книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

Из ур-ний (23.30) и (23.31) получаем выражение для коэф­

1—(//цЯ22—^ 12//21)—— 11

Пи

Динамический коэффициент усиления по напряжению изме­ няется от нуля при ZH= 0 до своего максимального значения при ZH-+cc, равного

Коэффициент усиления по мощности нетрудно выразить че­

Динамические характеристики полупроводникового триоба

Работа полупроводникового триода в схеме может быть про­ анализирована также с помощью характеристик. Однако сле­ дует помнить, что расчёт по характеристикам применим, строго говоря, лишь в той области частот, где параметры прибора ещё не являются комплексными и не зависят от частоты. Поэтому,

650

если для электронных ламп расчёт по характеристикам приме­ ним в широком диапазоне частот, вплоть до свч, то для полу­

Геометрическое место точек пересечения нагрузочной характери­ стики с соответствующими статическими характеристиками даёт

Точки пересечения нагрузочной характеристики с осями ко­ ординат находим, приравнивая поочерёдно UK= 0 и / А.=0.

При UK= О, 1К= при 1К= 0, Цк = Ек. На рис. 23.36 еде-

лано построение нагрузочной характеристики на семействе стати­ ческих выходных характеристик.

651

Если необходимо, чтобы усиление происходило без искаже­ ний, то рабочая точка не должна выходить за пределы участка динамической характеристики АВ, где изменения тока коллек­ тора прямо пропорциональны изменению тока эмиттера1). Ис­

задать исходный постоянный ток от батареи Д1 , а амплитуда переменной составляющей тока эмиттера 1тэ не должна превос­

напряжения на коллекторе равна Uтк, а амплитуда переменного тока коллектора — I тк (рис. 23.36).

Мощность, отдаваемая триодом в нагрузку при синусоидаль­ ной форме сигнала

Р = - J 1тки тк = ПЛ. Д/40С = ПЛ. Д BOD.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе,

Р— I U

гк — ‘К0и к0-

Динамический коэффициент усиления по току

рачиваемой на входе, и коэффициентов усиления по напряжению и по мощности необходимо иметь ещё одно семейство характе­

электронных ламп, работающих при отрицательных напряже­ ниях на сетке, в данном случае для расчёта динамического ре­ жима нужно иметь не одно, а два семейства характеристик.

Рассмотрим входную динамическую характеристику триода, по которой сможем определить недостающие данные динами­ ческого режима.

Входная динамическая характеристика триода связывает вход­ ное напряжение триода UB с входным током триода 1д в дина­ мическом режиме. Эту характеристику получают путём перене­

652

плавной кривой эти точки, получим динамическую входную ха­ рактеристику. На рис. 23.37 показано построение динамической входной характеристики для плоскостного триода, включённого в схему с общей базой, и на ней указана недостающая для полного расчёта динамического режима величина Uma. Зная эту величину, можно определить входную мощность при синусои­

дальной форме сигнала Рвх = -j- ImaUma, коэффициент усиления

тика триода нелинейна. Нелинейность входной характеристики может явиться дополнительной причиной иокажений при уси­ лении, даже если режим по выходным характеристикам выбран удовлетворительно. Это явление характерно для полупроводни­ ковых триодов и отличает их от электронных ламп, работающих при отрицательном сеточном напряжении, когда искажения вно­ сятся только анодной цепью лампы. Для уменьшения искаже­ ний в рассматриваемом случае необходимо уменьшать амплиту­ ду переменного тока на входе (1тз). Можно также использовать то обстоятельство, что связь между током эмиттера и током коллектора достаточно линейна, и питать входную цепь триода

рнс. 23.38. Способ её построения особых пояснений не требует; укажем только, что при этом используется .уравнение нагрузоч­

653

ной характеристики (23.37). У плоскостных триодов статичес­ кие характеристики часто идут узким веером. В этом случае ди­ намическую характери­ стику можно считать сов­ падающей со статиче­

скими.

Динамическая харак­ теристика обратной связи показана на рис. 23.39. Она строится с помощью динамической выходной характеристики таким же методом, как и для вход­ ной. Следует, однако, от­ метить, что практические построения и расчёты на этой характеристике про­ изводить удобнее, чем на входной, и поэтому её можно рекомендовать как вторую основную харак­ теристику для расчётов динамического режима.

