протекает наибольший ток (ток резонанса). Если емкость конденсаторов С3 и С4 будет велика, то их реактивное сопротивление будет сравнительно мало. В результате падение напряжения на них, инициированное протекающим через эти конденсаторы током резонанса, также будет мало. В этом случае связь активного элемента с резонансным контуром минимальна, поскольку по высокой частоте цепочка конденсаторов С3 и С4 представляет собой практически короткозамкнутую цепь.

При уменьшении величин емкостей конденсаторов С3 и С4 падение напряжения на них возрастает, соответственно увеличивается связь между активным элементом и резонансным контуром. При определенном значении реактивного сопротивления конденсаторов связь между эмиттером транзистора VТ1 и его базой станет достаточной для того, чтобы каскад начал работать в режиме генерации высокочастотных колебаний.

Как уже отмечалось, в рассматриваемом генераторе транзистор VТ1 по переменному току включен по схеме с общим коллектором, для которой характерны большое входное и малое выходное сопротивления. Из схемы видно, что величина входного сопротивления каскада между резонансным контуром и цепью базы транзистора VТ1 определяется величиной емкости конденсатора С3. Величина выходного сопротивления между цепью эмиттера транзистора VТ1 и резонансным контуром, в свою очередь, определяется величиной емкости конденсатора С4.

Параметры данного генератора зависят не только от величин емкостей конденсаторов С3 и С4, но и от соотношения этих величин. Срыв генерации весьма вероятен при слишком большой емкости конденсатора С3, однако при ее уменьшении режим генерации восстанавливается. Поэтому в данной схеме для достижения стабильности работы в режиме генерации значениям емкостей конденсаторов С3 и С4 следует уделить особое внимание. На практике в радиолюбительских условиях величины емкостей конденсаторов С1 и С2, а также их соотношение рекомендуется подбирать экспериментально. Не следует забывать о том, что при замене резистора R3 дросселем (с целью снижения величины питающего напряжения) емкость конденсатора С4 следует увеличить так, чтобы уменьшить связь между цепью эмиттера транзистора VТ1 и резонансным контуром.

Естественно, стабильная работа генератора обеспечивается соответствующим режимом работы, определяемым правильным выбором положения рабочей точки транзистора активного элемента. Обычно для ее стабилизации используется мостовая схема, которую в данном случае образуют резисторы R1, R2 и R3.

В некоторых случаях между резонансным контуром и базой транзистора VТ1 включается конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Малое реактивное сопротивление этого конденсатора не влияет на частоту генерации. В то же время применение этого конденсатора обеспечивает отделение базы транзистора VТ1 от резонансного контура по постоянному току. В результате возможное короткое замыкание между обкладками конденсатора С2 не влияет на положение рабочей точки транзистора.

В рассматриваемой схеме значение резонансной частоты генератора определяется не только параметрами элементов, входящих в состав резонансного контура, но и параметрами реактивного сопротивления подключаемой к резонансному контуру нагрузки. В данном случае речь идет о транзисторе VТ1 и цепях его обвязки. Поэтому желательно добиваться минимального влияния цепей обратной связи на контур, а также выбирать транзистор с соответствующими параметрами.

Естественно, чем меньше глубина обратной связи, тем меньше влияние нагрузки на резонансный контур. Поэтому в процессе налаживания параметры элементов цепи обратной связи, определяющие коэффициент передачи цепи ПОС, следует выбирать так, чтобы при возможно минимальной глубине обратной связи генерация была устойчивой, в том числе и при неблагоприятных условиях работы транзистора. На практике величины емкостей конденсаторов С3 и С4 выбирают как можно большими, а емкость конденсатора С2 – как можно меньшей, то есть минимально необходимой для возникновения колебаний.

При перестройке резонансного контура с целью изменения рабочей частоты генератора изменяется и коэффициент передачи цепи обратной связи, зависящий от параметров конденсаторов С3 и С4. Например, с возрастанием резонансной частоты глубина обратной связи уменьшается, поскольку емкостное сопротивление этих конденсаторов уменьшается. В результате уменьшается и напряжение, необходимое для поддержки соответствующего уровня глубины ОС. Поэтому главным признаком качества созданной конструкции генератора является равномерное выходное напряжение во всем диапазоне перестраиваемых частот.

При выборе коэффициента передачи цепи ПОС особое внимание также следует обратить на форму генерируемого сигнала. Слишком глубокая обратная связь приведет к искажениям синусоидальной формы выходного сигнала, что, в свою очередь, является причиной появления нежелательных гармоник. Помимо этого на форму сигнала оказывает влияние и неудачный выбор рабочей точки транзистора VТ1. Не следует забывать о том, что транзистор следует выбирать с максимальным коэффициентом усиления и граничной частотой.

Рабочая частота рассматриваемого LC-генератора по схеме Клаппа составит около 100 МГц при использовании бескаркасной катушки L1, содержащей 7 витков провода диаметром 0,8 мм, которые наматываются на оправку диаметром 10 мм. Вместо переменного конденсатора С2 рекомендуется включить подстроечный конденсатор той же емкости. При напряжении питания 10 В коллекторный ток транзистора VT1 типа KF173 составляет примерно 5 мА. При использовании других высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать положение рабочей точки.

На форму выходного сигнала LC-генератора, выполненного по схеме Клаппа, значительное влияние оказывает и входное сопротивление последующего каскада. Даже его малая величина воздействует на резонансный контур как дополнительное реактивное сопротивление, поскольку даже незначительное увеличение тока на выходе транзистора VT1 приводит к увеличению тока на его выходе. В результате изменяется режим работы резонансного контура, что приводит к ухудшению его добротности. Поэтому подключать, например, умножитель частоты или усилительный каскад к выходу такого генератора непосредственно, без буферного каскада, не рекомендуется.

Генератор по схеме емкостной трёхточки – для новичков в радиоделе

Чтобы завершить разговор о приёмниках и передатчиках, рассмотрим одну схему, упоминание о которой вы можете встретить в литературе, посвящённой  радиотехнике Схему  называют емкостной трёхточкой Как и другие незнакомые термины, это название может привести к ситуации, когда, не имея возможности увидеть генерируемый сигнал, вы не сможете настроить передатчик, скажем, радиоуправляемой модели Причина может крыться в простой ошибке Но, чтобы увидеть её, нужно понимать, в чём суть работы такого генератора

Рис 1218 Генератор по схеме емкостной трёхточки

Индуктивность L1 – элемент обратной связи (параллельной, отрицательной) Колебательный контур образован всеми реактивными элементами А одно из условий возникновения колебаний

– равенство нулю алгебраической суммы реактивных сопротивлений L1, C1, C2 или XC1 + XC2 = XL1 Вы можете проверить это, если возникают проблемы Если заменить L1 конденсатором, а ёмкости индуктивностями, то схема будет называться индуктивной трёхточкой Три точки соединения реактивных элементов в эквивалентной схеме – выводы эмиттера, базы и коллектора – видимо, дали название схеме Если мы используем вместо суммы реактивных сопротивлений конденсаторов сопротивление эквивалентной ёмкости, то равенство сопротивлений… правильно, так мы находили резонансную частоту колебательного контура

Подробный рассказ об этом можно найти в статье Андреевской ТМ о принципах построения автогенераторов

И последнее Часто в схемах генераторов применяют кварцевый резонатор Кварцевый резонатор, как известно, имеет ёмкостный характер: пьезоэлемент находится между двумя пластинами Но взгляните на генератор с кварцевым резонатором, собранный по схеме с емкостной трёхточкой

Рис 1219 Генератор с кварцевым резонатором

На схеме кварцевый резонатор заменят индуктивность, если сравнивать генератор с предыдущим рисунком Как же так

Оказывается, что на частоте резонанса кварца, его проводимость носит индуктивный характер Прочитав о конструкции кварцевого резонатора, о том, что он очень похож на ёмкость, мы могли бы неверно истолковать смысл емкостной трёхточки Если бы не были уверены, что для работы генератора нужна индуктивность

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

15.5. Трехточечные схемы генераторов. 15. Автоколебательные цепи. Теория электрических цепей. Курс лекций

Индуктивная трехточка

Недостатком схем LC-генераторов с трансформаторной обратной связью является наличие двух индуктивно связанных катушек. Поэтому на практике чаще используют схемы -генераторов с автотрансформаторной ОС, в которых напряжение ОС снимается с части колебательного контура. Такая схема изображена на рис. 15.14, а. Она известна также под названием схемы индуктивной трехточки.

Элементы С, L1 и L2 образуют колебательный контур; резистор RБ является элементом цепи автоматического смещения, через который протекает постоянная составляющая тока базы; конденсатор СБ предотвращает попадание напряжения питания Uпит на базу и влияет на постоянную времени цепи автосмещения. На рис. 15.14, б приведена эквивалентная схема индуктивной трехточки по переменному току, т. е. цепи питания и смещения на рисунке не показаны.

