Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

aaaГОСЫ / Электроника

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
1.12 Mб
Скачать
ВКЛ.

 

 

 

 

 

 

 

31

 

 

Четырёхслойная полупроводниковая структура

 

Тиристор – полупроводниковый прибор, основу которого составляют три взаимо-

 

 

 

 

Анод

действующих p-n перехода, образованных четырьмя чере-

 

 

 

 

дующимися p– и n– областями в едином кристалле крем-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния. Тиристоры иногда называют четырехслойными

 

 

 

 

 

 

 

структурами и управляемыми диодами.

 

 

 

p

 

 

 

 

 

Упрощенная структура тиристора показана на ри-

 

 

 

 

 

 

П1 сунке. Крайние слои p и n называют эмиттерами, а сред-

 

 

 

n

 

 

 

П2

ние слои n и p – базами (n – толстая база, p– тонкая база).

УЭ

 

 

 

 

 

Верхний П1 и нижний П3 p - n переходы называют эмит-

 

 

p

 

 

П3

терными, средний П2 – коллекторным.

 

 

 

 

 

 

 

Если подавать U АК любой полярности, то ток

 

 

 

n

 

 

 

 

IАК 0, так как найдутся переходы, которые будут закры-

 

 

 

 

 

 

 

ты. Если UАК неограниченно повышать (UАК → ∞ ), то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Катод

структура начнет вести себя по – разному.

 

 

 

 

Если на анод подать положительный потенциал ,

 

 

 

 

то структура откроется без разрушения (так как П1 и П3 – смещены в прямом направлении, а П2 – в обратном. Всё напряжение UАК будет приложено коллектор П2. При по-

вышении U АК произойдет электрический пробой П2).

Если на анод подать отрицательный потенциал, то возможен только тепловой

пробой.

Представим четырёхслойную структуру в виде двух транзи-

сторов.

VT1

I К1

= I Б2

 

I К2

= I Б1

 

 

Если на анод

А подать «плюс»,

то эмиттерные

пе-

реходы будут

сме-

щены в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. U АК

I КП = α 1I Э1 + α 2I Э2 + I К0

I =

I К0

.

 

 

1 – (α 1 + α 2)

 

 

 

Анод

 

I

А

 

 

p

 

Э

 

 

 

 

Б

n

n

К

VT1

 

 

Iк 2

К

p

p

Б VT2

УЭ

Iк 1

 

 

n

 

VT2

 

 

Э

 

 

 

 

К I

 

 

Катод

 

 

 

 

 

 

 

приложено к коллекторному переходу.

 

I КП = I Э1 = I Э2 = I

 

 

 

В режиме малых токов и напряжений α 1 + α 2 <<1 I I К0, при R прибора в сотни Ком. При повышении напряжения повышается коэффициент α , а следовательно повыша-

ется ток I. При определенном U Один из транзисторов начинает приоткрываться повышается ток I К увеличивается ток I База другого транзистора, приоткрывая его. Оба

транзистора переходят в режим насыщения. Rприбора уменьшается до единиц Ом.

α 1 + α 2 0 I → ∞ .

Добавочное R доб. В цепи анода ограничивает ток I = U/Rдоб.

Для регулирования UВКЛ. (открывания структуры) вводят управляющий электрод (УЭ). Подавая на УЭ «плюс» (IУ), можно раньше открыть VT 2 α 2 увеличится раньшеα 1 + α 21 при меньшем U АК. изменяя IУ, можно изменять U ВКЛ.

32

Для закрытия тиристора нужно либо уменьшить UАК, либо уменьшить UАК и задать в цепи УЭ то IУ противоположной полярности (VT 2 закроется).

ВАХ характеристика тиристора.

 

Ia

 

 

 

 

I y

> I y

> I y

 

 

3

2

1

 

 

I y3

I y2

 

 

 

 

I y1

- I y = 0

 

I ВКЛ

 

 

 

 

 

Uобр.

- I К о

 

 

U a

 

 

 

UВКЛ

Достоинства (по сравнения с транзистором):

пропускает большие токи (I А = сотни Ампер);

выдерживает большие U обр. (U0 = десятки КВ);

большая коммутируемая мощность.

