КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника
.pdf
293
Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств транзистора. Поэтому для ее опреде- ления не требуется измерений.
Iк, мА
15
10
ΔIк
5
ΔUбэ
0 |
0,5 |
1,0 |
Uбэ, В |
Рисунок 5 - Передаточная характеристика транзистора
Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением:
Rкэ = |
∂Uкэ |
, при Uбэ = сonst . |
(6) |
|
|
|
|||
|
∂Iк |
|
||
Из рисунка 4 видно, что с ростом коллекторного тока оно уменьша- |
||||
ется. С высокой точностью сопротивление Rкэ обратно пропорционально |
||||
Iк , |
|
|||
Rкэ = |
Uγ |
. |
(7) |
|
|
||||
|
Iк |
|
||
Коэффициент пропорциональности Uγ называется напряжением Эр- |
||||
ли. Его можно определить, измерив Rкэ. Типовое значение Uγ |
находится |
|||
в пределах 80÷200 В для n-p-п транзисторов и 40÷150 В для p-n-р транзи- сторов.
Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное
сопротивление.
Rбэ = |
∂Uбэ |
, при Uкэ = сonst . |
(8) |
|
∂Iб
Его можно определить по входной характеристике транзистора, при- веденной на рисунке 6.
294
Эта характеристика, как и передаточная, описывается экспоненци- альной функцией. Таким образом, коллекторный ток пропорционален ба- зовому току.
Iб, 
мкА
150
100
ΔIб
50
ΔUбэ
0 0,5 1,0 Uбэ, В
Рисунок 6 – Входная характеристика транзистора
Коэффициент пропорциональности, определенный на постоянном
токе, называют статическим коэффициентом усиления по току. Его обозначают буквой β .
Коэффициент усиления по току несколько зависит от величины тока коллектора и приводится в справочниках по транзисторам в виде графи- ков. Типовая зависимость β = f (Iк) )для маломощного транзистора пока- зана на рисунке 7.
Рисунок 7 - Типовая зависимость β = f (Iк) маломощного транзистора
295
Зная крутизну - S и коэффициент усиления по току - считать входное сопротивление транзистора Rбэ :
Rбэ = |
∂Uбэ |
= |
∂Uбэ |
= |
β |
= |
β UT |
. |
|
|
|
|
|||||
|
∂Iб |
∂(Iб / β ) S |
|
Iк |
||||
В справочных изданиях, |
обычно вместо величины |
|||||||
β , можно рас-
(9)
β , приведено
значение h21Э - статического коэффициента передачи тока в режиме малого
сигнала, численно данные величины совпадают.
Величина h21Э зависит также от частоты входного сигнала, но для
относительно низких частот сигналов, которые используются в схемах промышленной электроники (автоматики, телемеханики, измерительной техники и т.д.), эту зависимость при анализе и расчете схем часто можно не учитывать.
Из выражения (3), следует, что характеристики транзисторов доста- точно сильно зависят от температуры. Наиболее важной для практики, яв- ляется зависимость напряжения база-эмиттер от температуры, она подчи-
няется закону: Uбэ = (2,2 ÷ 2,7) мВ/К и если не принимать специальных
Т
мер, термокомпенсации, то при повышении температуры на каждые 10° ток коллектора увеличивается почти вдвое.
При разработке транзисторных схем следует помнить несколько ос- новных правил, которые следуют из рассмотрения характеристик транзи- сторов. Они заключаются в следующем:
1.Из передаточной характеристики транзистора следует, что при комнатной температуре, напряжение на базе транзистора увеличивается на 60 мВ при увеличении тока коллектора в 10 раз.
2.Из входной характеристики следует, что собственное сопротивле- ние эмиттера, которое выступает как последовательное во всех транзи-
сторных схемах равно: 25 / Iк [Ом], где ток Iк измеряется в миллиампе- рах. Оно ограничивает усиление усилителя с общим эмиттером, приводит к тому, что коэффициент усиления эмиттерного повторителя чуть меньше единицы и не позволяет выходному сопротивлению эмиттерного повтори- теля стать равным нулю.