Обычно полагают, что входное сопротивление транзистора настолько велико, что током базы можно пренебречь. В этом случае, как видно из рис. 15.14, б, элементы С, L1 и L2, образуют трехэлементный реактивный двухполюсник, в котором сначала происходит резонанс токов, а затем резонанс напряжений в контуре СL2. Частотные характеристики реактивного и полного сопротивлений колебательного контура показаны на рис. 15.15, а и б.

Генерация колебаний происходит на частоте резонанса токов

Сопротивление контура на этой частоте является чисто резистивным и принимает максимальное значение, равное 1/ G.

Цепью ОС в этой схеме служит делитель напряжения, образованный емкостью С и индуктивностью L2. Действительно, напряжение, снимаемое с выхода усилительного элемента (транзистора), приложено к колебательному контуру или, что то же, к ветви CL2. Напряжение ОС снимается с индуктивности L2 и подается на вход усилительного элемента. Усилительный каскад на одном транзисторе поворачивает фазу сигнала на 180° . Для соблюдения баланса фаз цепь обратной связи также должна вносить фазовый сдвиг 180° . Это и происходит в действительности. Ток в ветви CL2 из-за емкостного характера ее сопротивления опережает напряжение на контуре uк(t) на 90° . В свою очередь, напряжение uос(t) на индуктивности L2 опережает этот ток еще на 90° . Таким образом, сдвиг фаз между напряжениями uк(t) и uос(t) составляет 180° .

Перейдем к анализу работы генератора. Для определения условий самовозбуждения составим характеристическое уравнение генератора:

Передаточная функция усилителя, как и в случае LC-генератора с трансформаторной обратной связью, равна

где Zк(p) – операторное сопротивление контура:

После несложных преобразований выражения для Zк(p) и подстановки его в (15.18) получим

Передаточная функция цепи ОС имеет вид

Запишем передаточную функцию цепи с разомкнутой ОС

Теперь легко получить характеристическое уравнение. С учетом (15.17) имеем

Заметим попутно, что данному характеристическому уравнению соответствует дифференциальное уравнение генератора – индуктивной трехточки

Для анализа устойчивости воспользуемся критерием Рауса— Гурвица и составим определитель Гурвица (см. гл. 14):

Цепь будет неустойчивой и в генераторе произойдет самовозбуждение, если хотя бы один минор этого определителя является отрицательным, например,

Раскрывая определитель, получаем

или

Отсюда условие самовозбуждения имеет вид

Для анализа работы генератора в частотной области необходимо использовать соотношения баланса амплитуд и баланса фаз

Поскольку на частоте генерации w г сопротивления контура Zк(w ) = 1/ G, комплексная передаточная функция усилителя принимает в соответствии с (15.18) простой вид

Комплексная передаточная функция цепи ОС

после подстановки значения частоты генерации она будет иметь вид

В режиме самовозбуждения, т. е. когда

имеем:

что совпадает с выражением (15.20).

Для стационарного режима, когда выполняется баланс амплитуд

можно определить стационарное значение средней крутизны:

Из анализа выражений Hу(jw г) и Hос(jw г) видно, что j у(w г) + + j ос(w г) = 2p , т. е. баланс фаз выполняется.

Емкостная трехточка

Если в предыдущей схеме использовать реактивный двухполюсник с обратной частотной зависимостью сопротивления, то полученная схема будет называться емкостной трехточкой (рис. 15.16). Генерация колебаний в этой схеме будет происходить на частоте резонанса токов

когда сопротивление колебательного контура будет активным Zк(w )= 1/ G и максимальным по величине.

Анализ данной схемы практически ничем не отличается от анализа индуктивной трехточки. Для иллюстрации проведем анализ в частотной области. Исследование характеристического уравнения генератора предлагаем провести самостоятельно.

Комплексная передаточная функция усилителя на частоте генерации была получена ранее:

Цепь обратной связи представляет собой делитель напряжения, образованный индуктивностью L и емкостью С2. Комплексная передаточная функция цепи обратной связи

на частоте генерации w г принимает вид

Из неравенства определим условия самовозбуждения емкостной трехточки

Из баланса амплитуд определяется стационарное значение средней крутизны

Генератор «емкостная трехточка»

Министерство науки и образования РФ

    • Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра КТРС

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Схемотехника электронных  средств»

 

 

Генератор «емкостная трехточка»

      

 

 

        

    • Факультет:    

Группа

Студентка:

Преподаватель

Отметка о защите:

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2006г

   Содержание                         

 

1. Введение………………………………………………………………………4

2. Исходные данные……………………………………………………………..7

3. Обоснование выбора схемы………………………………………………….8

4. Схема генератора……………………………………….……………………..9

5. Описание работы схемы………………………………………………………9

6. Расчет элементов схемы…………………………………………………..…10

7. Расчет параметров колебательного  контура………………………………..13

8. Расчет сопротивлений делителя……………………………………………..14

9. Расчет блокировочных и разделительных  емкостей……………………….15

10. Проверка правильности выбора  транзистора по обеспечению fv…………16

10. Заключение…………………………………………………………………..18

11. Список используемой литературы…………………………………………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

  1. Генераторы – общие сведения:

В электронных устройствах различают  два принципиально разных режима работы: вынужденный и автоколебательный режимы работы.

В устройствах,  работающих в вынужденном  режиме работы, колебания в выходных цепях наблюдаются только при  наличии колебаний на входах или  переменных возмущений на входе. В устройствах, работающих в автоколебательном режиме колебания на выходе возникают без каких-либо внешних возмущений. Последнее электронное устройство – генераторы с самовозбуждением (автогенераторы, генераторы).

Автогенераторами (АГ) называют электронные  цепи, формирующие напряжение (ток) требуемой формы.  Часто в активных радиотехнических цепях возникают периодические автоколебания. Так принято называть колебательные процессы, существующие без внешнего периодического воздействия. Устройства, генерирующие автоколебания, называют автоколебательными системами, или автогенераторами.

Любой АГ представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию  питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения АГ должен иметь источник питания, усилитель  и цепь обратной связи.

В зависимости от формы выходных колебаний различают генераторы гармонические и релаксационные. Первые широко используются в радиотехнических  и измерительных устройствах, а вторые, главным образом, в импульсной и цифровой технике. Основной узел в автогенераторе – это колебательная система, а поскольку в ней всегда имеются потери, то вторым узлом обязательно является источник энергии, который пополняет запас энергии  колебательной системы. Однако, непосредственное подключение источника энергии к колебательной системе не приводит к возникновению незатухающих колебаний, энергию в колебательную систему необходимо подавать порциями, т.е. для этого необходимо еще одно устройство – регулятор, который управляет поступлениями энергии в колебательную систему, причем синхронно с колебаниями в колебательной системе. В качестве регуляторов принимаются различные устройства, начиная от ламп и транзисторов и до устройств типа ОУ.

Трехточечные автогенераторы:

  На практике вместо автогенераторов с трансформаторной связью чаще используют так называемые автогенераторы – трехточки, в которых напряжение ОС снимается с части колебательного контура.

  Наличие резистора R учитывает все виды потерь в системе – неидеальность реактивных элементов, конечное (хотя и достаточно большое) выходное сопротивление электронного прибора, а также влияние внешних цепей (нагрузок).

  Другим вариантом схемы трехточечного  АГ является так называемая  емкостная трехточка, в которой  напряжение ОС снимается с  емкостного делителя, образованного  конденсаторами С1 и С2.

  В  момент запуска в колебательной  цепи АГ возникают свободные  колебания, обусловленные включением  источников питания, замыканием  цепей, электрическими флуктуациями  и т. д. Благодаря положительной  обратной связи эти первоначальные  колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала, усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель передает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность устройства (кривизна ВАХ усилительного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом энергия, отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это же время в нагрузке.  

  1. Баланс амплитуд. Баланс фаз.

  Усилитель усиливает входное напряжение  uвх  в К раз. При этом между входным напряжением  uвх  и выходным  uвых  возникает фазовый сдвиг jк. К выходу усилителя подключены нагрузочный резистор  R  и цепь частотно – зависимой обратной связи – в данном случае колебательный LC-контур. Комплексная амплитуда на выходе цепи обратной связи  Uос = Kос × Uвых, а фазовый сдвиг между Uос и Uвых равен jос.

Условием генерации замкнутой  схемы является равенство выходного  напряжения цепи обратной связи  Uос и напряжения на входе усилителя:

Uвх = Uос = Kос × Uвых = Kос × K × Uвх. Петлевой коэффициент усиления должен, таким образом, равняться

çH ç = ç Kос × K ç = 1.

Из этого соотношения вытекают два условия:

  1. баланса амплитуд H  =  Kос × K  = 1, из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице. Условие баланса амплитуд заключается в том, что генератор может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в нагрузке и цепи обратной связи.
  2. баланса фаз  jК + jос = 0, 2p, …Условие баланса фаз означает, что автоколебания в замкнутой системе могут возбудиться только тогда, когда фаза выходного напряжения цепи обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают. Из данного условия следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2p. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний wг .

 

 

 

  1. Автогенераторы со стабилизацией частоты.

