Пример расчета стабилизатора

Исходные данные:

- кремниевый стабилитрон типа Д813 включен в схему стабилизатора отрицательного напряжения (рис. 7.34) параллельно с ;

- входное напряжение меняется от до(далее в расчетах знак «-» опускается);

- рабочий диапазон температур от до;

- параметры стабилитрона:

Задание

1. Определить величину резистора для обеспечения нормальной работы стабилитрона.

2. Оценить возможность стабилизации выходного напряжения во всем диапазоне изменения входного напряжения.

3. Рассчитать основные параметры схемы стабилизатора.

4. Построить характеристику «вход-выход» схемы.

Решение

1. Для обеспечения нормальной работы стабилитрона выбираем резистор , пользуясь соотношением

,

где

Тогда

Выбираем ближайшее стандартное значение .

2. Проверка возможности нормальной работы схемы во всем заданном диапазоне изменения входного напряжения производится определением расчетного диапазона

Поскольку полученный диапазон входного напряжения превышает заданный , то схема обеспечивает режим стабилизации напряжения во всем диапазоне входного сигнала.

3. В соответствии с соотношениями (7.28), (7.31) и (7.32):

- коэффициент стабилизации

;

- выходное сопротивление схемы

;

- коэффициент полезного действия

.

4. Для построения характеристики «вход-выход» (рис. 7.38а) используются эквивалентные схемы рис. 7.38б - для первого участка и рис. 7.38в - для второго участка.

а	б	в
Рис. 7.38

В соответствии со справочными данными стабилитрона ток утечки разомкнутого диодного ключа , а для обратного напряженияобратный ток, тогда. Наклон характеристики «вход-выход» на первом участке определяется коэффициентом передачи

,

выходное напряжение

. (7.39)

Для второго участка характеристики , где

Тогда стабилизатор напряжения выполняет функции ограничителя, у которого на участке ограничения напряжение

, (7.40)

т.е. имеется уровень ограничения , который достигается при входном пороговом напряжении, определяемом из уравнения (7.39),

.

В соответствии с выражением (7.40) при , при, а при, тогда уточненное значение коэффициента стабилизации

несколько превышает определенное ранее значение, найденное по приближенному соотношению (7.32).

Абсолютная нестабильность выходного напряжения с учетом величины и выражений (7.37) и (7.38) определяется в соответствии с выражением

где ,

тогда .

Поскольку для стабилитрона Д813 , то при

Поэтому коэффициент стабилизации с учетом температурной нестабильности напряжения стабилизации становится равным

,

где

.

Таким образом, при изменении температуры внешней среды коэффициент стабилизации уменьшается, отклонение выходного номинального напряжения составляет

,

нестабильность выходного напряжения

.

Глава 8 биполярные транзисторы

8.1. Классификация и принцип действия биполярных транзисторов

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, служащий для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления транзисторы используются для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных и положительных (электронов и дырок).

По диапазонам используемых частот транзисторы делятся на низко частотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц).

По мощности транзисторы делятся на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт), большой мощности (свыше 1,5 Вт).

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа «p» и «n», между которыми образуются дваp-nперехода. Структура такого транзистора и его обозначение на схемах приведены на рис. 8.1.

В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзисторы подразделят на два типа: p-n-p(рис. 8.1а)n-p-n(рис. 8.1б). Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и называют эмиттером. Среднюю область называют базой, а другую крайнюю область – коллектором. Дваp-nперехода называются эмиттерным и коллекторным. У транзистора имеется три вывода (электрода), которые называются также как и области транзисторной структуры, к которым они подключены: эмиттер (э), коллектор (к), база (б).

а	б
Рис. 8.1

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения с входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора (рис. 8.2): с общей базой (рис. 8.2а), с общим эмиттером (рис. 8.2б), с общим коллектором (рис. 8.2в).

а	б	в
Рис. 8.2

Электрические параметры и характеристики биполярного транзистора существенно различаются при разных схемах включения.

На практике биполярные транзисторы широко используются в качестве усилительных приборов. В этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллекторному, работающему в режиме экстракции, - обратное напряжение. Такой режим работы биполярного транзистора называется активным.

Кроме активного режима биполярный транзистор может работать в следующих режимах: в режиме отсечки, когда оба перехода находятся под действием обратных напряжений; в режименасыщения, когда оба перехода находятся под действием прямых напряжений; винверсномрежиме, когда к эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение, а к коллекторному переходу – отпирающее. Этот режим часто используется при работе биполярного транзистора в качестве ключа разнополярных электрических сигналов.

Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора на примере структуры p-n-p, включенной в схеме с общей базой (рис. 8.3).
	Рис. 8.3

При отсутствии внешних напряжений () электрические поляp-nпереходов создаются лишь объемными зарядами неподвижных ионов и установившиеся потенциальные барьеры обоих переходов поддерживают динамическое равновесие в приборе, токи в переходах которого равны нулю. При этом электрическое поле в базе тоже равно нулю.

Если приложить к коллекторному переходу обратное напряжение, то через коллекторный переход возникнет ток неосновных носителей заряда, называемый начальным коллекторным током.

Если далее подключить к эмиттерному переходу прямое напряжение в транзисторе возникнет эмиттерный ток, равный сумме дырочной и электронной составляющих. Если бы концентрация дырок и электронов в эмиттере и базе была одинаковой, то эти составляющие эмиттерного тока были равны. Но в транзисторе такого типа создают эмиттерную область с существенно большей концентрацией дырок по сравнению с концентрацией электронов в базовой области. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в обратную сторону. Следовательно, почти весь ток эмиттерного перехода обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции . Для биполярного транзистора со структуройp-n-pон равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера. У современных транзисторов. Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. В базе происходит частичная рекомбинация дырок с электронами. Однако, если база тонкая, то преобладающая часть дырок достигает коллекторного перехода, не успев рекомбинировать. При этом дырки попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода. В результате экстракции дырки быстро вытягиваются из области базы в область коллектора и участвуют в создании тока коллектора. Малая часть дырок, которая рекомбинирует в области базы с электронами, создает небольшой ток базы. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора:. Таким образом, в рассматриваемом режиме (активном) через транзистор протекает сквозной ток от эмиттера через базу в коллектор. Незначительная часть эмиттерного тока ответвляется в цепь базы. Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на свойства биполярного транзистора в активном режиме используется коэффициент переноса носителей в базе. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода. Коэффициент переносатем ближе к единице, чем тоньше база и меньше концентрация электронов в базе по сравнению с концентрацией дырок в эмиттере.

Важнейшим параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера: . Так какименьше единицы, то и коэффициент передачи тока эмиттера не превышает единицы. Обычно. В практических случаях коэффициентнаходят как отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:

. (8.1)

Поскольку в цепи коллектора, кроме тока обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода , то полный ток коллектора

. (8.2)

Однако учитывая, что ток незначителен, можно считать.

Из последнего выражения видно, что биполярный транзистор является прибором, управляемым током: значение коллекторного тока зависит от входного эмиттерного тока. Если рассматривать биполярный транзистор как прибор с зависимыми источниками, то он близок по свойствам к ИТУТ. В свою очередь, входным током управляет прямое напряжение. С ростом прямого напряжения уменьшается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это сопровождается экспоненциальным ростом тока эмиттера. К коллекторному переходу в активном режиме прикладывается большое запирающее напряжение. Это приводит к значительному увеличению потенциального барьера коллекторного перехода. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение в цепи эмиттера, а токи в цепях эмиттера и коллектора примерно одинаковы, мощность полезного сигнала на выходе схемы оказывается существенно большей, чем на входе. Это открывает широкие возможности использования биполярных транзисторов в качестве усилительных приборов. Действительно, если подавать напряжение сигнала в цепь базы, то в соответствии с этим напряжением сигнала будет изменяться сопротивлениеp-nперехода между эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответствующему изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, на нем будет выделяться мощность, во много раз большая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Наилучшим образом усилительные свойства биполярного транзистора проявляются при включении в схеме с общим эмиттером (рис. 8.2б). Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней является ток базы, существенно меньший тока эмиттера. Выходным током, как и в схеме с общей базой, является ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы. Этот коэффициент принято обозначать . Можно найти соотношение между коэффициентамии:

. (8.3)

Если, например , то. Таким образом, в схеме с общим эмиттером достигается большое значение коэффициента усиления по току. Так как при таком включении можно получить усиление и по напряжению, то достигаемый коэффициент усиления по мощности значительно превосходит значения, достигаемые при других способах включения (с общей базой и с общим коллектором).

Представляет интерес определение зависимости выходного тока от входного для схемы с общим эмиттером. Используя выражение (8.2) и заменяя в нем значение тока на его составляющие, получим:

, откуда следует

. (8.4)

Из выражения (8.4) можно сделать вывод о том, что обратный ток в схеме с общим эмиттером существенно больше, чем в схеме с общей базой. При (обрыв базы) он достигает величины, что говорит о недопустимости обрыва базы в схеме с общим эмиттером.