Podstawowe pytania dotyczące wzmocnienia tranzystora

17

Czy ktoś może wyjaśnić, w jaki sposób tranzystor może wzmacniać napięcie lub prąd? Według mnie wzmocnienie oznacza - wysyłasz coś małego, wychodzi większy. Powiedzmy na przykład, że chcę wzmocnić falę dźwiękową. Szepczę do wzmacniacza dźwięku i wychodzi, powiedzmy, 5 razy większy (w zależności od współczynnika wzmocnienia)

Ale kiedy czytam o działaniu wzmacniającym tranzystor , wszystkie podręczniki mówią, że od niewielkiej zmiany prądu podstawowego IIb, ale odpowiadającej dużej zmiany prądu emiterowego IIe, następuje wzmocnienie. Ale gdzie jest wzmocnienie? Co jest wzmacniane, jak to zdefiniowałem? Czy moje rozumienie pojęcia amplifikacja jest błędne? I w jaki sposób prąd jest przenoszony z obszaru o niskiej rezystancji do obszaru o wysokiej rezystancji?

Myślę, że zrozumiałem, jak zbudowany jest tranzystor i jak płyną prądy. Czy ktoś może więc jasno wyjaśnić działanie wzmacniacza tranzystorowego i odnieść go do tego, co rozumiem na temat wzmocnienia.

Green Noob
źródło
@ChrisStratton Oto pytanie o uziemienie electronics.stackexchange.com/q/24598/7364
Green Noob
Czy zadajesz sobie pytanie, dlaczego książki mówią o zmianie prądu podstawowego zamiast po prostu „prądu”?
0x6d64
@ 0x6d64 Czy możesz być bardziej skomplikowany?
Green Noob
Jest tu kilka słabych odpowiedzi. Dużo zamieszania, tranzystory wzmacniają prąd, tranzystory wzmacniają napięcie itp.
Rhody

Odpowiedzi:

18

Zacznę od definicji wzmocnienia. W najbardziej ogólny sposób wzmocnienie to tylko stosunek dwóch wartości. Nie oznacza to, że wartość wyjściowa jest większa niż wartość wejściowa (chociaż jest to najczęściej stosowana metoda). Nie ma również znaczenia, czy obecna zmiana jest duża czy mała.

Przejdźmy teraz do kilku powszechnie stosowanych wartości wzmocnienia:

Najważniejszym (i tym, o którym mówi twoje pytanie) jest . Jest zdefiniowany jako β = I cβ , gdzieIcto prąd idący do kolektora, aIbto prąd do podstawy. Jeśli zmienimy nieco formułę, otrzymamyIc=βIb,która jest najczęściej stosowaną formułą. Z powodu tej formuły niektórzy twierdzą, że tranzystor „wzmacnia” prąd podstawowy.β=IcIbIcIbIc=βIb

Jak to się ma do prądu emitera? Mamy też wzór Po połączeniu tego wzoru z drugim wzorem otrzymujemy β I b + I b + I e = 0 . Z tego możemy uzyskać prąd emitera jako - I e = β I b + I b = I b ( β + 1 ) (zauważ, że I eIc+Ib+Ie=0βIb+Ib+Ie=0Ie=βIb+Ib=Ib(β+1)Ie pobiera prąd do emitera, więc jest ujemny).

Z tego widać, że używając jako poręcznego narzędzia w obliczeniach, możemy zobaczyć zależność między prądem bazowym tranzystora a prądem emitera tranzystora. Ponieważ w praktyce β jest w zakresie od setek do tysięcy, możemy powiedzieć, że „mały” prąd podstawowy jest „wzmacniany” do „dużego” prądu kolektora (co z kolei wytwarza „duży” prąd emitera). Zauważ, że do tej pory nie mówiłem o żadnych deltach. Jest tak, ponieważ tranzystor jako element nie wymaga zmiany prądu. Możesz po prostu podłączyć bazę do stałego prądu stałego, a tranzystor będzie działał dobrze. Jeśli wymagana jest zmiana prądu, „ββ

