4.2.2. Основные параметры полевого транзистора

В число основных параметров, характеризующих полевой транзистор, как нелинейный элемент, входят

коэффициент усиления по напряжению

k_u = μ = ∆U_СИ /∆U_ЭИ при I _С = const;

крутизна передаточной характеристики

s = ∆I_С/∆U_ЭИ при U_СИ = const;

дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление R_i

r_i = R_i = ∆U_СИ/∆I_С при U_ЭИ = const;

дифференциальное сопротивление затвор – сток, которое учитывает обратную связь между выходом и входом полевого транзистора

R_ЗС = ∆U_ЗС/∆I_С .

Входное сопротивление полевого транзистора очень велико (мегаомы), поэтому значение тока затвора очень мало.

Значение сопротивления R_i определяется по выходной характеристике, как котангенс угла наклона. Режиму насыщения транзисторов соответствует пологая часть выходной характеристики, поэтому внутренне сопротивление достаточно велико (сотни килом), так как в рабочей области угол наклона мал.

Крутизна передаточной характеристики – s отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток. Крутизна имеет значения 1 ÷ 5 мА/В.

Крутизна передаточной характеристики, внутреннее сопротивление со стороны выхода и коэффициент усиления по напряжению являются взаимозависимыми величинами, что отражается следующим выражением

μ = sR_i .

Условные обозначения полевых транзисторов на принципиальных электрических схемах приведены на рис. 5.1 и рис. 5.4.

Рис. 5.4. Обозначение полевых транзисторов с каналом типа n на принципиальных схемах и при изображении внутренней структуры интегральных микросхем (слева направо).

Вопросы для самопроверки

29. Структура биполярного транзистора.

30. Какая область транзистора называется эмиттером? Особенности этой области?

31. Почему область базы делается тонкой. Поведение носителей заряда в области базы.

32. Транзистор. Коэффициент передачи тока эмиттера.

33. Динамический коэффициент передачи тока базы.

34. Диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы. Их особенности.

35. Что такое активный режим биполярного транзистора?

36. Особенности инверсного режима биполярного транзистора.

37. Опишите режим насыщения биполярного транзистора.

38. Опишите режим отсечки биполярного транзистора.

39. Благодаря чему полевой транзистор с изолированным затвором можно использовать в качестве конденсатора небольшой ёмкости?

40. Объясните отличие процессов управления током стока в полевых транзисторах с p-n переходом и в транзисторах с изолированным затвором.

41. Чем вольтамперные характеристики биполярного транзистора отличаются от вольтамперных характеристик полевых транзисторов?

42. Какое напряжение полевого транзистора называется пороговым? Какова приблизительная величина этого напряжения? По какой характеристике его можно определить?

6. Источники напряжения и тока

Источники напряжения и тока относятся к активным элементам электрических цепей [10]. С помощью источников напряжения и тока задают сигналы в цепи. Основная характеристика источника напряжения – электродвижущая сила. Электродвижущая сила – ЭДС²⁴ равна отношению энергии сторонних сил dW_c, необходимой для перемещения положительного заряда к величине этого заряда (энергия затрачивается на перемещение заряда)

E=dW_c/dq.

В электротехнике и электронике рассматривают два понятия источников: идеальные источники и реальные источники. Идеальным источником напряжения называют такой источник, напряжение на зажимах которого остаётся постоянным независимо от нагрузки. Это возможно в том случае, если внутреннее сопротивление источника равно нулю.

Напряжение реальных источников при подключении нагрузки уменьшается. Поэтому реальные источники напряжения представляют в виде последовательного соединения идеального источника и резистора, рис. 6.1.

Рис. 6.1. Реальный генератор напряжения, его внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки.

