книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

кристалла имеют проводимость типа р, а средняя — про­ водимость типа п. Напряжение источника Еб включено по

тактного электрического поля оказывается ослабленным.

потенциальный барьер, под действием внешнего электриче­ ского поля начинают переходить в среднюю область кристал-

1' | ь \i\t

Рис. 59, Распределение токов в транзисторе типа р-п-р

ла. Дырки эмитируются (впрыскиваются) из левой области в среднюю, и поэтому левая область кристалла получила название э м и т т е р а . Средней области присвоено назва­ ние баз ы. Р-п-переход, разделяющий эмиттер и базу, на­ зывают обычно э м и т т е р н ы м п е р е х о д о м . Поток дырок, поступающий в базу из эмиттера, создает э м и т ­ т е р н ы й т о к транзистора.

Попадая в базу, дырки образуют объемный заряд поло­ жительного знака, для компенсации которого от отрицатель­ ного зажима источника Еб в базу приходит нужное коли­ чество электронов. В прилегающей к эмиттерному перехо­ ду части базы образуется область повышенной концентрации дырок и электронов, в то время как в правой части базового слоя эта концентрация значительно меньше. Из-за разли­ чия в концентрации происходит диффузионное движение эле­ ктронов и дырок по направлению к правой Р-области крис­

100

талла, причем в этом движении участвуют не все дырки, так как часть их успевает рекомбинировать с электронами, образуя нейтральные атомы. Электроны, пришедшие в базу от источника Еб и успевшие рекомбинировать с дырками, образуют б а з о в ы й т о к транзистора. Для того чтобы уменьшить величину этого тока, толщину базового слоя де­ лают очень малой (десятки и даже единицы микрон). В та­ ком случае время «жизни» дырок становится больше времени пребывания их в базе и рекомбинировать с электронами успевает лишь небольшая их часть — примерно 3—5 %. Ос­ тальные дырки в количестве, равном 95—98% от их общего числа, двигаются далее. С ними двигаются и электроны в та­ ком же количестве.

Напряжение источника Ек включено по отношению ко

вой p-области кристалла и являющихся для этой области основными носителями, электрическое поле, созданное на­ пряжением источника Е к, является тормозящим, и поэтому эти дырки в базовую область не проходят. В то же время для дырок, находящихся в области базы, электрическое поле перехода будет ускоряющим, и под его действием дырки втягиваются в правую область кристалла. Эта область как бы собирает носители заряда, пришедшие из базы, и по­ этому получила название к о л л е к т о р а . Правый пере­ ход, разделяющий базу и коллектор, назван к о л л е к т о р ­ н ы м переходом. Дырки, втянутые в область коллектора, движутся по направлению к коллекторному выводу и созда­ ют к о л л е к т о р н ы й т о к транзистора*. Электроны, пришедшие к коллекторному переходу вместе с дырками, не могут пройти в область колллектора, а отталкиваются элект­ рическим полем перехода обратно к базовому выводу. В базовом выводе происходит движение двух электронных потоков: одного — в направлении от базового вывода к эмиттерному переходу транзистора и другого — в обратном направлении — от коллекторного перехода в базовый вы­ вод. Их разность и составляет базовый ток транзистора, который представляет собой ток, обусловленный процессом рекомбинации.

* Следует отметить, что говорить о перемещении дырок можно, лишь имея в виду кристалл полупроводника. Во всех соединитель­ ных проводниках и через источники э. д. с. движутся электроны, которые являются истинными носителями зарядов.

101

Таким образом, при подключении к транзистору внеш­ них напряжений в нем протекают три основных тока: э м и т- т е р н ы й , б а з о в ы й и к о л л е к т о р н ы й . Для любого транзистора, для любого режима его работы эти токи всегда находятся в следующем соотношении:

Если увеличить напряжение источника £ б (базовый источ­ ник), то действие внутреннего контактного электрического поля в эмиттерном переходе будет еще более ослаблено, потенциальный барьер еще больше снизится и через пере-

Рис. 60. Подача напряжения смещения на транзисторы типов р-п-р и п-р-п

ход в область базы пройдет большее количество дырок. При этом увеличится число дырок, достигших коллекторного перехода и, несмотря на то, что напряжение источника Е к (коллекторный источник) осталось неизменным, коллектор­ ный ток транзистора также увеличится. При уменьшении напряжения базового источника происходят обратные явле­ ния, и коллекторный ток транзистора уменьшается. Одно­ временно с этим происходят соответствующие изменения тока базы, причем соотношение (53) оказывается справед­ ливым и для изменения токов.

Таким образом, при изменении величины эмиттерного тока транзистора его коллекторный ток также изменяется практически на ту же величину (током базы можно пренеб­ речь). Эмиттерный ток как бы у п р а в л я е т величиной коллекторного тока, и поэтому транзистор правильнее считать прибором, управляемым по току, в отличие от лам­ пы, которая управляется напряжением.

