- •Методическое пособие по изучению курса «Радиотехника»
- •Введение
- •Глава 1. Основная элементная база радиотехнических устройств.
- •§1.1. Резисторы
- •§1.2. Конденсаторы.
- •§1.3. Индуктивные элементы и устройства.
- •§1.4. Диоды.
- •§1.5 Транзисторы
- •§1.6. Интегральные микросхемы
- •Глава 2. Цепи с сосредоточенными параметрами
- •§2.1. Источники эдс и тока
- •§2.2. Согласование источника с нагрузкой.
- •§2.3. Частотные характеристики
- •§2.4. Дифференцирующие и интегрирующие цепи
- •§2.5. Колебательный контур
- •§2.6. Преобразование лапласа
- •§2.7. Логарифмические характеристики
- •Глава 3. Электронные усилители
- •§3.1. Основные типы усилителей и их характеристики.
- •§3.2 Апериодический (резисторный) усилитель напряжения
- •§ 3.3. Усилитель радиочастоты. Усилитель промежуточной частоты
- •§ 3.4. Усилители мощности
- •§ 3.5 Обратная связь в усилителях
- •§ 3.6. Операционный усилитель
- •Глава 4.Электронные генераторы
- •§ 4.1. Введение. Обобщенная схема автоколебательной системы
- •§ 4.2. Генераторы негармонических колебаний.
- •§4.4. Аналого-цифровые преобразователи. Принцип аналого-цифрового преобразования.
- •§4.5. Цифро-аналоговые преобразователи.
- •Глава 5.Сигналы сообщения и радиосигналы. Распространение радиоволн.
- •§5.1. Сообщения и сигналы сообщения.
- •§ 5.2. Амплитудно-модулированный сигнал.
- •§ 5.3. Частотно-модулированный сигнал.
- •§ 5.4. Спектр несущих частот. Особенности распространения радиоволн разных диапазонов.
- •Глава 6. Основы телевидения.
- •§ 6.1. Основные принципы передчи и приема оптического изображения.
- •§ 6.2. Развертка изображения.
- •§ 6.3. Основные параметры телевизионного изображения.
- •§ 6.4. Основные структурная схема телевизионной системы связи.
- •Литература:
§1.5 Транзисторы
Реализовав два р-п перехода на небольшом расстоянии друг от друга, как это схематично показано на рис. 1.5.1, получим плоскостной биполярный транзистор. На левом эмиттерном р-п переходе создается смещение в прямом направлении, на правом коллекторном р-п переходе — в обратном. В полупроводнике, находящемся между эмиттерным и коллекторным р-п переходами, образуется область, которую называют базой. Области по обе стороны от базы называют соответственно эмиттером и коллектором.
Рис. 1.5.2 Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ
генерируемыми эмиттерным и коллекторным р-п переходами, образуется область, которую называют базой.. На рис.1.5.2 приведены выходные характеристики транзистора, включенного по схеме, приведенной на рис. 1.5.1.
Для рассматриваемого p-n-p-транзистора принято отрицательное напряжение коллектор — база откладывать вправо по оси абсцисс.
Нижняя кривая соответствует разомкнутому положению ключа в цепи эмиттера и показывает зависимость обратного тока коллектора от напряжения на коллекторном переходе.
Замыкание ключа в цепи эмиттера приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного р-п перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, переходящих из эмиттера в базу, и для электронов, переходящих из базы в эмиттер. Нас интересуют только избыточные дырки, попадающие из эмиттера в базу, потому что только они создают приращение коллекторного тока. Говорят, что эти дырки инжектируются в базу через переход.
В базе обычного транзистора электрическое поле отсутствует, поэтому дальнейшее движение инжектированных дырок определяется процессом диффузии. Так как толщина базы транзистора значительно меньше длины свободного пробега дырки до рекомбинации, то большая часть инжектированных дырок достигает коллекторного перехода, благодаря чему коллекторный ток увеличивается.
Семейство выходных характеристик транзистора показано при некоторых постоянных значениях эмиттерного тока.
Модуляция толщины базы. Выходные характеристики, соответствующие отрицательным значениям напряжения коллектор — база, в правом верхнем квадранте идут почти горизонтально, но все же с небольшим подъемом. Это связано с изменением (модуляцией) толщины базы (эффект Эрли).
СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
В предыдущем параграфе при рассмотрении принципа работы транзистора постоянные напряжения на эмиттер и коллектор подавались относительно базы, выполняющей роль общей точки. Такая схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Схему, приведенную на рис. 1.5.1, можно преобразовать в усилитель напряжения. Для этого в цепь эмиттера включают источник переменного напряжения, которое нужно усилить, а в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки и снимают с него усиленное переменное напряжение. Схема такого усилителя показана на рис. 1.5.3.