Ток, текущий в представленном на рис. 6.1 контуре от положительного контакта источника ЭДС к отрицательному контакту, вызывает падение напряжения, как на сопротивлении нагрузки, так и на внутреннем сопротивлении источника. Поэтому, при наличии нагрузки, напряжение U всегда меньше ЭДС Е. Их величины одинаковы только при отсутствии нагрузки, то есть, на холостом ходу. Подключив в качестве нагрузки вольтметр можно приблизительно определить ЭДС источника. При этом погрешность будет тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра.

При анализе электронных устройств наряду с генераторами напряжения обращаются к источникам, называемым генераторами тока. Как и в случае с генераторами напряжения обсудим идеальный и реальный генератор тока.

Источник тока описывается функцией I(t). Если ток источника (ток, отдаваемый источником в нагрузку) равен нулю, это означает разрыв выводов источника. Другими, словами внутренне сопротивление идеального источника бесконечно велико. Ток идеального источника тока не зависит от величины сопротивления нагрузки.

При увеличении сопротивления нагрузки ток реального источника тока уменьшается. В схему реального источника тока вводят внутреннюю проводимость, включаемую параллельно зажимам источника, рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема реального генератора тока.

При экспериментах с электронными устройствами источники питания, генераторы синусоидальных и импульсных сигналов являются реальными генераторами напряжения. Поэтому, при необходимости применения генератора тока, используют реальный генератор напряжения (имеющий малое внутреннее сопротивление), подключая последовательно с ним резистор, имеющий большое сопротивление, как показано на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схема включения генератора тока для практических применений.

Электронное устройство потребляет некоторое количество энергии от источника сигнала и от источника электропитания. Таким образом, как и в электрических сетях можно говорить о генераторе и нагрузке. Так как ток может протекать только в замкнутой цепи, то генератор с нагрузкой должен быть соединён двумя проводами, как показано на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Генератор и нагрузка.

Вопросы для самопроверки

43. Что называют идеальным источником напряжения?

44. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника напряжения?

45. Чем отличается реальный генератор напряжения от идеального?

46. Какой источник электрической энергии называется идеальным источником тока?

47. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока?

7. Детализация принципиальных схем

Часто соединение источника тока и нагрузки в схемах рисуют в виде одного провода. Изготавливая устройство надо помнить о необходимости второго провода, который называют обратным, общим или землёй.

Например, транзисторный усилитель может быть изображён, как показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Вариант схемы усилителя без указания общего провода

Практически любая схема может быть представлена в различных вариантах, отличающихся степенью идеализации.

Расмотрим более полный вариант схемы усилителя, представленной на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Более полный вариант схемы усилителя с указанием источника входного сигнала, источника электропитания и нагрузки.

Вариант схемы, приведённый на рис. 7.2 позволяет уяснить схему соединений устройства и общий принцип ей работы.

Для оценки режима и особенностей работы устройства необходимо указать наименования компонентов и численные значения их параметров, как показано на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема с указанием наименований элементов (компонентов) и значений параметров.

8. Ветвь, узел, контур

Электронное устройство, как сказано выше, представляет собой соединение электронных компонентов. Точки соединения принято называть узлами, элементы устройства, включённые между двумя соседними узлами, называют ветвями. Таким образом, узел – это соединение нескольких ветвей электрической цепи. Соединение электронных компонентов могут образовывать замкнутую систему элементов, называемую электрическим контуром (или просто контуром). На рис. 8.1 приведен пример схемы, служащий для иллюстрации понятий ветвь, узел и контур. Такая схема соединений называется цепной или цепочечной схемой. Цепной схемой называется электрическая цепь, состоящая из сочетания последовательно и параллельно включённых элементов (резисторов, катушек индуктивности, электрических конденсаторов) [3]. Проще говоря, электрической цепью называется система связанных между собой электрических элементов, по которым протекает электрический ток [10].

Рис. 8.1. Пример соединения компонентов в электрическом устройстве.