На рис. 60,а приведена принципиальная схема включе­ ния транзистора типа р-п-р. В условном обозначении тран­

102

зистора стрелка всегда показывает направление электри­ ческого тока, т. е. направление движения положительных зарядов. В соответствии с направлением движения дырок в р-и-р-транзисторе эта стрелка направлена внутрь. На рис. 60,6 приведена такая же схема с использованием тран­ зистора типа п-р-п. Из эмиттера в базу теперь поступать будут не дырки, а электроны. Поэтому в условном изображе­ нии транзистора стрелка направлена наружу, и полярность питающих напряжений в схеме изменена на противополож­ ную, что вызвало изменение направлений токов, протекаю­ щих в ней, также на противоположное.

Усилительные свойства транзистора

Рассмотрим работу усилительного каскада на транзис­ торе (рис. 61). До прихода входного сигнала между базой и эмиттером действует только одно постоянное напряжение, созданное источником Ец. Через цепи эмиттера, коллектора

к этому переходу напряжение ис­ точника приложено в обратной полярности. Оба напряже­

ния соизмеримы, так как обычно сопротивление нагрузки выбирается близким по величине к сопротивлению коллек­ торного перехода.

Если от источника входного сигнала поступает напря­ жение, возрастающее по величине, то будет возрастать и ре­ зультирующее напряжение, действующее между эмиттером и базой (постоянное напряжение источника Ес, и мгновен­ ное значение переменного входного напряжения будут иметь одну и ту же полярность и будут складываться). Это при­ ведет к ослаблению действия потенциального барьера эмит-

103

терного перехода, и вследствие этого эмиттерный ток также увеличится. Эмиттерный ток, проходя область базы и дос­ тигая коллектора, создаст увеличение коллекторного тока. При увеличении коллекторного тока сопротивление коллек­ торного перехода уменьшается и распределение напряжения источника Ек между сопротивлением нагрузки и сопротив­ лением коллекторного перехода изменяется: на сопротив­ лении коллекторного перехода оно уменьшается, а на сопро­ тивлении нагрузки, наоборот, возрастает.

При уменьшении входного напряжения тормозящее действие потенциального барьера эмиттерного перехода возрастает, а эмиттерный ток уменьшается по величине. Это вызывает уменьшение коллекторного тока и, следовательно, увеличение сопротивления коллекторного перехода. Напря­ жение источника Е к распределится в схеме следующим образом: на сопротивлении коллекторного перехода оно увеличится, а на сопротивлении нагрузки уменьшится.

Таким образом, при подаче переменного напряжения на вход транзисторного усилителя напряжение на сопротив­ лении нагрузки будет изменяться по тому же закону. Че­ рез сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов протекает почти одинаковый ток (базовым током ввиду его малости можно пренебречь). Однако сопротивление эмиттер­ ного перехода обычно намного меньше сопротивления кол­ лекторного перехода. Следовательно, падение переменного напряжения на нагрузочном сопротивлении, т. е. UBbiX, бу­ дет значительно больше переменного напряжения, дей­ ствующего на сопротивлении эмиттерного перехода (оно же UBX). Таким образом, приведенная схема каскада на тран­ зисторе осуществляет усиление напряжения, а сам тран­ зистор представляет собой усилительный элемент, так же как и электронная лампа. Рассмотренная схема усилитель­ ного каскада на транзисторе (рис. 61) во многом напоминает схему каскада усиления на электронной лампе. Однако лам­ пу и транзистор считать совершенно аналогичными прибора­ ми нельзя, так как в их работе имеются существенные разли­ чия. Первое из них заключается в том, что если электронная лампа управляется н а п р я ж е н и е м , то транзистор — т о ­ к о м . Если при нормальных условиях работы лампы ее сеточный ток или очень мал, или вообще равен нулю, то нормальная работа транзистора невозможна без тока базы. Входное сопротивление каскада на транзисторе обычно очень мало сравнительно с входным сопротивлением лампо­

104

вого каскада, поэтому транзисторный каскад будет потреб­ лять от источника входного сигнала достаточно большую мощность. Эта особенность транзисторов вызывает ряд трудностей при построении практических схем, заставляя вводить между каскадами специальные согласующие устрой­ ства.

Второе различие между лампой и транзистором заклю­ чается в том, ч і о сам механизм образования и движения зарядов в них различен. Если в лампе носителями электриче­ ства являются электроны, образованные благодаря термо­ электронной эмиссии и движущиеся в вакууме, то в транзис­ торе образование зарядов (электронов и дырок) происхо-

Рис. 62. Три схемы включения транзистора

дит за счет примесной проводимости, а движутся они в толще кристалла полупроводника. Движение зарядов в полупро­ воднике значительно медленнее движения электронов в вакууме, и поэтому транзистор по сравнению с электрон­ ной лампой является более инерционным прибором. Для каждого транзистора существует некотсрая предельная, граничная частота, при которой он еще удовлетворительно работает, но выше этой частоты его усилительные свойства ухудшаются. Путем принятия специальных мер можно уве­ личить граничную частоту транзистора. В настоящее время имеются серийно выпускаемые транзисторы, работающие на частотах в несколько сотен мегагерц, а частотный предел некоторых опытных образцов достигает единиц гигагерц.