  Генераторы LC-типа. Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особенно это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются большими.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исходные данные

Источник питания  Eп=12В

Сопротивление нагрузки Rн=5кОм

Центральная частота f 0 =100кГц

Добротность Qá40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обоснование выбора  схемы

Основой LC генератора является параллельный LC контур. Он обычно включается в цепь коллектора и на резонансной частоте представляет собой активное сопротивление. Контур в коллекторе представляет собой емкостную трехточку, в котором выходное напряжение формируется на конденсаторе C1, а напряжение обратной связи – на конденсаторе С2. Отношение этих напряжений представляет собой коэффициент передачи цепи ОС.

Сопротивление эмиттера садим  на землю по переменному току с  помощью блокировочной емкости  Се. Конденсатор Ср2 препятствует протеканию постоянной составляющей тока в нагрузку, а Ср1 согласуется с колебательным контуром.

Резисторы  R1 и R2  образуют делитель, который обеспечивает смещение транзистора по постоянному току.

В цепь коллектора ставим не сопротивление, а ВЧ дроссель, который для колебаний представляет собой большое сопротивление, и закоротку для постоянного тока. Применение дросселя объясняется тем, что он в отличие от  активного сопротивления не вносит затухания в контур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Схема генератора емкостная трехточка:

 

 

5. Описание работы  схемы

Выбранная схема генератора построена  на транзисторе VT, включенного по схеме общий эмиттер. Транзистор работает в режиме А. Резисторы делителя R1 и R2 задают начальную рабочую точку по постоянному току. Резистор Re1 «садим» на землю через емкость Ce по переменному току, чтобы не потерять в усилении. Таким образом, стабилизируем рабочую точку с помощью заведения обратной связи на Re1.  Контур Lк, С1, С2 настроен на частоту колебаний, на ней выполняется баланс фаз. Конденсатор Ср препятствует протеканию постоянной составляющей тока в нагрузку. Сопротивление нагрузки Rн берется как оптимальное. Можно включить и другое Rн, отличающееся от рассчитанного оптимального значения, но тогда нужно использовать цепь согласования автогенератора с нагрузкой. Конденсатор Сe замыкает переменную составляющую на землю. Резисторы R1 и R2  образуют делитель, который обеспечивает смещение транзистора по постоянному току. Конденсатор Ср предотвращает протекание постоянного тока в базу, устраняет обратную связь по постоянному току.

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет элементов  схемы

Рассчитаем электрическую схему  генератора, для этого выбираем транзистор.

Критерий выбора транзистора:

1. транзистор должен быть хотя  бы на пару порядков выше  по собственной частоте, чем fв в полосе пропускания Δf;

2. граничное напряжение должно  быть выше напряжения питания.

Поскольку сопротивление нагрузки велико, необходим маломощный транзистор.

Для данного случая подходит n-p-n транзистор КТ315A, со следующими параметрами:

— статистический коэффициент передачи  тока β=50

— граничная частота fгр=250 МГц

— постоянная рассеиваемая мощность  Pmax=150мВт

— емкость коллекторного перехода  Ск=7пФ

— граничное напряжение Umax=15В

— внутреннее базовое сопротивление  rб=120Ом (рассчитано по входным характеристикам).

Так как нам не задан размах выходного  напряжения, то возьмем его произвольным ±2В. Тогда расставим потенциалы на схеме.

Возьмем потенциал точки (a) равным половине напряжения питания, т.е. равным 6V. Учтем выходной сигнал, и останется 4V. Для того чтобы транзистор не зашел в режим насыщения, на базо-коллекторном переходе оставим 2V. Тогда потенциал в точке (b) становится равным 2V. На базо-эмиттерном переходе оставляем 1V, чтобы отсечь нелинейную часть входной характеристики транзистора (т.е. чтобы не работать в нелинейной области). Таким образом, получим потенциал точки (c) равным 1V.

 

 

Определение рабочей точки

В паспорте на транзистор заданы выходные характеристики, по которым и определим  положение рабочей точки.

Первым шагом в определении  рабочей точки будет построение линии максимально допустимой мощности:

 

 

Но так как у нас Ik0=2,4мА, то линия максимально допустимой мощности будет находиться за пределами графика выходных характеристик.

 

Далее строим линию нагрузки:

отмечаем два значения

    

Рис.1 Семейство выходных характеристик  КТ315А

 

 


Из графика получаем значение

Ток базы рассчитаем как 

 

 

 

По входным характеристикам  определим напряжение:

 Рис.2 Входные характеристики КТ315А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем параметры колебательного контура

Для возбуждения этого генератора на заданной частоте, требуется , чтобы  коэффициент усиления удовлетворял условию баланса амплитуд:

Контур в коллекторе представляет собой емкостную трехточку, в  котором выходное напряжение формируется  на конденсаторе С1, а напряжение обратной связи – на конденсаторе С2. Отношение  этих напряжений представляет собой  коэффициент передачи цепи ОС, т.е.

Схемы генераторов высокой частоты

Предлагаемые генераторы высокой частоты предназначены для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков кГц до десятков и даже сотен МГц. Такие генераторы, как правило, выполняют с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами. Принципиально схемы от этого существенно не изменяются, поэтому ниже будут рассмотрены LC-генераторы высокой частоты. Отметим, что в случае необходимости колебательные контуры в некоторых схемах генераторов (см., например, рис. 12.4, 12.5) могут быть без проблем заменены кварцевыми резонаторами.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.1

Генераторы высокой частоты (рис. 12.1, 12.2) выполнены по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки». Они различаются наличием эмиттерной RC-цепочки, задающей режим работы транзистора (рис. 12.2) по постоянному току. Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности (рис. 12.1, 12.2) делают отвод (обычно от ее 1/3… 1/5 части, считая от заземленного вывода). Нестабильность работы генераторов высокой частоты на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур. При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации «плавает». Для ослабления влияния транзистора на рабочую частоту генерации следует максимально ослабить связь колебательного контура с транзистором, до минимума уменьшив переходные емкости. Кроме того, на частоту генерации заметно влияет и изменение сопротивления нагрузки. Поэтому крайне необходимо между генератором и сопротивлением нагрузки включить эмиттерный (истоковый) повторитель.

Для питания генераторов следует использовать стабильные источники питания с малыми пульсациями напряжения.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.2

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.3

Генераторы, выполненные на полевых транзисторах (рис. 12.3), обладают лучшими характеристиками.

Генераторы высокой частоты, собранные по схеме «емкостной трехточки» на биполярном и полевом транзисторах, показаны на рис. 12.4 и 12.5. Принципиально по своим характеристикам схемы «индуктивной» и «емкостной» трехточек не отличаются, однако в схеме «емкостной трехточки» не нужно делать лишний вывод у катушки индуктивности.

Во многих схемах генераторов (рис. 12.1 — 12.5 и другие схемы) выходной сигнал может сниматься непосредственно с колебательного контура через конденсатор небольшой емкости или через согласующую катушку индуктивной связи, а также с неза-земленных по переменному току электродов активного элемента (транзистора). При этом следует учитывать, что дополнительная нагрузка колебательного контура меняет его характеристики и рабочую частоту. Иногда это свойство используют «во благо» — для целей измерения различных физико-химических величин, контроля технологических параметров.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.4

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.5

На рис. 12.6 показана схема несколько видоизмененного варианта ВЧ генератора — «емкостной трехточки». Глубину положительной обратной связи и оптимальные условия для возбуждения генератора подбирают с помощью емкостных элементов схемы.

Схема генератора, показанная на рис. 12.7, работоспособна в широком диапазоне значений индуктивности катушки колебательного контура (от 200 мкГн до 2 Гн) [Р 7/90-68]. Такой генератор можно использовать в качестве широкодиапазонного высокочастотного генератора сигналов или в качестве измерительного преобразователя электрических и неэлектрических величин в частоту, а также в схеме измерения индуктивностей.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.6

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.7

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.8

Генераторы на активных элементах с N-образной ВАХ (туннельные диоды, лямбда-диоды и их аналоги) содержат обычно источник тока, активный элемент и частотозадающий элемент (LC-контур) с параллельным или последовательным включением. На рис. 12.8 показана схема ВЧ генератора на элементе с лям-бдаобразной вольт-амперной характеристикой. Управление его частотой осуществляется за счет изменения динамической емкости транзисторов при изменении протекающего через них тока.

Светодиод НИ стабилизирует рабочую точку и индицирует включенное состояние генератора.

Генератор на аналоге лямбда-диода, выполненный на полевых транзисторах, и со стабилизацией рабочей точки аналогом стабилитрона — светодиодом, показан на рис. 12.9. Устройство работает до частоты 1 МГц и выше при использовании указанных на схеме транзисторов.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.9

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.10

На рис. 12.10 в порядке сопоставления схем по степени их сложности приведена практическая схема ВЧ генератора на туннельном диоде. В качестве полупроводникового низковольтного стабилизатора напряжения использован прямосме-щенный переход высокочастотного германиевого диода. Этот генератор потенциально способен работать в области наиболее высоких частот — до нескольких ГГц.