Характерные точки цепи, приведённой на рис. 8.1, помечены цифрами. Часть цепи между точками 2 и 5 является ветвью. Точка 2 является узлом, поскольку в ней соединяется несколько ветвей. Проводник, на котором нанесены точки 4, 5 и 6, пренебрегая падением напряжения на нём, будем считать имеющим один и тот же электрический потенциал по всей длине. Этот проводник будем называть общим (часто называют землёй). От потенциала этого проводника будем отсчитывать потенциалы в точках 1, 2 и 3.

Если проследить соединения цепи, начиная с точки 1 и далее через точки 2, 5, 4 и снова к точке 1, получается замкнутая цепь, являющаяся примером электрического контура. В пределах одной ветви сила тока постоянна. В разных ветвях, образующих электрический контур, сила тока может быть различной.

Величины потенциалов в узлах электрической цепи и токов в ветвях описываются двумя правилами Кирхгофа²⁵. Правила Кирхгофа известны специалистам в области электрических цепей. Ограничимся напоминанием их формулировки.

Из закона сохранения заряда следует, что алгебраическая сумма сил токов I_k, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю

,

здесь - число токов, сходящихся в узле.

Второе правило относится к контурам электрической цепи: в любом замкнутом контуре, произвольно выделенном в сложной цепи проводников, алгебраическая сумма всех падений напряжений I_kR_k на отдельных участках контура равна алгебраической сумме всех электродвижущих сил (эдс) Е_k в этом конуре

,

здесь m число участков в замкнутом контуре [12].

Второе правило получается в результате применении закона Ома²⁶ [13] к различным участкам замкнутой цепи.

Устройство, служащее источником сигнала, обладает внутренними параметрами. Одним из таких параметров является выходное сопротивление. Ток, поступающий из источника сигнала в соединительную линию, протекает через выходное сопротивление, создавая на нём падение напряжения.

Ток, втекающий в нагрузку (устройство, получающее сигнал из соединительной линии) протекает через внутреннее сопротивление нагрузки, которое называют входным сопротивлением.

С учётом сказанного перерисуем рис. 6.4, как показано на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема с сопротивлениями генератора и нагрузки.

Под действием ЭДС от точки 1 ток течёт через R_Вых, создавая на нём падение напряжения, к точке 3, затем к точке 5 и по внутреннему сопротивлению нагрузки. Далее ток течёт по обратному проводу, (точки 6, 4 и 2), возвращаясь к источнику ЭДС.

В зависимости от соотношения величин входного сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления генератора (источника) на нагрузке может быть получена различная мощность. Рассмотрим условие получения максимальной мощности на нагрузке [20].

В радиотехнических цепях затраты на единицу мощности сравнительно велики, поэтому важнее обеспечить передачу максимальной мощности от одного устройства к другому, чем получить высокий к.п.д²⁷.

Схема, приведённая на рис. 8.2, позволяет рассмотреть вопрос о мощности для любого источника. Для упрощения описания входное сопротивление нагрузки переобозначим R_Н, внутреннюю э.д.с. генератора – Е, напряжение на нагрузке – U, а внутреннее сопротивление генератора – R_Г.

Ток, протекающий в цепи генератор – нагрузка

I=E_Г/(R_Г+R_Н),

U=R_НЕ_Г/(R_Г+R_Н).

Мощность генератора

Р_Г=Е_ГI=I²(R_Г+R_Н) = (E_Г)²/(R_Г+R_Н).

Мощность, выделяемая на сопротивлении нагрузки (отдаваемая в нагрузку),

P_Н=UI=I²R_Н =R_Н(E_Г)²/(R_Г+R_Н)²,

Дифференцируя последнее выражение по R_Н, получаем максимум мощности в нагрузке при R_Н = R_Г. При этом напряжение на нагрузке равно половине э.д.с. Коэффициент полезного действия при равенстве сопротивлений R_Г и R_Н

100%P_Н/ Р_Г = 100%R_Н(R_Н+ R_Г) =50%

Для получения большого напряжения на нагрузке необходимо R_Н устремить к бесконечности (на практике выбрать R_Н > R_Г).

