Лекция №9
Дифференциальный усилитель
Дифференциальным усилителем называется усилитель разности напряжений.
Rк1 = Rк2 = Rк.
Транзисторы VT1 и VT2 подбираются одинаковыми по коэффициенту усиления. Резисторы Rк1 и Rк2 также подбираются одинаковыми по величине своего сопротивления.
Представим, что на оба входа подаём одинаковое напряжение Uвх1 = Uвх2. В этом случае токи через транзисторы VT1 и VT2 будут одинаковыми. Суммарный ток через Rэ обозначим через Iо. Тогда:
Представим, что Uвх1 > Uвх2. На первый вход подадим более положительное напряжение, чем на второй вход. В этом случае транзистор VT1 откроется в большей степени, чем транзистор VT2. Ток через транзистор VT1 увеличится на определённую величину ΔIo, а ток через VT2 уменьшится на такую же величину ΔIo, поскольку суммарный ток постоянен и равен Io.
Если на первый вход будем подавать бoльшее значение напряжение, чем на второй вход, то на выходе получится отрицательное значение напряжения, поэтому первый вход называется инвертирующим входом.
Если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = +2 ∙ ΔIo ∙ Rк и поэтому второй вход дифференциального усилителя называется неинвертирующим входом.
Важной характеристикой дифференциального усилителя является его способность усиливать дифференциальный сигнал (разность входных напряжений), но не усиливать сами сигналы. Предположим, что V1 = 0.1 мВ, V2 = 0 В, a Vout = 50 мВ. Коэффициент усиления дифференциального сигнала:
При увеличении напряжений V1 и V2 на 1 мВ: V1 = 1.1 мВ, V2 = 1 мВ, напряжение на выходе станет Vout = 52 мВ. Значит, коэффициент усиления синфазного входного сигнала составит:
Способность усилителя усиливать дифференциальные сигналы, подавляя при этом синфазные сигналы, называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, или КОСС, и определяется как:
КОСС улучшается, если приблизить характеристики резистора R3 к характеристикам генератора тока постоянной величины. Для задания постоянного тока, протекающего через эмиттеры транзисторов, часто используют источник тока на транзисторе. Характеристики такого дифференциального усилителя будут намного лучше, чем когда ток задается при помощи резистора.
Полевые транзисторы
Несколько определений полевого транзистора:
1. Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.
2. Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Условные графические обозначения полевых транзисторов:
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа
|
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом p-типа
|
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора со встроенным p-каналом обедненного типа
|
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора со встроенным n-каналом обогащенного типа
|
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным p-каналом обогащенного типа
|
|
|
Условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным n-каналом обогащенного типа
|
Как вы можете видеть из многообразия условных графических изображений, существует несколько разных конструкций полевых транзисторов. Рассмотрим эти конструкции более подробно.
Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.
Несколько определений:
- Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.
- Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.
- Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.
- Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.
Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.
Еще раз приведем условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа
и с каналом p-типа
Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.
На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы поддерживались в закрытом состоянии. Увеличение обратного смещения вызывает расширение переходов -> сужение канала и наоборот. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.
1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.
2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.
3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю (в канале не будет свободных носителей).
Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.
Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.
Характеристики и параметры полевых транзисторов. К основным характеристикам относятся:
- Стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.
- Стоковая характеристика – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе (смотрите Рис. 100). Ic = f (Uси) при Uзи = Const
Основные параметры:
1) Напряжение отсечки.
2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.
3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.
4) Входное сопротивление.
Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления Rвх будет очень велика и может достигать 109 Ом.
Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.
МОП – транзисторы могут быть двух видов:
- Транзисторы со встроенным каналом
- Транзисторы с индуцированным каналом.