Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Сборник задач и примеры их решения. Учебно-методическое пособие
.pdf
а) б)
Рис. 3.18. Зависимости:
тока эмиттера; б – напряжения насыщения база-эмиттер от тока коллектора
а – статического коэффициента передачи по току от
транзистора КТ815А
Рассчитываются потери мощности на транзисторе
где U
, согласно графику (рис. 3.18, б), для заданного расчетного
кэ нас
к к расч кэ нас
значения коллекторного тока I
0,18 0,07 0,013PI U Вт.
= 180 мА составляет 0,07 В.
к
3.4. Задачи для самостоятельной проработки
Задача 3.1
Изобразить схему включения биполярного транзистора типа p-n-p
по схеме с ОБ. Показать полярности питающих напряжений и направления токов в схеме для случаев работы транзистора:
а) в активном режиме;
б) режиме отсечки;
в) режиме насыщения;
г) инверсном режиме.
Задача 3.2
Известно, что транзистор типа p-n-p включен по схеме с ОЭ (рис. 3.13).
В каком режиме будет работать транзистор, если:
а) U
б) U
в) U
= –0,4 В и Uкэ = –0,3 В;
бэ
= –0,4 В и Uкэ = –10 В;
бэ
= 0,4 В и Uкэ = –10 В.
бэ
61
Задача 3.4
Изобразить схемы включения биполярного транзистора типа n-p-n
по схеме с ОЭ. Показать полярности питающих напряжений и направления токов в электродах для случаев работы транзистора:
а) в активном режиме;
б) режиме отсечки;
в) режиме насыщения;
г) инверсном режиме.
Задача 3.3
По заданным входным и выходным характеристикам биполярного
транзистора КТ339А, включенного по схеме ОЭ (рис. 3.19) рассчитать
h-параметры.
Рис. 3.19. Статические характеристики транзистора КТ815А
Задача 3.5
Для биполярного транзистора КТ312Б, используя справочные данные, построить на семействе выходных характеристик области активного режима, режимов насыщения и отсечки.
Задача 3.6
Используя справочные статические входные и выходные характеристики транзистора КТ315Г, включенного по схеме с общим эмиттером, определить входное и выходное сопротивления по постоянному и
переменному токам.
62
Задача 3.7
Используя семейство выходных характеристик биполярного транзистора КТ202Б для схемы с общим эмиттером, определить величины
коэффициентов усиления тока базы при нескольких заданных значениях
напряжения U
зависимость h
(например, Uкэ = 5; 10; 15 В) и тока базы Iб. Построить
кэ
= f(Uкэ).
21э
Задача 3.8
Определить значения напряжения Uкэ и тока коллектора Iк биполярного транзистора, включенного по схеме согласно рис. 3.13 при токе
базы I
R
к
тока I
I
к2
= 50 мкА, если: сопротивление в коллекторной цепи усилителя
б
= 1 кОм; напряжение питания Е2 = 10 В; величина коллекторного
составляет: при U
к
= 2 В Iк1 = 5 мА, а при U
кэ1
= 8 В
кэ2
= 5,2 мА.
Задача 3.9
Определить значения резистивного делителя напряжения R1, R2 и
входное напряжение на транзисторе U
ны: I
окружающей среды
= 50 мкА; Iк = 3,5 мА; Rэ = 500 Ом; Ек = 15 В; температура
б
Т = 20 ºС; Iэ0 = 10
для схемы рис. 3.20 если зада-
бэ
–9
А.
Рис. 3.20. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
При решении задачи для определения напряжения U
бэ
рекоменду-
ется воспользоваться соотношением
II
ээ0
kT
exp 1
.
U
бэ
q
Ответ. Значения сопротивлений делителя при условии, что ток де-
лителя выбран I
U
= 0,381 В.
бэ
= 10Iб составили: R1 = 34000 Ом; R2 = 4300 Ом;
д
63
Задача 3.10
Определить выходное напряжение биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ (рис. 3.2в) при I
схемы по току
= 0,95; обратный (темновой) ток коллектора Iк0 = 10–7 А;
температура окружающей среды Т = 20 ºС; ток эмиттора I
= 0, если коэффициент передачи
к
= 1 мА.
э
При решении задачи для определения выходного напряжения на
транзисторе U
рекомендуется воспользоваться соотношением
бэ
U
бк
q
III
ккк0
exp 1
kT
.
Ответ. Выходное напряжение на выходе транзистора при Iк = 0
составило U
= 0,23 В.
бк
Задача 3.11
Для транзистора типа КТ312, включенного по схеме с ОЭ при напряжении U
значений тока коллектора и построить график R
= 5 В, рассчитать выходные сопротивления для нескольких
кэ
= f(I
вых
) при I
к
= const.
б
Задача 3.12
Определить значения сопротивления коллекторной цепи Rк и мощность, выделяемую на нем Р
если: напряжение питания Е
ставляет: при U
= 3 В Iк1 = 4,4 мА, а при U
кэ1
(рис. 3.21) при токе коллектора I
к
= 12В; величина коллекторного тока I
к
= 8 В Iк2 = 5,3 мА.