Высокочастотный , по схеме очень напоминающий рис. 12.7, но выполненный с использованием полевого транзистора, показан на рис. 12.11 [Рл 7/97-34].

Прототипом RC-генератора, показанного на рис. 11.18 является схема генератора на рис. 12.12 [F 9/71-171; 3/85-131].

Этот генератор отличает высокая стабильность частоты, способность работать в широком диапазоне изменения параметров частотозадающих элементов. Для снижения влияния нагрузки на рабочую частоту генератора в схему введен дополнительный каскад — эмиттерный повторитель, выполненный на биполярном транзисторе VT3. Генератор способен работать до частот свыше 150 МГц.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.11

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.12

Из числа всевозможных схем генераторов особо следует выделить генераторы с ударным возбуждением. Их работа основана на периодическом возбуждении колебательного контура (либо иного резонирующего элемента) мощным коротким импульсом тока. В результате «электронного удара» в возбужденном таким образом колебательном контуре возникают постепенно затухающие по амплитуде периодические колебания синусоидальной формы. Затухание колебаний по амплитуде обусловлено необратимыми потерями энергии в колебательном контуре. Скорость затухания колебаний определяется добротностью (качеством) колебательного контура. Выходной высокочастотный сигнал будет стабилен по амплитуде, если импульсы возбуждения следуют с высокой частотой. Этот тип генераторов является наиболее древним в ряду рассматриваемых и известен с XIX века.

Практическая схема генератора высокочастотных колебаний ударного возбуждения показана на рис. 12.13 [Р 9/76-52; 3/77-53]. Импульсы ударного возбуждения подаются на колебательный контур L1C1 через диод VD1 от низкочастотного генератора, например, мультивибратора, или иного генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), рассмотренных ранее в главах 7 и 8. Большим преимуществом генераторов ударного возбуждения является то, что они работают с использованием колебательных контуров практически любого вида и любой резонансной частоты.

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.13

 

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.14

Еще один вид генераторов — генераторы шума, схемы которых показаны на рис. 12.14 и 12.15.

Такие генераторы широко используют для настройки различных радиоэлектронных схем. Генерируемые такими устройствами сигналы занимают исключительно широкую полосу частот — от единиц Гц до сотен МГц. Для генерации шума используют обратносмещенные переходы полупроводниковых приборов, работающих в граничных условиях лавинного пробоя. Для этого могут быть использованы переходы транзисторов (рис. 12.14) [Рл 2/98-37] или стабилитроны (рис. 12.15) [Р 1/69-37]. Чтобы настроить режим, при котором напряжение генерируемых шумов максимально, регулируют рабочий ток через активный элемент (рис. 12.15).

Схемы генераторов высокой частоты

Рис. 12.15

Отметим, что для генерации шума можно использовать и резисторы, совмещенные с многокаскадными усилителями низкой частоты, сверхрегенеративные приемники и др. элементы. Для получения максимальной амплитуды шумового напряжения необходим, как правило, индивидуальный подбор наиболее шумящего элемента.

Для того чтобы создать узкополосные генераторы шума, на выходе схемы генератора может быть включен LC- или RC-фильтр.


Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

РадиоКот :: Генераторы ВЧ

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Жучки, передатчики и приемники: что о них надо знать >

Генераторы ВЧ

Итак, самый главный блок любого передатчика – это генератор. От того, насколько стабильно и точно работает генератор, зависит, сможет ли кто-то поймать переданный сигнал и нормально его принимать.

В нашем ненаглядном Интернете валяется просто уйма различных схем жучков, в которых используются различные генераторы. Сейчас мы немного классифицируем эту уйму.

Номиналы деталей всех приведенных схем рассчитаны с учетом того, что рабочая частота схемы составляет 60…110 МГц (то есть, перекрывает наш любимый УКВ-диапазон).

«Классика жанра».

Транзистор включен по схеме с общей базой. Резисторный делитель напряжения R1- R2 создает на базе смещение рабочей точки. Конденсатор C3 шунтирует R2 по высокой частоте.

R3 включен в эмиттерную цепь для ограничения тока протекающего через транзистор.

Конденсатор C1 и катушка L1 образуют частотозадающий колебательный контур.

Кондер C2 обеспечивает положительную обратную связь (ПОС), необходимую для генерации.

Механизм генерации

Упрощенно схему можно представить так:

Вместо транзистора мы ставим некий «элемент с отрицательным сопротивлением». По сути – усилительный элемент. То есть, ток на его выходе больше, чем ток на входе (так вот хитро).

К входу этого элемента подключен колебательный контур. С выхода элемента на этот же колебательный контур подана обратная связь (через кондер C2). Таким образом, когда на входе элемента ток увеличивается (происходит перезарядка контурного конденсатора), увеличивается ток и на выходе. Через обратную связь, он подается обратно на колебательный контур – происходит «подпитка». В результате, в контуре устаканиваются незатухающие колебания.

Все оказалось проще пареной репы (как всегда).

Разновидности

В безбрежном инете можно еще встретить такую реализацию этого же генератора:

Схема называется «емкостная трехточка». Принцип работы – тот же.

Во всех этих схемах сгенерированный сигнал можно снимать либо непосредственно с коллектора VT 1, либо использовать для этого катушку связи, связанную с контурной катушкой.

Индуктивная трехточка.

Эту схему выбираю я, и советую вам.

R1 – ограничивает ток генератора,

R2 – задает смещение базы,

C1, L1 – колебательный контур,

C2 – кондер ПОС

Катушка L1 имеет отвод, к которому подключен эмиттер транзистора. Этот отвод должен быть расположен не ровно посередине, а ближе к «холодному» концу катушки (то есть тому, который соединен с проводом питания). Кроме того, можно вообще не делать отвод, а намотать дополнительную катушку, то есть – сделать трансформатор:

Эти схемы идентичны.

Механизм генерации:

Для понимания того, как работает такой генератор, давайте рассмотрим именно вторую схему. При этом, левая (по схеме) обмотка будет вторичной, правая – первичной.

Когда на верхней обкладке C1 увеличивается напряжение (то есть, ток во вторичной обмотке течет «вверх»), то на базу транзистора через конденсатор обратной связи C2 подается открывающий импульс. Это приводит к тому, что транзистор подает на первичную обмотку ток, этот ток вызывает увеличение тока во вторичной обмотке. Происходит подпитка энергией. В-общем – то, все тоже довольно просто.

Разновидности.

Мое небольшое ноу-хау: можно поставить между общим и базой диод:

Этот диод ускоряет перезаряд C2, что приводит к увеличению мощности генерируемого сигнала. Однако, вместе с тем, это вносит в сигнал нелинейные искажения, так что на выходе придется ставить фильтры НЧ для подавления паразитных гармоник.

Сигнал во всех этих схемах снимаем с эмиттера транзистора либо через дополнительную катушку связи непосредственно с контура.

Двухтактный генератор для ленивых

Самая простая схема генератора, какую только мне приходилось когда-либо видеть:

В этой схеме легко улавливается схожесть с мультивибратором. Я вам скажу больше – это и есть мультивибратор. Только вместо цепочек задержки на конденсаторе и резисторе (RC-цепи), здесь используются катушки индуктивности. Резистор R1 устанавливает ток через транзисторы. Кроме того, без него генерация просто-напросто, не пойдет.

Механизм генерации:

Допустим, VT1 открывается, через L1 течет коллекторный ток VT1. Соответственно, VT2 закрыт, через L2 течет открывающий базовай ток VT1. Но поскольку сопротивление катушек раз в 100…1000 меньше сопротивления резистора R1, то к моменту полного открытия транзистора, напряжение на них падает до очень маленького значения, и транзистор закрывается. Но! Поскольку до закрытия транзистора, через L1 тек большой коллекторный ток, то в момент закрытия происходит выброс напряжения (ЭДС самоиндукции), который подается на базу VT2 открывает его. Все начинается по новой, только с другим плечом генератора. И так далее…

Этот генератор имеет только один плюс – простота изготовления. Остальные – минусы.

Поскольку в нем отсутствует четкое времязадающее звено (колебательный контур или RC-цепь), то частоту такого генератора рассчитать весьма сложно. Она будет зависеть от свойств применяемых транзисторов, от напряжения питания, от температуры и т.д. Во-общем, в серьезных вещах этот генератор лучше не использовать. Однако, в диапазоне СВЧ его применяют довольно часто.

Двухтактный генератор для трудолюбивых

Другой генератор, который мы рассмотрим – тоже двухтактный. Однако, он содержит колебательный контур, что делает его параметры более стабильными и прогнозируемыми. Хотя, по сути, он тоже довольно прост.

Вот он

Что мы здесь видим?

Видим колебательный контур L1 C1,
А дальше видим каждой твари по паре:
Два транзистора: VT1, VT2
Два конденсатора обратной связи: С2, С3
Два резистора смещения: R1, R2

Опытный глаз (да и не сильно опытный), обнаружит и в этой схеме схожесть с мультивибратором. Ну что же – оно так и есть!

