Устройство и принцип действия транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство и принцип действия транзистора. Транзистор в режиме усиления. Импульсные свойства транзистора

План лекции

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин
1. 2. 3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Схема включения, принцип действия, электрическая модель, частотные свойства биполярного транзистора. 2. Статические характеристики, параметры биполярного транзистора. 3. Режимы работы транзистора. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 80 40 25 15 5

транзистор полупроводник питание

Материальное обеспечение

1. Схема аппаратуры военной связи.

2. Набор биполярных транзисторов.

3. Комплект диапозитивов по теме 4.

4. Плакат "Биполярный транзистор".

Вводная часть

В 1922 году нашим соотечественником, инженером Нижегородской радиолаборатории О.В.Лосевым была открыта способность полупроводникового прибора генерировать и усиливать электрические сигналы. Им был создан радиоприемник "Кристадин", в котором использовались полупроводниковые усилители.

Позднее благодаря работам русского ученого А.Ф.Иоффе были получены образцы полупроводниковых триодов, годных для промышленного освоения.

В 1954 году в Санкт-Петербурге (Ленинграде) на заводе "Светлана" началось производство отечественных транзисторов. Большие заслуги в изучении свойств полупроводниковых приборов, разработке методов расчета полупроводниковых схем, принадлежат Я.А.Федотову, Н.Ф.Николаевскому, И.П.Степаненко и другим. Сам термин "транзистор" происходит от комбинации английских слов "transfer of resister", что означает "преобразователь сопротивления". Термин "биполярный" означает, что в этом транзисторе используются подвижные носители электрических зарядов обоих знаков - электроны и дырки.

В настоящее время транзисторы находят широчайшее применение в аппаратуре военной связи, являясь основой элементной базы. Это определяет важность и актуальность изучаемой темы.

1. Схема включения, принцип действия, электрическая модель, частотные свойства биполярного транзистора

Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый усилительный прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода. Условные графические обозначения транзисторов в схемах приведены на рис.1.

В транзисторе чередуются три области полупроводника с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п. Принцип действия их одинаков.

Чередующиеся области транзистора называют эмиттером, базой и коллектором. Каждая область снабжена соответствующими выводами (электродами).

Эмиттер - крайняя область транзистора, предназначенная для инжекции носителей заряда в базу. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным. В активном (усилительном) режиме на него подано прямое напряжение.

Коллектор - вторая крайняя область, предназначенная для экстракции носителей заряда из базы. Название "коллектор" означает "собиратель". Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называют коллекторным. В активном режиме на него подано обратное напряжение.

База - средняя область, обеспечивает взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами.

Управляющие напряжения Uэб, Uкб, практически полностью приложены к р-п-переходам, поэтому если база однородная, движение носителей заряда в ней чисто диффузионное за счет разности их концентрации. Такие транзисторы называют бездрейфовыми. Транзисторы с неоднородной базой называют дрейфовыми.

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трех основных явлений (рис 2.):

Размещено на http://www.allbest.ru/

- инжекции носителей из эмиттера в базу при подаче на эмиттерный переход прямого напряжения;

- переноса инжектированных в базу неосновных носителей к коллекторному переходу вследствие диффузии или дрейфа;

экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор при подаче на коллекторный переход обратного напряжения.

Принцип действия транзистора заключается в том, что задающий ток входной низкоомной цепи эмиттера (эмиттерный переход открыт) эффективно управляет током в выходной высокоомной цепи коллектора (коллекторный переход закрыт). Такое взаимодействие происходит за счет тонкой базы. Большая часть носителей, инжектируемых из эмиттера через эмиттерный переход (для базы они являются неосновными) успевает достичь за счет диффузии коллекторного перехода и под действием ускоряющего для них электрического поля перейти в область коллектора, замыкая цепь выходного тока. Для того чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически полностью переходил в коллекторную область транзистор имеет ряд конструктивных особенностей:

- эмиттер легируется сильнее базы на несколько порядков. При таких условиях преобладает поток основных носителей из эмиттера в базу, который является управляемым.

- толщина базы много меньше диффузионной длины носителей W<<L, у современных транзисторов обычно W<<1мкм, тогда как L=5 - 10мкм (диффузионная длина L характеризует то расстояние, на которое успевают продиффундировать носители за время жизни).

Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода для более эффективного отбора носителей из базы. Для увеличения максимально допустимого напряжения коллектора Uкбmax, которое зависит от толщины коллекторного перехода, коллектор легируется слабее эмиттера (но сильнее базы). При этом с ростом Uкб коллекторный переход расширяется в основном в область базы, уменьшая её толщину.

Коллекторный ток (выходной) транзистора определяется в основном количеством неосновных носителей в базе вблизи коллекторного перехода, а оно, в свою очередь, зависит от количества инжектированных в базу из эмиттера неосновных носителей и от того, какая часть их них, не рекомбинировав в базе, подойдет к коллекторному переходу. Коллекторный ток и ток эмиттера связаны через коэффициент передачи тока эмиттера. Его значение близко к единице и может доходить до 0,999. В высококачественных транзисторах коллекторный ток близок по величине к току в цепи эмиттера. Так как ток инжекции через эмиттерный переход определяется приложенным к переходу прямым напряжением, то, меняя это напряжение, можно изменять величину тока в цепи коллектора.

Таким образом, транзистор представляет собой управляемый прибор. Поскольку напряжение в цепи коллектора, переход которого включен в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, переход которого включен в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями между токами и напряжениями в различных его цепях и их взаимным влиянием друг на друга.

При работе транзистора на высоких частотах ухудшаются его качества как усилительного элемента. Все это связано с наличием барьерных емкостей переходов, сопротивления областей структуры (в первую очередь распределенного сопротивления базы), конечного времени пролета носителей через базу и коллекторный переход, инерционности процессов накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и др.