кэ2
= 5 мА,
к
со-
к
Рис. 3.21. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе
Ответ. Rк = 2400 Ом; Рк = 7,98 мВт.
Задача 3.12
Для транзистора типа ГТ701А, включенного по схеме с ОЭ, построить на его выходных характеристиках нагрузочную прямую по постоянному току при Е
мощностей Р
. Определить положение рабочей точки на нагрузочной
к, доп
= 30 В и Rк = 10 Ом и гиперболу допустимых
к
прямой при работе усилителя в режимах класса А и класса В.
64
Задача 3.13
По заданным значениям R
= 500 Ом и Ек = 12 В построить нагру-
к
зочную прямую по постоянному току для транзистора типа КТ814Б (схема
с ОЭ). Для различных точек нагрузочной прямой рассчитать коэффициенты передачи по току h
. Построить график зависимости h
21э
= f(Iб).
21э
Задача 3.14
Предельная частота для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, равна 10 МГц. Рассчитать предельную частоту для
схемы с общей базой, если коэффициент передачи по току |h
| = 0,98.
21б
Задача 3.15
Для транзистора КТ315А по его справочным данным построить
кривую допустимой мощности и определить область безопасных режимов работы.
Задача 3.16
Для транзистора с максимально допустимой мощностью рассеяния
на коллекторе P
I
= 20 мА определить наименьшее допустимое значение Rк, если
к max
к max
напряжение питания Е
= 250 мВт и максимально допустимым током
= 10 В.
к
Задача 3.17
Учитывая, что по определению крутизна электронного полупроводникового прибора определяется как отношение приращения выходного тока к приращению входного напряжения, рассчитать крутизну
биполярного транзистора КТ805А в выбранной рабочей точке, используя его статические характеристики.
Задача 3.18
Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Ток
базы равен 100 мкА, ток коллектора при напряжении на коллекторе 5 и
10 В составляет соответственно 3 и 3,1 мА. Оценить входное и выходное дифференциальные сопротивления. Температуру принять равной
300 К, сопротивление базы транзистора считать равным нулю.
Задача 3.19
Биполярный транзистор включен по схеме с ОЭ. Ток коллектора
при напряжении коллектора 2,5 В и токе базы 100 мкА составляет 5 мА,
а при увеличении напряжения коллектора до 8 В линейно возрастает и
достигает 5,3 мА. Рассчитать напряжение и ток коллектора, если в цепь
65
коллектора включены источник напряжения 8,5 В и резистор номиналом 1 кОм. Рассчитать величину номинала резистора, включенного
между источником коллекторного напряжения и базой, обеспечивающего заданный ток базы. Температуру принять равной 300 К.
Задача 3.20
Биполярный транзистор включен по схеме с ОЭ. В цепь коллектора
включены источник напряжения 6 В и резистор номиналом 1,5 кОм.
Ток коллектора при напряжении коллектора 3 В и токе базы 50 мкА равен 2 мА, а при увеличении напряжения коллектора до 7 В линейно возрастает до 2,3 мА. Рассчитать мощность, рассеиваемую коллектором.
Задача 3.21
Кремниевый биполярный транзистор включен по схеме с общим
эмиттером. Ток коллектора при напряжении источника питания 10 В и
токе базы 75 мкА составляет 8 мА. Рассчитать величину резистора,
включенного между источником напряжения и базой транзистора,
обеспечивающего указанный режим при температуре 27 ºС. Определить, как изменится ток эмиттера при рассчитанном сопротивлении, если температура повысится
(I
) принять равным 10
э0
до 50 ºС. Тепловой ток эмиттерного перехода
–10
А при температуре 20 ºС. Принять, что коэф-
фициенты передачи тока базы и эмиттера от температуры не зависят.
Задача 3.22
Биполярный транзистор включен в схему усилительного каскада с
разделенной нагрузкой и базовым делителем. Ток базы равен 50 мкА,
ток коллектора равен 3,5 мА. Сопротивление резистора в эмиттерной
цепи составляет 0,5 кОм. Рассчитать сопротивление базового делителя,
обеспечивающее заданный режим транзистора при температуре 20 ºС.
Напряжение питания коллекторной цепи равно 15 В, тепловой ток
эмиттерного перехода равен 10
–9
А, входное сопротивление каскада
должно быть максимально возможным.
Задача 3.23
Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Ток
коллектора при напряжении коллектора 3 В составляет 4,4 мА и при увеличении напряжения до 8 В линейно возрастает до 5,3 мА. Найти значение сопротивления, включенного в цепь коллектора вместе с источником
напряжения 12 В, при котором ток коллектора равен 5 мА. Рассчитать
мощность, рассеиваемую коллектором для
этого режима работы.
66
4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
4.1. Методические указания
Перед началом решения задач по разделу «Полевые транзисторы»
необходимо самостоятельно изучить следующие вопросы:
полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и их основ-
ные параметры;
схемы включения полевых транзисторов;
статические характеристики полевых транзисторов;
полевые транзисторы с изолированным затворам (со встроенным и
индуцированным каналом).
