Основные физические параметры транзистора для низкой частоты

r_э = U_э/I_э  kT/gI_э (при U_к=0) – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

C_э – ёмкость прямовключённого эмиттерного перехода. На низких частотах С_э не учитывают из-за малой величины шунтирующего сопротивления r_э.

r_к = U_к/I_к  0,1 МОм – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

С_к – ёмкость коллекторного перехода.

r_б = r_б’(объёмное) + r_б’’(диффузионное)

Нахождение физических параметров транзистора по известным h-параметрам

r_э = h_12э/h_22э

r_к = (1+h_21э)(1-h_12э)/h₂₂

r_б = h_11э – h_12э(1+h_22э)/h_22э

h_21э = 

Основные параметры биполярных транзисторов

1. Коэффициент передачи эмиттерного и базового тока:

h_21э = dI_к/dI_б =  (при U_кэ = const) h_21б = dI_к/dI_э =  (при U_кб = const)

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

r_э.диф = dU_бэ/dI_б (при U_кэ = const)

3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении:

I_кб0 = I_к (при I_э = 0, U_кб < 0)

4. Объёмное сопротивление базы r_б’

5. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению: h₁₂

6. Выходная проводимость h₂₂ или дифференциальное сопротивление на выходе

r_к.диф = 1/h_22б = dU_кб/dI_к­ (при I_э = const)

7. Максимально допустимый ток коллектора I_к.макс

8. Наибольшая мощность рассеяния коллектора P_к.макс

9. Ёмкость коллекторного перехода С_к

10. Тепловое сопротивление между коллектором и корпусом

Фоторезистор

При облучении полупроводника светом увеличивается концентрация носителей заряда.

ВАХ:

I_т – теневой ток (без облучения)

I₀ – общий ток (при Ф>0)

I_ф = I₀ – I_т – фототок

Энергетическая характеристика:

Чувствительность:

S – токовая чувствительность – отношение фототока к величине, характеризующеё излучение

S_ф = I_ф/Ф – по световому потоку

S_E = I_ф/E – по освещённости

Температурный коэффициент фототока:

_Т = (dI_ф/dT)(1/I_ф) при Ф=const

Пассивные фильтры высокой частоты

Дифференцирующая цепь.

Коэффициент передачи дифференцирующей цепи равен:

или

где

При частоте активное R и реактивное X_c=1/ωC сопротивления равны.

Модуль коэффициента передачи напряжения:

Постоянная времени дифференцирующей RC-цепи T равна: T=RC

RL Для RL-цепи, из равенства активного и реактивного сопротивления находим, что ω_н=R/L.

Для определения фазочастотной характеристики представим в виде

откуда ,

Постоянная времени дифференцирующей RL-цепи: T=L/R.

Светодиод. Принцип работы схема.

Сопротивление R характеризует омическое сопротивление полупроводника и контактов. R_д (I_д) – сопротивление p-n-перехода, смещённого в прямом направлении, С_д – его ёмкость.

Яркостная характеристика

В общем случае

 = I_д^

В линейной области

 = ₀(I_д - I_пор)

₀ – чувствительность по яркости.

УПТ

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

В многокаскадном УПТ для уменьшения дрейфа нуля прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде.

U_др.вых = U’_др1K₁K₂K₃ + U’_др2K₂K₃ + U’_др3K₃

K₁K₂K₃ >>K₂K₃ >> K₃

Основными параметрами усилителя являются коэффициент усиления по напряжению KU = Uвых/Uвх

Фотодиод

В следствие оптического возбуждения в р- и n-областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда

Электронный ток, созданный неосновными носителями заряда является полным фототоком

ВАХ:

Энергетическая характеристика в фотогальваническом режиме:

При работе с внешним источником:

Симметричный триггер с коллекторно-базовыми связями

Простейший триггер представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока со 100% обратной связью. Оба транзистора работают в ключевом режиме. Причём напряжение на выходе одного транзистора управляет вторым транзистором, а тот в свою очередь – первым. При подаче напряжения один транзистор обязательно оказывается открытым, а другой закрытым.