Для количественной оценки влияния перечисленных выше факторов на частотные свойства транзисторов используются модели в виде схем замещения. На практике широкое распространение получила гибридная схема замещения, наиболее полно соответствующая структуре транзистора (рис 3 ).

Для отображения свойств транзистора как активного элемента и учета влияния входного напряжения на ток коллектора, в схему вводится

управляемый источник тока. Особенностью схемы является то, что в широком диапазоне частот ее элементы можно считать независящими от частоты.

Обычно гибридную схему замещения используют для характеристики транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

Таким образом, биполярный транзистор является усилительным прибором, в котором управление выходным током можно осуществлять небольшими изменениями напряжения (тока) во входной цепи.

2. Статические характеристики, параметры биполярного транзистора

В конкретных радиотехнических устройствах транзистор включают как четырехполюсник чаще всего по схеме с общей базой и общим эмиттером.

Такие схемы включения для транзистора типа п-р-n приведены на рис.4. Полярность источников питания соответствует активному режиму работы (эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт). При использовании транзистора типа р-п-p полярность источников питания изменяется на обратную.



Особенностью биполярного транзистора является то, что он управляется входными токами - Iвх. Для схемы с общей базой Iвх = Iэ, для схемы с общим эмиттером Iвх=Iб. С учетом этого в качестве основных статических характеристик транзистора чаще всего используются:

- входные статические характеристики

Iвх = f(Uвх)¦Uвых = const

- выходные статические характеристики

Iвых = f(Uвых) ¦Iвх = const

Для снятия статических характеристик транзистор включается в схему без нагрузки во внешней цепи - Rн. При этих условиях вид характеристик определяется свойствами самого транзистора.

Рассмотрим особенности этих характеристик для основных схем включения транзистора.

Схема с общей базой (рис.4б)

Iвх = Iэ, Iвых = Iк , Uвх = Uэб, Uвых = Uкб

Входные характеристики (рис.5б). Общий вид характеристик определяется эмиттерным переходом, включенным в прямом направлении. Поэтому по внешнему виду входные характеристики похожи на прямые ветви вольт-амперной характеристики диода.

Смещение входных характеристик вверх при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе Uкб объясняется следующим. Величина тока эмиттера зависит от градиента концентрации носителей в базе, который увеличивается с ростом напряжения на коллекторе (база становится тоньше).

Выходные характеристики (рис.6б). Общий вид характеристик аналогичен обратной ветви вольт-амперной характеристики диода, т.к. коллекторный переход включен в обратном направлении.

Смещение выходных характеристик вверх при увеличении тока эмиттера соответствует принципу действия транзистора, т.е. взаимосвязи Iэ и Iк; Iк=бIэ.

Через коллекторный переход ток протекает и при условии Uк=0. Это связано с наличием градиента концентрации неосновных носителей в базе транзистора при инжекции из эмиттера, т.е. при существовании тока эмиттера. Чтобы ток коллектора стал равным нулю, на коллектор должно быть подано прямое напряжение (работа в режиме двойной инжекции).

Схема с общим эмиттером:

В этом случае:

Iвх= Iб, Iвых=Iк, Uвх=Uбэ, Uвых = Uк

Входные характеристики (рис.5а). Общий вид характеристик такой же как у входных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. Это объясняется тем, что ток базы является суммой обратного тока коллектора Iкб0 и рекомбинационной составляющей Iэ рек, которая примерно пропорциональна току эмиттера Iэ и представляет собой малую часть тока эмиттера.

Смещение входных характеристик вниз при увеличении напряжения коллектора объясняется следующим. При увеличении напряжения коллектора коллекторный переход расширяется в сторону базы, база становится тоньше и рекомбинационная составляющая тока базы уменьшается. Одновременно с этим увеличивается обратный ток коллекторного перехода за счет увеличения тока поверхностной проводимости и термотока. Влияние изменения Uкэ на вид характеристик незначительно, поэтому они практически сливаются в одну при условии Uкэ? 0. При условии Uкэ=0 ток базы значительно возрастает, т.к. он протекает через два параллельно включенных в прямом направлении перехода - коллекторный и эмиттерный.

При Uкэ? 0 ток базы равен нулю при условии:

Iб = (1 -)Iэ - Iкб0 = 0

Это возможно при

Uбэ = Uбэ0? 0

Выходные характеристики (рис.6а). Общий вид характеристик аналогичен обратной ветви вольт-амперной характеристики диода, т.к. большая часть напряжения источника питания выходной цепи Uкэ падает на коллекторном переходе, включенном в обратном направлении. Минимально возможная величина тока коллектора когда закрыты оба перехода. Ток базы равен-Iкб0. Ток коллектора равен Iкб0.

Характеристика, снятая при Iб=0 (это возможно, когда рекомбинационная составляющая компенсируется обратным током коллекторного перехода), проходит выше и ток коллектора равен

Iк =(в + 1)Iкб0

При Iб>0 выходные характеристики смещаются вверх. В отличие от аналогичных характеристик схемы с общей базой данные характеристики имеют значительно больший наклон, т.е. наблюдается большая зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторном переходе Uкп=Uкэ-Uбэ. С увеличением Uкэ для выполнения условия Iб = const необходимо увеличивать ток эмиттера Iэ, а при этом растет и ток коллектора Iк.

В области малых напряжений коллектора (Uкэ<Uбэ) появляется прямой ток коллекторного перехода, направленный противоположно току эмиттер-коллектор. Это должно повлечь за собой увеличение тока базы, но ток базы по условию снятия характеристик должен оставаться постоянным. Для выполнения этого условия нужно уменьшать напряжение базы, что сопровождается уменьшением токов эмиттера и коллектора. Поэтому выходные характеристики при малых напряжениях коллектора имеют резкий спад. Вид статических характеристик для транзистора типа р-п-р аналогичен рассмотренным. При этом полярность источников питания меняется на обратную.