4.2. Основные понятия, формулы и уравнения
Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются
на два типа – полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET:
Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором
(MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET). Каждый из этих типов может
быть как с n-каналом, так и с p-каналом (рис. 4.1). У транзисторов с
n-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электро-
ны, а
у транзисторов с p-каналом – дырки.
а) б)
Рис. 4.1. Условное обозначение полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом:
а – с каналом n-типа; б – с каналом р-типа
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом представляет
полупроводниковую структуру, содержащую несимметричный переход,
вдоль базы которого протекает ток (рис. 4.2).
Он имеет три электрода два истока (И) и сток (С) обеспечивают
протекание тока I
при приложении к ним напряжения Uси. На третий
с
электрод затвор (З), являющийся эмиттером p-n-перехода, подается
напряжение U
, управляющее величиной тока Iс. Управляющее напря-
зи
жение подается на затвор относительно истока, устанавливая определенное значение ширины p-n-перехода, т. е. ширины области пространственного заряда в базе, через которую ток протекать не может из-за отсутствия в ней подвижных носителей заряда.
67
Рис. 4.2. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом
Таким образом, напряжение затвора определяет величину сопротивления между стоком и истоком (сопротивления канала), что позволяет управлять током стоком при помощи напряжения затвора.
Различают два основных режима работы транзистора: омический
(линейный) и насыщения. В первом транзистор функционирует как резистор, величина сопротивления которого управляется напряжением затвора; во втором
из-за расширения области пространственного заряда
p-n-перехода происходит полное перекрытие канала этой областью
вблизи стока (отсечка канала), что влечет за собой очень слабую зависимость тока стока от напряжения стока. Данный режим используется
для усиления сигнала, так как в этом состоянии вследствие небольших
изменений U
сильно меняется Iси.
зи
Так же как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут
иметь три схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором (рис. 4.3).
а) б) в)
Рис. 4.3. Схемы включения полевых транзисторов:
б – с общим затвором; в – с общим стоком
68
а – с общим истоком;
Наиболее часто используется схема включения с общим истоком
(рис. 4.3, а), представляющая собой аналог схемы включения биполяр-
ного транзистора с ОЭ.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом представлены на рис. 4.4.
а) б)
Рис. 4.4. Статические характеристики полевого транзистора с
управляющим p-n-переходом и каналом n-типа:
а – управляющие; б – выходные
При работе полевого транзистора в омической области стоковая характеристика аппроксимируется выражением
2
,
= 0 независимо от
c
– ток насыщения при
где U
II
ccнас
– напряжение затвора; U
зи
21
UUU
си зи си
UUU
отс отс отс
– напряжение отсечки, представляю-
отс
щее граничное напряжение затвора, ниже которого I
напряжения стока; U
U
= 0.
зи
– напряжение стока; I
си
с нас
В режиме насыщения уравнение, связывающее постоянные токи и
напряжения в цепях транзистора для схемы с общим истоком, имеет вид:
()IkU U,
сзиотс
2
где k – коэффициент пропорциональности, величина которого определяется электрофизическими параметрами и геометрическими размерами
структуры полупроводника.
Кроме того, в первом приближении при решении предлагаемых
ниже задач можно считать, что для режима насыщения ток стока не зависит от напряжения стока U
. Напряжение стока, при котором насту-
си
пает режим насыщения и ток стока достигает своего максимального
значения, можно определить из условия отсечки канала вблизи стока:
U
+ Uзи=U
cи нас
69
отс
.
Если рассматривать пологую часть стоковой характеристики, когда
R
U
U
cи
–Uзи,
отс
то ток стока может быть найден по упрощенной формуле как
U
зи
отс
2
.
II
ccнас
1
U
Важнейшие для схемотехнических расчетов дифференциальные
параметры полевого транзистора: крутизна S, внутреннее сопротивление R
и коэффициент усиления определяются соотношениями
i
I
U
c
зи
U
си
const
;
R
S
U
cи
I
c
U
зи
const
;
i
U
U
cи
зи
I
c
.
const
Данные параметры связаны между собой зависимостью
S
.
i
При активном режиме работы полевого транзистора численное значение
крутизны S можно определить как
U
U
зи
отс
,
SS
1
max
где S
= 1/R0. Здесь R0 – минимальное сопротивление канала при Uзи = 0.
max
Другим распространенным типом полевого транзистора является,
полевой транзистор с изолированным затвором. Они выполняются по
технологии либо как МОП-транзистор (Металл–Оксид–Полупроводник),
либо как МДП-транзистор (Металл–Диэлектрик–Полупроводник). Меж-
дународное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-
Field-Effect-Transistor). В свою очередь МДП-транзисторы делятся на два
типа: со встроенным каналом и с индуцированным
а) б)
Рис. 4.5. МДП-транзисторы:
а – со встроенным каналом; б – с индуцированным
каналом
каналом рис. 4.5.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]