Параметры схем включения биполярных транзисторов

Параметр	Схема с ОЭ	Схема с ОБ	Схема с ОК
Коэффициент усиления по току	Десятки – сотни единиц	Немного меньше единицы	Десятки – сотни единиц
Коэффициент усиления по напряжению	Десятки – сотни единиц	Десятки – сотни единиц	Немного меньше единицы
Коэффициент усиления по мощности	Сотни – десятки тысяч единиц	Десятки – сотни единиц	Десятки – сотни единиц
Входное сопротивление	Сотни Ом – единицы кОм	Единицы – десятки Ом	Десятки – сотни кОм
Выходное сопротивление	Единицы – десятки кОм	Сотни кОм – единицы МОм	Сотни Ом – единицы кОм

Параметры биполярного транзистора.

Все параметры биполярного транзистора можно разделить на первичные (собственные) и вторичные.

Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора, независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

Основными первичными параметрами являются сопротивления эмиттера , коллектора и базы для переменного тока. При этом сопротивление эмиттера представляет собой сопротивление эмиттерного перехода, к которому добавляется сопротивление эмиттерной области. Подобно этому сопротивление коллектора представляет собой сопротивление коллекторного перехода, к которому добавляется сопротивление коллекторной области. Сопротивление базы представляет собой поперечное сопротивление базы.

 Параметры транзистора как четырехполюсника. h-параметры

Б иполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ 

Если две величины считать независимыми, то две другие будут зависимы от них. Существует несколько систем вторичных параметров транзистора: Y – параметры, Z – параметры,H- параметры.Для транзисторов чаще всего используются H – параметры, так как они наиболее удобны для измерений.Для системы H-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U₁, при этом система, описывающая связь входных I₁, U₂ и выходных I₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

С учетом h-параметров эквивалентная схема транзистора примет вид:

Где

1) при или ,

представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения. Измеряется в омах (Ом).

2) при или ,

представляет собой коэффициент обратной связи по напряжению. Коэффициентпоказывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Условие I ₁= const подчеркивает, что входная цепь разомкнута для переменного тока.

3) при или ,

- коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) показывает усиление тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

4) при или ,

представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора. Величина h₂₂ измеряется в сименсах (См).

Частотные свойства биполярных транзисторов.

С повышением частоты усиление, создаваемое транзистором, снижается. Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, содержащую внутренние параметры транзистора для высоких частот, включённую по схеме с общей базой. Из представленной схемы видно, что на высоких частотах ёмкости и могут шунтировать и .

Поскольку располагается параллельно , имеющую очень малую величину (Омы): , поэтому даже на очень высоких частотах влияние незначительно. Ёмкость подключается параллельно (сотни кОм), поэтому при увеличении частоты сопротивление уменьшается и начинает шунтировать , соответственно эквивалентный генератор замыкается в основном на и не создаёт напряжение на . Другой причиной завала верхних частот в транзисторе является инерционность процессов в области базы, поскольку перенос носителей заряда требует определённого времени. Поэтому для улучшения частотных свойств транзистора следует уменьшить толщину базы, при этом уменьшается время переноса носителей заряда через базу.

Шумы в транзисторах.

При большом коэффициенте усиления, в приборе, включенном на выходе усилителя слышен шум или шорох (даже при отсутствии сигнала на входе). Чем больше коэффициент усиления, тем больше собственный шум приёмника.

Исследования показали, что токи и напряжения в электрических цепях совершают небольшие хаотичные колебания (флюктуации). Это происходит за счёт теплового движения электронов. При повышении температуры флюктуации усиливаются. При усилении сигнала флюктуации проявляются в виде шумов.

При исследовании постоянного тока было выявлено, что помимо постоянной составляющей , он содержит и переменную составляющую . Объясняется это тем, что количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника в равные малые промежутки времени, разное.

В ходе экспериментов было доказано, что шумовой ток представляет собой сумму переменных составляющих с различными частотами от нуля до сверхчастот. Однако любой усилитель пропускает колебания лишь в определённом диапазоне частот. Поэтому на выходе усилителя будет восприниматься лишь часть составляющих шума, определяемая шириной полосы пропускания частот данного усилителя.

Собственные шумы транзисторов ограничивают чувствительность приёмников и устройств, предназначенных для обнаружения, усиления и измерения слабых сигналов. В случае, когда полезный сигнал слабее собственных шумов, обнаружение таких сигналов практически невозможно.