Транзистор является активным усилительным элементом. В радиотехнических устройствах он обычно включается как четырехполюсник. Количественно свойства самого транзистора описываются системами параметров. Различают параметры постоянного тока (бст и вст) и параметры переменного тока. Параметры переменного тока характеризуют свойства транзистора при наличии на его зажимах переменных составляющих токов и напряжений. Они называются дифференциальными. При их расчете полагают, что на зажимах транзистора действуют гармонические колебания токов и напряжений малой амплитуды.

Наиболее распространенная для биполярных транзисторов система Н-параметров. Систему Н-параметров обычно используют на низких частотах. В этом случае параметры обозначают h11;h12; h21;h22. Низкочастотные значения h - параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик, задаваясь конечными приращениями токов и напряжений.

Смысл и наименование Н-параметров.

- входное сопротивление транзистора

- коэффициент обратной связи по напряжению

- дифференциальный коэффициент передачи тока

- выходная проводимость транзистора

Параметры h11 и h12 определяют по входным характеристикам, а h21 и h22 по выходным характеристикам.

Таким образом, входные и выходные характеристики и параметры транзистора характеризуют данные приборы и позволяют сравнивать их по возможностям.

3. Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности подключения источников питания к электродам транзистора различают прямое и обратное (инверсное) включение транзистора.

При этом в зависимости от состояния переходов в транзисторе различают три режима:

-активный (или усилительный), в этом режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход закрыт;

-насыщения (или режим двойной инжекции), в этом режиме оба перехода открыты);

-отсечки (оба перехода закрыты).

В активном режиме через транзистор протекают токи, величина которых определяется величиной приложенных напряжений и принципом действия транзистора (уже изучены).

В режиме насыщения оба перехода открыты, сопротивление транзистора близко к нулю (десятки ом), электроды транзистора как бы стянуты в одну точку.

В режиме отсечки оба перехода закрыты, через транзистор протекают только обратные токи переходов, сопротивление транзистора велико.

Обратное (инверсное) включение транзистора характеризуется тем, что роль эмиттера выполняет коллектор, а роль коллектора - эмиттер. При этом коэффициент передачи тока значительно уменьшается. Такое включение находит применение в специальных схемах.

Так как транзистор является усилительным прибором, то в зависимости от того, какой сигнал подается на его вход, он может работать в режиме:

- усиления (на вход подается сигнал малой амплитуды);

- переключения (иногда называемым ключевым или режимом большого сигнала). В этом режиме транзисторы замыкают и размыкают электрические цепи под действием входного управляющего сигнала подобно механическим контактам.

Таким образом, в зависимости от полярности напряжений, подаваемых на переходы транзистора, он может работать в различных режимах, которые применяются в зависимости от конкретного использования прибора.

Заключительная часть

Таким образом, основной особенностью транзистора является то, что он может применяться в качестве усилительного элемента. При этом управление транзистором осуществляется входным током, в качестве которого может использоваться ток базы или ток эмиттера.

Статические характеристики определяют функциональные возможности применения транзистора в конкретных радиотехнических устройствах. Они приводятся в справочных данных на транзистор. Статические характеристики используют для выбора оптимального электрического режима транзистора, графического определения статических дифференциальных параметров, оценки параметров усиления и других целей.

Изученные выше параметры характеризуют транзистор при работе его в активном (усилительном) режиме. Важнейшими его режимами являются также отсечки и двойной инжекции, в которых он находится работая в ключевых схемах. Изучению особенностей физических процессов в транзисторе при работе его в режиме усиления и в режиме ключа будут посвящены следующие лекции.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 240-243.

2. Подготовиться к лабораторной работе по исследованию биполярных транзисторов.

План лекции

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин
1. 2. 3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Нагрузочные характеристики транзистора. 2. Анализ режима неискаженного усиления. 3. Схемы питания транзистора. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 80 20 30 30 5

Материальное обеспечение

1. Схемы аппаратуры военной техники связи.

2. Плакат "Транзистор в режиме усиления".

3. Комплект диапозитивов по теме 4.

Вводная часть

На предыдущих занятиях мы рассмотрели устройство, принцип действия, статические характеристики и дифференциальные параметры транзистора.

При рассмотрении принципа действия транзистора мы установили, что транзистор представляет собой управляемый прибор, способный усиливать электрические колебания. Исходя из этого и определяется основное назначение транзистора - усиление электрических колебаний, получившее широкое применение в военной технике связи. Какое бы устройство мы не взяли, всегда найдем усилители на полупроводниковых приборах, а в радиостанциях последних выпусков тактического звена управления ими полностью вытеснены электронные лампы даже при мощностях передатчика более 100Вт.

Для понимания принципа работы усилительных схем необходимо четко представлять себе работу усилительного (активного) элемента - транзистора.

Учитывая важность материала для практической работы, а также последующего изучения дисциплины ТЭЦ и дисциплин технических кафедр по этой теме выполняется контрольная работа.

1. Нагрузочные характеристики транзистора

При использовании транзистора для усиления колебаний в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой в общем случае является величиной комплексной.

Мы в дальнейшем для простоты это сопротивление будем считать чисто активным.

Отличие нагрузочных характеристик от статических связано с тем, что напряжение на коллекторе не остается постоянным, а зависит от величины тока коллектора.

Как видно из рис.1 напряжение на коллекторе при наличии нагрузки R в его цепи можно определить по закону Кирхгофа

Uк=Eк-Iк R

Это соотношение, являющееся уравнением прямой линии, определяет связь между током и напряжением коллектора при наличии нагрузки и представляет собой выходную нагрузочную характеристику.