3.Напряжение между базой и эмиттером зависит от температуры, при фиксированном токе коллектора оно уменьшается в среднем на 2.2 мВ/°С.
4.Напряжение между коллектором и эмиттером хоть в слабой мере, но зависит от напряжения между коллектором и эмиттером при постоян- ном значении тока коллектора. Этот эффект приближенно описывается за- висимостью: Uбэ ≈ −0,001 Uкэ.
296
4.3.1.2 Классификация и основные параметры БТ
Кроме параметров БТ указанных выше и определяемых по его стати- ческим характеристикам, важными параметрами транзистора являются:
- граничная частота коэффициента передачи тока - fT , это часто-
та на которой коэффициент передачи по току транзистора становится рав- ным 1.
-максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным перехо-
дом при которой транзистор не перегревается выше допустимой температу- ры;
-максимально допустимый ток это максимальный ток коллектора, который прибор может выдержать, не выходя из строя.
Классификация биполярных транзисторов производится по мощности
играничной частоте коэффициента передачи тока.
По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают:
-малой мощности P < 0,3 Вт;
-средней мощности 0,3 Вт < P < 1,5 Вт;
-большой мощности P > 1,5 Вт.
По частотному диапазону транзисторы делятся на:
-низкочастотные < 3 МГц;
-среднечастотные 3 МГц < < 30 МГц;
-высокочастотные 30 МГц < < 300 МГц;
-сверхвысокочастотные > 300 МГц.
Для маркировки отечественных биполярных транзисторов использу- ется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.
Первый элемент – буква или цифра, указывающая исходный матери- ал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия.
Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – би- полярный, П – полевой.
Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и мощность транзистора.
Таблица 1 – Структура третьей цифры в маркировке БТ
|
|
Мощность |
|
Частота |
Малой |
Средней |
Большой |
|
мощности |
мощности |
мощности |
Низкочастотный |
1 |
4 |
7 |
Среднечастотный |
2 |
5 |
8 |
Высоко- и сверхвысокочастотный |
3 |
6 |
9 |
297
Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие по- рядковый номер разработки.
Шестой (седьмой) элемент – буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы.
Примеры обозначения транзисторов:
КТ315А – кремниевый БТ малой мощности высокочастотный, номер разработки - 15, подгруппа параметров А;
2Т827Б – кремниевый БТ большой мощности среднечастотный номер разработки - 27, подгруппа параметров Б;
ГТ108А – германиевый БТ малой мощности низкочастотный, номер разработки – 8, подгруппа параметров А.
4.3.2 Схемы включения биполярных транзисторов ОЭ, ОК и ОБ. Свойства и области применения усилительных каскадов на биполярных транзисторах
Транзистор имеет три электрода, но электронные схемы на его осно- ве, должны иметь два входных и два выходных контакта, т.е. являться че- тырехполюсниками. Поэтому при включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов делается общим для входного и выходного сигнала. Таким образом, могут быть три варианта включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Каждая схема имеет свои особенности и области применения, которые рас- смотрены далее.
4.3.2.1 Схема с общим эмиттером (ОБ)
Схема каскада усиления на БТ с общей базой приведена на рисунке 8.
Iк
Rк
Iэ
Е
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 8 – Схема каскада усиления с ОБ
Усилительные свойства схемы не велики:
коэффициент усиления по току Ki = |
Iк |
= α < 1; |
|
Iэ
298
коэффициент усиления по напряжению Ku = |
Uкб |
= 10 ÷ 100 ; |
|
||
|
Uбэ |
|
коэффициент усиления по мощности Kр = Кi Кu = 10 ÷ 100 . Входное сопротивление схемы можно приближенно определить:
Rвх ≈ |
1 |
= |
Rбэ |
. |
(10) |
|
|
||||
|
S |
|
β |
|
|
Входное сопротивление весьма мало так как входная цепь транзисто- ра при этом представляет собой открытый эмиттерный переход и не превы- шает для маломощных транзисторов 100 Ом, а для мощных еще ниже.