За счёт происходящих флюктуации, в любом резисторе наводится шумовая ЭДС. Действующее значение этой ЭДС определяется формулой Найквиста:

где k – постоянная Больцмана (1,38 ).

Т– абсолютная температура, К.

Полный шум, возникающий в транзисторе, имеет несколько составляющих.

- Тепловые шумы. Обуславливаются тепловыми флюктуациями электронов в любом транзисторе. Так как все области транзистора обладают сопротивлением, то в них возникают шумовые напряжения. Поскольку сопротивления эмиттерной и коллекторной области сравнительно малы, то основную роль в создании тепловых шумов имеет сопротивление базы.

-Дробовые шумы. Определяются флюктуациями инжекции и экстракции в эмиттерном и коллекторном переходе.

- Шумы токораспределения (ток эмиттера между током коллектора и базы)

- Рекомбинационные шумы. Происходит за счёт процессов рекомбинации.

- Мерцательные шумы. За счёт флюктуации токов утечки с поверхности полупроводников.

Для оценки шумовых свойств транзисторов служит коэффициент шума :

Отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов на выходе меньше, чем на входе, так как обе мощности на выходе усилены в kраз, но к мощности шумов транзистор добавляет ещё собственный шум показывает во сколько раз это отношение на входе больше, чем на выходе.

принято измерять в дБ:

( при значение Fбудет 10,20,30 дБ)

П о частоте шумы распределены неравномерно. В диапазоне средних частот Fимеет минимальное и примерно постоянное значение.

Влияние температуры на работу транзисторов.

Транзисторы, работающие в аппаратуре, могут нагреваться от окружающей среды, от расположенных рядом нагретых деталей и т.д. Изменение температуры оказывает значительное влияние на работу полупроводников. При увеличении температуры увеличивается проводимость полупроводников, токи в них возрастают. Особенно сильно с увеличением температуры растёт обратный ток p–n – перехода. Это объясняется усилением генерации пар носителей заряда. Рассмотрим влияние температуры на транзистор на примере германиевых транзисторов. Известно, что при увеличении температуры на каждые 10 ,обратный ток данных транзисторов увеличивается в 2 раза. Значит, что если при работе транзистора, температура поднялась с 20 до 70 , то обратный ток увеличится в раз, то есть в 32 раза.

Влияние температуры на работу транзисторов нагляднее рассмотреть на выходных характеристиках транзистора. Однако температура оказывает разное влияние при включении транзистора в схеме с ОБ и с ОЭ.

Схемы питания цепей базы

В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника . В подавляющем большинстве случаев транзистор усиливает сигналы переменного тока, т. е. на вход транзистора подается чаще всего знакопеременный сигнал. Но поскольку эмиттерный р-n-переход, обладает вентильными свойствами, то через него пройдет только положительная полуволна входного сигнала, а отрицательная полуволна будет им срезана и, следовательно, усиливаться не будет. Для того, чтобы этого не было, чтобы усилить весь сигнал, во входную цепь транзистора вводят так называемое смещение.

Для нормального режима работы необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянной напряжение (напряжение смещения базы ).

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такая схема задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы.

На схеме с фиксированным током базы ток задается резистором R1. При увеличении входного напряжения от источника питания на входе схемы, ток базы также увеличится. Поскольку , то увеличится и падение напряжения на резисторе . Следовательно, уменьшится.

В результате на входной характеристике наблюдают, что не увеличивается, а уменьшается с увеличением , то есть рабочая точка ходит по характеристике. То есть работа схемы будет определяться входным сигналом и /

Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер .

В данную схему включён резистор , образуя делитель . Через протекает ток , а через резистор протекает суммарный ток, определяемый .

Ток делителя, протекающий через резистор должен составить падение напряжения, соответствующее , поэтому:

Ток выбирают большим, с учётом оптимальной стабилизации рабочей точки.

Пусть , тогда вызовет лишь незначительное изменение , таким образом, работа схемы будет определяться лишь входным сигналом. Следовательно, рабочая точка не будет перемещаться по входной характеристике. Однако, в этом случае будет очень мало, поскольку – входное сопротивление усилителя, то это недопустимо. Поэтому ток делителя выбирают . В этом случае каскад начинает работать стабильно.Разделительные емкости Ср1 и Ср2 разделяют постоянный и переменные составляющие сигнала. При отсутствии разделительных конденсаторовк входу данного усилительного каскада присоединился бы выход предыдущего каскада, уменьшая при этом входное сопротивление.

