Вопрос 8

Рисунок 2.8 - ВАХ точечного диода для измерения параметров

Последним объясняется то, что обратный ток точечного германиевого диода (рисунок 2.8) с увеличением напряжения Uобр возрастает почти равномерно от начала координат (как у кремниевых диодов). Максимально допустимое напряжение Uобр.max у точечных диодов невелико - десятки вольт.

Так как ВЧ - диоды могут применяться в преобразователях частоты и других нелинейных устройствах, важным параметром для них является прямое диф­ференциальное сопротивление, или сопротивление переменному току, представляющее собой отношение малого приращения к вызванному этим приращением приросту прямого тока и составляющее единицы-де­сятки Ом: .

Рисунок 2.9 - Определение дифференциального сопротивления диода и сопротивления диода постоянному току

9. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодей­ствующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Роль выпрямляющего электрического перехода (как и у диода) выполняет pn - переход.

В биполярном транзисторе используются одновременно два типа но­сителей зарядов — электроны и дырки, отсюда следует и название — биполярный. Полупроводниковый кристалл такого транзистора VT состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводимости, между которыми на­ходятся два pn - перехода, расположенные в непосредственной близости один от другого

В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы рпр- и npn-типов (рисунок 3.1).

Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области — соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К).

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух рn - переходов, которое обеспечивается тем, что толщина базы Ъ выбирается меньше дли­ны свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой облас­ти, то есть b L (t_ср существования пары электрон-дырка — время жизни, а I — расстояние, пройденное частицей за время ее жизни t_ср).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзи­стора npn -типа, для которого концентрация основных носителей заряда в n - области существенно выше, чем в р - области, то есть Nn » Pp.

Для данной структуры (рисунок 3.2, а):

• Э (n-область) — будет инжектировать электроны в соседнюю р - область;

• К (n -область) — будет экстрактировать находящиеся в р - области электроны.

Примыкающий к эмиттеру pn - переход называют эмиттерным переходом (ЭП), а примыкающий к коллектору — коллекторным переходом (КП).

Металлические выводы, привариваемые или припаевыемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

где  = 0,95-0,99 — дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера.

Коэффициент  — это отношение соответствующих приращений коллектор­ного I_К и эмиттерного I_Э токов, в связи с чем его более точное название будет звучать так — динамический коэффициент передачи тока эмиттера.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе:

1. Если концентрация примесей по всему объему базового слоя одинакова, то есть база однородна, то движение носителей заряда в ней (при отсутствии внешнего напряжения на транзистор) носит чисто диффузионный характер. Такие транзисторы называют диффузионными.

2. Если же база неоднородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электрического опля движение носителей будет комбинационным: диффузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Они обладают лучшими частотными свойствами и получили наибольшее распространение.

3. Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (при подаче на него напряжения Uобр) велико – несколько Мом, поэтому в цепь коллектора можно включать резистор Rн с весьма большим сопротивлением, не изменяя значения тока коллектора. Следовательно, в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность.

4. Сопротивление прямо смещенного эмиттерного перехода (при подаче на него напряжения Uпр) мало – десятки Ом, поэтому при почти одинаковых значениях тока эмиттера и тока коллектора мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки.

Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

С другой стороны, малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольта) и большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода, составляющее десятки вольт) указывают на то, что этот управляемый нелинейный элемент может применяться для усиления напряжения.

ВЫВОДЫ:

1. Под действием прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается и в базу диффундируют (инжектируют) электроны.

2. Инжектированные в базу электроны диффундируют в сторону коллекторного перехода.

3. Так как база очень тонкая и концентрация основных носителей заряда – дырок - в ней низкая, почти все инжектированные в базу электроны достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем перехода в коллектор, образуя управляемый ток коллектора.

4. Небольшая часть инжектированных электронов, успевая рекомбинировать в базе, образует рекомбинированную составляющую тока эмиттера I_{Э рек}, замыкающуюся через цепь базы.

5. Через цепь базы замыкаются также небольшая дырочная составляющая тока эмиттера I_{Э р}, образованная диффузией дырок из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода I_КБ0. Последний направлен навстречу составляющим тока I_{Э р} и тока I_{Э рек}.

10.

Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

В случае включения биполярного транзистора с ОЭ сходной ток соответствует току базы, а выходной ток соответствует току коллектора.

Особое место из всех схем включения биполярного транзистора занимает схема с ОК, где входной ток соответствует току базы, а выходной ток соответствует току эмиттера

Схема включения биполярного транзистора с ОК

С общей базой

С общим эмиттером

С общим коллектором

Таблица 3.1 - Режимы биполярного транзистора

11

Различают статический режим транзистора, при котором на его электроды поданы только напряжения от источников питания, и динамический режим, при котором кроме этих напряжений на вход транзистора подается усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено Rн.