Jest też inna wartość, a jej nazwa to . Oto, co to jest: α = I cα . Kiedy to zmieniamy, widzimy, żeIc=αIe. Zatemαjest wartością, o którą prąd emitera jest wzmacniany w celu wytworzenia prądu kolektora. W tym przypadku wzmocnienie faktycznie daje nam mniejszą moc wyjściową (chociaż w praktyceαjest bliskie 1, około 0,98 lub więcej), ponieważ, jak wiemy, prąd emitera wychodzący z tranzystora jest sumą prądu podstawowego i prąd kolektora, który trafia do tranzystora.α=IcIeIc=αIeαα

Teraz powiem trochę o tym, jak tranzystor wzmacnia napięcie i prąd. Sekret polega na tym, że nie. Wzmacniacz napięciowy lub prądowy działa! Sam wzmacniacz jest nieco bardziej złożonym obwodem, który wykorzystuje właściwości tranzystora. Ma również węzeł wejściowy i wyjściowy. Amplifikacja napięcia stosunek napięć między tymi węzłami . Obecny amplifikacji stosunek prądów między tymi dwoma węzłami:I=IOutAv=VoutVin . Mamy również wzmocnienie mocy, które jest produktem wzmocnienia prądu i napięcia. Pamiętaj, że wzmocnienie może się zmieniać w zależności od węzłów, które wybraliśmy jako węzeł wejściowy i wyjściowy!Ai=IoutIin

Istnieje kilka innych interesujących wartości związanych z tranzystorami, które można znaleźć tutaj

Podsumowując: mamy tranzystor, który coś robi. Aby bezpiecznie korzystać z tranzystora, musimy być w stanie przedstawić, co robi tranzystor. Jednym ze sposobów reprezentowania procesów zachodzących w tranzystorze jest użycie terminu „wzmocnienie”. Używając wzmocnienia, możemy uniknąć faktycznego zrozumienia tego, co dzieje się w tranzystorze (jeśli masz jakieś zajęcia z fizyki półprzewodników, dowiesz się, że tam) i po prostu masz kilka równań, które będą przydatne dla wielu praktycznych problemów.

AndrejaKo
źródło
Wielkie dzięki za odpowiedź na moje wcześniejsze pytania. Ale czy możesz mi powiedzieć, dlaczego autor wprowadził szeregowo oporność 5 Kohm, wyjaśniając „wzmocnienie” napięcia? i skąd wziął rezystancję wejściową 20 omów? Link
Green Noob
Naprawdę nie odpowiada, skąd pochodzi wzmocnienie.
rhody
@ rhody Kiedy patrzyłem na to pytanie, ustaliłem, że głównym problemem jest użycie terminologii i dlatego dostarczyłem odpowiedzi terminologicznej. Ponieważ OP miał już opinię na temat tranzystorów, nie było potrzeby wchodzenia w szczegóły wyjaśniające, co się właściwie dzieje.
AndrejaKo
Rozumiem, że wzmocnienie następuje, gdy zwiększa się siłę sygnału, która jest oparta na energii przenoszonej przez sygnał i mierzona w kategoriach mocy (watów). Wzmacniacz zwiększa więc moc. Wzmacniacz „napięciowy” zwiększa napięcie sygnału bez obniżania prądu, a to z kolei zwiększa moc wyjściową. Wzmacniacz „mocy” podnosi zarówno napięcie prądu przemiennego, jak i prąd przemienny, dzięki czemu uzyskuje się znaczny wzrost mocy (więcej niż wzmacniacz napięcia).
Pan X
@ Pan XI wyraźnie nie zgadza się ze zrozumieniem. Mianowicie mamy „wzmocnienie” jako narzędzie abstrakcyjne, a następnie mamy praktyczne zastosowania tego narzędzia. W tej odpowiedzi wyraźnie postanowiłem nie próbować zamaczać wody, odnosząc się do praktycznych zastosowań, ponieważ uważam, że bardzo przydatne jest samodzielne zrozumienie narzędzia abstrakcyjnego.
AndrejaKo
7

Tranzystor nie wzmacnia się. Wyobraź sobie fale dźwiękowe uderzające w mikrofon: tak naprawdę dzieje się tak, że sygnał dźwiękowy nie przechodzi do mikrofonu, ale mikrofon wytwarza sygnał odpowiadający sygnałowi dźwiękowemu; To nie jest faktyczny sygnał.

