4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.1 Основные понятия

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами и тремя выводами. Один переход при работе всегда открыт. Его называют эмиттером. Второй переход всегда закрыт. Его называют кооллектором. Такой прибор способен усиливать или генерировать электрические сигналы различной формы, а так же осуществляьб всевозможные коммутации.

По чередованию переходов различают р-n-р (рис. 2.1.b) и n-р-n (рис. 2.1e) типы транзисторов. На рис. 2.1а и 2.1d показано условное обозначение транзисторов. На рис.2.1c и 2.1f показаны транзисторые переходы как рассмотренные нами ренее диоды. Причем один диод у транзистора всегда открыт и его называют эмиттерным переходом. Второй переход всегда закрыт и его называют коллекторным переход.

Полярность открывающих входных и закрывающих выходных внешних напряжений так же показана на этих рисунках. Средняя часть транзистора слабо легирована примесями. Ее называют базой. Эмиттер, как открытый диод, инжектирует в базу носители (для транзистора р-n-р это дырки, а для n-р-n это электроны), число которых определяет величину эмиттерного тока Iэ.

В базе электростатического поля нет и заряды могут только диффундировать к коллекторному.

Замечание. Так как эмиттер это открытый переход, то его вольтамперная характеристика нелинейная и является аналогом вольтамперной характеристики открытого диода.

Базу специально слабо легируют примесями, потому в ней число рекомбинаций носителей заряда невелико. Например, из тысячи носителей в базе могут рекомбинировать десять зарядов. Таким образом, ток эмиттера и коллектора практически одинаковы .

Способ включения транзисторов, приведенный на рис. 2.1а, назвали схемой с общей базой. Здесь база является общим выводом для входа (эмиттер) и выхода (коллектор).

Для транзисторной схемы вводят понятие коэффициента передачи эмиттерного тока в коллектор:

(1)

Для приведенного выше примера = 990/1000 = 0,99. Для современных транзисторов 0,95 0,995. Строго говоря ток коллектора определяется не только числом носителей, пришедших от эмиттерного перехода, но и током закрытого коллекторного перехода . В результате для тока коллектора, с учетом формулы (1), можно записать равенство

(2)

Формула (2) позволяет сделать два очевидных вывода:

Ток коллектора, при токе эмиттера равном нулю, является точной копией обратной ветви вольтамперной характеристики закрытого диода (I_К0).

При токе эмиттера не равном нулю вольтамперная характеристика смещается в сторону увеличения тока коллектора на постоянную величину Iэ. транзистор биполярный вольтамперный

Транзистор, включенный по схеме с общей базой в принципе не может усиливать ток (<1).

Существуют и другие способы соединения транзистора. Эти три способа представлены на рис. 2.2. Полезно запомнить свойства таких схем:

- схема влючения с общей базой (рис. 2.2а) может усиливать только по напряжению;

- схема влючения с общим эмиттером (рис. 2.2b) усиливает и по току и по напряжению;

- схема влючения с общим коллектором (рис. 2.2с) усиливает только по току.

1.2 Вольтамперные характеристики транзистора

Основными ВАХ транзистора являются:

- семейство входных характеристик Iвх=f(Uвх) при Uвых=const;

- семейство выходных характеристик Iвых=f(Uвых) при Iвх=const.

ВАХ транзистора отражают сложные процессы внутри кристалла, позволяющие получить усиление по току и напряжению. Например, инжекция зарядов через открытый эмиттерный переход приводит к тому, что в базе существенно увеличивается число не основных носителей. Это в свою очередь приводит к автоматическому изменению потенциального барьера открытого перехода. Естественно, что автоматически меняются токи эмиттера, базы и коллектора. Это учитывают во время работы с транзисторами схемами.

Графоаналитическое решение сводится к определению токов и напряжений эмиттерного (входного) и коллекторного (выходного) переходов. Входные и выходные токи транзистора определяют с учетом способа включения транзистора (рис.2.2). Так, для схемы с ОБ Iвх = Iэ, Uвх=Uэб; Iвых=Iк; Uвых=Uкб. Аналогично определяют входные и выходные электрические параметры для схем ОЭ и ОК.