Основываясь на сведениях из курсов "Твердотельная электроника" и "Основы электроники" будем рассматривать соединение компонентов и работу устройств, в которых используются резисторы конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы и подключение к исследуемым устройствам измерительных приборов и источников электропитания.

К числу широко применяемых измерительных приборов относятся вольтметр и осциллограф. Оба прибора используются для измерения напряжений между некоторыми точками устройства, например между сигнальным и обратным проводами. Подключение измерительного прибора не должно вносить изменений в работу устройства. Это значит, что в измерительный прибор из исследуемого устройства должно отдаваться, как можно меньше энергии. Так вольтметр, подключается параллельно к некоторому элементу устройства, на котором надо измерить падение напряжения. Следовательно, во входную цепь вольтметра должен ответвляться как можно меньший ток, рис. 8.3. На этом рисунке показано подключение

Рис. 8.3. Подключение вольтметра.

вольтметра для измерения падения напряжения на резисторе R₂ и резисторах R₃ и R₄. Общий провод (земля) вольтметра подключается к общему проводу цепи, в которой производится измерение.

Осциллограф также измеряет напряжение на участке цепи, поэтому он подключается как вольтметр.

9. Делители напряжения

При подаче сигнала с выхода одного устройства на вход другого устройства бывает необходимо уменьшить величину напряжения. Для уменьшения напряжения применяют устройства, называемые делителями напряжения. Схема простейшего делителя напряжения приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема делителя напряжения.

Коэффициент передачи такого делителя

. (9.1)

Это соотношение справедливо для режима холостого хода, то есть для ненагруженного делителя. Рассмотрим схему, приведённую на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Нагруженный делитель напряжения.

На рис. 9.2 слева изображён источник сигнала, а справа получатель сигнала, подключённый к источнику с помощью делителя напряжения. Сигнал, снимаемый с делителя напряжения, является входным сигналом для получателя. Из рисунка видно, что входное сопротивление подключено параллельно нижней (по рисунку) части делителя. Обозначая

,

запишем коэффициент передачи делителя, подставив вместо R₂ выражение для параллельного соединения резисторов R₂||R_Вх,

. (9.2)

Сравнивая (9.1) и (9.2) видим, что во втором случае коэффициент передачи делителя меньше, чем в первом.

На вышеприведённых рисунках изображены делители напряжения с фиксированным коэффициентом деления. Если необходимо регулировать коэффициент деления, необходимо применить переменный резистор. Рассмотрим рис. 9.3.

Рис. 9.3. Нагруженный переменный делитель напряжения.

Чтобы представить зависимость коэффициента деления от положения движка переменного резистора подсчитаем К для R₂, изменяющегося от 0 до R₁ + R₂ для фиксированных R₁ + R₂ и R_н. Пусть R₁ + R₂ = 1 кОм и R_н = 1 кОм. На рис. 9.4 приведена диаграмма с результатами расчёта.

Рис.9.4. Зависимость коэффициента передачи нагруженного переменного делителя напряжения от величины R₂.

На рис. 9.4 по вертикали отложены значения К, а по горизонтали значения сопротивления R₂.

Из рисунка следует, что коэффициент передачи в рассматриваемом случае меняется нелинейно. Расчеты показывают, что с увеличением R_н относительно R₁ + R₂ , отклонение от линейности уменьшается.