Pamiętaj, że rzeczywistych sygnałów w prawdziwym świecie nie można wzmocnić ani osłabić. Czy możesz złapać dźwięk lub inny sygnał z prawdziwego świata? Nie. Są takie, jakie są, możemy stworzyć system, który będzie działał na efekt sygnału ze świata rzeczywistego; fale dźwiękowe uderzone w mikrofon, lekkie uderzenia w obiektyw aparatu itp.

Ale jeśli chodzi o tranzystor, przykładasz sygnał wejściowy do bazy i otrzymujesz nowy sygnał odpowiadający sygnałowi wejściowemu o większej amplitudzie w kolektorze. Należy pamiętać, że dzieje się tak, ponieważ niewielka zmiana po stronie wejściowej będzie odpowiadać dużej zmianie po stronie wyjściowej z powodu zmian rezystancji. To tylko efekt jeden do jednego. Sygnał wyjściowy jest całkowicie nowym sygnałem o większej amplitudzie, a nie rzeczywistym sygnałem.

gopal
źródło
To wcale nie odpowiada na pytanie.
rhody
W rzeczywistości fala elektryczna i znaczna część nośników ładunku przechodzą od podstawy do emitera, dlatego można powiedzieć, że nowy sygnał jest częściowo skomponowany przez poprzedni. Ale jest to dość filozoficzne, gdy dla nas sygnałami są poziomy napięcia, mierzalne, powtarzalne ...
Brethlosze
5

Sygnał jest wzmocniony. W zależności od konstrukcji wzmacniacza tranzystorowego rzeczywisty prąd podstawowy może, ale nie musi, stanowić część prądu wyjściowego. Nie przejmuj się definicją wzmocnienia, która wymaga, aby każdy elektron wejściowy był większy, a następnie przekazywany na wyjście ...

Ben Jackson
źródło
Proszę wytłumacz?
Green Noob
@GreenNoob - większość wzmacniaczy tranzystorowych ma prądy polaryzacji, które zapewniają liniowe działanie obwodu. Przy obecnych tylko prądach polaryzacji, prawdą jest, że prąd emitera jest większy niż prąd bazowy, ale nie jest to zbyt interesujące, ponieważ prądy te są tylko stałymi. Książki mówią o zmianach prądu b / c sygnały, które zwykle myślimy o wzmacnianiu, są nakładane jako fluktuacje na prądy polaryzacji.
JustJeff
4

Zasada działania BJT (Bipolar Junction Transistor), która czyni go użytecznym, polega na tym, że wzmacnia prąd . Wrzuć mały prąd, a większy. Współczynnik wzmocnienia jest ważnym parametrem tranzystora i nazywa . Tranzystor ogólnego przeznaczenia może mieć h F E wynoszącą na przykład 100, czasem wyższą. Tranzystory mocy muszą to robić z mniejszą ilością , na przykład od 20 do 30. Więc jeśli wstrzyknę prąd 1 mA do podstawy mojego tranzystora NPN ogólnego przeznaczenia, otrzymam 100 mA prądu kolektora. To jest wzmocnienie, prawda? Wzmocnienie prądu . hFEhFE

Co powiesz na wzmocnienie napięcia? Dodajmy kilka oporników. Rezystory są tanie, ale jeśli chcesz zarabiać, możesz spróbować je sprzedać, nazywając je „przetwornikami napięcia na prąd” :-).

enter image description here

Dodaliśmy rezystor bazowy, który spowoduje prąd bazowy o wartości

IB=VB0.7VRB

I wiemy, że prąd kolektora jest wyższy o współczynnik h F E , więc IChFE

IC=hFE(VB0.7V)RB

Rezystory są naprawdę świetnymi rzeczami, ponieważ oprócz „przetworników napięcia na prąd” można również używać ich jako „przetworników prądu na napięcie” ! (możemy za nie naliczyć jeszcze więcej!) Zgodnie z prawem Ohma:

VRL=RLIC

i odtąd VC=VCCVRL

dostajemy

VC=VCCRLhFE(VB0.7V)RB

lub

VC=hFERLRBVB+(hFERLRB0.7V+VCC)