Предельная мощность полупроводниковых триодов

Полезная мощность на выходе триода равна

нальна величине максимального импульса тока 1к1=а\1к „акг, а

Отсюда видно, что максимальная величина полезной мощ­ ности Р макс, которую можно получить на выходе триода, огра­ ничивается максимально допустимым напряжением коллектора Uкмакс и максимально допустимым током коллектора 1кмаКс•

654

Кроме того, максимальная величина полезной мощности Рмакс ограничивается максимально допустимой мощностью рас­ сеяния в триоде Ркмакс• Так как полезная мощность Р и мощ­ ность, рассеиваемая в триоде, Рк связаны друг с другом через

коэффициент полезного действия, а именно Р= ~^—Рк, то оче- 1—11

видно, что максимальная полезная мощность не может превос­ ходить значение

На рис. 23.40, на семействе выходных характеристик триода указаны границы области, в которой может быть использован триод для получения максимальной выходной мощности. Грани­ ца области, определяемая максимально допустимой мощностью-

рассеяния, изображается гиперболой I кмакс= - :макс, а границы

Uк

по току и по напряжению соответственно горизонтальной и вер­ тикальной прямыми /«г J(nffr=const и UKMaKc=const . Снизу область ограничена характеристикой нулевого коллекторного тока !к0.

Максимальное напряжение коллектора UKмпКг ограничивается величиной предельного напряжения на коллекторном переходе, при котором происходит пробой перехода.

655.

В полупроводниковых триодах, так же как к в рассмотрен­ ных в предыдущей главе полупроводниковых диодах, пробивное

•напряжение зависит от температуры окружающей среды, вели­ чины обратного тока I ко и условий отвода тепла. Улучшая теп­ лоотдачу и уменьшая величину I ,с0 (путём лучшей очистки гер­ мания), возможно увеличить напряжение пробоя. В отличие от диодов в триодах величина напряжения, приложенного к коллек­ тору, может ограничиваться ещё одним фактором — явлением расширения коллекторного перехода при увеличении коллектор­ ного напряжения. При определённом напряжении, называемом напряжением смыкания, коллекторный переход соединяется с эмиттерным и триод перестаёт усиливать. Это явление имеет ■особенное значение для сплавных триодов, у которых, вследст­ вие низкой концентрации примесей в базе и большой их кон­ центрации в коллекторе расширение коллекторного перехода идёт главным образом в сторону эмиттера. С другой стороны, увеличение толщины базы является нежелательным, так как при этом уменьшается коэффициент усиления тока а и снижает­ ся предельная частота триода (см. § 23.6). В триодах, получен­ ных методом вытягивания, концентрация примесей в коллектор­ ном переходе лучше поддаётся регулированию при изготовлении. В связи с этим такие триоды можно изготовить на более высо­ кие напряжения при достаточно высоких частотах. Обычно у триодов, имеющих большую толщину базы, величина максималь­ ного коллекторного напряжения ограничивается пробивным на­ пряжением, а у триодов с тонкой базой — напряжением смыка­ ния. Практически величина максимального напряжения коллек­ тора доходит до 50-5- 100 в.

Величина максимально допустимого тока в триоде не имеет определённой, резкой границы. При увеличении плотности тока, идущего сквозь базу, возрастает рекомбинация носителей в ба­ зе, в результате чего падает коэффициент усиления по току а и, как следствие, уменьшается коэффициент усиления по мощ­ ности. При этом возрастают также искажения. Теория показы­ вает, что число рекомбинирующих носителей пропорционально

•мость эмиттера, w — ширина базы, D — коэффициент диффу­ зии неосновных носителей в базе. Следовательно, повышая про­ водимость эмиттера оэ , можно уменьшить рекомбинацию. Для этой цели на практике при изготовлении эмиттерного перехода берут не чистый индий, а сплав индия с галлием, имеющий боль­ шую проводимость. При этом удаётся увеличить значение мак­ симального допустимого тока в несколько раз. Увеличение мак­ симального допустимого тока может быть обеспечено также пу­ тём увеличения размеров эмиттера и соответственно коллекто­ ра. Однако при значительном увеличении этих размеров появ-

<656

ляется радиальное поле .в базе, вызывающее уменьшение коэф­ фициента а. Для уменьшения влияния радиального поля в не­ которых мощных триодах эмиттер изготовляют в виде кольца, а питание к базе подводят не только по периферии, но и допол­ нительно с центра, как показано на рис. 23.41.