Для построения выходной нагрузочной характеристики, представляющей прямую линию, необходимо найти точки пересечения её с осями координат:

1. Iк= 0 Uк = Eк

2. Uк= 0

Проведя через эти точки прямую, получим выходную нагрузочную характеристику (рис.2а).

Наклон этой характеристики зависит от величины сопротивления нагрузки. Чем больше сопротивление нагрузки, тем положе проходит нагрузочная характеристика.

Точки пересечения нагрузочной характеристики со статическими характеристиками Iк = f(Uк) определяют коллекторный ток, коллекторное напряжение транзистора при заданных Iб, R и Eк.

Входная характеристика транзистора с нагрузкой в цепи коллектора также отличается от статических входных характеристик, т.к. при её снятии напряжение коллектора изменяется. Эту характеристику можно построить имея семейство входных статических характеристик путем переноса точек пересечения выходной нагрузочной характеристики с выходными статическими характеристиками. Соединяя полученные точки плавной кривой получаем входную характеристику транзистора с нагрузкой (рис.2б). Она идет более круто, чем статические, т.е. входная проводимость транзистора с нагрузкой увеличивается.

На практике обычно входную характеристику транзистора с нагрузкой не строят, а используют одну из статических характеристик, которые идут узким веером и в справочниках приводится одна из них.

По нагрузочным характеристикам можно производить расчет режима усиления, который рассмотрим в следующем вопросе.

Таким образом, нагрузочные характеристики биполярного транзистора определяют связь между токами и напряжениями во входной и выходной цепях при наличии нагрузки в выходной цепи. Они отличаются от статических и используются при расчете режима усиления.

2. Анализ режима неискаженного усиления

Расчет усилителя можно производить:

а) Аналитически с использованием дифференциальных параметров транзистора (однако такой расчет носит ориентировочный характер);

б) Графоаналитически - с помощью характеристик, который мы и рассмотрим. (Результаты расчета в этом случае получаются более точные).

Пусть заданы входные и выходные статические характеристики транзистора (рис.3). Напряжение источника питания коллекторной цепи выбирается самостоятельно из имеющихся возможностей или задано.



Порядок расчета

Определим границы допустимых режимов, определяющих максимально возможную мощность транзистора.

Максимальная величина выходной мощности, которую можно получить от транзистора ограничивается максимально допустимым напряжением коллектора Uкmax, предельно допустимым током коллектора Iк пред и максимально допустимой рассеиваемой мощностью Ркmax.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, определяется максимально допустимой температурой его коллекторного перехода, температурой окружающей среды и тепловым сопротивлением транзистора. Для конкретных типов приборов эта величина указывается в справочнике.

Максимально допустимый ток коллектора Iкmax определяется из соотношения

Полученная кривая представляет собой гиперболу, а границы по току и напряжению - горизонтальную и вертикальную прямые Iкпред = const и Uкmax = const. Эти значения указываются в справочнике.

1. Взятые величины из справочника и полученные из расчета наносим на выходные характеристики транзистора.

2. Строим выходную нагрузочную характеристику с учетом полученных ограничений и получения максимального неискаженного усиления. Определяем сопротивление нагрузки Rн, исходя из

откуда

3. Строим входную характеристику транзистора с нагрузкой в цепи коллектора, переносом точек пересечения выходной нагрузочной характеристики с выходными статическими характеристиками на семейство выходных характеристик или выбираем в качестве её статическую входную характеристику снятую при напряжении на коллекторе не равном нулю.

4. На входной характеристике транзистора с нагрузкой выбираем линейный участок (АВ).

5. Посередине линейного участка выбираем начальную рабочую точку (0) и определяем напряжение смещения Uбэп и ток базы Iбп в рабочей точке, опуская перпендикуляры на оси координат.

6. Определяем амплитуды переменных составляющих тока базы и напряжения на базе Imб и Umб.

7. Определяем входную мощность:

8. Переносим на выходную нагрузочную характеристику рабочий участок АВ, начальную рабочую точку 0, используя значения тока базы в искомых точках.

9. Определяем постоянные составляющие тока коллектора Iкп, напряжение на коллекторе Uкп, амплитуды переменных составляющих тока коллектора Imк, напряжения коллектора Umк и выходную мощность:

10. Определяем коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности:

Таким образом, используя графоаналитический метод по характерис-тикам транзистора и его предельным параметрам можно достаточно просто и точно провести расчет режима усиления транзисторного усилителя.

3. Схемы питания транзистора

Цепи питания транзистора должны обеспечивать определенный режим работы по постоянному току. При этом недопустимо отклонение в больших пределах от заданного режима под воздействием дестабилизирующих факторов (изменение температуры, колебание питающих напряжений и т.д.). При выборе того или иного вида цепей питания стремятся применять меньшее число источников питания и схемных элементов и по возможности снижать потребляемую мощность.

Исходный режим работы задается либо напряжением смещения Uбэп, либо током базы Iбп (координата начальной рабочей точки (НРТ)).

Смещение может быть фиксированным, например, по току базы(Iбп=const) или по напряжению на базе(Uбэп=const), либо автоматически регулируемым, когда при изменении тока коллектора напряжение или ток базы также изменяются, но в сторону выравнивания режима работы транзистора.

Рассмотрим различные способы смещения более подробно.

Смещение постоянным током базы (рис.4)

Здесь ток базы практически определяется источником питания коллекторной цепи Ек и гасящим резистором Rб.

Схема отличается плохой температурной стабильностью. С ростом температуры Iкп изменяется существенно. Это объясняется сильной температурной зависимостью коэффициента в, а также большой относительной долей Iкб0 в составе Iкп.

