Усилители электрических сигналов на транзисторах

Наиболее известным и важным полупроводниковым прибором является транзистор. Транзистор представляет собой трехслойный полупроводник с двумя р-n переходами. В зависимости от порядка чередования р- и n- областей различают транзисторы р-n-р типа и n-р-n типа.

Транзисторы, в работе которых участвуют носители заряда двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки), называют биполярными.

Рассмотрим работу биполярного транзистора n-р-n типа. Именно такой транзистор изображен на рис. 9.7.

Рис. 9.7

Основанием транзистора служит полупроводниковая пластинка, обладающая электропроводностью р-типа. Её называют базой транзистора. В эту пластинку с двух сторон вплавлены донорные пластинки, образующие n-области. Сечение и объём пластинок делают различными. К пластинкам припаивают проводники, которые служат выводами. Вывод, связанный с меньшей пластинкой, называют эмиттером и обозначают буквой Э. Вывод, припаянный к большей пластинке, - коллектором и обозначают буквой К. База транзистора также имеет вывод Б.

Подключим выводы транзистора к источникам напряжения, как показано на рис. 9.8, а. Напряжение U₁ представляет собой прямое напряжение для эмиттерного р-n перехода, а к коллекторному р-n переходу приложено обратное напряжение U₂. Это напряжение значительно превосходит U₁. Под действием напряжения U₁ в эмиттере возникает ток I_э.

а б

Рис. 9.8

Прямое напряжение U₁ уменьшает потенциальный барьер в эмиттерном переходе, и сопротивление n-области эмиттера снижается. Электроны из n-области свободно преодолевают потенциальный барьер и попадают в р-область базы. Толщина базы транзистора очень мала. Это необходимо для того, чтобы электроны не компенсировали дырки базы и могли проникнуть в n-область, связанную с коллектором. В результате большему числу электронов под действием напряжения U₂ удается достигнуть коллектора и в этой цепи возникает коллекторный ток I_к.

Важно понять, что этот ток возникает главным образом за счет электронов, поставляемых эмиттером (под действием напряжения U₁). Коллекторный р-n переход закрыт напряжением U₂, и если напряжение U₁ равно нулю, то его сопротивление велико и в цепи существует только очень небольшой обратный ток.

Увеличим напряжение U₁, тогда электроны, образующиеся в n-области эмиттера, переходят на коллектор, коллекторный ток возрастает, а сопротивление коллекторного перехода значительно уменьшается. В цепи базы также возникает ток, причем на основании первого закона Кирхгофа

I_э = I_к + I_б.

Слово «эмиттер», обозначающее один из выводов транзистора, происходит от латинского «эмиссио» - «выпускать», а «коллектор» означает «собирать». Таким образом, в названиях выводов транзистора отражается принцип его действия.

Транзисторы находят в электронике самое разнообразное применение. Рассмотрим в качестве примера использование транзистора как усилителя переменного напряжения.

Существует несколько схем включения транзистора при усилении напряжений. Наибольшее применение имеет схема с общим эмиттером (рис. 9.9). Переменное напряжение, которое необходимо усилить, включено между базой и эмиттером. Это напряжение можно считать входным. Выходное напряжение - напряжение на резисторе нагрузки. Тогда коэффициент усиления по напряжению

Напряжение между базой и эмиттером в транзисторах составляет десятые доли вольта, падение напряжения на резисторе нагрузки - десятки вольт. Таким образом, транзистор может усилить входное напряжение в десятки или даже сотни раз.

Рис. 9.9

На рис. 9.8 были изображены два источника питающего напряжения, в усилителе (рис. 9.9) можно обойтись только одним большим напряжением U₂. Напряжение U₁ получают от делителя R₁ - R₂. Как и на рис. 9.8, напряжение U_к,э включено в обратном направлении (по отношению к р-n переходу), а напряжение U_б,э - в прямом.