Чем примечательна данная схема? Да тем, что ввиду использования двухтактного включения, она позволяет развивать двойную мощность, по сравнению со схемами 1-тактных генераторов, при том же напряжении питания и при условии применения тех же транзисторов. Во как! Ну, в общем, у нее почти нет недостатков 🙂

Механизм генерации

При перезаряде конденсатора в одну или другую сторону, через один из конденсаторов обратной связи поступает ток на соответствующий транзистор. Транзистор открывается, и добавляет энергию в «нужном» направлении. Вот и вся премудрость.

Особо изощренных вариантов исполнения этой схемы я не встречал…

Теперь немного креатива.

Генератор на логических элементах

Если использование транзисторов в генераторе кажется вам несовременным или громоздким или недопустимым по религиозным соображениям – выход есть! Можно использовать вместо транзисторов микросхемы. Обычно используется логика: элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, реже – Исключающее ИЛИ. Вообще говоря, нужны только элементы НЕ, остальное – излишества, только лишь ухудшающие скоростные параметры генератора.

Смотрим:

Видим страшную схему.

Квадратики с дырочкой в правом боку – это инвертеры. Ну или – «элементы НЕ». Дырочка как раз указывает на то, что сигнал инвертируется.

Что такое элемент НЕ с точки зрения банальной эрудиции? Ну, то есть, с точки зрения аналоговой техники? Правильно, это усилитель с обратным выходом. То есть, при увеличении напряжения на входе усилителя, напряжение на выходе пропорционально уменьшается . Схему инвертера можно изобразить примерно так (упрощенно):

Это конечно, слишком просто. Но доля правды в этом есть.
Впрочем, нам пока что это не столь важно.

Итак, смотрим схему генератора. Имеем:

Два инвертера ( DD1.1, DD1.2)

Резистор R1

Колебательный контур L1 C1

Заметьте, что колебательный контур в этой схеме – последовательный. То есть, конденсатор и катушка стоят друг за другом. Но это – все равно колебательный контур, он рассчитывается по тем же формулам, и ничуть ни хуже (и не лучше) своего параллельного собрата.

Начнем сначала. Зачем нам нужен резистор?

Резистор создает отрицательную обратную связь (ООС) между выходом и входом элемента DD1.1. Это надо для того, чтобы держать под контролем коэффициент усиления – это раз, а также – чтоб создать на входе элемента начальное смещение – это два. Как это работает, подробно мы рассмотрим где-нибудь в обучалке по аналоговой технике. Пока что уясним, что благодаря этому резистору, на выходе и входе элемента, в отсутствие входного сигнала, устаканивается напряжение, равное половине напряжения питания. Точнее – среднему арифметическому напряжений логических «нуля» и «единицы». Не будем пока на этом заморачиваться, у нас еще много дел…

Итак, на одном элементе мы получили инвертирующий усилитель. То есть, усилитель, который «переворачивает» сигнал вверх ногами: если на входе много – на выходе мало, и наоборот. Второй элемент служит для того, чтобы сделать этот усилитель неинвертирующим. То есть, он переворачивает сигнал еще раз. И в таком виде, усиленный сигнал подается на выход, на колебательный контур.

А ну-ка, смотрим внимательно на колебательный контур? Как он включен? Правильно! Он включен между выходом и входом усилителя. То есть, он создает положительную обратную связь (ПОС). Как мы уже знаем из рассмотрения предыдущих генераторов, ПОС нужна для генератора, как валерьянка для кота. Без ПОС ни один генератор не сможет что? Правильно – возбудиться. И начать генерацию…

Все наверно знают такую вещь: если к входу усилителя подключить микрофон, к выходу – динамик, то при поднесении микрофона к динамику, начинается противный «свист». Это – ни что иное как генерация. Мы же подаем сигнал с выхода усилителя на вход. Возникает ПОС. Как следствие, усилитель начинает генерить.

Ну, короче, посредством LC -цепочки в нашем генераторе создается ПОС, приводящая к возбуждению генератора на резонансной частоте колебательного контура.

Ну что, сложно?
Если (сложно)
{
чешем (репу) ;
читаем еще раз;
}

Теперь поговорим о разновидностях подобных генераторов.

Во-первых, вместо колебательного контура, можно включить кварц. Получится стабилизированный генератор, работающий на частоте кварца:

Если в цепь ОС элемента DD1.1 включить вместо резистора колебательный контур – можно завести генератор на гармониках кварца. Для получения какой-либо гармоники, нужно, чтобы резонансная частота контура была близка к частоте этой гармоники:

Если генератор делается из элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то входы этих элементов нужно запараллелить, и включать как обычный инвертор. Если используем Исключающее ИЛИ, то один из входов каждого элемента сажается на + питания.

Пара слов о микросхемах.
Предпочтительнее использовать логику ТТЛШ или быстродействующий КМОП.

Серии ТТЛШ: К555, К531, КР1533
Например, микросхема К1533ЛН1 – 6 инверторов.
Серии КМОП: КР1554, КР1564 (74 AC , 74 HC ), например – КР1554ЛН1
На крайний случай – старая добрая серия К155 (ТТЛ). Но ее частотные параметры оставляют желать лучшего, так что – я бы не стал использовать эту логику.

Рассмотренные здесь генераторы – далеко не все, что могут повстречаться вам в этой нелегкой жизни. Но зная основные принципы работы этих генераторов, будет уже намного проще понять работу других, укротить их и заставить работать на себя 🙂

Дальше мы немного поговорим об усилителях и займемся модуляторами.

Емкостная трехточка — Моделирование — Схемы для начинающих

Принципиальная схема

Если под руками нет подходящего каркаса с карбонильным сердечником, передатчик можно собрать по схеме, приведенной на рис. 3.18. Между коллектором и эмиттером включена емкость С5, между эмиттером и базой — емкость, образованная последовательным соединением С6 и С2, а между коллектором и базой — колебательный контур, расстроенный таким образом, что его сопротивление носит индуктивный характер.

Верхняя точка схемы соединена с базой через конденсаторы С1 и С2, имеющие для переменного тока рабочей частоты пренебрежимо малое сопротивление. Таким образом, генератор представляет собой классическую емкостную трехточечную схему. Частота самовозбуждения определяется параметрами коллекторного контура и может подстраиваться в небольших пределах конденсатором С4. Антенна через удлинительную катушку подключается к среднему выводу контурной катушки, что обеспечивает режим согласования.

Передатчик предназначен для работы со сверхрегенеративным приемником.

Генератор рассчитан на совместное использование с шифратором, на выходе которого имеется ключевой транзистор (например, вариант, описанный в разделе 2.2.1). При использовании с шифраторами, имеющими высокоомный выход, модулирующий сигнал следует подавать на верхний вывод резистора R1, предварительно отсоединив его от схемы. Источник питания в этом случае подсоединяется к выводам схемы, заканчивающимися стрелками. Параметры передатчика при напряжении питания 9 В полностью аналогичны предыдущему варианту.

Детали и конструкция

Детали и конструкция никаких особенностей не имеют, за исключением контурной катушки. Она выполнена бескаркасной


и содержит 2×5 витков провода диаметром 0,7 мм, намотанных виток к витку на оправке диаметром 6 мм. Антенна— штырь длиной 40—60 см. Подстроенный конденсатор С4 типа КТ-21, КТ-25, либо КПК-МН. Постоянные конденсаторы — КМ-6, КД, либо дисковые импортные. Чертеж печатной платы приведен на рис. 3.19.

Настройка

Настройка передатчика производится так же, как и в предыдущем варианте.

Биполярные переходные транзисторы

(BJT) и их применение

Биполярный транзистор

был изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь. В транзисторах с биполярным переходом используются как электронные, так и дырочные носители заряда. Безразлично, что униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда. Для работы BJT использует два полупроводника n-типа и p-типа между двумя переходами.Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики. Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор — это твердотельное устройство, и в BJT ток протекает на двух выводах, эмиттер и коллектор, а величина тока регулируется третьим выводом i.е. базовый терминал. Он отличается от другого типа транзистора, то есть полевого транзистора, выходной ток которого регулируется входным напряжением. Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.


Bipolar Junction Transistors Bipolar Junction Transistors Биполярные переходные транзисторы

Типы биполярных переходных транзисторов

Как мы видели, полупроводники обладают меньшим сопротивлением протеканию тока в одном направлении, а высокое сопротивление — в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника.Транзисторы с биполярным переходом состоят из транзисторов двух типов. Который нам дал

  • Точечный контакт
  • Переходной транзистор

При сравнении двух транзисторов переходные транзисторы используются больше, чем точечные транзисторы. Далее, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. На каждый переходный транзистор приходится по три электрода: эмиттер, коллектор и база

  • Переходные транзисторы PNP
  • Переходные транзисторы NPN

Переходные транзисторы PNP

В транзисторах PNP эмиттер более положительный с базой, а также с респект коллекционеру.Транзистор PNP представляет собой трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы — это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Работа транзистора PNP показана ниже.

