Физический смысл h11 параметра
h-параметры биполярного транзистора и особенности включений
Транзисторы относятся к сложным электронным приборам. Для их исследования, а также для расчёта электронных схем, где применяют транзисторы, разработана особая методика.
В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.
Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.
На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.
При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между z, y или h – параметрами есть связи, которые описываются специальными формулами перехода, в соответствующей справочной литературе. Поскольку h-параметры получили наибольшее распостранение на них и акцентируем наше внимание.
Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.
Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток Im1 и выходное напряжение Um2 , а зависимыми переменными входное напряжение Um1 и выходной ток Im2 можно составить систему уравнений (1), задействуя h-параметры:
h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0, входное сопротивление;
h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0, коэффициент передачи тока;
h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0, выходная проводимость.
Входное сопротивление, h11 — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
Коэффициент обратной связи по напряжению, h12 – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h21 — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
Выходная проводимость, h22 — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h11Э, h12Э, h21Э, h22Э ; для схемы с общим коллектором — h11К, h12К, h21К, h22К ; для схемы с общей базой это h11б, h12б, h21б, h22б .
Особенности при различных схемах включения
Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.
На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.
С общим эмиттером (ОЭ)
Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..
Физический смысл h11 параметра
При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.
Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника
Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
i 1 – переменная составляющая тока базы;
u 1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i 2 – переменная составляющая тока коллектора;
u 2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u 2 =0) :
Режим работы при i 1 =0 называют холостым ходом на входе.
Параметры биполярного транзистора
В радиолюбительской практике часто приходится подбирать транзисторы для их замены на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры транзисторов как по постоянному, так и переменному току. Но не все знают, что они обозначают. Попробуем разобраться с этим.
Биполярные транзисторы
Обратный коллекторный ток
Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.
Низкочастотные параметры транзистора
Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:
У современных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.
Для разных схем включения транзистора h-параметры определяются по формулам:
h11б?h11э/(1+h21э);
h12б?h11э•h22э/(1+h21э);
h21б?-h21э/(1+h21э);
h22б?h22э/(1+h21э);
h11к?h11э;
h12к?1;
h21к?-(1+h21э);
h22к?h22э.
Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30. 60.
Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:
Высокочастотные параметры транзистора
Емкость коллекторного перехода
Сам по себе транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел «p-n переход», рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.
Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.
Из этого можно сделать вывод: транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.
Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.
Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала транзистора коэффициент усиления по току с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления транзистора от частоты, хотя и немаловажная.
С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время «пролета» составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению коэффициента усиления по току.
Коэффициент шума
Из этого определения следует, что для идеального «нешумящего» транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:
Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( Т?С ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.
Чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1. 0,5 мА, Uк=0,5. 2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.
Home  Радиотехника Биполярные транзисторы |
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого.
Такое управление возможно, потому, что носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.
Основанием биполярного транзистора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в нее вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n-p-n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя — полупроводником с дырочной проводимостью и транзистор типа p-n-p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя — полупроводником с электронной проводимостью. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую — так, чтобы соответствующий электронно-дырочный переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, соответствующий электронно-дырочный переход — эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором, а соответствующий электронно-дырочный переход — коллекторным.
В зависимости от полярности эти напряжений каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзистора: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный-заперт. Если же эмиттерный переход смещен в обратном направлении а коллекторный — в прямом, то транзистор работает в обращенное (инверсном) включении.
В основном транзистор используют в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p-n-p подают отрицательное напряжение относительна эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.
Классификация биполярных транзисторов
Параметры постоянного тока биполярных транзисторов
Рис. 2. Схемы измерения: а — обратного тока коллектора; б — обратного тока эмиттера; в — обратного тока коллектор — эмиттер.
Параметры постоянного тока характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами перехода. Обратный ток коллектора IКБО — ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор — база и разомкнутом выводе эмиттера (рис. 2,а).
Обратные токи коллектора и эмиттера биполярного транзистора зависят от температуры переходов:
Рис. 3. Схема четырехполюсник эквивалентного транзистору.
Малосигнальные параметры характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала, т. е. сигнала, возрастание амплитуды которого в 1,5 раза приводит к незначительному изменению параметра (обычно не более чем на 10 %). При воздействии малого сигнала транзистор рассматривают как линейный активный несимметричный четырехполюсник (рис. 3), у которого один из зажимов всегда является общим для входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к общему зажиму, различают включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Варианты схем включения транзистора приведены на рис. 4.
В соответствии с теорией четырехполюсников входные и выходные напряжения и токи (U1 I1 и U2, I2) однозначно связаны между собой системой уравнений, содержащей четыре параметра четырехполюсника.
Рис. 4. Схемы включения биполярного транзистора.