Выходное сопротивление схемы достаточно велико и примерно равно
Rвых ≈ Rк . |
(11) |
Максимальная рабочая частота равна граничной частоте транзистора
fT .
Достоинства схемы с ОБ:
-хорошие температурные и частотные свойства;
-высокое допустимое напряжение.
Недостатки схемы с общей базой:
-малое усиление по току, так как α < 1;
-малое входное сопротивление;
-необходимы два разных источника напряжения для питания.
В силу специфических свойств данная схема применяется в основ- ном для построения высокочастотных каскадов усиления, например, вход- ных каскадов радиоприемной аппаратуры.
4.3.2.2 Схема с общим эмиттером (ОЭ)
Схема каскада усиления на БТ с общим эмиттером приведена на ри- сунке 9.
Iк
Rк
Е
VT
Iб
Uвых
Uвх
Рисунок 9 – Схема каскада усиления с ОЭ
Схема имеет хорошие усилительные свойства:
299
коэффициент усиления по току Ki = |
Iк |
= β ; |
||||
|
||||||
|
|
|
|
|
Iб |
|
коэффициент усиления по напряжению |
||||||
Ku = |
Uкэ |
= − |
Iк Rк |
= 10 ÷ 100 ; |
|
|
Uбэ |
|
|
|
|||
|
|
UТ |
|
|
||
коэффициент усиления по мощности Kр = Кi Кu = 100 ÷ 10 000 . Таким образом, коэффициент усиления каскада по напряжению не за-
висит от параметров транзистора, а определяется величиной тока коллекто- ра и сопротивлением коллекторной нагрузки.
Входное сопротивление схемы можно определить так:
Rвх = Rбэ = |
β |
= |
β UT |
. |
(12) |
|
|
||||
|
S |
|
Iк |
|
|
Входное сопротивление схемы с ОЭ в β раз выше, чем схемы с ОБ.
Оно составляет от 100 Ом до 10 кОм.
Выходное сопротивление схемы достаточно велико и примерно равно
Rвых ≈ |
Rк Rкэ |
. |
(13) |
|
|||
|
Rк + Rкэ |
|
|
Максимальная рабочая частота меньше, чем для схемы с ОБ в β раз и
равна fT 
β .
Данный усилительный каскад имеет хорошие усилительные свойства, поэтому является основой для создания всевозможных усилительных схем.
Достоинства схемы с общим эмиттером:
-большой коэффициент усиления по току;
-большой коэффициент усиления по напряжению;
-наибольшее усиление мощности;
-можно обойтись одним источником питания;
-выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки схемы с общим эмиттером:
- худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схе- мой с общей базой
4.3.2.3 Схема с общим эмиттером (ОК)
Схема каскада усиления на БТ с общим коллектором приведена на рисунке 10,а.
Рассмотрим работу данной схемы. Если приложить входное напряже- ние Uвх > 0,6 В, то через открывшийся транзистор будет протекать эмит-
терный ток, который вызовет радение напряжение на резисторе Rэ. Выход- ное напряжение возрастет на столько, чтобы напряжение Uбэ транзистора достигло 0,6 В. Тогда выходное напряжение будет равно
300
Uвых = Uвх − Uбэ ≈ Uвх − 0,6 В. |
(14) |
|||
|
|
|
Iк |
|
Rг |
Iб |
|
VT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е |
|
Uвх |
|
Rэ |
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
Рисунок 10 – Схема каскада усиления с ОК: а – принципиальная схема; б – кривые входного и выходного напряжений
Поскольку в процессе работы транзистора напряжение Uбэ изменяет- ся мало, то выходное напряжение каскада будет повторять входное напря- жение со сдвигом по уровню на 0,6 В, рисунок 10,б.
Поскольку коэффициент усиления по напряжению в схеме близок к 1, то данный каскад часто называю эмиттерным повторителем.