Схемы термостабилизации

Для термостабилизации применяют введение отрицательных обратных связей по току и напряжению.

Схема коллекторной температурной стабилизации.

В данной схеме температурная стабилизация осуществляется за счёт введения отрицательной обратной связи по напряжению.Это осуществляется подключением резистора к коллектору транзистора с напряжением ,а не к источнику питания .

Повышение температуры за счёт повышения вызывает увеличение коллекторного тока . При этом уменьшается потенциал на коллекторе, что приводит к уменьшению тока ,что уменьшает ток коллектора ( . Значит ).

Схема эмиттерной температурной стабилизации.

Схема с делителем напряжения . Величины сопротивлений резисторов (пренебрегая по сравнению с другими напряжениями):

Термостабилизация в схеме достигается за счёт введения в цепь эмиттера резистора . Напряжение в данном случае будет определяться напряжением на резисторе . Увеличение тока вызовет увеличение падение напряжения на , соответственно уменьшается напряжение , уменьшая и .

где ,

Полевой транзистор

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода: исток(источник носителей тока), сток(электрод, куда стекают носители), затвор(управляющий электрод), в которых выходным током управляют с помощью электрического поля.

Между истоком и стоком в кристалле полупроводника располагается канал, по которому течёт ток транзистора. Канал выполняется из полупроводника одного типа проводимости, либо n – типа, либо p–типа. Управление током транзистора осуществляется изменением проводимости канала, которая зависит от напряжения . В отличие от биполярного транзистора, ток в полевом транзисторе протекает через канал одного типа проводимости, тогда как в биполярном транзисторе ток течёт через два p – n–перехода. В полевом транзисторе ток через p – n– переход не течёт. Поскольку направление тока от истока к стоку, а управление током осуществляется посредством затвора, то исток соответствует эмиттеру биполярного транзистора, сток – коллектору, а затвор – базе. Изменение проводимости канала может осуществляться двумя способами. В зависимости от способа управления различают полевые транзисторы с управляющим p – n–переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p – n–переходом

У словное обозначение:

с n – каналом с p - каналом

В полевом транзисторе данного типа управление током, протекающим через канал, осуществляется посредством изменения проводимости канала. Это осуществляется за счёт подаваемого на затвор напряжения. При этом на затвор всегда подаётся обратное напряжение. У полевого транзистора с каналом n– типа, а затвор будет p–типа. Если на затвор подать обратное (здесь отрицательное) напряжение, то область, занимаемая p – n– переходом, будет увеличиваться, поскольку расширяется область, обеднённая носителями заряда. При этом область канала сужается и ток, протекающий через канал, уменьшается. Таким образом, чем больше будет обратное напряжение на затворе, тем меньше будет ток, протекающий через канал.

В зависимости от типа полупроводника, в котором расположен канал, различают транзисторы с p– каналом и с n–каналом. При этом на условном обозначении стрелка направлена от p к n области.

Выходные характеристики Стокозатворные характеристики

где -напряжение отсечки, при котором канал полностью перекрывается (ток стока = 0).

Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами.

1) КрутизнаS- основной параметр полевого транзистора, показывает управляющее действие затвора (на выходных характеристиках):

при =const

Крутизна характеризует управляю­щее действие затвора. Например, S = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА.

2) Внутреннее сопротивление при =const

3) Коэффициент усиления показывает во сколько раз на сильнее действует , чем .

4)Входное сопротивление полевого транзистора  - это параметр, который определяется по формуле:

достигает единиц и десятков Мом.

Так как управляющий p – n– переход всегда заперт, то у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. В связи с этим данные транзисторы обладают очень большим сопротивлением и является существенным преимуществом перед биполярными транзисторами.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В таких транзисторах отсутствует электрический контакт затвора с каналом.

В зависимости от изоляции различают МДП и МОП – транзисторы (МДП – металл – диэлектрик – полупроводник, МОП – металл – оксид - полупроводник).

Исток и сток формируют из сильнолегированных областей полупроводника, из-за этого области истока и стока имеют высокую концентрацию носителей заряда. Как МДП, так и МОП транзисторы могут быть выполнены с каналом pи n – типа. Канал может быть встроенным и индуцированным.