В этой схеме использовано общепринятое условное изображение транзистора п-р-п-типа. У транзистора п-р-п-типа полярность напряжений, подаваемых на эмиттер и коллектор, противоположна полярности напряжений в схеме с р-n-р-транзистором,
Рис. 1.5.3. Схема усилителя с ОБ
Коэффициентом передачи напряжения Ки называют отношение амплитуд или действующих значений переменных напряжений на выходе (ивых) и на входе (Uex) усилителя. Входом усилителя являются зажимы эмиттер — база, а выходом считается вход следующего каскада или зажимы, к которым подключается внешняя нагрузка.
Как правило, сопротивление Rэ во много раз превышает входное сопротивление транзистора переменному току Rex.
Для схемы с ОБ входное сопротивление транзистора очень близко к дифференциальному сопротивлению диода:
гэ = га~25//э, (1.5.1)
где /э — постоянная составляющая тока эмиттера, мА. Поэтому можно считать, что ток от источника сигнала — генератора (Ег> Кг), показанного на рис. 1.5.3, не ответвляется в сопротивление Rэ и целиком течет в эмиттер.
Выходные характеристики транзистора почти параллельны оси абсцисс. Это говорит о том, что выходное сопротивление транзистора для переменного тока в схеме с ОБ очень велико и составляет несколько мегаом.
Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОБ на практике всегда много больше сопротивления нагрузки. Поэтому можно считать, что выходной переменный ток не зависит от сопротивления нагрузки и равен
1вых= h21бxlвх. (1.5.2)
Параметр h21б, называемый коэффициентом передачи тока при малом сигнале в схеме с ОБ в режиме короткого замыкания коллекторной цепи, по определению равен
h21б = dIк/dIэ при Uкэ=const (1.5.3)
СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
Наиболее часто транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером (ОЭ), когда общим зажимом для входного и выходного напряжений является эмиттер. На рис. 1.5.4 показана простейшая схема усилителя с ОЭ. На схеме приведены направления токов эмиттера, базы и коллектора, выбранные в качестве положительных.
Ток коллектора равен
1к= h21эxlвх. (1.5.4)
где h21э = dIк/dIб при Uкэ=const
Рис. 1.5.4. Простейшая схема усилителя е ОЭ
На рис. 1.5.5 показаны выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ. Параметром выходных характеристик является не ток эмиттера, а ток базы. Они заметно отличаются от выходных характеристик для схемы с ОБ. Во-первых, как уже указывалось, ток /яэо в 50—100 раз больше, чем ток 1Кво- Во-вторых, наклон характеристик значительно больше, чем в схеме с ОБ. В-третьих, при одинаковом приращении тока базы приращения тока коллектора оказываются неодинаковыми. В-четвертых, характеристики не доходят до оси ординат.
Рис.1.5.5
При очень малых напряжениях икэ наблюдаются резкое падение коллекторного тока с уменьшением напряжения ukq и независимость тока коллектора от тока базы. Говорят, что транзистор при этом входит в режим насыщения, который характеризуется тем, что при малых напряжениях коллектор — эмиттер оба р-п , перехода, как эмиттерный, так и коллекторный, оказываются смещенными в прямом направлении. Например, когда напряжение коллектор — эмиттер транзистора р-п-р-типа достигает значения икэ—— 0,2 В, а напряжение на базе относительно эмиттера оказывается «бэ-— 0,3 В, напряжение коллектора относительно базы wkb=+o,! В.
Отметим, что напряжение Uвх, при котором наступает насыщение, очень невелико и у кремниевого транзистора. Например, напряжение насыщения Uкэнас кремниевого транзистора р-п-р-типа может быть также равно —0,2 В при ивд=— 0,9 В и «кв=+0,7 В и только при очень больших токах базы и коллектора напряжение насыщения Uкэнас равно 0,5—1 В.
Входные характеристики. На рис. 1.5.6 а приведены входные вольт-амперные характеристики германиевого р-п-р- и кремниевого n-p-п-транзисторов в схеме с ОЭ. Проходные характеристики. Зависимости выходного тока 1К от напряжения ибэ на входе приведены на рис. 1.5.6 б.
Рис. 1.5.7 Работа в режимах А и В.
Рис. 1.5.8. Схема стабилизации рабочей точки с делителем напряжения в цепи базы и сопротивлением в цепи эмиттера.
СХЕМА С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ
ЭМИТТЕРНЫЙ ПОПВТОРИТЕЛЬ)
На рис. 1.5.9, а показана схема с ОК. Она называется также эмиттерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению.
Рис.
1Рис.1.5.9.
Эмиттерный повторитель:
а.
— исходная
схема; б — упрощённая схема.
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п ПЕРЕХОДОМ
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением. Транзистор называется полевым, так как входное напряжение создает электрическое поле, влияющее на выходной ток.
Б биполярных транзисторах, описанных в предыдущей главе, существенную роль играют два типа носителей электрического тока: основные и неосновные. В полевых транзисторах ток создается основным типом носителей, а неосновные существенной роли не играют. Поэтому когда желают подчеркнуть различие между транзисторами, то обычные транзисторы называют биполярными, а полевые транзисторы — униполярными.