Ключевой режим работы биполярного транзистора

В режиме насыщения ключ разомкнут, в режиме отсечки – замкнут. В процессе переключения транзистор находится в активном режиме.

ВАХ

Входная характеристика:

Двухполупериодный выпрямитель

; ;

Основные параметры полевого транзистора. Принцип работы.

Работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счёт изменения ширины области p-n-перехода, обеднённой носителями заряда, которое происходит под действием обратного напряжения, приложенного к нему.

Основные параметры:

1. Крутизна характеристики:

S = dI_c/dU_cu (при U_cu = const, U_пи = const)

2. Крутизна характеристики по подложке

S_п = dI_c/dU_пи (при U_cu = const, U_зи = const)

3. Статический коэффициент усиления

М = S*R_си.диф = -dU_cu/dU_зи (при I_c = const, U_пи = const)

4. Входное дифференциальное сопротивление

R_вх.диф = dU_зи/dI_з (при U_cu = const)

5. Выходное дифференциальное сопротивление

R_{вых.диф} = dU_си/dI_с (при U_зu = const, U_пu = const)

Выходная ВАХ:

Передаточная характеристика

Истоковый повторитель.

Повторитель напряжения обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление, широкую полосу пропускания, а также снижает искажения сигнала, обусловленные нелинейностью усилительного прибора.

Нормальный режим его работы (т.е. Кu=1) обеспечивается при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. Коэффициент усиления будет тем ближе к единице, чем больше крутизна полевого транзистора и больше сопротивление эквивалентной нагрузки.

Классификация полевых транзисторов.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы:с управляющим р-n переходом (полевой транзистор, затвор которого изолирован от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении) и транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник). Транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора) делятся на с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

С пн переходом:

П-типа

Со встроенным каналом: С индуцированным:

Определение H параметров биполярного транзистора:

Система h-параметров − это система низкочастотных малосигнальных параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется представлять в виде активного четырехполюсника . Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсни-ка друг на друга, h-параметры измеряются в двух режимах:

а) режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается большая индуктивность);

б) режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе включается конденсатор большой ёмкости), при этом путь тока по постоян-ной составляющей сохраняется, а по переменной получается режим коротко-го замыкания.

Физическая сущность h − параметров:

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1 при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2 при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1 при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2 при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;

Im2 = h21Im1 + h22Um2.

Схемы включения БТ

Общий коллектор Общая база

Общий эмиттер

Температурная стабилизация транзисторного каскада.

Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин : при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора. Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток. Попросту говоря - каскад перестает быть усилительным. Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения.

Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада. Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения отрицательной обратной связи) расширить диапазон рабочих температур каскада. При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом - осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.

Фототиристор.

оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов.

Основные особенности фототиристоров:

Оптическое управление;

Высокое рабочее напряжение;

Низкие потери мощности;

Отсутствие гальванической связи по цепи управления;

Пригодны для последовательного и параллельного соединения;

Фототранзистор

оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, в котором положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).

Однополупериодный выпрямитель.

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

Недостатки:

Большая величина пульсаций

Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущества:

Экономия на количестве вентилей.

Пассивный фильтр нижних частот.

Коэффициент передачи интегрирующей цепи равен:

H( f ) = K = U_вых/U_вх = 1/(1+jωRC)

откуда

H( f ) = K = U_вых/U_вх = 1/(1+jω/ω_в)

или

H( f ) = K = 1/(1+ j f / f_в) , где ω_в = 2π f_в = 1/RC

соответствует частоте, при которой активное и реактивное сопротивления интегрирующей цепи равны. Для RL-цепи ω_вL = R, откуда ω_в = R/L

Выражения для амплитудно-частотной и фазочастотной характеристики интегрирующей цепи: ; .