Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственные образовательные учреждения высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет

имени Ярослава Мудрого

институт НЕПРЕРЫВНОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

фАКУЛЬТЕТ пЕДАГОГИЧЕСКОГО оБРАЗОВАНИЯ и тЕХНОЛОГИЙ

Кафедра ПЕДАГОГИКИ ТЕХНОЛОГИИ И РЕМЁСЕЛ

КУРСОВАЯ работа

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ТРАНЗИСТОРОВ. РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Студент 3 курса группы 0241

_____________Максимова В.В.

Проверил:

__ ____________Телешов Г.В

Великий Новгород

2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

1.1 Транзистор, его функциональные особенности

1.2 История возникновения транзисторов

1.3 Классификация транзисторов и их применение

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЕВЫХ И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

2.1 Полевые транзисторы, расчёт и построение нагрузочной прямой

2.2 Биполярные транзисторы, расчёт усилительного каскада

ГЛАВА 3. ПОДБОР РАБОЧЕЙ СХЕМЫ

3.1 Общие сведения об электронных ключах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т. е. управлять энергией мощного постоянного источника

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике--теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ). Основные материалы из которых изготовляют транзисторы -- кремний и германий, перспективные - арсенид галлия, сульфид цинка и широко зонные проводники . Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

1.1 Транзистор, его функциональные особенности

Транзимстор (англ. transistor) -- электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин -- BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 25нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1--2 смІ могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

1.2 История возникновения транзисторов

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда. В 1934 году немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораторияхBell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее вакуумные лампы были заменены транзисторами в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

1.3 Классификация транзисторов и их применение

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «Металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы:

§ Германиевые

§ Кремниевые

§ Арсенид-галлиевые

Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов -- полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

По структуре

Транзисторы

Биполярные

Полевые

p-n-p

n-p-n

С p-n-переходом

С изолированным затвором

С каналом n-типа

С каналом p-типа

Со встроенным каналом

С индуцированным каналом

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

§ маломощные транзисторы до 100 мВт

§ транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт

§ мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению

§ дискретные транзисторы

§ корпусные

§ Для свободного монтажа

§ Для установки на радиатор

§ Для автоматизированных систем пайки

§ бескорпусные

§ транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

§ металло-стеклянный

§ пластмассовый

§ керамический

Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

§ Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т.п. Именно источник питания даёт нужную мощность для "раскачки" нагрузки.

§ Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв, между источником питания и нагрузкой. Т.е. транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.

§ Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания, достигается усиление сигнала.

§ Если мощности входного сигнала недостаточно для "раскачки" входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

§ Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.[2][3] Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.[4][5] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.

§ Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

§ Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЕВЫХ И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

2.1 Полевые транзисторы, расчёт и построение нагрузочной прямой

транзистор биполярный электронный ключ

Полевой транзистор -- полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор -- сетке, сток -- аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе -- входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнемшума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП- транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слойдвуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, -- ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда --дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

ЗАДАЧА №1

Вари-ант	Условия выбора транзистора	Данные для построения нагрузочной прямой
		Ec	Rн	Icpт	Uси р.т	Uзи р.т
1	2	3	4	5	6	7
4	МДП- с индуцированным каналом «р»; Iсмах=30мА		750 Ом	8мА		5В

Тип ПТ	Канал	Подложка	Режим	Uзи	Uзи отс (Uзи пор)	Uсм	Uпи
С управляющим p-n переходом	n	p	Обедн.	<0	<0	>0	-
	p	n	Обедн.	>0	>0	<0	-
МДП- транзистор с индуцированным каналом (с изолир. затв. Обогащ. типа)	n	p	Обогащ.	>0	(>0)	>0	<0
	p	n	Обогащ.	<0	(<0)	<0	>0
МДП- транзистор со встроенным каналом (с изолир. З0атвором объед. типа)	n	p	Обедн.	<0	<0	>0	<0
			Обогащ.	>0
	p	n	Обедн.	>0	>0	<0	>0
			Обогащ.	<0