Максимальная мощность, рассеиваемая триодом, в основном определяется пре­ дельной рабочей температурой коллектор­ ного перехода. Так как сопротивление эмиттерного перехода мало, а сопротивление коллекторного перехода велико, то при про­ хождении тока через триод основные джоулевы потери имеют место в коллекторном переходе. Максимальная температура за­ порного слоя для германия лежит в преде­ лах 70-*-100°С- По мере приближения к этой температуре триод изменяет свои па­ раметры в возрастающей степени; особен­ но сильно падает усиление. При обратном снижении температуры свойства триода восстанавливаются, однако, не всегда.

Для снижения температуры перехода при заданной подводимой мощности необ­ ходимо предусмотреть отвод тепла от пе­ рехода. Ввиду того, что рабочая темпера­

тура перехода невысока, отвод тепла за счёт излучения оказы­ вается весьма незначительным и основную роль в данном слу­ чае играет отвод тепла за счёт теплопроводности. Это важная особенность полупроводниковых приборов, отличающая их от электронных ламп, у которых рабочие температуры электродов высоки (доходят до тысячи градусов и более) и отвод тепла за счёт излучения играет важнейшую роль.

Для расчёта условий теплоотвода используют эквивалент­ ную схему, показанную на рис. 23.42 и основанную на уравне­ нии теплопроводности. Триод изображается в виде активного двухполюсника, содержа­ щего источник тепла Рк, образующегося за счёт мощности, рассеиваемой на коллектор­ ном переходе, при температуре перехода Тк. От перехода тепло течёт через внутрен­

ки, имеющей вследствие малой поверхно­ сти и низкой температуры ограниченную

радиационную теплоотдачу, тепло идёт на поверхность охлаждения шасси. Последняя передаёт тепло через термическое сопротивле­ ние RT в окружающее пространство, имеющее температуру Т.

Проводя расчёт данной схемы по правилам, аналогичным электротехническим, получим величину разности температур

Величина термического сопротивления Rr определяется сле­ дующей формулой:

Полученная цифра показывает, что для полупроводниковых триодов требуется большая поверхность охлаждения. В неко­ торых конструкциях триодов для охлаждения предусмотрены специальные радиаторы. Однако такой способ охлаждения в данном случае мало эффективен и поэтому новейшие образцы мощных триодов рассчитаны на использование для этой цели шасси радиоаппаратуры. Но это возможно лишь при условии, что обеспечен хороший тепловой контакт между корпусом трио­ да и шасси.

Для получения возможно большей мощности рассеяния не­ обходимо:

1)повысить предельную температуру перехода Тк,

2)уменьшить внутреннее термическое сопротивление.

источника тепла может быть уменьшена в несколько раз. Понижение внутреннего термического сопротивления пере­

хода встречает большие трудности. В маломощных триодах не­ посредственно с корпусом соединена база и поэтому отвод теп­ ла от коллекторного перехода осуществляется через тонкую германиевую пластину базы. При этом термическое сопротив­

658

ление между переходом и корпусом триода Rtr получается до­ вольно большим. Например, для триодов П13 величина Rir —

= 2000 -г- 3000^^. В этом случае, как нетрудно подсчитать по

Практически триоды такой конструкции имеют предельную мощность рассеяния не более 150 — 250 мет.

Рис. 23.43

Для получения большей рассеиваемой мощности прибегают к другой конструкции триодов, при которой осуществляется не­ посредственный тепловой контакт коллектора с корпусом при­ бора, для чего индиевый переход коллектора припаивается не­ посредственно к массивному диску корпуса прибора (рис. 23.43). При этом термическое сопротивление между переходом и кор­ пусом значительно снижается (до 0,5-г- 1 град/вт), что позво­ ляет рассеивать на коллекторе мощность, доходящую до 100-*- -*- 150 вт.

Обычно коллектор триода должен иметь относительно шас­ си некоторый потенциал. Поэтому при практическом использо­ вании триодов, у которых коллектор соединён с корпусом при­ бора. необходимо предусмотреть электрическую изоляцию кор­ пуса прибора относительно шасси, причём термическое сопро­ тивление изоляции должно быть небольшим. Обычно для этой цели используют прокладку из тонкой слюды.

В табл. 23.5 приведены данные некоторых полупроводнико­ вых триодов, выпускаемых отечественной промышленностью для диапазона низких и высоких частот (до 1,5-г- 2 Мгц), Все трио-