VCVBhFERBRC

VC=hFERLRBVB=1001kΩ10kΩVB=10VB

Napięcie wyjściowe jest więc 10 razy większe niż napięcie wejściowe plus stałe obciążenie. Wygląda na to, że możemy również użyć tranzystora do wzmocnienia napięcia .

stevenvh
źródło
1
W ścisłym sensie fizyki tranzystory nie wzmacniają prądu, ponieważ nawet tranzystor bipolarny jest sterowany za pomocą podstawowego napięcia emitera, ale zgadzam się, że jest to wygodny skrót. amasci.com/amateur/transis.html
Mister Mystère
@ MisterMystère: tranzystor bipolarny we wspólnym emiterze jest sterowany prądem bazowym, a nie napięciem. To prąd podstawowy powoduje X-krotnie większy prąd kolektora. Jesteś w błędzie.
Joris Groosman,
@JorisGroosman Słyszałeś kiedyś o podręczniku „Art of Electronics?” Uczą tranzystory bipolarne z filozofią projektowania napięcie-wejście, a nie prąd. Autor Win Hill w szczególności zwraca uwagę na wszystkie wady punktu widzenia opartego na hfe i prądzie wejściowym oraz pokazuje, jak je rozwiązać, widząc BJT jako napędzane napięciem; rządzony równaniem Ebersa-Molla. Wskazuje, że prąd wejściowy nie dotyczy wzmacniacza różnicowego, prądu lustrzanego ani cascode. Sprawdź jedną z jego odpowiedzi na forum na temat napięcia wejściowego BJT w porównaniu do prądu wejściowego: cr4.globalspec.com/comment/720374/Re-Voltage-vs-Current
wbeaty 21'15
@wbeaty: Tak, znam obszar. Dziwna rzecz: od lat 50. XX wieku inżynierowie obliczyli prąd kolektora jako funkcję prądu podstawowego, jest to miliard praktycznych zastosowań i wszystkie one działają ! Prąd jako funkcja napięcia podstawowego prawdopodobnie nie wykracza poza tablicę.
Joris Groosman
Nie, nie znasz AOE, ponieważ pokazują, dlaczego hfe NIE DZIAŁA dla projektowania analogowego. Wzmacniacze oparte na hfe zawiodą, jeśli temperatura dryfuje o kilka stopni. Autorzy popierają filozofię projektowania BJT opartą na napięciu. Jak wskazuje Win Hill, hfe nie wyjaśnia stopni napięcia wejściowego, takich jak obserwatory emiterów lub wzmacniacze różnicowe. Wzmacniacze operacyjne i ich napięcia wejściowe nie są koncepcją wyłącznie tablicową. Pracują i są odporne na ogromne zmiany hfe zaangażowanych tranzystorów. Tak, hfe jest użyteczną koncepcją, ale bez sygnałów opartych na napięciu i Ebersa-Moll'a duża część nowoczesnego analogowego projektu zawiodłaby.
wbeaty,
3

Wzmocnij dźwięk, a zwiększysz przepływ energii: waty wejściowe dźwięku stają się większe waty wyjściowe.

Zauważ, że transformator elektryczny nie wzmacnia się. Może zwiększyć napięcie, ale nie może zwiększyć watów.

Tranzystory (i każdy rodzaj zaworu lub przełącznika) mogą się wzmacniać. Robią to za pomocą niewielkiej mocy do sterowania zasilaczem, który może wytworzyć ogromną moc. Duża moc wyjściowa pochodzi z zasilacza, podczas gdy sygnał wejściowy włącza i wyłącza tranzystor.