Обычно клемма коллектора соединяется с положительной клеммой, а эмиттер — с отрицательной цепью питания с помощью резистора либо цепи эмиттера, либо цепи коллектора. К клемме базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение совпадает с напряжением эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается по отношению к эмиттеру. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Основная схема транзистора PNP показана ниже.

PCBWay PCBWay

Переходный транзистор NPN

Транзистор NPN находится прямо напротив транзистора PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые аналогичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Работа NPN-транзистора —

Обычно положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание — на вывод эмиттера с помощью резистора либо эмиттера, либо коллектора, либо цепи эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если напряжение базы увеличивается относительно эмиттера, то транзисторный режим находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Основной символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.

PNP & NPN Junction Transistor PNP & NPN Junction Transistor PNP и NPN переходной транзистор

Гетеро-биполярный переход

Гетеро-биполярный переходный транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.

Принцип работы BJT

Соединение BE имеет прямое смещение, а CB — соединение обратного смещения. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает потенциал барьера и заставляет электроны течь от эмиттера к базе, а база тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов от эмиттера, около 2% он рекомбинирует в базовая область с отверстиями и из базового терминала она потечет.Это инициирует ток базы из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение

I E = I B + I C

Базовый ток очень меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора

I E ~ I C

Здесь работа транзистора PNP такая же, как и у транзистора NPN, с той лишь разницей, что только дырки вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.

Working Principle of BJT Working Principle of BJT Принцип работы BJT
Преимущества BJT
  • Высокая управляемость
  • Высокочастотная работа
  • В семействе цифровых логических схем есть эмиттерно-связанная логика, используемая в BJT в качестве цифрового переключателя
Применение BJT

Ниже приведены два разных типа приложений в BJT:

В этой статье дается информация о том, что такое биполярный переходной транзистор, типах BJT, преимуществах, применениях и характеристиках биполярных переходных транзисторов.Я надеюсь, что приведенная в статье информация будет полезна для получения хорошей информации и понимания проекта. Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой статьи или проектов в области электротехники и электроники, вы можете прокомментировать их в следующем разделе. Вот вам вопрос, если транзисторы используются в цифровых схемах, они вообще работают в каком регионе?

Фото:

.

Как работает биполярный транзистор?

bipolar transistor

Биполярный транзистор — трехконтактный (три электрода), управляемый током полупроводник электронный компонент, который имеет возможность усиливать сигналы постоянного и переменного тока, поэтому каждый транзистор принадлежит семейство усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении энергии.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторов N-P-N и транзисторов P-N-P .Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: — C, — коллектор, B, — база, E — эмиттер. Чаще всего используются кремниевые кремниевые транзисторы (Threshold Voltage V T = 0,6 — 0,7 В), реже — германиевые Ge (V T = 0,2 — 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем переключения питания до компьютеров и более совершенных систем.


Биполярный транзистор — Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите узнать, как решать задачи с биполярным транзистором, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


Биполярный транзистор — конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с различными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n перехода ( диодов ): база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

npn bipolar transistor symbol

Рис. 1. Обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов

pnp bipolar transistor symbol

Рис. 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов

Diode replacement models of transistors

Рис.3. Модель замены диода в транзисторе NPN

pnp Diode replacement models of transistors

Рис. 4. Модель замены диода в транзисторе PNP

Distribution of currents in NPN transistor

Рис. 5. Распределение токов в транзисторе NPN

Биполярный транзистор — принцип работы Работа

Основное Особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может находиться в четырех режимах работы:

  • Режим отсечки — переход база-эмиттер вообще не смещен или имеет обратное смещение.Значения тока коллектора очень малы,
  • Прямой активный режим (чаще всего называется активным режимом ) — переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что нельзя превышать напряжение перехода (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее значение базового тока.Напряжение база-эмиттер вводит основные носители из эмиттера через переход к базе (в N-P-N электронах и в P-N-P дырках). Носители вводятся из эмиттера в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под действием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяющий протекать большему току между электродами коллектора и эмиттера.
  • Обратно-активный режим (инвертированный режим) — переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
  • Режим насыщения — Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор — вольт-амперные характеристики

bipolar transistor characteristics

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OE)

bipolar transistor characteristics ob

Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с потребностями, например:

  • Транзистор как усилитель — транзистор, работающий в прямой активной области, может использоваться для построения системы, которая будет усиливать электрический ток.
  • В качестве переключателя (клапана) — здесь используется переход между областью насыщения (вкл.) И отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор — Ограничивающие параметры

  • В EB0max Максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
  • В CB0max — максимально допустимое обратное смещение База-коллектор ,
  • V CE0max — максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
  • I Cmax — максимальный ток коллектора,
  • I Bmax — максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор — Операционные системы

Система с общим коллектором

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, а сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выходе усилителя появляется «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе широко используемое название этого усилителя — эмиттер.

amplifier system with common emitter

Рис. 8. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала прикладывается между базой и эмиттером транзистора. тогда как сигнал принимается между базой и коллектором после усиления.

amplifier system with common base

Рис. 9. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общей базой (OB)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала прикладывается между базой и эмиттером транзистора. тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

OC common collector

Рис. 10. Схема общего коллектора ОС

Биполярный транзистор как переключатель

Биполярный транзистор предназначен для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечка и насыщение. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки через активное состояние в насыщение.Когда больше нет управляющего напряжения, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает никакой сигнал (это можно рассматривать как разрыв цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен менять состояние почти сразу и иметь очень крутой (вертикальный) переходный процесс, а время переключения должно быть равным нулю.

Существуют способы значительно ускорить процесс переключения транзистора:

  • Уменьшить номинал резистора базы транзистора,
  • Включить параллельную емкость с резистором базы транзистора. Это исключает эффект интеграции и сокращает время включения транзистора.
  • Соедините базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения. ,Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
  • Подключение блока питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор — системы поляризации

Ниже представлены наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов:

system with potentiometric base power

Рис. 11. Система с потенциометрической базовой мощностью

system with forced base current

Рис. 12. Система с принудительной базой ток

system with coupling collector

Рис.13. Система со связью коллектора

system with potentiometric base power and coupling emitter

Рис. 14. Система с потенциометрической базой мощности и связью эмиттера

.

Биполярный переходной транзистор (BJT) — Работа, типы и применение

BJT — Биполярный переходной транзистор — Конструкция, работа, типы и применение

История

Биполярный переходный транзистор (BJT) был изобретен Уильямом Шокли и Джон Бардин. Первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир с загадочных больших компьютеров на маленькие смартфоны. Изобретение транзистора изменило представление об электрических цепях до интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT сокращается, поскольку технология CMOS использовалась при разработке цифровых ИС.

Что такое BJT — биполярный транзистор ?

Транзистор с биполярным переходом (BJT) — это двунаправленное устройство, в котором в качестве носителей заряда используются электронов и дырок . В то время как униполярный транзистор, т.е. полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда. BJT — это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения.Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Конструкция

Транзистор с биполярным переходом образован комбинацией двух последовательно легированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT образован «сэндвичем» из двух сторонних полупроводниковых материалов. Эти внешние полупроводники представляют собой диоды с PN переходом. Два диода PN-перехода соединены вместе, образуя трехконтактное устройство, известное как BJT-транзистор .BJT — трехконтактное устройство с двумя переходами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получается полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если количество электронов больше, чем дырок (положительные носители), то это известно как полупроводниковый материал N-типа. В то время как в полупроводнике P-типа количество дырок больше, чем количество электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединяются вместе, он становится диодом с PN-переходом .Биполярные транзисторы образуются после соединения двух PN-переходов друг за другом. Эти транзисторы известны как биполярные транзисторы PNP или NPN , в зависимости от того, размещены ли они между P или N-типом.

BJT Transistor Construction BJT Transistor Construction

В основном транзисторы имеют три части и два перехода. Эти три части называются Emitter , Collector, и Base . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (база) образует два перехода с эмиттером и коллектором.Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , а соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Терминалы BJT

Есть три терминала BJT. Эти терминалы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко обсуждаются здесь.

Эмиттер

Эмиттер — это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки в две другие части.База всегда имеет обратное смещение по отношению к эмиттеру, так что она может излучать большое количество основных несущих . Это наиболее сильно легированная область БЮТ. Переход эмиттер-база всегда должен иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN. Эмиттер подает электроны в переход эмиттер-база в NPN, в то время как он подает дырки в тот же переход в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает эмитированные носители заряда (т.е.е. электронов или дырок) известен как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между слабым уровнем легирования базы и сильнолегированным уровнем эмиттера. Коллектор-база всегда должен иметь обратное смещение в транзисторах PNP и NPN. Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из перехода коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в транзисторе PNP, он собирает дыры, испускаемые эмиттером.

База

База является средней частью между коллектором и эмиттером и образует между ними два PN перехода. Основание — это наиболее легированная часть БЮТ. Будучи средней частью BJT, он позволяет ему контролировать поток носителей заряда между эмиттером и коллектором. Переход база-коллектор имеет высокое сопротивление, потому что это соединение с обратным смещением.