В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы или эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим 108 – 1015 ОМ.
Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС), содержащие на одной пластинке кремния со сторонами 4x5 мм от нескольких тысяч до десятков тысяч транзисторов и резисторов. Такие микросхемы применяются, например, в микрокалькуляторах и электронных наручных часах, в микроконтроллерах.
Рис.1.5.11 . Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом р-типа.
Между каналом и затвором имеет место плоскостной р-п переход. Он становится проводящим при отрицательным напряжении между затвором и каналом более 0,6 В| Для нормальной работы транзистора этот переход должен оставаться запертым, поэтому напряжение затвора относительно истока для транзистора с каналом р-типа должно быть положительным или равным нулю. Конечно, допустимо и небольшое отрицай тельное напряжение, еще не приводящее к отпиранию р-n перехода.
Напряжение стока относительно истока, а следовательно, затвора должно быть отрицательным. Подача положительного напряжения на сток вызвала бы нежелательное отпирание р-п перехода. Отрицательное напряжение сток— исток вызывает ток в проводящем канале р-типа, изолированном от затвора и подложки запертыми р-п переходами (так называемая диодная изоляция).
Затвор является управляющим электродом. Изменяя на нее напряжение, можно влиять на толщину проводящего канала, а следовательно, изменять его сечение и сопротивление, что, в свою очередь, влияет на ток в проводящем канале и во внешней цепи.
Напряжение затвор — исток, при котором ток стока транзистора с р-п переходом равен нулю или достигает заданного малого значения, называется напряжением отсечки.- Для транзисторов с р-каналом напряжение отсечки положительно и обычно равно 0,2—0,7 В. Естественно, что для транзисторов с управляющим р-п переходом с каналом n-типа напряжение отсечки отрицательно, а напряжение сток — исток положительно.
Рис. 1.5.12. Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом (канал р-типа).
Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики
Рис.1.5.13. Схема резисторного усилителя на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом и каналом р-типа.
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
Полевые транзисторы с изолированным затвором называют также МОП-транзисторами или МДП-транзисторами. Эти сокращенные названия указывают на их структуру металл — окисел—полупроводник или металл — диэлектрик — полупроводник.
Эти названия указывают на то, что между затвором из проводящего материала
— металла — и проводящего канала из полупроводника имеется изолирующий слой. Однако для уменьшения контактной разности потенциалов иногда вместо затвора из металла применяют затвор из поликристаллического проводящего кремния.
Имеется две основные разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором: транзисторы с встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом.
МОП-транзистор с встроенным каналом. Схематическое строение транзистора с встроенным каналом показано на рис.1.5.14. Приложенное к затвору отрицательное напряжение отталкивает электроны во встроенном канале n-типа. В результате создается обедненный слой в верхней части полупроводника между изолирующей прокладкой из окисла и проводящим каналом. МОП-транзистор с встроенным каналом чаще всего используется в режиме обеднения. Для транзистора с n-каналом это соответствует подаче отрицательного напряжения на затвор. Его характеристики при этом не отличаются от характеристик транзистора с управляющим
Рис.1.5.14. МОП-транзистор с встроенным каналом n-типа.
Рис. 1.5.15. Структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа: а - напряжение на электродах отсутствует; б — на затвор и сток подано положительное напряжение относительно истока и соединенной с ним подложки.
Первый режим называется режимом обеднения, а второй — режимом обогащения.
МОП-транзистор с индуцированным каналом. Строение транзистора с индуцированным n-каналом показано на рис. 1.5.15.,а. В отсутствие напряжения на затворе сильно легированные n- области истока и стока образуют вместе с подложкой два включенных навстречу диода. Поэтому приложение напряжения между истоком и стоком не вызывает существенного тока. При некотором положительном напряжении на затворе индуцируется проводящий канал за счет притяжения к изолирующей прокладке затвора электронов из р-материала подложки. Хотя электроны в подложке не являются основными носителями, проводящий канал состоит только из основных носителей — электронов.
Напряжение затвор — сток МОП-транзистора, работающего только в режиме обогащения, при котором образуется проводящий канал и ток стока достигает заданного низкого значения, называется пороговым напряжением полевого транзистора и обозначается и3ипор. Обычно пороговое напряжение полевых транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах и3ипор 1—6 В.
Идеализированные стоковые характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показаны на рис.1.5.16. От реальных они отличаются тем, что имеют в области насыщения нулевой наклон.
Штриховая линия на рис. 1.5.16 отделяет линейную область от области насыщения.
Рис. 1.5.16. Идеализированные стоковые характеристики МОП-транзистора с каналом n-типа (изипо1р = 5 В)
Рис. 1.5.17. Условные обозначения полевых транзисторов:
а —полевой транзистор с р-п переходом, канал р-типа;
б — то же с каналом n-типа,
в — МОП-транзистор с встроенным каналом р-типа;
г — то же с каналом п-типа;,:
д — МОП-транзистор с индуцированным каналом р-типа;
е — то же с каналом п-типа .