1.3 Семейства вольтамперных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой

На рис. 2.3 приведены семейства вольтамперных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. Входную характеристику транзистора приводят обычно для двух значений напряжения на коллекторе 0 и 5 В. Остальные характеристики не приводят (рис. 2.3), так как они почти накладываются друг на друга и на графике сливаются.

Выходные характеристики, как это видно из уравнения (8), характеризуют функциональную зависимость токов Iэ и Iк. Эта зависимость представлена на рис. 2.3.

Входное напряжение, управляющее открытым эмиттерным переходом, составляет доли вольта. Выходное напряжение, приложенное к закрытому коллекторному переходу, составляет десятки вольт. Уже это обстоятельство позволяет предположить, что транзистор по схеме с общей базой не усиливает по току, но усиливает по напряжению.

1.4 Последовательность графо-аналитического анализа транзисторных схем

Рассмотрим схему включения транзистора, приведенную на рис. 2.4. Запишем уравнения электрического состояния для входного 1 и выходного 2 контуров по второму закону Кирхгофа

(3)

Эти уравнения прямых легко построить через две произвольно выбранные точки. Так две точки (Iэ = Еэ/Rэ, Uэб = 0), (Iэ = 0, Uэб = Еэ) в координатной сетке входной характеристики, и две точки (Iк = Ек/Rк, Uкб = 0); (Iк = 0, Uкб = Ек) в координатной сетке выходной характеристики принадлежат прямым системы уравнений (2.3). Ясно, что решений (точек пересечений) на графике семейства выходных характеристик получается великое множество. Рассмотрим точки Н, А и О рис. 2.5, характерные для практического применения транзистора.

1.5 Режимы работы транзисторов и их практическое значение

Точка Н имеет координаты Iк = 6,5 мА и Uкб = О В. Транзистор в этом режиме не потребляет мощность Р = Iк Uкб = 0. Для достижения этого режима нужно входное напряжение увеличить так, чтобы ток эмиттера стал максимальным (в нашем случае Iэ = 6,5 мА ). Этот путь не единственный.

Так из входной вольтамперной характеристики транзистора рис. 2.5 видно, что можно не менять величину источника питания Еэ, а уменьшить величину сопротивления Rэ. В этом случае точка А переместится вверх ( в нашем случае до Iэ = 6,5 мА ). При этом напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю (см. точку Н на выходной характеристики рис. 2.5).

Все напряжение источника питания оказывается приложенным к нагрузке, в ней протекает наибольший ток. Этот режим транзистора соответствует электронному ключу в замкнутом состоянии.

Точка О имеет координаты Iк = 0 мА и Uкб = Ек В и транзистор в этом режиме так же не потребляет мощность Р = Iк Uкб = 0. Это достигается тем, что входное напряжение уменьшают до нуля и ток Iэ становится нулевым. В этом случае точка А переместится вниз ( в нашем случае до Iэ = 0 мА ). При этом напряжение на коллекторном переходе становится равным Ек (см. точку О на выходной характеристики рис. 2.5) . Напряжение и ток нагрузки станут нулевыми, нагрузка отключается от источника питания. Это состояние транзистора аналогично разомкнутому состоянию механического выключателя.

Транзистор имеет два состояния, которые можно использовать в качестве замкнутого ключа (точка Н) и разомкнутого ключа (точка О).

Замыкание и размыкание электронного ключа производится изменением величины входного напряжения, что позволяет на практике использовать транзистор для подключения и отключения нагрузки от источника постоянного напряжения по заданной программе.

Точка А находится посередине квазилинейных вольтамперных характеристик транзистора. Входной ток Iэ изменяется в строгом соответствии с законом изменения входного напряжения Eэ (при условии, что минимальный и максимальный токи не заходят в области нелинейности входной ВАХ транзистора). Но ток эмиттера, согласно уравнению (2.2), определяет закон изменения тока коллектора. Из построения решения для мгновенных значений токов кооллектора легко выяснить, что напржение коллектора тоже будет изменяться по закону изменения тока коолектора (это мы выяснили при решении задачи с диодом в цепи переменного тока). Таким образом, изменения выходного напряжения во времени полностью повторяют закон изменения входного напряжения.