Выбираем транзистор со следующими параметрами

Тип	Uс, мах,В	Ес,В	Iс, мах, мА	Rси, Ом	T перекл, нс
КП723Г	12	12	30	280	2…4,5

Тип элемента	P max мВт Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора	U CИ max В Максимально допустимое напряжение сток - исток	U ЗИ max В Максимально допустимое напряжение затвор - исток	I С max мА Максимально допустимый постоянный ток стока	Т max C Температура окружающей среды	I С мА Ток стока	C 11И пФ Входная емкость полевого транзистора	U ЗИ пор В Пороговое напряжение полевого транзистора	I З ут Ток утечки затвора	S мА/В Крутизна характеристики полевого транзистора
КП723Г	200	60	10	30	247	1,75	3	1…2	1..100	1….23

Мощные кремниевые полевые п-ка-нальные транзисторы КП723А-- КП723Г с изолированным затвором, обогащением канала и встроенным защитным обратно включенным диодом изготавливают по эпитаксиально-планарной технологии. Они предназначены для работы в источниках вторичного электропитания, в регуляторах мощности, стабилизаторах и преобразователях напряжения с непрерывным и импульсным управлением, в блоках бесперебойного питания персональных компьютеров, в устройствах привода электродвигателей и других узлах и блоках аппаратуры широкого применения.

При подаче на затвор напряжения Uзи>0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается. Проводимость канала возрастае, ток стока Ic увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи>0 распологаются выше исходной кривой при Uзи=0.

Схема включения с двумя источниками питания в динамическом режиме с ОИ.

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется так же для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си. Этим обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

Стоковые характеристики

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком - это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток



Обозначение:	Параметр
Iз/Uз нА/В	ток утечки затвора при объединенных стоке и истоке и напряжение между стоком и затвором, при котором измеряется ток утечки.
Cвх, пф	входная емкость полевого транзистора. C11=Cзи+Cзс.
Cпр, пф	проходная емкость полевого транзистора. C12=Cзс.
Cвых пф	выходная емкость полевого транзистора. C22=Cзс+Cзи.
Uзи/Iс(U0) В/mА(В)	напряжение отсечки (U0) полевого транзистора или напряжение затвор-исток (Uзи) при заданном токе стока (Iс).
Uзс, В	максимально допустимое постоянное напряжение между затвором и стоком.
Uзи, В	максимально допустимое постоянное напряжение между затвором и истоком.
Uси, В	максимально допустимое постоянное напряжение между стоком и истоком.
Iс А	максимально допустимый постоянный ток стока.
P, Вт	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на транзисторе.

Преимущесво и недостатки полевых транзисторов по сравнению с биполярным.

ПТ обладают рядом приемуществ по сравнению с биполярными:

- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;

- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);

- почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость (т.к. усилительные свойства ПТ обусловлены переносом основных носителей заряда, верхняя граница эффективного усиления мощных ПТ выше, чем у биполярных, и применение ключевых усилителей на ПТ при тех же напряжениях питания возможно на частотах около 400 мГц, в то время как на биполярных транзисторах разработка ключевых генераторов частотой выше 100 мГц является весьма сложной задачей);

- квадратичность вольт - амперной характеристики (аналогична триоду);

- высокая температурная стабильность;

- малый уровень шумов.

Используя большое входное сопротивление ПТ, можно увеличить коэффициент передачи и существенно снизить коэффициент шума в УНЧ, предназначенных для работы от высокоомных источников сигнала. Наличие термостабильной точки позволяет снизить дрейф в ряде усилителей постоянного тока (УПТ).

Физический смысл параметра Ri

дифференциальное выходное (внутреннее Ri) сопротивление

при Uзи=const

Значение параметра Ri определяют при работе транзистора в режиме насыщения. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики.

Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 5.6.

Рисунок 5.6 - Условное обозначение МДП - транзисторов:

а ? со встроенным каналом n- типа;

б ? со встроенным каналом р- типа;

в ? с выводом от подложки;

г ? с индуцированным каналом n- типа;

д ? с индуцированным каналом р- типа;

е ? с выводом от подложки

Расшифровка маркировки КП723Г:

К- кремниевый

П- полевой

7- средней мощности

23- номер разработки

Г- разновидность

2.2 Биполярные транзисторы, расчёт усилительного каскада

Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель - это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис..Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.



Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис., иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК - IК m RК ) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис а, а затем рис б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП . Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме в первом рисунки.

Схема, приведенная на рис., получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра в даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе В этой схеме резисторы R'Б и R"Б , подключенные параллельно источнику питания ЕК , составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

Сопротивление R"Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R'Б и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R'Б и R"Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, - влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис.

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R"Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

Условие задачи:

Рассчитать резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе.

Данные для расчета.

Вариант	Тип транзистора	Напряжения источника питания Ek В	Амплитуда Входного тока следующего каскада Iвх мА	Низняя частота рабочего диапозона Fн Гц	Верхняя частота рабочего диапазона Fв мГц	Емкость нагружающая каскад Co пФ	Сопротивление нагрузки Rн Ом
7	КТ312В	9	1.2	40	1,5	100	10000

H21э=50-350

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ

Основные характеристики

Транзистор

B1-B2/Iк /мА

Fт МГц

Cк/Uк пф/В

Cэ/Uэ пф/В

Rб*Cк псек

tр нс

Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА)

Iко мкА

Uкб В

Uкэ/R В/кОм

Uэб В

Iкм/Iкн мА/мА

Pк мВт

Пер

КТ312В

50-280/20

120

5/10

20/1

500

0.8/(20/2)

10

20

20/

4

30/60

225

NPN



Условные обозначения электрических параметров биполярного транзистора КТ312В:

Обозначение:	Параметр
B1-B2/Iк /мА	статический коэффициент передачи тока
Fт МГц	предельная частота коэффициента передачи тока
Cк/Uк пф/В	емкость коллекторного перехода (Cк) и напряжение на коллекторе (Uк), при котором она измеряется
Cэ/Uэ пф/В	емкость эмиттерного перехода (Cэ) и напряжение эмиттер/база (Uэ), при котором она измеряется
Rб*Cк псек	постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте
tр нс
Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА)	напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб)
Iко мкА	обратный ток коллектора
Uкб В	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база
Uкэ/R В/кОм	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) при заданной величине сопротивления, включенного между базой и эмиттером (R)
Uэб В	максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база
Iкм/Iкн мА/мА	предельно допустимый постоянный (Iкм) ток коллектора предельно допустимый ток коллектора в режиме насыщения (Iкн)или в импульсе
Pк мВт	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе

ГЛАВА 3. ПОДБОР РАБОЧЕЙ СХЕМЫ

3.1 Общие сведения об электронных ключах

Условие задания: подобрать схему на усмотрение и объяснить принцип ее работы.

Ключ - элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

.

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.

Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом. (схемы "а" и "б") и 1012-1014 Ом (схемы "в" и "г").

1 поколение - с линейной нагрузкой.

2 поколение - с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.



Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.

Принцип действия электронных ключей

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня -- «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор -- эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

* быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

* длительность фронтов выходных сигналов ;

* внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

* потребляемая мощность ;

* помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

* стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

* надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д.

Применение электронных ключей

Электронный ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии "включено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня -- «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор -- эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Автомобильная сигнализация

Простая и надежная сигнализация. Из органов управления - всего один выключатель. Датчики проникновения - обычные выключатели, которые при работе со схемой выполняют свое прямое назначение, например, кнопки на дверях. Достаточно одному из них замкнуться на короткое время и схема сработает. Схема выдает себя лишь через 10 сек. За это время хозяин может выключить сигнализацию, а взломщик подумать, что такая отсутствует. В режиме охраны устройство потребляет ток, зависящий от параметров применяемых деталей: в моем случае его замерить не удалось из-за его малой величины. Эта схема разработана очень давно и собиралась из подручных деталей.

