最初のバイポーラ接合トランジスタは、1947年にベル研究所で発明されました。「2つの極性」はバイポーラと略されるため、バイポーラ接合トランジスタと呼ばれます。BJTは、コレクタ(C)、ベース(B)、エミッタ(E)の3端子デバイスです。トランジスタの端子を特定するには、特定のBJT部品のピン配列が必要です。これは、データシートで入手できます。BJTには、NPNトランジスタとPNPトランジスタの2種類があります。このチュートリアルでは、NPNトランジスタについて説明します。上の画像に示されている、NPNトランジスタの2つの例であるBC547AとPN2222Aについて考えてみましょう。
製造プロセスに基づいてピン構成が変更され、詳細は対応するデータシートに記載されています。トランジスタの電力定格が増加するにつれて、必要なヒートシンクをトランジスタの本体に取り付ける必要があります。バイアスのないトランジスタまたは端子に電位が印加されていないトランジスタは、下の図に示すように、背中合わせに接続された2つのダイオードに似ています。
ダイオードD1は、ダイオードD2の順方向伝導に基づく逆方向伝導特性を有する。ダイオードD2に電流が流れると、ダイオードD1が電流を検出し、コレクタ端子に高い電位が印加されていれば、比例電流がコレクタ端子からエミッタ端子に逆方向に流れるようになります。比例定数はゲイン(β)です。
NPNトランジスタの動作:
上で論じたように、トランジスタは、空乏層を拡散するために必要とされる特定の障壁電位を有する2つの空乏層を有する電流制御デバイスである。シリコントランジスタの障壁電位は、25°Cで0.7V、ゲルマニウムトランジスタの25°Cで0.3Vです。シリコンは酸素に次いで地球上で最も豊富な元素であるため、最も一般的に使用されるトランジスタのタイプはシリコンタイプです。
内部操作:
npnトランジスタの構造は、コレクタ領域とエミッタ領域にn型材料がドープされ、ベース領域にp型材料の小層がドープされています。コレクタ領域と比較すると、エミッタ領域は高濃度にドープされています。これらの3つの領域は2つのジャンクションを形成します。それらは、コレクター-ベースジャンクション(CB)とベース-エミッタージャンクションです。
0Vから増加するベース-エミッタ接合に電位VBEが印加されると、電子と正孔が空乏領域に蓄積し始めます。電位が0.7Vを超えると、バリア電圧に達し、拡散が発生します。したがって、電子は正の端子に向かって流れ、ベース電流の流れ(IB)は電子の流れと反対になります。また、コレクタ端子にVCE電圧を印加すると、コレクタからエミッタへの電流が流れ始めます。トランジスタは、スイッチおよび増幅器として機能することができます。
動作領域と動作モード:
1.アクティブ領域、IC =β×IB–アンプの動作
2.飽和領域、IC =飽和電流–スイッチ操作(完全にオン)
3.カットオフ領域、IC = 0 –スイッチ操作(完全にオフ)
スイッチとしてのトランジスタ:
PSPICEモデルで説明するためにBC547Aが選択されました。ベースで電流制限抵抗を使用することを覚えておくべき最初の重要なこと。ベース電流が高くなると、BJTが損傷します。データシートから、最大コレクタ電流は100mAであり、対応するゲイン(hFEまたはβ)が示されています。
コンポーネントを選択する手順、
1.負荷によって消費される電流を使用してコレクタ電流を見つけます。この場合、60mA(リレーコイルまたは並列LED)および抵抗= 200オームになります。
2.トランジスタを飽和状態に駆動するには、トランジスタが完全にオンになるように十分なベース電流を供給する必要があります。使用するベース電流と対応する抵抗を計算します。
完全に飽和させるために、ベース電流は約0.6mA(高すぎたり低すぎたりしない)です。したがって、以下は、スイッチがオフ状態であるベースへの0Vの回路です。
a)スイッチとしてのBJTのPSPICEシミュレーション、およびb)同等のスイッチ条件
理論的にはスイッチは完全に開いていますが、実際には漏れ電流の流れを観察できます。これらはpAまたはnAであるため、この電流は無視できます。電流制御をよりよく理解するために、トランジスタはコレクタ(C)とエミッタ(E)の両端の可変抵抗器と見なすことができ、その抵抗はベース(B)を流れる電流に基づいて変化します。
最初、ベースに電流が流れていないとき、CEの両端の抵抗は非常に高く、ベースに電流は流れません。ベース端子に0.7V以上の電位を印加すると、BE接合が拡散し、CB接合が拡散します。これで、ゲインに基づいてコレクタからエミッタに電流が流れます。
a)スイッチとしてのBJTのPSPICEシミュレーション、およびb)同等のスイッチ条件
ここで、ベース電流を制御して出力電流を制御する方法を見てみましょう。IC = 42mAを考慮し、上記と同じ式に従うと、IB = 0.35mAが得られます。RB =14.28kOhms≈15kOhms。a)スイッチとしてのBJTのPSPICEシミュレーション、およびb)同等のスイッチ条件
計算値からの実際の値の変動は、トランジスタの両端の電圧降下と使用される抵抗性負荷によるものです。
増幅器としてのトランジスタ:
増幅とは、弱い信号を使用可能な形式に変換することです。増幅のプロセスは、ワイヤレス送信信号、ワイヤレス受信信号、Mp3プレーヤー、携帯電話などの多くのアプリケーションで重要なステップです。トランジスタは、さまざまな構成で電力、電圧、および電流を増幅できます。
アンプ回路で使用される構成のいくつかは次のとおりです。
- エミッタ接地アンプ
- コレクタ接地アンプ
- コモンベースアンプ
上記のタイプのうち、一般的なエミッタタイプが一般的で主に使用される構成です。動作はアクティブ領域で発生します。その一例がエミッタ接地アンプ回路です。アンプの設計では、安定したDCバイアスポイントと安定したACゲインが重要です。トランジスタが1つだけ使用されている場合のシングルステージアンプの名前。
上記は、ベース端子で印加された弱い信号がコレクタ端子で実際の信号のβ倍に変換される単段増幅回路です。
一部の目的:
CINは、入力信号をトランジスタのベースに結合する結合コンデンサです。したがって、このコンデンサはソースをトランジスタから分離し、AC信号のみを通過させます。CEは、増幅された信号の低抵抗パスとして機能するバイパスコンデンサです。COUTは、トランジスタのコレクタからの出力信号を結合する結合コンデンサです。したがって、このコンデンサは出力をトランジスタから分離し、AC信号のみを通過させます。R2とREはアンプに安定性を提供しますが、R1とR2は一緒に分圧器として機能することにより、DCバイアスポイントの安定性を保証します。
操作:
回路は時間間隔ごとに瞬時に動作します。簡単に理解すると、ベース端子のAC電圧が増加すると、それに対応して電流が増加し、エミッタ抵抗を流れます。したがって、エミッタ電流のこの増加は、トランジスタを流れるより高いコレクタ電流を増加させ、VCEコレクタエミッタドロップを減少させます。同様に、入力AC電圧が指数関数的に減少すると、エミッタ電流の減少によりVCE電圧が増加し始めます。これらの電圧の変化はすべて出力で瞬時に反射し、入力の波形は反転しますが、増幅されます。
特徴 |
共通ベース |
エミッタ接地 |
共通コレクター |
電圧利得 |
高い |
中 |
低 |
現在のゲイン |
低 |
中 |
高い |
パワーゲイン |
低 |
すごく高い |
中 |
表:ゲイン比較表
上記の表に基づいて、対応する構成を利用できます。