Иначе говоря, для выполнения условия

Iбп = (1 - бст)Iэп - Iкб0? const

необходимо с ростом температуры увеличивать управляемую часть тока базы (I - ?ст)Iэ, чтобы скомпенсировать рост Iкбо, а для этого необходимо увеличивать Uбэп. При этом Iэп, а значит и Iкп растут значительно.

Величину гасящего резистора определяют по формуле:

2) Смещение постоянным напряжением "база-эмиттер" (рис.5)

Наряжение Uбэп=UR2 обеспечивается базовым делителем напряжения R1,R2. Для уменьшения влияния Iбп на величину Uбэп выбирают Iдел=(2-10)Iбп.

Учитывая это условие и считая заданными Iбп и Iдел, сопротивления резисторов делителя рассчитываются следующим образом:

Температурная стабильность схемы несколько лучше предыдущей. При условии Uбэ=const с ростом температуры Iэп растет, что вызывает, естественно, и рост Iкп. Однако температурный дрейф НРТ при этом меньше, чем при Iбп=const, т.к. режим Uбэп=const в большей степени соответствует режиму Iэп=const.

Иногда вместо резистора R2 используют диод в прямом направлении. При изменении температуры характеристика диода сдвигается примерно также как и Iк=f(Uб).

Например, при повышении температуры характеристика диода сдвигается влево, напряжение на диоде снизится приблизительно до такого значения, при котором ток коллектора практически не изменяется. Качество стабилизации режима лучше.

Смещение постоянным током эмиттера (рис.6) (эмиттерная стабилизация).



Здесь резистор Rэ обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя. Сопротивление его должно быть много больше нестабильного входного сопротивления транзистора со стороны эмиттера, то есть включенного по постоянному току в схеме "ОБ".

.

Рис. 6 Величина Rэ принимается от сотен ом до единиц килоом (величина Rэ должна быть меньше Rк). Напряжение базы (напряжение должно быть больше Uбэп).

.

Ток делителя определяется как Iдел = 2 10 Iбп (при большем токе делителя стабильность схемы выше). Иногда ток делителя выбирается равным Iк/10.

Отсюда

и .

Данный способ задания режима обеспечивает наилучшую температурную стабильность. При условии Iэп=const с ростом температуры Iкп изменяется незначительно. Это объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента ?, а также тем, что наиболее нестабильный ток Iкб0 составляет лишь малую часть тока коллектора.

4) Цепь смещения с коллекторной стабилизацией (рис.7)

При небольшом изменении температуры и малом разбросе параметров можно обеспечить смещение с удовлетворительной стабильностью по схеме рис.7. При изменении, например увеличении, тока коллектора увеличивается ток эмиттера и уменьшается напряжение Uкэ = Eк - Iэ Rк, что приводит к уменьшению тока базы и тока коллектора, иначе говоря всякое изменение тока коллектора встречает противодействие, уменьшающее степень этого изменения.

Величину резистора Rб определим так:

Таким образом, наилучшую стабильность режима покоя обеспечивает схема питания с эмиттерной стабилизацией, но она же является и наиболее сложной.

Заключительная часть

На сегодняшней лекции были изучены нагрузочные характеристики транзистора, рассмотрены методика и порядок расчета режима неискаженного усиления, методика расчета элементов цепей питания. Это позволит нам в дальнейшем выполнить контрольную работу по расчету режима неискаженного усиления усилителя на транзисторе.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 245-248.

План лекции

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин
1. 2. 3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Транзистор в режиме переключения. Принцип действия и вольтамперные характеристики тиристоров. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 80 40 40 5

Материальное обеспечение:

1. Комплект диапозитивов по теме 4.

2. Плакат "Тиристоры".

3. Плакат "Биполярный транзистор в режиме переключения".

Вводная часть

При изучении полупроводниковых диодов отмечалось, что диод часто используется в качестве ключа, функцией которого является замыкание и размыкание цепи. А нельзя ли транзистор использовать в качестве ключа? Какие процессы будут протекать в транзисторе при переключении? Как проанализировать эти процессы?

Ответам на эти вопросы посвящен первый вопрос данной лекции. Транзистор, имея малое сопротивление во включенном состоянии и весьма большое сопротивление в выключенном, в высокой степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к переключающим элементам. Это и обеспечивает его широкое применение в различных ключевых схемах, в том числе и в схемах аппаратуры военной связи, например, в современных приемниках Р-155М, Р-160П, "Рябина", в радиостанциях Р-161, Р-140, Р-159 и другой аппаратуре.

Широкое применение в технике связи, особенно в последнее время, находят также тиристоры, которые и будут рассмотрены во втором вопросе лекции.

Лекция является важной для понимания принципа работы различных импульсных устройств, которые будут изучаться в дисциплине "Вычислительная техника и информационные технологии".

1. Транзистор в режиме переключения

В ключевых схемах транзистор может быть включен как по схеме с общим эмиттером, так и по схеме с общей базой. Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером (она аналогична по структуре схеме резистивного усилителя) (рис.1).

При работе транзистора в ключевой схеме различают два устойчивых состояния: открытое и закрытое. Этим состояниям соответствуют режимы насыщения и отсечки транзистора. Во время перехода из одного состояния в другое транзистор находится в активном режиме.

Исходное состояние (закрытое) обеспечивается подачей в цепь базы запирающего напряжения.

Кремниевые транзисторы имеют четко выраженное пороговое напряжение и практически закрыты при Uбэ=0, т.е. не требуют дополнительного источника смещения. Рассмотрим режимы работы транзистора на его выходных статических характеристиках (рис.2), где построена нагрузочная характеристика транзистора.

Закрытому состоянию транзистора соответствует точка А, когда через транзистор протекают малые по величине обратные токи: Iб=Iкб0, Iк=Iкб0. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора практически мало отличается от Ек(Uк?Eк).