Система h-параметров получила широкое распространение, так как при измерении этих параметров требуется воспроизведение холостого хода на входе (I1=0) или короткого замыкания на выходе (U2= 0), что легко выполнять. В этой системе параметров уравнения четырехполюсника записываются в виде
Все h-параметры имеют определенный физический смысл: h11=U1/I1 — входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе (U2=0); h12=U1/U2 — коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе (I1=0); h21=I2/I1 — коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе (U2=0); h22=I2/U2 — выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе (I1=0).
Обычно h-параметры измеряют при включениях транзисторов ОБ или ОЭ. Связь между h-параметрами для разных схем включения определяется формулами
Система y-параметров используется преимущественно на высоких частотах. По способу определения y-параметры являются параметрами короткого замыкания по переменному току на входе или выходе, что вытекает из уравнений I1=y11U1+y12U2; I2=y21U1+y22U2
Все y-параметры имеют определенный физический смысл: y11=I1/U1 — входная проводимость при короткозамкнутом выходе (U2 = 0); y12=I1/U2 — обратная взаимная проводимость при короткозамкнутом входе (U1 = 0); y21=I2/U1 — прямая взаимная проводимость (крутизна) при короткозамкнутом выходе; y22=I2/U2 — выходная проводимость при короткозамкнутом входе.
Связь между h и y-параметрами выражается формулами:
Обычно в справочниках приводятся h-параметры при включении транзистора с ОБ. По этим параметрам можно определить y-параметры при включении с ОЭ:
Если вместо h21б в справочнике приведено h21э, то следует воспользоваться формулой h21б=h21э/(1+h21э).
Малосигнальные параметры транзисторов зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h21э прямо пропорционален, a h11б — обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.
Высокочастотные параметры биполярных транзисторов
Высокочастотные параметры характеризуют транзисторы на высоких частотах. Граничная частота по определенному параметру — это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером fгр — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице.
Предельная частота по определенному параметру — частота, при которой этот параметр уменьшается на определенную величину (обычно 3 дБ) по сравнению с первоначальным (низкочастотным). Предельная частота передачи тока при включении с ОБ fh21б — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне прямой передачи fy21э — частота, при которой модуль крутизны прямой передачи в схеме с ОЭ уменьшается на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте. Максимальная частота генерации fmax — наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в схеме автогенератора.
Емкость коллекторного перехода Ск — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи. Емкость Ск в первом приближении является функцией напряжения на коллекторе U`кэ:
где, Ск.справ — емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного Uкэ. Сопротивление базы rб, — сопротивление между выводами базы и переходом база — эмиттер. На достаточно высокой частоте rб=|h11э|.
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте τк произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода (τк=rбСк). Эта величина используется при расчетах y-параметров на высоких частотах. В справочных данных приводятся Ск, rб, измеренные при определенном режиме.
Высокочастотные параметры транзистора связаны между собой определенными зависимостями, например:
где fmax — максимальная частота генерации, МГц; fгр — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц; τк — постоянная времени, fh21б — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОБ, МГц; fy21э — предельная частота по крутизне прямой передачи, МГц, fh21э — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц.
Активные составляющие входной и выходной проводимостей транзистора на высокой частоте f 2 s/rб’)/h21эh11б(1+γ 2 s); (IV.1)
входную и выходную емкости — по формулам
крутизну прямой передачи — по формуле
модуль обратной взаимной проводимости — по формуле
Рис. 6. Выходные характеристики биполярных транзисторов а — с ОБ; б — с ОЭ.
Выходные характеристики устанавливают зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора). Отличительной особенностью выходных характеристик транзистора (рис. 6), включенного по схеме с общей базой, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения UКБ. При напряжении UКБ выше определенного значения происходит пробой коллекторного перехода. Ток коллектора транзистора, включенного по схеме с ОЭ, в основном зависит от напряжения на коллекторе. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем напряжении на коллекторе, чем при включении транзистора по схеме с общей базой. Только при закрытом транзисторе (UЭБ= 0) напряжение пробоя приближается к напряжению пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой. При повышении температуры переходов выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока коллекторного перехода.
Статические вольт-амперные характеристики транзисторов на постоянном токе строят по точкам или получают с помощью специальных характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева транзисторов. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов биполярных транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. Максимально допустимые импульсные параметры приводятся для заданной скважности и длительности импульсов. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — база UКБmax максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — эмиттер UКЭmax, максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер — база UЭБmax, максимально допустимый постоянный ток коллектора IКmax, максимально допустимый постоянный ток эмиттера IЭmax, максимально допустимый постоянный ток базы IБmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора PКmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность транзистора Pmax.
Биполярные транзисторы. For dummies
Предисловие
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзисторы. Определение и история
Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Режимы работы биполярного транзистора
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
Схема включения с общей базой
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Схема включения с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Два слова о каскадах
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. 
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).
Другие области применения биполярных транзисторов
Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.