Источник входного напряжения отделен от базы разделительным конденсатором С_р1. Это необходимо, чтобы на вход транзисторного усилителя не попадало постоянное напряжение. Кроме того, малое внутреннее сопротивление источника входного сигнала может зашунтировать резистор R₂ (по постоянному току), и тогда напряжение U_б,э резко уменьшится.

Параметры транзистора изменяются при изменении температуры. Во многих случаях эти изменения столь велики, что нормальный режим работы усилителя нарушается. Во избежание этого в цепь эмиттера включен стабилизирующий резистор R_э.

Напряжение на базе транзистора по отношению к эмиттеру равно разности падений напряжения на резисторах R₂ и R_э:

U_б,э = U_R2 - U_Rэ.

Если при изменении температуры ток в цепи транзистора увеличивается, то увеличивается и падение напряжения U_Rэ. Прямое напряжение на эмиттерном переходе U_б,э уменьшается, а это уменьшает количество электронов, попадающих на коллектор, и уменьшает ток в цепи транзистора. В правильно рассчитанной и отлаженной схеме усилителя увеличение и последующее уменьшение тока должны быть строго одинаковы. Это обеспечивает стабильный режим работы усилителя.

На рис. 9.9 мы видим, что параллельно резистору R_э включен конденсатор C_э. Это необходимо для того, чтобы схема стабилизации действовала только на постоянном токе. Емкостное сопротивление конденсатора шунтирует резистор R_э, и входное переменное напряжение оказывается приложенным между базой и эмиттером.

В схеме усилителя имеется ещё один разделительный конденсатор - C_р2. Он предназначен для того, чтобы выделить переменную составляющую тока коллектора, которая создает падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Это напряжение является выходным напряжением усилителя.

Кроме биполярных, существуют ещё униполярные или полевые транзисторы. Принцип действия полевого транзистора поясняется на рис. 9.10, а. Основой полевого транзистора служит пластинка полупроводника n-типа, снабженная двумя электродами.

а б

Рис. 9.10

Электрод, от которого начинается движение электронов, называют истоком. Второй электрод, к которому электроны движутся, носит название стока.

В пластинке полупроводника образованы область р-электропроводности и р-n-переход. Транзистор имеет третий, управляющий электрод, который связан с р-областью. Его называют затвором.

Область с р-электропроводностью ограничивает сечение кристалла с n-электропроводностью, и путь электронов проходит по узкому промежутку, который называют каналом.

Для работы полевого транзистора необходимы два источника напряжения. Напряжение U₂ обеспечивает движение электронов в цепи транзистора и нагрузке. Кроме того, имеется напряжение смещения U₁. Это напряжение является обратным по отношению к р-n-переходу. Поэтому сопротивление р-n-перехода очень велико.

Если входное напряжение суммируется с напряжением смещения, то толщина двойного электрического слоя в р-n-переходе увеличивается, и площадь поперечного сечения канала, по которому движутся электроны, уменьшается. Сопротивление канала возрастает, и ток в цепи уменьшается.

При противоположной полярности входного напряжения обратное напряжение на р-n-переходе уменьшается, и ширина канала увеличивается. Это приводит к увеличению тока в цепи. На рис. 9.10, б показано условное изображение полевого транзистора с каналом n-типа. Транзисторы р-типа имеют такое же изображение, но стрелка затвора должна быть направлена в другую сторону.

Полевые транзисторы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с биполярными. Они имеют очень большое входное сопротивление и могут работать с маломощными источниками входного сигнала. Они более стабильны, изготовление их проще, чем биполярных, поэтому и цена их должна быть ниже.

Пример. Заданы коэффициент передачи биполярного транзистора , обратный ток коллектор- база мкА. Найти токи , , при включениях с ОБ и ОЭ, если ток коллектора одинаков в обоих случаях, а соотношение между управляющими токами .

Решение. Воспользовавшись соотношениями токов в схемах с ОБ и ОЭ и соотношениями между коэффициентами передачи и запишем систему уравнений:

Решив систему относительно тока базы, получим мА. Ток эмиттера мА. Ток коллектора из системы уравнений мА.