В открытом состоянии (точка Б) на вход схемы подается положительное напряжение, при котором транзистор переходит в режим насыщения. В цепи коллектора при этом протекает максимальный ток (ток насыщения)

Остаточное напряжение на коллекторе становится близким к нулю (для кремниевых транзисторов Uкэ? 0.3В для германиевых Uкэ? 0.1В).

Uкэ нас = Eк-Iк нас• Rк.

Для обеспечения открытого состояния в цепи базы должен протекать ток, минимальное значение которого, называемое граничным током базы, равно

В - коэффициент передачи постоянного тока в режиме большого сигнала (В на 10-40% меньше, чем вст). Если Iб>Iб гр, то величина Iк нас и Uк нас практически не меняются , но степень насыщения базы неосновными носителями возрастает.

Практически выбирают Iб>Iб гр, чтобы надежно обеспечить режим насыщения при изменениях температуры окружающей среды и скомпенсировать разброс В.

Напряжение на базе включенного транзистора мало, поскольку оно определяется прямым напряжением открытого эмиттерного перехода Uбэ нас. Величина его у маломощных кремниевых транзисторов ?0.9В, у мощных - единицы вольт.

Напряжение на коллекторном переходе, равное Uкп=Uк-Uб оказывается прямым, т.к. напряжение базы имеет большую величину, чем напряжение коллектора. Поэтому коллекторный переход открывается и начинается инжекция носителей из коллектора в базу.

Таким образом, в данном режиме электроны инжектируются в базу из обоих переходов - эмиттерного и коллекторного (режим двойной инжекции). Чем меньше напряжение на коллекторе открытого транзистора Uкн, тем выше качество транзистора, как ключа. Переход из режима отсечки в режим насыщения и обратно соответствует перемещению рабочей точки из положения А в положение Б и обратно. Это активный режим, который используется при работе транзистора в усилительных каскадах.

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обусловливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения в основном определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе, а также от заряда и разряда барьерных емкостей переходов транзистора.

Рассмотрим процессы происходящие в транзисторе при переключении. Если на вход не поступает импульс, то транзистор находится в режиме отсечки, накопленный заряд в базе примерно равен нулю (рис.3).

При поступлении на вход схемы импульса происходит перезаряд емкости эмиттерного перехода. При этом эмиттерный переход остается закрытым. Этот процесс происходит в течение времени называемого временем задержки включения. Обычно это время очень мало (дес.доли, единицы наносекунд) и им пренебрегают.

В момент времени t1 открывается эмиттерный переход и транзистор переходит в активный режим, в базе начинает накапливаться неравновесный заряд, появляется ток коллектора. Ток коллектора начинает постепенно нарастать, достигая значения Iкн за время tн (время нарастания). Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Как только накопленный заряд достигает значения Qгр ток коллектора достигает значения Iкн, при этом коллекторный переход открывается и транзистор переходит в режим насыщения.

Изменение напряжения на коллекторе за время включения соответствует изменению коллекторного тока. Таким образом, время включения транзистора включает в себя время задержки и время нарастания и равно:

tвкл = tз + tн

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд (т.Б; Uк = Uкн (0.1-0.3)В; Iб? Iбн). В режиме насыщения в базе накапливается избыточный заряд за счет инжекции носителей через оба перехода: эмиттерный и коллекторный.

После подачи на вход запирающего импульса (или сделать Iб=0) начинается рассасывание избыточного заряда через эмиттерный (если подан запирающий импульс) и коллекторный переходы, а также за счет рекомбинации носителей в базе.

Ток коллектора сохраняет значение равное Iкн до того момента, пока накопленный заряд не уменьшится до значения равного Qгр (т.е. пока не рассосется избыточный заряд за счет ухода носителей из базы и рекомбинации).

Таким образом, в течение времени tр (времени рассасывания) ток коллектора не изменяется. Это время зависит от величины избыточного заряда, оно тем больше, чем больше степень насыщения. Как только рассосется избыточный заряд, ток коллектора начинает постепенно спадать до нуля. Время, в течение которого ток коллектора уменьшается до нуля, называется временем спада tс. За это время транзистор возвращается из режима насыщения через активный режим в исходное состояние - в режим отсечки и вновь запирается.

Полное время выключения транзистора: tвыкл = tр + tс может иметь величину до нескольких микросекунд. Таким образом, скорость переключения зависит от многих факторов, в частности от степени насыщения транзистора, величин емкостей переходов, толщины базы и времени жизни неравновесных носителей заряда.

Ключевые транзисторы описываются своими, отличными от усилительных транзисторов параметрами, характеризующими их быстродействие. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально предназначенных для работы в ключевом режиме.

Однако конструктивно-технологические меры, обеспечивающие высокое быстродействие ключевых транзисторов, практически такие же, как и для усилительных транзисторов.

Так для биполярных ключевых транзисторов это уменьшение емкостей переходов, неравновесного заряда базы, эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда.

Таким образом, при работе в режиме переключения транзистор находится в двух режимах: отсечки или насыщения. И только в моменты переключения из одного состояния в другое он работает в активном режиме.

2. Принцип действия и вольтамперные характеристики тиристоров

Переключающие полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами называются тиристорами.

Приборы с четырехслойной структурой p-n-p-n представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в толще полупроводника смежных слоев с различными типами проводимостей. Основу такого прибора составляет кремниевая пластинка, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слой с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями, образующими три p-n перехода (рис.4).Крайние области такой структуры называют n и р -эмиттерами, примыкающие к ним p-n переходы - эмиттерными (ЭП1 и ЭП2), центральный переход - коллекторным (КП). Между переходами находятся p и n - базы.



Электрод, обеспечивающий контакт с р -эмиттером называют анодом, с n-эмиттером - катодом.