Тип BJT

Это трехуровневое устройство, образованное встречным соединением, имеет определенные имена.Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь ненадолго не используются.

Конструкция PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа зажат между двумя полупроводниками P-типа. Транзисторы PNP могут быть сформированы путем соединения катодов двух диодов. Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как база . В то время как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор и эмиттер .

PNP Transistor - Construction & Working PNP Transistor - Construction & Working

Переход эмиттер-база имеет прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное смещение. Итак, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. Эмиттер в этом случае имеет высокий потенциал как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе.

Конструкция NPN

Тип NPN прямо противоположен типу PNP. В биполярном транзисторе NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор.Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что клемма коллектора более положительная, чем эмиттер в NPN-соединении.

NPN Transistor - Construction & Working NPN Transistor - Construction & Working

Разница между символами PNP и NPN — это стрелка на эмиттере, которая показывает направление потока тока. Ток будет течь либо от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру. Стрелка на PNP-транзисторе направлена ​​внутрь, что показывает протекание тока от эмиттера к коллектору. В случае коллектора NPN, стрелка направлена ​​наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

NPN & PNP Transistor NPN & PNP Transistor

Работа BJT

Слово «транзистор» — это комбинация двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор). Значит, транзистор может изменять свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая небольшое напряжение сигнала. Эта способность к изменению позволяет ему работать как «усилитель » или «коммутатор ». Его можно использовать одновременно как переключатель или усилитель.Следовательно, BJT может работать в трех разных регионах для выполнения указанной операции.

Активная область:

В Активной области один из переходов находится в прямом смещении, а другой — в обратном. Здесь базовый ток I b может использоваться для управления величиной тока коллектора I c . Следовательно, активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с коэффициентом усиления β , используя уравнение;

i c = β x I b

Он также известен как линейная область .Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения . В этой области происходит нормальная работа БЮТ.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния переключателя, где;

i c = i sat

I sat — это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения.Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечки:

В области отсечки оба соединения BJT имеют обратное смещение. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключенное состояние переключателя . Этот режим достигается за счет уменьшения напряжения базы до уровня ниже напряжения эмиттера и коллектора.

V be <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеет два соединения, образованных комбинацией двух стыковых PN-переходов. переход база-эмиттер (BE) — прямое смещение, а переход коллектор-эмиттер (CE) — обратное смещение. В BE-переходе потенциальный барьер уменьшается с прямым смещением. Итак, электрон начинает течь от вывода эмиттера к выводу базы.Поскольку база является слабо легированной клеммой, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера объединяется с отверстиями на клемме базы. Из-за комбинации электронов и дырок ток от клеммы базы начнет течь, известная как Базовый ток (i b ) . Базовый ток составляет только 2% от тока эмиттера I e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллекторного перехода обратного смещения, известного как Коллекторный ток ( i c ).Полный ток эмиттера будет комбинацией тока базы и тока коллектора, заданной формулой;

i e = i b + i c

Где i e приблизительно равно i c , потому что I b составляет почти 2% от I C .

Working of BJT Working of BJT

Конфигурация BJT

BJT — это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом одна клемма является общей среди других.Другими словами, один терминал является общим для входа и выхода. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

Конфигурация с общей базой 9029
Конфигурации Коэффициент усиления напряжения Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по мощности Входное сопротивление Выходное сопротивление Фазовый сдвиг
Низкий Высокий 9029 Очень высокий 0 градусов
Общая конфигурация эмиттера Средняя Средняя Высокая Средняя Высокая 180 градусов
Конфигурация с общим коллектором Высокая Общая конфигурация коллектора Высокий Низкий 0 градусов
Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовая клемма является общей между входными и выходными сигналами.Входной сигнал подается между базой и выводом эмиттера, а выходной сигнал — между базой и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше входного сигнала на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он « ослабляет» сигнал.

Он имеет неинвертирующий выход, что означает, что и входные, и выходные сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

Из-за очень высокочастотной характеристики эта конфигурация используется для одноступенчатого усилителя. Эти одноступенчатые усилители можно использовать как усилитель радиочастоты, микрофонный предусилитель.

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

R L / R в
Коэффициент усиления по напряжению Voltage Gain Equation Voltage Gain Equation
Коэффициент усиления по току I c / i

9029

Common Base Configuration Common Base Configuration

Общая конфигурация эмиттера

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим для входа и выхода.Вход применяется между базой и эмиттером, а выход — между коллектором и эмиттером. Это можно просто распознать, взглянув на схему. Если эмиттер заземлен, а вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет наивысшего тока и прирост мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится на переходе с прямым смещением, поэтому его входное сопротивление очень низкое .В то время как выход берется из перехода обратного смещения, поэтому его выходное сопротивление очень высокое.

Common Emitter Configuration Common Emitter Configuration

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Задано в уравнении как;

I e = i c + i b

Где i e — ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i c / i b . Причина такого огромного увеличения тока в том, что сопротивление нагрузки подключено последовательно с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация с общим коллектором

Конфигурация с общим коллектором, известная как повторитель напряжения или Эмиттерный повторитель имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Выходной сигнал берется с клеммы эмиттера с нагрузкой, подключенной последовательно, в то время как входной сигнал подается непосредственно на клемму базы.

Common Collector Configuration Common Collector Configuration

Обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Это позволяет ему работать как согласователь импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импеданса.

BJT Biasing

Процесс установки уровней напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного сигнала переменного тока.При дальнейшем уточнении, смещение — это метод, используемый для предотвращения работы транзистора либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

BJT Biasing Graph BJT Biasing Graph

Чтобы сохранить выходной сигнал без потерь после усиления, необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i c ), тока базы ( i b ) и напряжения между коллектором и эмиттером ( В ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или точки Q для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , представленное на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Итак, для правильной цели усиления BJT смещается с помощью различных методов. Хотя существует множество различных техник, но вкратце обсуждаются несколько наиболее распространенных.

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения (V cc ). Это зависит от выбора резистора, чтобы поддерживать точку Q фиксированной и, следовательно, известной как конфигурация с фиксированным смещением .Значение резистора смещения можно найти по

(V cc -V be ) / I b .

, где В будет = 0,7 В для стандартных транзисторов и

I b = I c / β .

Fixed Biased Configuration Fixed Biased Configuration

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

  • Нет эффекта нагрузки: Нет эффекта нагрузки.Где эффект нагрузки может быть определен как воздействие нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от понижающего уровня напряжения источника напряжения.
  • Простая схема: Схема очень проста, поскольку требует только одного постоянного резистора RB.
  • Простой расчет: Метод расчета очень прост.
Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированного смещения цепи, в которой внешнее сопротивление подключено к выводу эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, обеспечивающего отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В BB -V BE = I B R B + I E R E R поперек RE установить I E ≈I c .

Цепь фиксированного смещения с сопротивлением эмиттера

Fixed Bias with Emitter Configuration Fixed Bias with Emitter Configuration

Преимущества фиксированного смещения с конфигурацией эмиттера
  • Отсутствие теплового разгона: Недостаток теплового разбега при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с конфигурацией сопротивления эмиттера.Термический разгон можно определить как увеличение тока коллектора при повышении температуры. Это вызывает самоуничтожение из-за перегрева, вызванного перегрузкой по току.
  • Проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она снижает коэффициент усиления усилителя BJT. Эту проблему очень легко решить, обойдя сопротивление эмиттера.
Смещение коллектора к базе

Резистор базы подключается к клемме коллектора при этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловой пробой за счет использования отрицательной обратной связи.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Смещающий резистор подключен между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Смещение от коллектора к основанию — это улучшенный метод по сравнению с методом фиксированного смещения.

Эта конфигурация также известна как схема обратной связи со смещением напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и входе. Другими словами, часть вывода возвращается на вход. Значит, в цепи существует отрицательная обратная связь.

Collector to Base Bias Collector to Base Bias

Если есть изменение бета из-за изменения от детали к детали или повышения температуры в бета и I co , то ток коллектора пытается увеличиться дальше, из-за чего падение напряжения на R c увеличивается.В результате уменьшаются V ce и I b . Следовательно, окончательное значение коллектора I c поддерживается стабильным с помощью схемы, которая поддерживает точку Q на фиксированном уровне.

Эта схема также известна как схема смещения обратной связи по напряжению , потому что R b появляется непосредственно на входе и выходе в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает ток базы.

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R 1 и R 2 .Напряжение на R 2 смещает в прямом направлении эмиттерный переход. При правильном выборе R 1 и R 2 рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от Beta. Смещение потенциального делителя — самый популярный и используемый метод смещения транзистора. Эмиттерный диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R 2 .

R b = R 1 || R 2

В цепи смещения делителя напряжения значение R b равно параллельной комбинации R 1 и R 2 .