Полевой транзистор с встроенным каналом.

У словное обозначение:

с n - каналом

Канал - тонкий слой полупроводникаn– типа, соединяющий исток и сток. В зависимости от полярности приложенного напряжения , в канале может изменяться концентрация носителей заряда (здесь электроны). При отрицательном значении напряжения , электроны выталкиваются из канала в области истока и стока, канал обедняется носителями заряда, и ток стока снижается. При положительном напряжении на затворе электроны втягиваются из n – областей в канал и ток стока увеличивается. Таким образом, напряжение может быть положительным и отрицательным.

Стокозатворные характеристики Выходные характеристики

Полевой транзистор с индуцированным каналом.

При отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует, так как n–области образуют с подложкой два p – n–перехода, включённые навстречу друг другу, а значит, при любой полярности напряжения один из переходов заперт.

Если на затвор подать напряжение , то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из n – областей, образуя тонкий слой n – типа в приповерхностной области p – подложки. Этот слой объединяет исток и сток, являясь каналом n – типа. От подложки он изолирован обеднённым слоем. Таким образом, полевые транзисторы с индуцированным каналом управляются только положительным напряжением . Значение порогового напряжения у них 0,1 – 0,2 В (у МОП транзисторов 2 – 4 В).

Стокозатворные характеристики Выходные характеристики

Тиристоры

Условное обозначение

ДинисторТринистор

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя и более p – n – переходами, ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления. Тиристор - прибор с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен).

Тиристор по принципу действия — прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном — разомкнутому ключу. 

При включении в цепь переменного тока тиристор открывается и начинает пропускать ток в нагрузку лишь тогда, когда значение напряжения достигает определённого уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод.

Тиристоры подразделяются на двухэлектродные (диодные) и трёхэлектродные (триодные). Тиристоры имеют четырёхслойную структуру полупроводника с электропроводимостями разного типа. Крайние слои – анод и катод. У триодных тиристоров третий электрод служит управляющим

К аноду и катоду тиристора подключается источник внешнего напряжения . Средние слои и – базовые области. База имеет контакт, называемый управляющим электродом (УЭ). Управляющий электрод подключается к внешнему источнику управляющего напряжения . Таким образом, четырёхслойная структура – сочетание двух транзисторов в одном приборе: – один транзистор и – второй транзистор.

Переход – коллекторный для обоих транзисторов, а переходы и – эмиттерные переходы.

Если ток в цепи управляющего электрода равен нулю ( = 0), а между анодом и катодом приложено напряжение указанной на ВАХ полярности, меньше напряжения , то переходы и сместятся в прямом направлении, а переход - в обратном. При этом большая часть приложенного напряжения будет восприниматься переходом .

С повышением внешнего напряжения ток растёт, так как увеличивается смещение переходов и в прямом направлении. При этом снижение потенциального барьера перехода приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу , часть которых, избежав рекомбинации достигает перехода и перебрасывается его полем в базу . Рост концентрации носителей в базе приводит к уменьшению потенциального барьера , в результате увеличивается инжекция дырок из в . Дырки, продиффундировав через базу достигают перехода и перебрасываются его полем в . При этом концентрация их возрастает, что ведёт к уменьшению потенциального барьера. Таким образом, в структуре развивается лавинообразный процесс увеличения тока (участок оа).

Когда внешнее напряжение станет = , происходит резкое увеличение концентрации электронов в базе и дырок в базе , что приводит к быстрому снижению напряжения , следовательно, напряжение на тиристоре уменьшается, так как . Поэтому на прямой ветви вольт – амперной характеристики появляется участок отрицательного сопротивления (аb), где рост тока обусловлен уменьшением напряжения. С развитием лавинообразного процесса, при котором происходит включение тиристора, ток в его внешней цепи растёт до значения, определяемого и (участок сd). При этом напряжение между анодом и катодом невелико, так как все переходы смещены в прямом направлении.

Для выключения тиристора необходимо уменьшить ток до значения, не превышающего некоторого удерживающего (точка с). Кроме этого можно подать на тиристор напряжение обратной полярности. При этом переходы и смещаются в обратном направлении, а – в прямом направлении. Вольт – амперная характеристика при этом получается такой же, как и для обычного диода при обратном включении (участок ое).