К особенностям транзисторов следует также отнести то, что они имеют внутреннюю обратную связь через обратное сопротивление коллекторного перехода. Хотя это сопро­ тивление достаточно велико (сотни килоом) и связь оказы­ вается достаточно слабой, все же ее приходится учитывать при рассмотрении схем усилительных каскадов на транзис­ торах (особенно там, где сопротивление нагрузки велико).

105

Различают три способа включения транзистора: с об­ щей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллек­ тором (ОК) в соответствии с тем, какой электрод является общим по переменному току для входной и выходной цепей (рис. G2j.

Свойства транзисторных каска хов характеризуются об­ щими для них параметрами, к которым относятся: входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления по току. Для различных схем включения транзисторов эти параметры различны.

В х о д н о е с о п р о т и в л е н и е любого усилитель­ ного каскада можно представить как отношение изменения напряжения на входе каскада к изменению входного тока. Для схемы с общей базой входным током является ток эмиттера достаточно большой величины. Изменения входного напряжения создаются за счет э.д.с. источника входного сигнала, которая обычно невелика. Вследствие этого вход­ ное сопротивление такого каскада оказывается весьма ма­ лым:

Для схемы с общим эмиттером входной ток протекает через базу и, следовательно, будет иметь меньшую величину. При том же напряжении на входе каскада входное сопро­ тивление больше:

нято называть отношение изменения выходного напряжения к соответствующему изменению выходного тока. Анализ работы данных схем показывает, что их выходные сопро­ тивления также будут различными. Так, в схеме с общей

106

базой выходное сопротивление оказывается наибольшим, в схеме с общим эмиттером оно уменьшается, а в схеме сооб­ щим коллектором будет наименьшим:

делении коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности.

К о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е н и я п о т о к у на­

ток эмиттера. Следовательно, коэффициент усиления по току для этой схемы равен:

Схема с общей базой усиления по току не дает.

Для схемы с общим эмиттером выходным током также является коллекторный ток, а входным — ток базы, тогда

Ток базы значительно меньше коллекторного тока, и поэ­ тому коэффициент усиления по току для схемы с общим

* Для этой схемы выходное сопротивление определяется вели­ чиной RB.

107

ляет собой ток эмиттера. Входным током по-прежнему явля­ ется ток базы. В этом случае коэффициент усиления по току

Так как эмиттерный и коллекторный токи транзистора приб­ лизительно равны между собой, то коэффициент усиления по току для схемы с ОК имеет ту же величину, что для схемы с ОЭ (десятки, сотни и даже тысячи).

Определения коэффициентов усиления по напряжению и мощности одинаковы как для ламповых, так и для тран­ зисторных схем усилителей и представляют собой отношения напряжения и мощности на выходе данной схемы к напря­ жению и мощности, действующим на ее входе, т. е.

Наибольшее усиление по напряжению (сотни и тысячи) дает схема с общей базой. Меньшее усиление обеспечивает схема с общим эмиттером (несколько сотен). Схема с общим коллектором усиления по напряжению не дает. Наибольшее усиление по мощности обеспечивает схема с общим эмитте­ ром. Меньшее усиление дает схема с общей базой и самое маленькое усиление по мощности можно получить от схемы

собщим коллектором.

Втабл. 2 приведены все основные параметры трех схем включения транзистора. Из сравнения их можно заключить, что наиболее подходящей для усилителя является схема

108

с общим эмиттером, у которой коэффициент усиления'по то­ ку, напряжению и мощности достаточно высок, а выходное и входное сопротивления имеют сравнительно большие ве­ личины. Благодаря этим качествам схема с общим эмитте­ ром получила самое широкое распространение.

Схема с общей базой, обладая наибольшим усилением по напряжению, имеет весьма низкое входное сопротивле­ ние, не позволяющее полностью использовать ее усилитель­ ные свойства. Эта схема при усилении напряжений работает наиболее устойчиво и применяется для усиления напряже­ ний самых высоких частот.

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) чаще всего используется в качестве согласующего каскада, при помощи которого большое выходное сопротивление пре­ дыдущего каскада согласуется с малым входным сопротив­ лением последующего.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Для работы радиолампы или транзистора на их электро­ ды необходимо подавать постоянное напряжение опреде­ ленной полярности. Такое напряжение можно получить от батарей гальванических элементов или аккумуляторов, однако в стационарных условиях целесообразнее использо­ вать для этого осветительную сеть переменного тока.

Возникает задача преобразования переменного тока в постоянный. Эту задачу решает выпрямительное уст­ ройство.

СХЕМЫ ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО И ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

При преобразовании переменного тока в постоянный необходимо прежде всего, чтобы ток через нагрузку проте­ кал только в одном направлении. Для этого в схеме выпря­ мителя нужно иметь прибор, обладающий свойством од­ носторонней проводимости (вентиль). Таким прибором яв­ ляется полупроводниковый или вакуумный (ламповый) диод.

Схема простейшего выпрямителя показана на рис. 63. В этой схеме трансформатор Тр повышает (или понижает)

109