Точно, коэффициент усиления по напряжению можно определить по формуле
Ku ≈ |
1 |
, где Rэк = |
Rэ Rкэ |
. |
(15) |
|
|
|
|||||
|
1 + 1 (S Rэк) |
|
Rэ + Rкэ |
|
|
|
Величина Rкэ определяется по формуле (7). |
|
|
||||
Коэффициент усиления по току составляет Ki = |
Iэ |
≈ β = 10 ÷ 100 . |
||||
|
||||||
Iб
Коэффициент усиления по мощности Kр = Кi Кu = 10 ÷ 100 . Входное сопротивление схемы можно определить так:
Rвх ≈ β Rэ. |
(16) |
Входное сопротивление схемы с ОК может быть весьма большим и составлять от 100 кОм до 1 МОм.
Выходное сопротивление схемы мало и приближенно равно
1 |
|
Rг |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|||||
Rвых ≈ |
|
+ |
|
|
|
|
Rэ, |
(17) |
|
|
|||||||
S |
|
β |
|
|
|
Rг ≈ 0 , |
||
|
|
|
||||||
где Rг - внутреннее |
сопротивление источника сигнала. При |
|||||||
Rвых ≈ 1
S .
Максимальная рабочая частота здесь такая же, как и для схемы с ОЭ и равна fT 
β .
Достоинства схемы с общим коллектором:
301
-большое входное сопротивление;
-малое выходное сопротивление.
Недостатки схемы с общим коллектором:
- коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
Эмиттерный повторитель представляет собой преобразователь сопро- тивления. Он передает практически всю величину ЭДС источника сигнала на более низкоомный резистор нагрузки.
Данные схемы применяют как входные каскады усилителей, рабо- тающие от маломощных источников сигналов с высоким внутренним со- противлением. Эмиттерные повторители используют и как усилители мощ- ности. Это выходные каскады, работающие на низкоомную нагрузку.
Контрольные вопросы
1.Биполярные транзисторы. Условные обозначения. Устройство и принцип работы.
2.Классификация и основные параметры и характеристики биполяр- ных транзисторов.
3.Схема включения транзистора с ОБ. Свойства и области примене- ния данного каскада.
4.Схема включения транзистора с ОЭ. Свойства и области примене- ния данного каскада.
5.Схема включения транзистора с ОК. Свойства и области примене- ния данного каскада.
302
Лекция 4.4 Полевые транзисторы
План лекции
1)Полевые транзисторы и их разновидности. Принцип работы.
2)Основные параметры и схемы включения.
3)Свойства и области применения усилительных каскадов на поле- вых транзисторах.
4.4.1Полевые транзисторы и их разновидности. Принцип работы
Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электриче- ского поля, создаваемого входным сигналом.
Идея ПТ с изолированным затво- ром была предложена австро- венгерским физиком Ю.Э. Лилиенфель- дом в 1926—1928 года. Он запатентовал принцип работы ПТ, который основан на электростатическом эффекте поля. Полевые транзисторы намного опереди- ли биполярные, может быть из-за более простого принципа их работы.
Патент на устройство, аналогич- ное униполярному ПТ с изолированным затвором, был получен английским учё- ным Оскаром. Хейлом в 1939 году, за- долго до появления биполярного тран-
зистора. В 1952 году У. Шокли дал теоретическое описание униполярного полевого транзистора, который впоследствии получил название полевого транзистора с управляющим p-n переходом.
В 1960 году М. Аталла и Д. Кант предложили использовать структу- ру «металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник» (МДП или МОП со- кращенно). В ней проводимость поверхностного канала изменялась в по- лупроводнике под действием напряжения, приложенного к металлическо- му электроду, изолированному тонким слоем окисла полупроводника.
Основа полевого транзистора – это созданный в полупроводнике и снабжённый двумя выводами канал с электропроводностью n - или p - ти- па. Поскольку ток канала обусловлен носителями только одного знака, ПТ относят к классу униполярных транзисторов.
Сопротивлением канала управляет третий электрод. Он помещается посредине, рисунок 2.