Компенсированный делитель напряжения переменного тока

Так как нагрузка делителя напряжения имеет омическую и ёмкостную составляющие, то при работе на переменном токе происходят искажения фазы передаваемого сигнала и сужение полосы пропускаемых делителем частот. Рассмотрим делитель напряжения, которым часто оснащается входной кабель осциллографа. При измерении больших напряжений сигнал на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа подаётся с помощью делителя напряжения, например, с коэффициентом деления 1:10. Входная цепь осциллографа имеет достаточно большое входное сопротивление, обычно не менее 10 Мом. Современные осциллографы оснащаются транзисторным усилителем вертикального отклонения. Поэтому входная ёмкость осциллографа, складывающаяся из входной ёмкости транзистора и ёмкости монтажа может иметь величину 10 и более пФ. Кроме того, для уменьшения уровня помех на входе осциллографа подключение делается с помощью коаксиального кабеля, также имеющего некоторую ёмкость. Делитель размещают на том конце кабеля, который подключается к исследуемому устройству. Таким образом, схему делителя вместе с кабелем и входной цепью осциллографа можно представить, как показано на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Делитель с коэффициентом деления 1:10, нагруженный на резистор и конденсатор.

Пренебрегая сопротивлением 10 Мом по сравнении с R и, вводя вместо R обозначение R₂, а вместо 9R – R₁, переходим к схеме на рис 9.6.

Рис. 9.6. Некомпенсированный делитель напряжения.

Запишем выражение для модуля передачи.

,

где Z₁ = R₁, а .

Подставляя Z₁ и Z₂ в выражение для модуля коэффициента передачи, получаем

.

Из полученного выражения следует, что коэффициент передачи - К падает с ростом частоты. Чтобы коэффициент деления оставался постоянным в заданном диапазоне частот, применяют компенсированный делитель напряжения, изображённый на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Компенсированный делитель напряжения.

Условием компенсации является равенство постоянных времени R₁C₁=R₂C₂. На рис.9.7 конденсатор С1 является компенсирующим. Конденсатор С2 входит в состав нагрузки делителя. Если ёмкость конденсатора С1 фиксирована, то при изменении R1 или R2 компенсация нарушится [14].

Сравнение некомпенсированного и компенсированного делителей показано на рис. 9.10. На рисунке показаны импульсы на входе делителя (верхняя линия), на выходе некомпенсированного делителя и на выходе компенсированного делителя.

Рис. 9.10. Действие делителя с коэффициентом передачи 1/3.

В примере, приведённом на рис 9.10, на вход делителя подан импульс с амплитудой 6 В. Длительность фронта и среза этого импульса составляют по 10 нсек. Длительность импульса, заданная по основанию равна 410 нсек. Импульс на выходе компенсированного делителя имеет такие же временные характеристики, как и исходный. Импульс, у которого фронт и срез растянуты, наблюдается на выходе некомпенсированного делителя²⁸.

Вопросы для самопроверки

48. Что называют узлами электрической цепи?

49. Что называют ветвями электрической цепи?

50. Что называют электрическим контуром?

51. Какой проводник электрической цепи называют общим?

52. Сформулируйте правило Кирхгофа для токов.

53. Сформулируйте правило Кирхгофа для напряжений.

54. Как подключаются вольтметр и осциллограф к электрической цепи?

55. Как записывается условие получения максимальной мощности на нагрузке?

56. Запишите условие получения максимального напряжения на нагрузке.

57. Нарисуйте делитель напряжения и подсчитайте коэффициент передачи.

58. Нарисуйте нагруженный делитель напряжения и подсчитайте коэффициент передачи.

59. Нарисуйте нагруженный делитель напряжения, выполненный на переменном резисторе. Для нескольких положений движка (соотношения плеч делителя подсчитайте коэффициент передачи.

60. Опишите принцип действия компенсированного делителя напряжения переменного тока.

10. Источники электропитания

Источники электропитания разделяются на первичные и вторичные. Первичными являются источники, преобразующие тепловую энергию, гидроэнергию, энергию ветра, световую (солнечную) энергию в электроэнергию и химические источники тока. С помощью этих источников получается постоянный или переменный ток различного напряжения. Вторичные источники являются преобразователями, использующими энергию первичных источников. Эти преобразователи применяются для получения необходимых значений силы тока или напряжения, стабилизации этих значений, преобразования переменного тока в постоянный²⁹.

К тематике этого курса относятся вторичные источники электропитания³⁰.