Схема смещения делителя напряжения:

Voltage Divider Configuration of BJT Voltage Divider Configuration of BJT

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета: Основное преимущество схемы смещения делителя напряжения состоит в том, что транзистор больше не будет зависеть от бета , Причина в том, что напряжения на выводах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление эмиттера R и обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания бета-излучения.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

  • Громоздкие: Биполярные транзисторы громоздки, занимают больше места и поэтому очень редко используются в производстве интегральных схем (ИС).
  • Низкая частота переключения: его время переключения очень низкое, что является еще одной причиной того, что он редко используется в IC По сравнению с полевыми МОП-транзисторами частота очень низкая
  • Ток утечки: токов утечки с BJT достаточно, чтобы они не может использоваться для высокой частоты.
  • Температурная стабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термическая стабильность BJT очень низкая, и это шумное устройство.
  • Температурный разгон: BJT страдает от проблемы теплового разгона, которая приводит к выделению избыточного тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку выделяемое тепло равно I 2 Таким образом, избыточный ток вызовет чрезмерное тепло, которое сожжет BJT.
  • Ранний эффект: Ток от эмиттера к коллектору контролируется током базы.Если ширина базы сдвинута к нулю, известному как сквозной пробивки, , то стык коллектора и эмиттера касается друг друга. После этого от эмиттера к коллектору начинает течь огромный ток, который не может контролироваться током базы. Этот выход из-под контроля известен как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Радиационное повреждение вызывает транзистор, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновного носителя уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере усиления транзистора.

Транзистор имеет номинальной мощности и обратного напряжения пробоя , при превышении которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может выйти из строя.

В случае обратного смещения переход эмиттер-база вызовет лавинный пробой , который необратимо повредит коэффициент усиления по току биполярного переходного транзистора.

Преимущества BJT

  • Ширина полосы большого усиления: Ширина полосы усиления — это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Коэффициент усиления на частоте среза 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза соответственно, усиление уменьшается, что не может использоваться. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Следовательно, BJT имеет огромную полосу усиления .
  • Низкое прямое падение напряжения: BJT имеют 0,6 В прямого падения напряжения, что является очень низким и очень важным моментом. Это имеет большое значение, поскольку большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности согласно P = VI . Это означает, что для того же типа нагрузки устройство с высоким прямым падением напряжения вызовет ненужные потери мощности.
  • Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить достойное усиление по току .
  • Длительный срок службы: BJT имеют относительно долгий срок службы. Устройство нагноивается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для решения этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться различные методы смещения.

Применение BJT

Вот некоторые из применений биполярного переходного транзистора;

  • Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть разных типов, например, инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
  • Датчики температуры: Определение температуры — одно из других приложений BJT. Если это может быть найдено по двум напряжениям на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитается
  • Высокая управляемость : Высокая управляемость. Для работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно.Но всегда учитываются возможности управления отдельными устройствами.
  • Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, в основном из-за задержки сохранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, таким образом, максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
  • Цифровой переключатель : Семейство цифровых логических схем имеет логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
  • Колебательный контур : Они предпочтительны в колебательных контурах.
  • Машинки для стрижки: BJT могут использоваться в схемах отсечения для изменения формы волн. Его можно использовать как простой диод для ограничения, но проблема с диодом заключается в том, что диод не управляется.
  • Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в схемах демодуляции и модуляции. Биполярные транзисторы все еще используются в очень старой известной технике модуляции, известной как « Амплитудная модуляция ».
  • Цепи обнаружения : BJT могут использоваться в схемах датчиков. BJT может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
  • Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда он используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. например, в усилителях звука, эти крошечные компоненты усиливают очень слабый аудиосигнал до слышимого диапазона.
  • Электронные переключатели: Может использоваться как электронный переключатель.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока на переменный ток.
  • Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Однако эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Поскольку BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Похожие сообщения:

.

Как это работает »Электроника

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


Транзисторы лежат в основе современной электронной техники.Развитие биполярного транзистора или биполярного переходного транзистора, BJT, привело ко многим изменениям в мире.

Введение биполярного транзистора позволило использовать многие технологии, которые мы сегодня воспринимаем как должное: от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, удаленного управления, функций, которые мы воспринимаем как должное в современных автомобилях, и т. Д. , , , Все эти и многие другие предметы повседневного обихода стали возможны благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор с выводами или транзистор для поверхностного монтажа. Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

Вместе с их полевыми транзисторами, полевыми транзисторами, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярный транзистор составляет основу большинства современного электронного оборудования, будь то дискретные устройства или в составе интегральных схем.

Selection of plastic leaded transistors Выбор транзистора с пластиковыми выводами

Разработка транзисторов

Полупроводниковая технология сейчас хорошо известна, но используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

Термоэмиссионный клапан или технология вакуумных трубок была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими и также требовали питания от батареи.Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материала. Эти материалы известны сегодня как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

Примечание к истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею.Они обратили свое внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года.

Подробнее о История биполярных транзисторов

Image of an old OC71 transistor - this type was introduced by Mullard in Britain in 1954, but production continued well beyond this date into the 1960s Старый биполярный транзистор OC71

После того, как была разработана основная идея, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она стала широко распространяться, как мы знаем сегодня.

Что такое биполярный транзистор

стоит в двух словах определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа зажата между областями другого. Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора.Биполярный транзистор, BJT, получил свое название из-за того, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы — это униполярные устройства, использующие один или любой из типов носителей заряда.

Биполярный транзистор, или, точнее, биполярный транзистор с переходным соединением, BJT, имеет два PN-диодных перехода, соединенных спиной друг к другу. Биполярный транзистор имеет три вывода, называемых эмиттером, базой и коллектором.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются устройствами тока, в отличие от вакуумных ламп с термоэмиссионными лампами и полевых транзисторов, которые являются устройствами напряжения.Ток, протекающий в цепи базы, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Примечание по конструкции схемы транзистора:

Транзистор представляет собой трехполюсное устройство, обеспечивающее усиление по току. Существует три конфигурации, которые можно использовать для транзистора: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. Каждый из них имеет разные характеристики, и, спроектировав схему на основе одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о Схема биполярного транзистора

Базовая структура транзистора

Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы, чтобы дать один тип полупроводника, а есть противоположный тип, то есть два могут быть n-типа и один p-тип, или два могут быть p-типа, а один может быть n-типом. расположены так, что два одинаковых слоя транзистора смещают слой противоположного типа.В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как транзисторы PNP или транзисторы NPN, в зависимости от того, как они устроены.

Basic structure and circuit symbols for NPN & PNP transistors Базовая структура и условные обозначения для транзисторов NPN и PNP

Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

  • База: База транзистора получила свое название от того факта, что в ранних транзисторах этот электрод служил основой для всего устройства.Самые ранние транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. , , и название прижилось.
  • Эмиттер: Эмиттер получил свое название от того факта, что он испускает носители заряда.
  • Коллектор: Коллектор получил свое название от того факта, что он собирает носители заряда.

Для работы транзистора важно, чтобы область базы была очень тонкой.В современных транзисторах ширина базы обычно может составлять всего около 1 мкм. Именно тот факт, что базовая часть транзистора тонкая, является ключом к работе устройства

.

Как работает транзистор: основы

Транзистор

A можно рассматривать как два P-N перехода, соединенных спиной друг к другу. Один из них, а именно переход база-эмиттер, смещен в прямом направлении, в то время как другой, переход базового коллектора имеет обратное смещение. Обнаружено, что когда ток течет в переходе база-эмиттер, больший ток течет в цепи коллектора, даже если переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Для наглядности взят пример NPN-транзистора. Те же рассуждения можно использовать и для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток течет через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и имеется сравнительно небольшое количество дырок, доступных для рекомбинации. В результате большая часть электронов может течь прямо через базовую область и далее в область коллектора, притягиваясь положительным потенциалом.

How does a transistor work Базовый режим работы транзистора
Показан режим работы транзистора NPN

Лишь небольшая часть электронов из эмиттера объединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Отношение между током коллектора и током базы обозначается греческим символом Β. Для большинства транзисторов с малым сигналом это значение может составлять от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше.Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз больше, чем ток в базе. Для транзистора большой мощности значение несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

При просмотре схем, а также в таблицах данных и т. Д. Можно заметить, что транзисторы NPN намного более популярны, чем транзисторы PNP.

На это есть несколько причин:

  • Подвижность носителей: Транзисторы NPN используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в транзисторах PNP.Поскольку дырки перемещаются внутри кристаллической решетки намного легче, чем электроны, т.е.они имеют более высокую подвижность, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо лучший уровень производительности.
  • Отрицательное заземление: С годами отрицательное заземление стало стандартом, например в автомобилях и т. д., а полярность транзисторов NPN означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
  • Производственные затраты: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа.Хотя производство транзисторов PNP возможно, требуется в 3 раза больше площади поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость полупроводниковой пластины составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на транзисторы PNP.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой транзистора, который был изобретен, и они все еще очень широко используются сегодня во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют спецификации, отвечающие большинству требований.Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, спецификация биполярного транзистора должна соответствовать спецификации схемы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители Разъемы RF Клапаны / трубки батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты»., ,

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.