4.6 Основные параметры усилителя.

Из проведенного анализа следует, что усиление электрических сигналов проис­ходит за счет преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока , выделяемую в нагрузке. При этом КПД оказывается не очень высоким. В пределе следова­тельно, . Поэтому рассмотренный режим, называемый линейным (или режимом А), применяют в основном в маломощных усилителях, где потери мощ­ности, расходуемой на нагрев транзистора и резистора , невелики. В мощных усилителях применяют иные режимы работы транзистора и более сложные схе­мы, обеспечивающие получение более высокого КПД.

4.7 Импульсный режим работы биполярного транзистора

При работе транзистора в импульсных схемах различают режимы малого и боль­шого сигналов.

При подаче на базу импульсных сигналов малой величины тран­зистор работает в активном режиме. В этом случае происходит усиление им­пульсных сигналов и соблюдается линейная зависимость между напряжениями выходного и входного сигналов. Такой режим характерен, например, для усиле­ния телевизионных сигналов.

Работа транзистора в режиме больших импульсных сигналов (такой режим обыч­но называют ключевым) характерна для цифровых интегральных схем. В этом случае транзистор выполняет функции электронного ключа: он может находить­ся либо в закрытом состоянии (отсечка), либо в открытом состоянии (насыще­ние). Качество работы электронного ключа оценивается скоростью переключения, то есть временем его перехода из одного состояния в другое.

На рис. 4.37, а пред­ставлена схема электронного ключа, а на рис. 4.37, б— д — диаграммы, иллюстри­рующие его работу. Рассмотрим поэтапно процессы включения и выключения транзистора.

В промежутке времени от 0 до t₁ транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток коллектора практически равен нулю. Поэтому можно считать, что транзисторный ключ разомкнут, напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания и режим работы определяется точкой А.

В момент времени t₁ напряжение импульсного генератора на базе транзистора изменяется скачком по закону:

При этом эмиттерный переход отпирается, транзистор переходит в активный режим, в цепи коллектора появляется ток коллектора, напряжение коллектор-эмиттер падает. Такое состояние длится в течение времени равного длительности импульса сигнала с генератора.

В момент времени t₂ транзистор снова закрывается.

4.8 Разновидности биполярных транзисторов

В настоящее время промышленностью выпускается большое количество бипо­лярных транзисторов различных типов и разного назначения. Подавляющее большинство транзисторов изготовляется из кремния и имеет структуру п-р-п. Обычно транзисторы классифицируют по допустимой рассеиваемой мощности, предельной частоте и назначению.

По мощности транзисторы подразделяют на три группы. К транзисторам малой мощности относят приборы с рассеиваемой мощностью менее 0,3 Вт. К транзис­торам средней мощности относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью от 0,3 до 1,5 Вт. Для транзисторов большой мощности рассеиваемая мощность пре­вышает 1,5 Вт.

В каждой из трех групп транзисторы подразделяются на низкочастотные ( ), транзисторы средней частоты ( ), высокочастот­ные ( ) и транзисторы диапазона СВЧ ( ).

Для низкочастотных транзисторов характерны большая емкость переходов (10-100 пФ) и время рассасывания (порядка 1 мкс). Для высокочастотных транзис­торов характерны малая площадь переходов, малая толщина базы и малое время жизни неосновных носителей заряда. Барьерные емкости этих транзисторов не превышают 10 пФ, время рассасывания составляет доли микросекунды. Как пра­вило, высокочастотные транзисторы являются дрейфовыми.

Сверхвысокочастотные транзисторы отличаются рядом важных структурных и конструктивных особенностей. Толщина базы этих транзисторов составляет 0,1-0,3 мкм, ширина эмиттера — около 1 мкм, расстояние от края эмиттерной области до базового контакта — около 0,4 мкм. При этих условиях барьерные емкости составляют десятые доли пикофарады, а граничная частота достигает 10 ГГц. Транзисторы с повышенной граничной частотой характеризуются пони­женными рабочими напряжениями и токами, малыми значениями отдаваемой вы­сокочастотной мощности и допустимой рассеиваемой мощности. Как показали исследования, граничная частота и отдаваемая мощность Р связаны между собой соотношением , из которого следует, что повышение граничной частоты при заданном уровне технологии связано с неизбежным уменьшением от­даваемой мощности. Современная технология позволяет создавать транзисторы с граничной частотой 10 ГГц при отдаваемой мощности 1 Вт.