Из графиков ВАХ видно, что входное напряжение Еэ, изменясь от 0 до 0,6 В меняет ток эмиттера от нуля до 6,5мА. Из выходных характеристик транзистора видно, что изменение тока эмиттера Iэ меняет ток коллектора приблизительно от нуля до 6,5 мА. В результате этого выходное напряжение транзистора Uкб меняется от 20 В до нуля. Заметим при этом, что увеличение (уменьшение) напряжения на входе транзистора приводит к уменьшению (увеличению) напряжения на его выходе. Таким образом, графическое решение уравнений, составленных для транзисторной схемы, позволяет сделать ряд полезных для практики выводов.

Транзистор усиливает по напряжению (К_U = 20/0,6 = 33,3 ).

Транзистор по току не усиливает (К_I = Iк/Iэ = 1).

Фазы входного и выходного напряжений отличаются на 180 (увеличение входного напряжения U_ЭБ влечет за собой уменьшение выходного напряжения U_КБ).

1.6 Параметры транзисторов и их определение по вольтамперным характеристикам

Мы привыкли к аналитическому решению, так как умеем определить поведение функции в интервалах изменения ее переменных. По этой причине для вычисления коэффициентов усиления транзисторов вводят числовые параметры транзисторов, считая входные и выходные сигналы настолько малыми, что характеристики (вблизи точки А) практически линейны. Для точки А графически можно определить производные (тангенс угла наклона касательной в точке А на входной или выходной характеристиках). Наибольшее применение нашли параметры, физическая сущность которых ясна по их размерности:

h₁₁ = Uвх/Iвх при Uвых = const - входное дифференциальное сопротивление транзистора (оно в зависимости от способа включения транзистора составляет десятки Ом - единицы кОм);

h21= Iвых/Iвх при Uвых = const - коэффициент усиление по току. Для схемы с общим эмиттером h21ОЭ = >>1 этот коэффициент больше единицы. Его приводят в справочниках. Этот коэффициент связан с коэффициентом h21ОБ = передачи тока в схеме с общей базой соотношением

(4)

- h₁₂ = Uвх/Uвых при Iвх = const - коэффициент обратной связи по напряжению (у хороших транзисторов его величина мала);

- h₂₂ = Iвых/Uвых при Iвх = const - выходная дифференциальная проводимость транзистора (по графику видно, что выходные характеристики транзистора практически параллельны оси напряжений, потому эта проводимость очень мала). Выходное сопротивление обратно пропорционально проводимости и составляет для схемы с общей базой единицы Мом (для схемы с общим эмиттером десятки и сотни килоом).

Для определения параметров транзистора по его вольтамперным характеристикам нужно:

- выбрать рабочую точку А;

- через точку провести касательную одним из методов, с которыми вас познакомили в курсе начертательной геометрии и графики;

- на касательной, как на гипотенузе, построить прямоугольный треугольник и записать координаты его углов;

- используя определения h - параметров вычислить их числовые значения.

1.7 Порядок расчета транзисторных усилителей с использованием h - параметров

(5)

Так как произведение Iк Rк = Uвых, то коэффициенты усиления по напряжению и току равны

(6)

Здесь h_21ОБ = (0,95 - 0,995) дается в справочниках для каждой серии транзисторов. Из полученной формулы видно, что добиться требуемого усиления сигнала выбором транзистора с ниибольшим коэффициентом ксиления потоку и подбором величин сопротивлений резисторов Rк и Rэ. Желательно, чтобы выполнялось неравенство Rк Rэ + h₁₁.

1.8 Полевые транзисторы

1.8.1 Недостатки биполярных транзисторов

Основной недостаток малое входное сопротивление. Это приводит к необходимости брать большие величины разделительных емкостей, и особенно большие емкости в цепи термостабилизации. Емкости существенно влияют на габариты аппаратуры. Они требуют проводить дополнительные монтажные работы. В частности, часто требуется ставить механические приспособления для крепления деталей. С другой стороны применять высокоомные датчики и непосредственно соединять их к входу усилителей, бессмысленно.