Недостатки (по сравнения с транзистором):

тиристор является полууправляемым прибором (включение – с помощью це-

пи управления, выключение - при I A = 0, требуемого для восстановления структуры).

А

+

А

 

+ А - УЭ

Динистор

 

 

К

 

 

Выведен слой p

Выведен слой n

- К

- К

 

+

 

 

 

УЭ

 

33

Электронные усилители

Классификация усилителей

Усилители служат для усиления электрического сигнала по тока, напряжению и мощности.

1)Если RВЫХ<<RНАГР ,то усилитель U

2)Если RВЫХ>>RНАГР, то усилитель I

3)Если RВЫХRНАГР, то усилитель P

Усилители переменного тока (fН 16Гц)

Усилители постоянного тока (fН < 15Гц)

Усилители переменного тока

1)Усилители низкой частоты УНЧ (20Гц – 300кГц)

2)Усилители сверхвысоких частот УСВЧ (300МГц – 300ГГц)

3)Усилители высоких частот УВЧ (300кГц – 300МГц)

По форме сигнала

1)Усилители гармонических (синусоидальных) колебаний

2)Импульсные усилители

По типу связи между каскадами

1)С RC-связью

2)Трансформаторные

Основные параметры и характеристики усилителей

1) Коэффициент усиления

 

 

 

 

 

 

 

 

K U =

 

 

Ue jϕ

ВЫХ

= K U e jϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ue jϕ ВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ = ϕ

ВЫХ − ϕ ВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

K I =

IВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K P =

 

PВЫХ

= K U K I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обычно оценивают КУС в dB

 

 

 

 

 

 

 

K U dB = 20 lg K U

 

 

 

 

 

 

 

 

K I dB = 20 lg K I

 

 

 

 

 

 

 

 

K P dB = 10 lg K P

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Коэффициент частотных искажений – характеризует

M =

 

K0

изменение

коэффициента

усиления при изменение

 

 

 

 

 

 

 

K

частоты входного сигнала

 

 

 

 

MН

=

 

K0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MН = MВ

F = fВ fН

 

KН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обычно выбирают

MВ

=

 

K0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34

3)Коэффициент не линейных искажений (коэффициент гармоник). Искажения есть всегда – это связано нелинейностью VT

 

KГ

=

 

 

P2 + P3 + ... + PN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pi – мощность i-ой гармоники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

R ВХ.УСИЛ

=

UВХ

 

 

 

 

 

 

IВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R ВЫХ.УСИЛ =

 

UВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

IВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5)

КПД =

PВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PПОСТ

PПОСТ – мощность, которая берется от источника питания

 

 

6) Амплитудная характеристика

 

 

 

 

 

UВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Динамический диапазон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

UВХ.MAX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВХ.MIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВХ min

UВХ max

7) Амплитудно-частотная характеристика

K

K0 K0

2

f

fН

f0

fВ

Обычно в dB

K

20dB/декаду

K0[dB]

f

35 8) Фазочастотная характеристики – зависимость фазы выходного сигнала от частоты

ϕ (f)

π /2

отстает от входного

 

сигнала

 

 

 

 

f

fН

f0

fВ

− π /2

 

опережает входной

 

сигнал

36

Режимы работы усилителей (классы усиления).

В зависимости от назначения исходных данных можно задать режим работы усилителя, режим задается напряжением смещения (по знаку и величине). Бывают режимы: А, В, АВ, С.

Класс А: Точка покоя (рабочая точка: параметры IК, UК, IБ, UБ) задается при отсутствии входного сигнала и выбирается на середине линейного участка входной характеристики транзистора.

 

IK

 

 

 

 

EK

 

 

 

IK'''

RK

 

 

I Б'''

 

 

 

 

IKM

 

A

 

IБ''

IK''

 

 

 

IKA

 

 

IБ'

IK'

 

 

 

 

 

 

 

UK

 

 

UK0

EK

 

 

URK

 

 

 

UKM

 

 

 

UK''' UK''

UK'

 

 

 

 

+ E K

 

R Б

R K

U

R K

 

 

 

 

C P

U ВХ

IБ

I БM

IБA

A

 

UБА UБ

UБМ

UВХ

UБ''' UБ'' UБ'

IБmax < IБ нас

IKA = β IБА

Нагрузочная прямая строится по двум точкам:

 

1.