Мощные транзисторы отличаются большими напряжениями и токами коллекто­ра. Для достижения большого рабочего тока применяют многоэмиттерные тран­зисторы, содержащие большое число узких длинных эмиттерных полосок, между которыми расположены выводы базы, объединенные общим базовым выводом. Все эмиттеры располагают внутри одной базовой области, а их выводы объеди­няют общим эмиттерным выводом. Ширина каждой эмиттерной полоски со­ставляет 10-20 мкм, а длина — 100-200 мкм. Для хорошего теплоотвода кристалл мощного транзистора устанавливают на массивное металлическое основание кор­пуса, которое в ряде случаев имеет специальный радиатор. Современные мощные транзисторы при допустимом коллекторном напряжении более 100 В и токе кол­лектора более 50 А позволяют в диапазоне частот до 30 МГц получить в нагрузке мощность порядка 175-200 Вт.

Большое разнообразие транзисторов отражается в их условных обозначениях (маркировке), содержащих определенную информацию о свойствах транзистора.

Первый элемент обозначения характеризует материал полупроводника:

• Г (или 1) — германий;

• К (или 2) — кремний;

• А (или 3) — арсенид галлия;

• И (или 4) — соединения индия.

Буквы используют при маркировке транзисторов широкого применения, циф­ры — при маркировке транзисторов специального назначения.

Вторым элементом обозначения для биполярных транзисторов является буква Т (для полевых транзисторов используется буква П).

Третий элемент обозначения характеризует мощность и частотные свойства:

• 1 — маломощный низкочастотный;

• 2 — маломощный средней частоты;

• 3 — маломощный высокочастотный (f > 30 МГц);

• 4 — средней мощности низкочастотный;

• 5 — средней мощности средней частоты;

• 6 — средней мощности высокочастотный;

• 7 — большой мощности низкочастотный;

• 8 — большой мощности средней частоты;

• 9 — большой мощности высокочастотный.

Четвертый и пятый элементы указывают на порядковый номер разработки дан­ного типа транзистора и обозначаются цифрами от 01 до 99.

Шестой элемент обо­значения (буквы от А до Я) показывает разделение транзисторов данного типа на подтипы по классификационным параметрам, например по величине или какого-либо другого параметра.

Например, кремниевый биполярный мощный высокочастотный транзистор КТ903А имеет минимальное значение , а транзистор КТ903Б — минимальное значение .

Для вновь разрабатываемых транзисторов используются семиэлементные обозна­чения. У этих транзисторов третий элемент несколько иначе характеризует мощ­ность и частотные свойства транзистора:

• 1 — маломощный (до 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

• 2 — маломощный с граничной частотой до 300 МГц;

• 4 — маломощный с граничной частотой свыше 300 МГц;

• 7 — мощный (свыше 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

• 8 — мощный с граничной частотой до 300 МГц;

• 9 — мощный с граничной частотой свыше 300 МГц.

Четвертый, пятый и шестой элементы (число от 001 до 999) указывают на поряд­ковый номер разработки, а седьмой элемент — на отличие по какому-либо пара­метру.

В радиоэлектронной аппаратуре наряду с транзисторами, управляемыми элект­рическими сигналами, находят применение транзисторы, управляемые световы­ми сигналами, — фототранзисторы. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого имеется прозрачное окно, через которое световой поток воздействует на область базы.

Схематическое устройство фототранзистора и схема его включения представлены на рис. 4.41, а.

Фототран­зистор обычно включают по схеме с ОЭ с отключенной базой. При этом эмиттерный переход оказывается включенным в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. Под действием света происходит генерация пар носителей заряда в базовой области. Электроны и дырки диффундируют к коллекторному переходу, поле которого разделяет их. Дырки переходят из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны остаются в базе и компенсируют поло­жительный неподвижный заряд неподвижных доноров в р-п-переходе, в резуль­тате чего потенциальный барьер в эмиттерном переходе снижается, что приводит к увеличению инжекции дырок в базу. Соответственно увеличивается количество дырок, втянутых полем коллекторного перехода и попавших в коллектор. Ток инжектированных носителей и соответствующий ему коллекторный ток во мно­го раз превышает первоначальный фототок, образованный носителями за счет генерации.

Вольт-амперные характеристики фототранзистора показаны на рис. 4.41, б.

Внешне они не отличаются от выходных характеристик обычного биполярного транзис­тора. При отсутствии светового потока через транзистор протекает ток . При облучении базы светом появляются дополнительные носители заряда, ток коллектора возрастет и становится равным , где ^— темновой ток фототранзистора, — световой ток фототранзистора, а — интег­ральная фоточувствительность фототранзистора.

Если в цепь коллектора включен резистор , то режим работы фототранзистора определяется так же, как и обычного транзистора. В этом случае при изменении светового потока будет изменяться напряжение . Следовательно, фототранзис­тор является приемником фотоизлучения и одновременно усилителем фототока.