Эти датчики будут шунтированы малым входным сопротивлением транзистора настолько, что потеряют свои полезные качества. Например, в астрономии свет далеких звезд исследуют фотометрическим способом, с помощью накопления заряда на конденсаторе. Шунтирование такого конденсатора сопротивлением транзистора приводит к столь быстрому его разряду, что метод накопления заряда становится неэффективным.

1.8.2 Устройство и принцип работы полевых транзисторов

В отличие от биполярного транзистора в нем используется канал проводимости так, как показано на рис. 2.7. Полевые транзисторы бывают с каналом p (рис. 2.8а) и с каналом n (рис. 2.8б). Вид канала определяет полярность запирающего напряжения затвор - исток. Кроме того, транзисторы типа n являются более быстродействующими, потому им обдают предпочтение при разработки микропроцессорных устройств.

Физическая суть работы такого транзистора заключается в следующем. Если к затвору З относительно истока И приложить напряжение U_ИЗ, то около области n образуется обедненная зарядами область (на рис. 2.7 заштрихованная область). В результате канал проводимости (не заштрихованная область p) уменьшается.

Таким образом, меняя напряжение на затворе транзистор можно заставить работать и как электронный ключ, и как усилитель напряжения. Характер выходных характеристик транзистора приведен на рис. 2.9. Графоаналитический расчет тоже приемлем для схем на полевых транзисторов. Усилители на транзисторах используют в основном для усиления напряжения и мощности.

1.8.3 Полевые транзисторы типа МДП

Транзистор типа МДП имеет слои металл - диэлектрик - полупроводник. Его называют транзистором с изолированным затвором. Диэлектрик обеспечивает огромную величину сопротивление промежутка затвор-исток, обеспечивая тем самым огромное входное сопротивление транзистора. На рис. 2.10 приведено обозначение полевого транзистора МДП типа.

1.8.4 Полевые транзисторы со встроенным каналом

Транзисторы со встроенным каналом имеют подложку типа p (рис. 2.10). В подложку встроен канал типа n. Затвор от канала изолирован слоем диэлектрика (заштрихованная часть на рис. 2.10), что увеличивает входное сопротивление транзистора до 10¹² Ом и более. Область n имеет два вывода И исток и С сток, в которые можно подключать источник питания и нагрузку. Подложка соединяется с истоком либо внутри кристалла, либо перемычкой. Положительное напряжение затвора притягивает в канал электроны из подложки и ток канала увеличивается. Отрицательное напряжение затвора выталкивает электроны в подложку и ток транзистора уменьшается. Таким образом, при нулевом напряжении затвора ток транзистора определяет рабочую точку транзистора посередине его вольтамперных характеристик.

1.8.5 Полевые транзисторы с индуцированным каналом

При изготовлении этих транзисторов проводящий канал не делают. При этом транзистор может работать только в режиме обогащения. При нулевом напряжении затвора тока в транзисторе нет, и он находится в режиме отсечки тока. При увеличении напряжения затвора ток транзистора растет. Транзисторы также имеют проводящий слой n и p типа. Их обозначение приведено на рис. 2.12.

Наличие четырех типов полевых транзисторов дает разработчикам широкие возможности при конструировании различных микросхем.

1.8.6 Параметры полевых транзисторов

Характеристики полевых транзисторов обычно не используют для расчета схем. Наибольшее применение нашел способ аналитического расчета с использованием числовых параметров транзисторов. К ним относятся:

S - крутизна входной характеристики;

Ri - выходное дифференциальное сопротивление;

Pmax - допустимая мощность рассеяния;

Сзс, Сзи, Сис емкости соответственно затвор - сток, затвор - исток, исток - сток;

предельные электрические параметры, как то напряжения Uзи и Uис, максимальные ток Iи.

Расчет производится так же, как и для схем с электровакуумными лампами и транзисторными элементами. Разница лишь в том, что входное сопротивление у полевых транзисторов велико и понятие усиление по току для таких транзисторов не всегда приемлемо.

Размещено на Allbest.ru