Точка холостого хода (Х.Х.) IK=0 UK=EK,

 

2.

Точка короткого замыкания (К.З.) IK =

EK

UK=0

R K

 

Точки пересечения нагрузочной кривой со статическими характеристиками определяют динамическую характеристику усилителя в динамическом режиме работы.

Класс А Характеризуется минимальным искажением – это его достоинство, но низкое КПД 50% теоретическое, 10-20% реальное, используется в усилителях напряжения.

37

Угол отсечки θ числено равен половине периода протекания тока через транзистор. В классе А угол θ = 180°.

Класс В На вход не подают смещение, а пoдают только входной сигнал.

IK

I Б'

I

Б=0

A-B

UБ

EK

UK

B

 

 

20

UK=UВЫХ

Графики IБ (IК) – отличаются от синусоидального. Ток IК протекает в течение половины периода входного сигнала. КПД = 80%. Высокий КГ, применяется в усилителях мощности.

Класс А-В Низкий коэффициент гармоник, а КПД = 60 – 70%, θ > π /2. При входном сигнале протекает 5 – 15% максимального тока. Используется в двухтактных усилителях мощности.

Класс С

IБ

2

ϑ

С

UБ

 

На вход усилителя подается постоянное запирающее смещение обратной полярности (точка С).

Ток протекает в течение θ < π /2 КПД = 95 – 98%, используется в генераторах, где искажения не

важны, большой коэффициент гармоник.

38

Усилители напряжения низкой частоты

Основными требованиями к УННЧ являются высокий коэффициент усиления по напряжению, минимальный коэффициент гармоник (искажений), то есть усилитель должен работать в классе А.

Задание точки покоя (класс А)

1. Задание точки покоя отдельным источником питания U СМЕЩ.

см

к

IБ

 

 

 

 

RБ

RК

IБА

A

 

 

I*

VT1

 

 

 

БА

 

 

 

 

 

 

 

UБА

RБ = EСМIUБА

БА

Так как RБ должно быть много

больше RВХ УСИЛИТЕЛЯ (обязатель-

ное условие RБ >> RВХ УСИЛИТЕЛЯ),

то ЕСМ >> UБА, следовательно, в качестве ЕСМ берётся ЕК.

UБ

2. Задание точки фиксированным током от источника Е К.

 

+Ек

RБ >> RК

RБ =

EK UБА

EK

RБ RК β

 

 

IБА

 

 

 

 

IБА

 

RБ

 

 

RК

 

 

При задании рабочей точки таким способ наблюдается плохая

VT1

 

 

 

 

 

 

 

стабильность точки А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

 

Задание точки фиксированным напряжением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+Ек

 

EK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

UR 2 = UБА IДЕЛ = (3 ÷ 5)IБА

R1 + R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IДЕЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RК

 

I

VT1

R1 =

EK

UБА

UR 2

= IДЕЛ R2

дел

IДЕЛ

IДЕЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

R UБА

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IK

 

При изменении температуры полупро-

 

 

(t ')(85 C)

водниковые

приборы

сильно

меняют

свои

 

 

 

A '

I 'KA

характеристики.

 

 

 

 

I * (t ')(20 C)

 

 

I

 

A

IK = β IБ + I *K0

+ UK

 

KA

KA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r*K

 

 

 

 

 

I*K0 (тепловой ток) сильно зависит от

 

 

 

изменения температуры. Если задать точку

 

 

U K

покоя и не принять мер по её стабилизации, то

 

 

 

при работе рабочая точка «уплывёт». Следовательно, необходима стабилизация точки по-

коя.

 

 

 

 

 

 

 

39

Методы стабилизации рабочей точки

1. Коллекторная стабилизация

к

RК

RБ

VT1

UK = EK IK RK IБ =

UK

IK = β IБ

RБ

 

 

Ток IБ стал зависеть от IК. Если температура повышается, то повышается и ток IК, а следовательно, напряжение UК и ток IБ понижаются, а транзистор VT начнет закрываться, а ток IК уменьшаться, тем самым стабилизируя точку покоя. Коллекторная стабилизация не является эффективной.

