Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor care poate fi utilizat pentru comutare sau amplificare.

Am văzut că diodele simple sunt alcătuite din două bucăți de material semiconductor pentru a forma o joncțiune simplă PN și am învățat, de asemenea, despre proprietățile și caracteristicile lor.

Dacă îmbinăm două diode individuale de semnal spate-în spate, acest lucru ne va da două joncțiuni PN conectate împreună în serie, care împart un terminal pozitiv P sau negativ N comun. Fuziunea acestor două diode produce un dispozitiv cu trei straturi, două joncțiuni, trei terminale care formează baza unui tranzistor bipolar cu joncțiune sau BJT pe scurt.

Tranzistoarele sunt dispozitive active cu trei terminale, fabricate din materiale semiconductoare diferite, care pot acționa fie ca un izolator, fie ca un conductor prin aplicarea unei tensiuni mici de semnal. Abilitatea tranzistorului de a schimba între aceste două stări îi permite să aibă două funcții principale: "comutare" (electronică digitală) sau "amplificare" (electronică analogică). Atunci, tranzistoarele bipolare au capacitatea de a opera în trei regiuni diferite:

• Regiunea activă - tranzistorul funcționează ca amplificator și Ic = β*IB

• Saturație - tranzistorul este "complet deschis" funcționând ca un comutator și Ic = I (saturație)

• Cut-off - tranzistorul este "complet oprit" funcționând ca un comutator și Ic = 0

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive de reglare a curentului care controlează cantitatea de curent care trece prin ele de la terminalele emitor la colector proporțional cu cantitatea de tensiune de polarizare aplicată la terminalul lor bază, acționând astfel ca un comutator controlat în curent, deoarece un mic curent care curge în terminalul bază controlează un curent de colector mult mai mare, formând bazele acțiunii tranzistorului.

Principiul de funcționare a celor două tipuri de tranzistoare PNP și NPN este exact același, singura diferență fiind cea a polarizării și a polarității sursei de alimentare pentru fiecare tip.

Construcția tranzistorului bipolar

Construcția și simbolurile circuitelor pentru ambele tranzistoare bipolare PNP și NPN sunt date mai sus cu săgeata din simbolul circuitului care arată întotdeauna direcția "circulației convenționale de curent" între terminalul bază și terminalul emitor. Direcția săgeții indică întotdeauna de la regiunea tip P pozitivă la regiunea negativă de tip N pentru ambele tipuri de tranzistor, exact la fel ca și pentru simbolul standard al diodei.

Configurațiile tranzistorului bipolar

Deoarece tranzistorul bipolar este un dispozitiv cu trei terminale, există în principiu trei moduri posibile de conectare a acestuia într-un circuit electronic, cu un terminal comun pentru intrare și ieșire. Fiecare metodă de conectare răspunde diferit la semnalul său de intrare într-un circuit, deoarece caracteristicile statice ale tranzistorului variază cu fiecare aranjament de circuit.

• Configurația bază comună - are un câștig de tensiune dar nu are un câștig de curent.

• Configurația emitor comun - are atât câștig de curent cât și tensiune.

• Configurația colector comun - are un câștig de curent dar fără câștig de tensiune.

Configurația bază-comună (Common Base-CB)

După cum sugerează și numele, în configurația bază comună, conexiunea BAZĂ este comună atât semnalului de intrare, cât și semnalului de ieșire. Semnalul de intrare este aplicat între terminalele bază și emitor ale tranzistorului, în timp ce semnalul de ieșire corespunzător este luat între terminalele bază și colector, așa cum se arată. Terminalul Bază este legat la pământ sau poate fi conectat la un anumit punct de tensiune de referință.

Curentul de intrare care circulă spre emitor este destul de mare deoarece este suma curentului de bază și a curentului de colector, prin urmare, ieșirea de curent a colectorului este mai mică decât intrarea curentului de emitor, rezultând un câștig de curent pentru acest tip de circuit de "1" (unitate) sau mai puțin, cu alte cuvinte configurația bază comună "atenuează" semnalul de intrare.

Circuitul tranzistorului cu bază comună

Acest tip de configurație a amplificatorului este un circuit de amplificare a tensiunii ne-inversor, prin faptul că tensiunile de semnal Vin și Vout sunt "în fază". Acest tip de aranjament tranzitoriu nu este foarte comun datorită caracteristicilor sale neobișnuit de mari de câștig de tensiune. Caracteristicile sale de intrare se reprezintă ca cea a unei diode polarizare direct, în timp ce caracteristicile de ieșire se reprezintă ca cea a unei fotodiode iluminate.

De asemenea, acest tip de configurație a tranzistorului bipolar are un raport ridicat între rezistența de ieșire și rezistența de intrare sau, mai important, rezistența de "sarcină" (RL) la rezistența de intrare (Rin), oferindu-i o valoare de "Câștig de rezistență". Atunci, câștigul de tensiune (Av) pentru o configurație Bază comună este dat de:

Câștigul de tensiune cu Baza comună

unde: IC/IE este câștigul de curent, alfa (α) și RL/Rin este câștigul de rezistență.

Circuitul cu Baza comună este utilizat, în general, numai în circuite amplificatoare cu un singur etaj, cum ar fi preamplificator de microfon sau amplificatoarele de radiofrecvență (Rƒ) datorită răspunsului foarte bun la frecvențe înalte.

Configurația emitor-comun (Common Emitter - CE)

În configurația Emitor Comun sau la masă, semnalul de intrare este aplicat între Bază și Emitor, în timp ce ieșirea este preluată între Colector și Emitor, așa cum se arată. Acest tip de configurație este cel mai frecvent utilizat circuit pentru amplificatoare pe bază de tranzistor și care reprezintă metoda "normală" de conectare a tranzistorului bipolar.