Рис.1. Схема автомобильной сигнализации

Принцип действия: Элементы SA2-SAn - датчики проникновения. Диоды VD5-VDn служат для развязки датчиков, если они используются для других целей. В некоторых случаях диоды можно исключить. Напряжение питания, поданное от замкнувшегося датчика, через R1 C1 потупает на VD1. Цепь R1 C1 создает короткий импульс тока, даже если датчик остался в замкнутом состоянии. Конденсатор C2 не дает сработать сигнализации при включении SA1. На элементах C4, R4, R5, VT2, K1 собран мультивибратор и выходной ключ. Длительность нахождения K1 во включенном положении подбирается резистором R5, а в выключенном - R4. Общая частота импульсов задается C4. Эта часть схемы требует тщательной настройки. Получилась частота 2Гц. C3, VD3, VD4 - узел, формирующий задержку срабатывания сигнализации при замыкании датчика. Это нужно, чтобы отключить сигнализацию при открывании двери. Длительность задержки задается конденсатором C3. Резистор R3 обеспечивает разряд конденсатора при выключении питания. Узел, отключающий сигнализацию через некоторое время после срабатывания, не разрабатывался, поскольку ложных замыканий датчиков на дверях, багажнике и капоте автомобиля не бывает.

Детали: Схема состоит из небольшого количества доступных деталей. VD1 - любой маломощный тринистор, например КУ101. Нужно лишь подобрать C1 (увеличить, если не срабатывает при замыкании датчика), R2 (уменьшить, если не срабатывает, но если можно - увеличить) и С2 (увеличить, если срабатывает при включении питания). Диоды - любые маломощные. Реле K1 - РЭС55А, однако оно может коммутировать нагрузку с током не более 1A. Если применить более мощное реле, то потребуется сильно увеличить емкости конденсаторов C3 и C4 (а, следовательно, и габариты устройства). Поэтому лучше мощное реле подключить к выходу РЭС55А. Транзисторы - также любые, с соответствующей структурой, а VT2 должен выдерживать ток включения реле. SA1 - любой малогабаритный выключатель. Типы конденсаторов C2, C3, C4 зависят от климатических условий, в которых будет эксплуатироваться сигнализация. Для холодной зимы лучше выбрать их из серии К53. Если же используются конденсаторы серии К50, то устройство лучше установить в салоне автомобиля. Однако, экспериментальный образец сигнализации на К50 был установлен под капотом и эксплуатировался больше двух лет (снят в связи с переходом на новую систему сигнализации) в холодных климатических условиях (машина стояла под открытым небом), и ни одного сбоя в работе отмечено небыло.

Включение:

1. Включить SA1 при замкнутом датчике (открытая дверь). В таком положении схема может находиться неограниченно долго.

2. Разомкнуть датчик (закрыть дверь).

Отключение:

1. Открыть дверь (замкнется датчик).

2. В течение 10 сек. выключить SA1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были рассмотрены транзисторы: полевые и биполярные. Описание этих транзисторов подробно описаны в первой и второй главе. В третьей главе мы изучили и описали принцип действия электронных ключей, а в частности принципиальную схему автомобильной сигнализации.

В первом разделе курсовой работы представлено обобщенное описание полевых транзисторов, основные компоненты и принципы работы, разновидности и типы. Выполнено решение первой задачи: построена нагрузочная прямая, произведены расчёты.

Во втором разделе представлено описание схемы биполярного транзистора и принцип раоты. Произведем расчёт задачи второй.

В третьем разделе мы подобрали рабочую схему. Описали принцип действия электронных ключей и в примере описана автомобильная сигнализация.

С развитием электроники, механики и информатики в целом появляется всё больше транзисторов как биполярных так и полевых, различных по мощностям и необходимыми в подборе характеристиками , стремительно развиваются и охранные системы и автосигнализации. Уменьшаются размеры функциональных блоков, увеличивается функциональность и работоспособность систем.

Список литературы

1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебн. Пособие.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002г. -576с.

2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. -СПб.: КОРОНА принт, 2004. -416с.

3. «Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам.» Горюнова Н.Н.

4. Справочник по отечественным и импортным транзисторам

5. Схемотехника аналоговых устройств Курс лекций автор-составитель Н. П. Корнышев

6. 500 схем для радиолюбителей. (Часть.4. Источники питания) Автор: Николаев А.П., Малкина М.В.ъ

7. . Справочник по радиотехнике.Под общей редакцией Б.А.Смиренина. Москва-Ленинград:

8. http://gete.ru/page_143.html

9. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200203/p45-46.html

Размещено на Allbest.ru

...