2. Эмиттерная стабилизация

+Ек

R1

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

 

 

 

 

 

VT1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

I

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

R2

 

 

Э

 

 

 

 

RЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

-

 

 

 

 

 

Э

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UБЭ = UR2 URЭ UR2

= const (приEK = const),

IБ

 

таккакIЭ ≈ ∆ IK , тт UБЭ = UR2

− ∆ IK RЭ

 

 

 

При

 

повышении

температуры

IБА

 

повышается

ток

IK, а следова-

A

тельно,

понижается UБЭ,

а зна-

I '

чит транзистор VT закрывается,

 

БА

 

тем

самым

понижается

ток

IK

 

 

 

 

(О.О.С.).

 

 

 

 

 

 

 

x

C

=

1

RЭ =R

Э

r

 

U 'БАU

U

 

wН СЭ

5 ÷ 10

 

Э

 

 

 

 

 

 

 

БА

БЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

Включение RЭ стабилизирует рабочую точку. Здесь ток IК является постоянным. Однако RЭ снижает коэффициент усиления по напряжению, так как при переменном сигнале RЭ будет снижать амплитуду изменений IК. для устранения этого ставят шунтирующую RЭ ёмкость СЭ. Переменный ток проходит через СЭ (О.О.С. отсутствует, следовательно, коэффициент усиления по переменному напряжению очень высок). Постоянный ток проходит через RЭ (О.О.С. есть).

3.

Стабилизация с помощью термосопротивления

 

Термосопротивлением

 

 

 

 

 

 

R

называется

полупроводнико-

R1

R

вый

прибор, сопротивление

 

 

К

Линейный

которого с повышением тем-

VT1

 

пературы

сопротивление по-

 

участок

нижается.

Рассмотрим работу

 

 

 

 

 

 

схемы: при повышении темпе-

Rt

+

T

ратуры понижаются

термосо-

RЭ С

 

противление (Rt), напряжение

 

Э

 

UБЭ и ток IБ, то есть происхо-

 

 

 

дит

стабилизация

рабочей

точки. Преимуществом такой схемы является то, что происходит 100 % компенсация точки покоя (можно даже сделать перекомпенсацию и рабочая точка «поползёт» вниз). Недостаток схемы заключается в том, что она реагирует на температуру окружающей среды, а температуру самого транзистора не учитывает. Поэтому необходимо сделать эмиттерную стабилизацию.

40

Коэффициент нестабильности

Коэффициент нестабильности S показывает во сколько раз приращение коллекторного тока больше, чем приращение теплового неуправляемого тока, вызванного изменением параметров транзистора. Чем выше коэффициент нестабильности, тем менее ста-

бильнее ток IК.

 

β

 

 

 

 

 

S =

 

 

 

, гдеγ - коэффициент токораспределения.

1 + β

γ

 

γ =

 

R

Э

 

RБ =

R1 R2

 

RЭ + RБ

 

R1 + R2

 

 

 

Если χ= 1, то S MIN = α , если χ= 0, то S MAX = β .

Всё зависит от соотношения между сопротивлениями RЭ и RБ. Желательно, чтобы выполнялось условие RЭ >> RБ. При RБ = 0 входной сигнал замыкается на R1 или R2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет усилителя в режиме покоя

1.

U = (0,2 ÷ 0,3)EK , чем больше сопротивление RЭ, тем больше UR Э , следова-

тельно, происходит уменьшение напряжения UК , необходимого для усиления, а значит

нужно увеличивать ЕК.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

RЭ

=

 

0,2 ЕК

=

 

0,2 ЕК

, I КА, I БАберутизхарактеристик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I ЭА

 

 

 

 

 

I КАI БА

3. UR 2

= URЭ

 

+ UБЭ

 

 

 

 

 

 

 

4.

R2 =

UR 2

; IДЕЛ = (3 ÷ 5)IБА

 

 

 

 

 

IДЕЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. R1 + R2 =

 

EK

 

R1

=

EK

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IДЕЛ

 

 

 

 

IДЕЛ

6.

CЭ

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

5 ÷ 10

·10-6 [мкФ]

 

ω Н (R Э

 

rЭ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω Н R Э

Соседние файлы в папке aaaГОСЫ