Существуют три разновидности тиристоров:

1. Диодный тиристор (динистор) - базы не имеют выводов;

2. Триодный тиристор (тринистор) - имеет выход от р-базы, называемый управляющим электродом;

3. Тетродный тиристор - обе базы имеют управляющие электроды.

При подаче на анод отрицательного напряжения КП открыт, ЭП1 и ЭП2 закрыты, ток, протекающий через тиристор мал, так как протекает по существу через два обратно-включенных диода. При подаче на анод положительного напряжения КП закрыт, ЭП1 и ЭП2 открыты. Возникает инжекция носителей зарядов через ЭП1 и ЭП2, в результате, через КП, с учетом его собственного обратного тока - Iобр, протекает ток:

Iкп = Iэ1 + Iэ2 + Iобр

Так как, Iкп, Iэ1, Iэ2- это один и тот же ток, равный току анода- Iа, то анодный ток определяется из выражения:

В основе работы тиристора лежит сильная зависимость коэффициентов передачи 1 и 2 от величины тока. При малых токах (порядка мкА) Iа, мало, а с ростом тока увеличивается и стремится к единице.

Таким образом, пока анодное напряжение мало, ток мал и 1 +2<<1

С ростом анодного напряжения увеличивается прямое напряжение наЭП1 и ЭП2, усиливается инжекция носителей заряда. Электроны инжектируемые n-эмиттером создают в n-базе неравновесный отрицательный заряд.

Дырки инжектируемые р-эмиттером, создают неравновесный положительный заряд в р-базе. Эти заряды способствуют уменьшению потенциальных барьеров ЭП1 и ЭП2 и приводят к еще большему росту токов Iэ1 и Iэ2. В тиристоре возникает внутренняя положительная обратная связь, которая при достижении условия 1+ 2 = 1 приводит к самопроизвольному лавинообразному нарастанию тока анода. При этом КП насыщается инжектированными носителями заряда, его сопротивление резко падает и он открывается. Этому способствует и уменьшение обратного напряжения на нем за счет действия неравновесных сил накопленных зарядов в базах. Сопротивление тиристора резко уменьшается, анодный ток ограничивается практически величиной сопротивления анодной цепи Rа.

Падение напряжения на тиристоре: Uа = Eа - Iа Rа составляет около одного вольта.

Таким образом, тиристор представляет собой ключевой прибор, имеющий два устойчивых состояния: "открыто" и "закрыто" ("тира" - по гречески "дверь").

Основной характеристикой тиристора является его вольт-амперная характеристика (рис.5). На ней можно выделить 4 основных области:

1. На аноде положительное напряжение, но ток мал (порядка мкА), тиристор закрыт.

2. Тиристор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это неустойчивая область перехода от закрытого состояния к открытому.

3. Напряжение на аноде не превышает 1-2 В, ток велик, тиристор открыт.

4. Напряжение на аноде отрицательное, ток мал, тиристор закрыт.

Основные параметры тиристоров:

- напряжение и ток включения - Uвкл, Iвкл;

- максимально допустимый прямой ток - Iпр max;

- остаточное напряжение - Uост;

- ток удержания - Iуд - минимальный ток, при котором сохраняется открытое состояние тиристора. Быстродействие тиристора характеризуется временем включения - tвкл ( < 0,5 мкс) и временем выключения - tвыкл ( < 6 мкс).

Основными способами включения тиристора являются:

1. Увеличение анодного напряжения до напряжения Uвкл.

2. Подача тока в цепь управляющего электрода. Чем больше управляющий ток - Iупр,- тем больше инжекция из управляющего эмиттерного перехода в базовую область, что приводит к уменьшению Uвкл (рис.3).

Основными способами выключения тиристора являются:

1. Разрыв цепи анодного тока. Тиристор оказывается в выключенном состоянии только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базах. Этот процесс происходит за счет рекомбинации, поэтому время выключения в этом случае может быть довольно большим и зависит от времени жизни носителей заряда.

2. Изменение полярности анодного напряжения. Время выключения уменьшается за счет того, что рассасывание неравновесных зарядов происходит через открытый КП. При этом для эффективного рассасывания зарядов, значение обратного напряжения должно быть достаточно большим, с тем, чтобы довести эмиттерные переходы до состояния электрического пробоя. При этом условии практически все внешнее напряжение Uобр, будет приложено к КП, увеличивая скорость рекомбинации.

3. Подача обратного напряжения (обратного тока) в цепь управляющего электрода. Запирающий ток при этом имеет величину одного порядка с анодным током. Поэтому данный способ применяется при небольших анодных токах.

Кроме рассмотренных типов тиристоров (динисторов и тринисторов) существуют так называемые запираемые тиристоры. Принцип действия запираемых тиристоров основан на том, что из открытого состояния в закрытое его можно перевести с помощью обратного напряжения, подаваемого на управляющий электрод. При этом запирающий ток достаточно мал. Таким образом, запираемый тиристор способен включаться и выключаться с помощью управляющего электрода, путем подачи на него импульсов положительной и отрицательной полярности.

Недостаток триодных и запираемых тиристоров - невозможность проводить ток в обоих направлениях. Этого недостатка лишены симметричные тиристоры, которые позволяют управлять цепью переменного тока в течение как положительного, так и отрицательного полупериодов приложенного напряжения. Кроме того, они могут управляться импульсами любой полярности. Таким образом, симметричный тиристор (триак) имеет два устойчивых состояния "открытое" и "закрытое", и может проводить ток как в прямом так и в обратном направлении. Триаки имеют структуру p-n-p-n-p (4 p-n -перехода).

Диапазон применения тиристоров очень обширен и разнообразен. Они могут применяться для коммутации цепей постоянного и переменного тока, как выключатели и переключатели, выключатели с временной задержкой, защитные и сигнальные устройства, для создания световых эффектов и т.д.