Jeśli masz gigantyczną prasę hydrauliczną, możesz zmiażdżyć samochody, dotykając przełącznika zaworu małym palcem. Zawór się wzmocnił ruch palca, aby zacisnąć Chevysa. Ale tak naprawdę to była dostawa heudrauliczna o mocy setek KM, która zapewniła zwiększoną moc. W przypadku NPN ten sam pomysł. Tranzystory to zawory przepływającego ładunku zamiast płynnego płynu hydraulicznego.

wbeaty
źródło
Ładne wyjaśnienie ... Aby przenieść go do domeny elektrycznej, możemy po prostu powiedzieć, że tranzystor jest „opornikiem sterowanym elektrycznie” wstawionym szeregowo („reostat”) lub równolegle („bocznik”) do obciążenia. W ten sposób tworzy dzielnik napięcia lub prądu. Mówiąc ściślej, możemy jedynie dodać, że ten „opornik” jest nieliniowy i jest kontrolowany zarówno po stronie źródła wejściowego, jak i obciążenia. Ponadto tranzystor jest pasywnym, nieaktywnym urządzeniem (pod względem mocy).
Fantasy Circist,
Z tego „punktu widzenia energii” tranzystor nie wzmacnia się; przeciwnie, osłabia moc źródła ... nie wytwarza energii; zużywa energię.
Fantazista obwodu
przeczytanie wszystkich twoich odpowiedzi naprawdę mi bardzo pomaga, szczególnie dzięki @wbeaty twoje wyjaśnienie jest naprawdę miłe!
Twoja analogia do kruszenia samochodu jest o wiele łatwiejsza do zrozumienia niż zawór wodny. Dzięki!
dval
0

Rozumiem, że aby wzmocnić tranzystor, musisz odpowiednio go polaryzować. Przesunięcie do przodu złącza BE powoduje, że jest to dioda przewodząca, więc rezystancja wejściowa jest mniejsza. Odwrotne odchylenie złącza CE sprawia, że ​​dioda nie przewodzi prądu, więc rezystancja wyjściowa jest wysoka. A jeśli Ic jest prawie równy Ie, wówczas prąd powoduje niski spadek napięcia na wejściu i duży na wyjściu. Dlatego nazywa się to Wzmacniaczem.

Aditya
źródło
0

Dzięki tranzystorowi możesz to osiągnąć: Daj mały sygnał (ac) na wejściu i uzyskaj sygnał o wyższej wartości (wyższej amplitudzie) na wyjściu. Ale to nie wszystko. Musisz podać zasilanie DC na kolektorze i podstawie; emiter, jeśli jest wymagany. Nazywa się to odchylaniem punktu stałego. Moc skuteczna uzyskana na wyjściu będzie mniejsza niż dostarczona moc prądu stałego.

Jeśli chcesz przeprowadzić analizę, każdy obwód wymaga dwóch kroków.

  1. Analiza DC: nie bierz pod uwagę żadnego sygnału AC. Sprawdź wartości wszystkich prądów diodowych na podstawie napięcia stałego w różnych węzłach (kolektor, baza, emiter). Odbywa się to za pomocą KVL wzdłuż różnych pętli.

  2. Model AC: Wyjaśnia to bardzo: co rysujemy jako obwód v / s, jakie elementy są faktycznie obecne w środku. Idąc dalej, dioda ma opór do przodu. Rzeczywisty model będzie taki:Zdjęcie pochodzi z książki „Urządzenia elektroniczne i teoria obwodów

Na podstawie analizy prądu stałego musisz znaleźć wartość Ie. Zgodnie z teorią diod Re = (26mV / Ie). Naszym celem jest znalezienie Vout / Vin.
1. Vout będzie zależeć od Ic.
2. Ic będzie zależeć od Ib.
3. Ib będzie zależeć od Vin i Re.
4. Re znaleźliśmy z analizy DC.

wprowadź opis zdjęcia tutaj W analizie prądu przemiennego wykonujemy całe zasilanie prądem stałym na 0 V. Patrząc na to, możesz stwierdzić, że sygnał wyjściowy będzie wzmocniony, prawda?

Uwaga: miało to na celu dać ci intuicyjny pogląd, że wzmocnienie ma miejsce. Ale to, czy dostaniesz wzmocnienie, czy nie, zależy od tego, czy tranzystor jest liniowy (wzmacniacz), nasycony, czy odcięty (przełącznik). Ponownie, to, co zostanie wzmocnione (prąd lub napięcie), zależy od rodzaju konfiguracji. Tak więc wszystko składa się z 3-4 rozdziałów dowolnej standardowej książki na temat teorii analogowej.

poszukiwacz
źródło