Configurația amplificatorului cu Emitor Comun produce cel mai mare câștig de curent și putere din toate cele trei configurații ale tranzistorului bipolar. Acest lucru se datorează în principal faptului că impedanța de intrare este LOW, deoarece este conectată la o joncțiune-PN polarizată direct, în timp ce impedanța de ieșire este HIGH deoarece este preluată de la o joncțiune-PN polarizată invers.

Circuit de amplificare cu Emitor Comun

În acest tip de configurație, curentul care iese din tranzistor trebuie să fie egal cu curentul care circulă prin tranzistor, deoarece curentul de emitor este dat de IE = Ic + IB.

Deoarece rezistența de sarcină (RL) este conectată în serie cu colectorul, câștigul de curent al configurației tranzistor cu Emitor Comun este destul de mare, deoarece este raportul Ic/IB. Un câștig de curent al tranzistorului este dat de simbolul grec Beta (β).

Deoarece curentul de emitor pentru o configurație Emitor Comun este definit ca IE = Ic + IB, raportul Ic/IE se numește Alpha, cu simbolul grec α. Notă: valoarea lui Alpha va fi întotdeauna mai mică decât unitatea.

Deoarece relația electrică dintre aceste trei curenți IB, Ic și IE este determinată de construcția fizică a tranzistorului în sine, orice mică modificare a curentului de bază (IB) va avea ca rezultat o schimbare mult mai mare a curentului de colector (Ic).

Atunci, modificările mici ale curentului care circulă în bază vor controla astfel curentul din circuitul emitor-colector. De obicei, Beta are o valoare cuprinsă între 20 și 200 pentru cele mai multe tranzistoare de uz general. Deci, dacă un tranzistor are o valoare Beta de 100, atunci un electron va circula de la terminalul Bază pentru fiecare 100 de electroni care circulă între terminalele emitor-colector.

Prin combinarea expresiilor atât pentru Alpha α cât și pentru Beta β relația matematică dintre acești parametri și, prin urmare, câștigul de curent al tranzistorului poate fi dat ca:

unde: "Ic" este curentul care circulă în terminalul Colector, "IB" este curentul care curge în terminalul Bază și "IE" este curentul care iese din terminalul Emitor.

Acest tip de configurație de tranzistor bipolar are o impedanță de intrare, câștig de curent și putere mai mari decât cea a configurației Bază Comună, dar câștigul de tensiune este mult mai mic. Configurația Emitor Comun este un circuit amplificator inversor. Aceasta înseamnă că semnalul de ieșire rezultat are o defazare de 180^o în raport cu semnalul de tensiune de intrare.

Configurația Colector Comun (CC)

În configurația Colector Comun sau la masă, colectorul este acum comun prin intermediul alimentării. Semnalul de intrare este conectat direct la Bază, în timp ce ieșirea este preluată din sarcina Emitorului, așa cum se arată. Acest tip de configurație este cunoscută în mod obișnuit ca un circuit de urmărire a tensiunii sau de repetor pe emitor.

Configurația Colector Comun sau repetor pe emitor este foarte utilă pentru aplicațiile de adaptare a impedanței datorită impedanței foarte mari de intrare, în regiunea sutelor de mii de ohmi, având în același timp o impedanță relativ mică de ieșire.

Circuitul tranzistorului cu Colector Comun

Configurația cu Emitor Comun are un câștig de curent aproximativ egal cu valoarea β a tranzistorului însuși. În configurația Colector Comun rezistența de sarcină este situată în serie cu emitorul, astfel încât curentul ei este egal cu curentul emitorului.

Deoarece curentul de emitor este combinația curentului de colector și a curentului de bază, prin rezistența de sarcină, în acest tip de configurație a tranzistorului, circulă atât curentul de colector, cât și curentul de intrare în bază. Atunci, câștigul de curent al circuitului este dat de:

Câștigul de curent pentru Colector Comun

Acest tip de configurație a tranzistorului bipolar este un circuit neinversor, în care tensiunile de semnal Vin și Vout sunt "în fază". Are un câștig de tensiune care este întotdeauna mai mic decât "1" (unitate). Rezistența de sarcină a tranzistorului cu colector-comun primește atât curentul de bază, cât și de colector, care dau un câștig de curent mare (ca și în configurația cu emitor-comun), oferind astfel o amplificare bună a curentului cu un câștig de tensiune foarte mic.

Acum putem rezuma diferitele relații dintre curenții DC individuali ai tranzistoarelor care circulă prin fiecare terminal și câștigurile de curent DC, prezentate mai sus, în tabelul următor.

Relația dintre curenții DC și câștiguri

Rezumat Tranzistor bipolar

Comportamentul tranzistorului bipolar în fiecare dintre configurațiile de mai sus ale circuitului este foarte diferit și produce caracteristici de circuit diferite în ceea ce privește impedanța de intrare, impedanța de ieșire și câștigul, indiferent dacă acesta este câștig de tensiune, câștig de curent sau câștig de putere, fiind rezumat în tabelul de mai jos.

Configurații ale tranzistorului bipolar

cu caracteristicile generalizate ale diferitelor configurații de tranzistor prezentate în tabelul următor:

În următorul tutorial despre tranzistoarele bipolare, vom analiza mai detaliat transistorul NPN când este utilizat în configurația emitor comun ca amplificator, deoarece aceasta este cea mai utilizată configurație datorită flexibilității și câștigului ridicat. De asemenea, vom trasa curbele caracteristice de ieșire asociate în mod obișnuit cu circuitele amplificatorului ca funcție a curentului de colector față de curentul de bază.

REFERINȚE

Tranzistorul bipolar cu joncțiuni

Tranzistorul bipolar