Они применяются также как импульсные устройства: генераторы пилообразного напряжения, мультивибраторы и триггеры, генераторы импульсов специальной формы, счетчики импульсов, регистры сдвига и т.д.

Таким образом, тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, постоянной готовностью к действию, малыми габаритами и высокой экономичностью. Современные импульсные тиристоры имеют рабочее напряжение до 1000 В, ток 1000 А и более, время включения по управляющему электроду 0,1-0,5 мкс, время выключения - не более 6 мкс. Мощные тиристоры на токи в сотни ампер и более имеют принудительное воздушное или жидкостное охлаждение.

Заключительная часть

Транзисторные ключи являются простейшими устройствами, на базе которых строятся все современные импульсные и цифровые схемы. Поэтому качество ключей, прежде всего с точки зрения их быстродействия, определяет и качество всей аппаратуры.

В качестве мощных переключающих устройств используются тиристоры, которые обладают высокой надежностью и долговечностью, обладают малыми габаритами и всегда готовы к действию.

В дальнейшем, в развитии вопросов, рассмотренных в данной лекции, в курсе "Вычислительная техника и информационные технологии" будут изучены схемы реальных ключей и способы повышения их быстродействия.

Необходимо иметь в виду, что важность изученного в данной лекции материала определяется, прежде всего, широким внедрением в аппаратуру военной связи цифровых способов обработки сигналов, как перспективного направления дальнейшего совершенствования системы управления и связи.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 270-272, 279-281.

2. Повторить расчет режима неискаженного усиления.

План контрольной работы

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин
1. 2. 3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Графоаналитический расчет режима неискаженного усиления транзистора. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 80 80 5

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Режим усиления активных элементов".

2. Плакат "Типовые схемы питания".

3. Бланки вариантов контрольных работ.

Вводная часть

Принять доклад дежурного по группе, проверить наличие личного состава, внешний вид и готовность к занятию. Довести тему, вопросы и учебные цели. Уточнить вопросы, возникшие при подготовке к контрольной работе. Подчеркнуть важность занятия, так как эта контрольная работа является итоговым занятием по теме "Биполярные транзисторы" и этот материал будет являться основой при расчете других каскадов в дисциплине "Теория электрических цепей".

1. Основная часть

Пояснить порядок выполнения работы и отчетность по ней. Напомнить курсантам, что при выполнении контрольной работы разрешено пользоваться конспектом лекций и справочной литературой. Контрольная работа выполняется самостоятельно в соответствии с вариантом задания и оформляется на специальных бланках с последующей сдачей её на проверку преподавателю в конце занятия. Схемы усилителей вычерчиваются согласно требований ГОСТа. Все расчеты выполняются с обратной стороны бланка. Затем необходимо выдать каждому курсанту вариант контрольной работы. В дальнейшем курсанты работают по следующему алгоритму:

1. Вычертить схему усилителя.

2. Определить границы допустимых режимов, определяющих максимально возможную мощность.

3. Взятые из условия задачи и полученные из расчета предельные величины нанести на выходные характеристики транзистора.

4. Построить выходную нагрузочную характеристику и определить сопротивление нагрузки.

5. Выбрать рабочий участок на проходной характеристике.

6. Выбрать начальную рабочую точку и определить ток базы покоя и ток коллектора покоя.

7. Определить амплитуды входного и выходного тока.

8. Перенести на выходную нагрузочную характеристику рабочий участок и начальную рабочую точку.

9. Определить постоянную составляющую выходного напряжения и амплитуду выходного напряжения.

10. Определить коэффициент усиления по току и выходную мощность.

11. Произвести расчет элементов схемы.

12. Результаты расчетов занести в таблицу.

Оценка за работу

"Отлично" выставляется, если все пункты расчета выполнены полностью, графики и схема вычерчены правильно.

"Хорошо" - если все пункты расчета выполнены полностью, но с небольшими ошибками в построении графиков или математических расчетах.

"Удовлетворительно" - если пункты расчета в основном выполнены, имеются существенные ошибки в построении графиков или расчете элементов схемы.

"Неудовлетворительно" - если не выполнены требования на "удовлетворительно".

Заключительная часть

Подвести итог занятия. Оценить работу группы, поставить задачу на устранение выявленных недостатков и на повторение пройденного материала.

Назначить время дополнительной консультации и курсантов, которые должны прибыть на неё в обязательном порядке.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Повторить материал лекций 4.1, 4.3.

Старший преподаватель кафедры N9 Г.Подлеский

Задание к контрольной работе (для курсантов)

Учебные вопросы:

1. Графоаналитический расчет режима неискаженного усиления.

Методические рекомендации курсантам по подготовке к контрольной работе

При подготовке к занятию внимательно изучить содержание лекций 4.1, 4.3 и рекомендованной литературы. Обратить особое внимание на порядок расчета режима усиления и схем питания транзисторов. Повторить требования инженерной графики к вычерчиванию принципиальных электрических схем.

Литература

1. В.А.Батушев "Электронные элементы ВТС",стр.154-159.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник подред. Б.Л.Перельмана, М.,Радио и связь, 1981, с.494.

3. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.266-272, 275-281.

4. В.А.Батушев, "Электронные элементы ВТС", стр. 183-199.

5. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.244-248.

6. В.А.Батушев "Электронные элементы ВТС", стр.154-159.

7. Г.В.Войшвилло ”Усилительные устройства”, стр. 108-117.

8. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.208-243.

9. В.А.Батушев. Электронные элементы ВТС,М.,1984г.,стр.123-143, 149-152,159-163.

10. В.В.Пасынков и др. Полупроводниковые приборы, Лань, 2003г., стр.192-204, 210-214, 218-225.

Размещено на Allbest.ru

...