Полевые транзисторы

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в ко­тором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через ко­торый основные носители ухо­дят из канала,— стоком. Элект­род, служащий для регулиро­вания поперечного сечения ка­нала, называют затвором.

Поскольку в полевых тран­зисторах ток определяется дви­жением носителей только одно­го знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение но­сителей заряда одного знака.

Структура и принцип действия полевого транзистора

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от ис­тока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напря­жение, запирающее р-n-переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения по­тенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Uси<0,

Uзи>0.

С табилизатор напряжения(тока) - устройство автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности. Классификация стабилизаторов: 1) по роду стабилизируемой величины (стабилизатор напряжения, стабилизатор тока); 2) по способу стабилизации ( параметрические, компенсационные); Коэффициент стабилизации К_ст=(∆U_вх/U_вх)/( ∆U_вых/U_вых), где ∆U_вх- приращение входного напряжения, U_вх- номинальное значение входного напряжения; Параметрический стабилизатор, построенный на основе стабилитрона. Стабилитрон – это особый вид диода, у которого с целью стабилизации напряжения используется обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) в диапазоне лавинного электрического пробоя. Рисунок:

С табилизация осуществляется благодаря малому дифференциальному сопротивлению ВАХ в зоне лавинного пробоя. Эта зона начинается в точке А и заканчивается в точке В при предельном токе стабилизации, который может пропускать стабилитрон при надлежащем охлаждении. Балластное сопротивление R_б- это принципиально необходимый элемент пассивного стабилизатора, подбирая балластное сопротивление ограничить ток, обеспечивает положение средней точки. Преимущества параметрического стабилизатора: 1) простота конструкции;2) надежность работы; Недостатки: небольшой коэффициент полезного действия, 2) относительно большое внутреннее сопротивление стабилизатора, 2)узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения; Рисунок:

Компенсационный стабилизатор:В отличие от параметрических компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения РЭ компенсационные стабилизаторы разделяются на последовательные и параллельные.На рис.20 приведена схема одного из наиболее распространенных (до появления интегральных стабилизаторов) транзисторных стабилизаторов напряжения последовательного типа. Стабилизатор состоит из регулирующего элемента (транзисторы VT1, VT2, VT3), усилителя постоянного тока (VT0, R1), опорного напряжения (VD,R2), делителя напряжения R3-R5, резисторов R6, R7, используемых для выбора режима по постоянному току транзисторов VT1, VT2, и конденсатора С1. В стабилизаторе предусмотрена регулировка выходного напряжения, для чего в состав делителя включен потенциометр R4.

Стабилизатор может быть выполнен на транзисторах типа p-n-p или n-p-n. При использовании транзисторов типа p-n-p полярности напряжений на входе и выходе изменяются на противоположные (по сравнению со схемой на рис.20). При этом необходимо также переключить стабилитрон VD, чтобы напряжение на его аноде было положительным относительно катода. Стабилизатор работает следующим образом. При увеличении входного напряжения Ui увеличивается и выходное напряжение U0, что вызывает увеличение напряжения на входе транзистора VT0 и его коллекторного тока, в результате чего напряжение на коллекторе уменьшается, а это вызывает уменьшение тока через транзисторы РЭ и, следовательно, приводит к пропорциональному уменьшению U0. Аналогичные процессы происходят и при уменьшении тока нагрузки, что приводит к увеличению U0. При уменьшении Ui или U0 (при увеличении тока нагрузки) транзистор VT0 подзакрывается, напряжение на его коллекторе и на базе транзистора РЭ увеличивается, в результате чего U0 увеличивается почти до номинального значения. Для проведения моделирования необходимо предварительно провести приближенный расчет. Исходные данные для такого расчета: номинальное выходное напряжение U0, В; пределы регулирования выходного напряжения U0max-U0min,В; ток нагрузки IHmax,А; минимальное и максимальное напряжения сети Uimin, Uimax,В.

Каскад

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

В ыбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I_кпI_mнU_{m вых}/R_н

Напряжение покоя обычно выбирается U_кэп=E_к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Л инию нагрузки можно построить в координатах I_к, U_кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I_к=0, то U_кэ=E_к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R_к и R_Б:

R_к= ;

R_Б= ; I_Бп=I_Кп/h₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i_вх=I_mвхsint рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E_к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R_к включается R_н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - i_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением i_к и подсчитав изменение напряжения U_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U_кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при R_н=0 он составит 90). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением R_н становится меньше E_к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и= ;

;

к_р=к_ик_i.

Многокаскадные усилители применяются в тех случаях , когда простейшие однокаскадные усили-

тели не удовлетворяют по тем или иным параметрам:

− недостаток и нестабильность усиления;

− большие нелинейные искажения;

− низкая нагрузочная способность;

− минимум выходного напряжения шумов.

Кроме того, многокаскадные усилители предназначены для получения больших значений коэффи-

циента усиления. Принцип построения многокаскадных усилителей заключается в последовательном

соединении нескольких одиночных каскадов. При этом решается задача согласования входных и вы-

х одных сигналов различных каскадов как по постоянному, так и по переменному току.

По виду межкаскадных связей усилители классифицируются на две группы: усилители переменно-

го тока; усилители постоянного тока. К первой группе относятся усилители с трансформаторными и

RC-связями, а ко второй – усилители с гальваническими связями.

Особенностью усилителей первой группы является отсутствие между отдельными каскадами связи

по постоянному току. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить наиболее оптималь-

ный режим работы по постоянному току, например, с точки зрения коэффициента усиления или вноси-

мых искажений. Однако, если в этих усилителях входной сигнал кроме переменной содержит и посто-

янную составляющую, то после усилителя информация о постоянной составляющей будет потеряна.

В усилителях с гальваническими связями необходимо согласование сигналов как по постоянному,

так и по переменному току. Это накладывает определенные ограничения на выбор режимов работы

транзисторов и в большинстве случаев существенно затрудняет проектирование усилителя. Курсовое

проектирование посвящено усилителям с RC-связями, как наиболее совместимым с методами совре-

менной технологии.