Статические характеристики транзистора представляют собой зависимости тока в цепи одного из электродов от изменяющегося питающего напряжения на этом электроде при неизменном питающем напряжении на другом электроде или токе в цепи последнего. Для схемы с ОБ используются следующие характеристики:

• входная характеристика: эмиттерная характеристика – это зависимость тока I_Э от напряжения U_ЭБ при неизменном напряжении на коллекторе: I_Э =  (U_ЭБ) при U_КБ = const;

• выходная характеристика: коллекторная характеристика – это зависимость тока I_К от напряжения U_КБ при неизменном токе эмиттера: I_К =  (U_КБ) при I_Э = const.

В справочниках обычно приводятся две входные статические характеристики для напряжения: U_КБ = -5 В и U_КБ = 0

Уменьшение рабочей толщины базы приводит, во – первых, к увеличению градиента концентрации инжектированных в базу дырок, в результате чего увеличивается ток диффузии, то есть ток эмиттера I_Э, во – вторых, - к уменьшению рекомбинационной составляющей тока эмиттера I_{Э рек}, так как уменьшение числа дырок, успевающих рекомбинировать в базе, происходит быстрее, чем увеличение тока эмиттера.

Это говорит о том, что транзистор, включенный по схеме с ОБ, имеет малое входное дифференциальное сопротивление:

R_вх.Б = U_ЭБ / I_Э при U_КБ = сonst. (3.10)

Для транзисторов малой мощности сопротивление R_вх.Б в зависимости от точки, в которой оно определяется, составляет единицы-десятки Ом.

В семействе коллекторных характеристик, изображенных на рисунке 3.8, б, нет характеристики, соответствующей току I_Э = 0.

При токе I_Э = 0 в базу из эмиттера не поступают дырки, и в цепи коллектора протекает только обратный ток I_КБ0, который при комнатной температуре, даже у германиевых транзисторов, настолько мал, что в одном масштабе с характери­стиками для тока I_Э > 0 изобразить характеристику для тока I_Э = 0 невозможно, так как она сольется с горизонтальной осью.

Объясняется это тем, что при токе I_Э = const прирост тока I_К при увеличении напряжения U_КБ происходит лишь за счет уменьшения рекомбинациониого тока I_{Э рек}, который очень мал.

Слабая зависимость тока I_К от напряжения U_КБ свидетельствует об очень вы­соком сопротивлении транзистора с ОБ:

R_вых.Б = U_КБ / I_К при I_Э = const.

12

Входная характеристика: зависимость тока I_Б от напряжения U_БЭ при неизмен­ном напряжении на коллекторе:

Например, увеличение напряжения U_БЭ вызовет увеличение тока эмитте­ра I_Э, при этом за счет роста составляющих тока I_Эn и I_Эрек увеличится и ток базы.

ри напряжении U_KЭ = 0 (коллектор замкнут накоротко с эмиттером) оба пе­рехода находятся под прямым напряжением источника Е_Б. При этом ток базы равен сумме прямых (диффузионных) токов эмиттера и коллектора и ограничи­вается сопротивлением базы

ВЫВОДЫ:

1. В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению дает также усиление по току. Транзистор, включенный по схеме с ОЭ, усили­вает приращения тока базы (амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиле­ние по напряжению в данной схеме остается примерно таким же, как и в схе­ме с ОБ (порядка десятков раз). Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

2. Транзистор, включенный по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений (входное больше, а выходное меньше), чем по схеме с ОБ.

3. Благодаря указанным преимуществам схема с ОЭ находит наибольшее при­менение на практике.

1 3

Особенность данной схемы состоит в том, что входное и выходное напряже­ния сигнала действуют в одной цепи база-эмиттер.

R_вх.ОК U_БК / I_Б при U _ЭК = Const.

Выходное сопротивление схемы с ОК — наименьшее из всех схем включения транзистора (десятки-сотни Ом). Очевидно, что в данной схеме прирост напря­жения на сопротивлении R_Э, то есть напряжение Uвых, всегда меньше напряже­ния Uвх. Это означает, что схема с ОК не дает усиления по напряжению. В то же время схема с ОК дает усиление по току и мощности.

Статические характеристики транзистора снимаются при отсутствии нагру­зочного резистора (R_К = R_Э = 0), поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

ВЫВОДЫ:

1. Схема с ОК вносит усиление по току и мощности, но не дает усиления по на­пряжению.

2. Схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включения транзистора входное и наименьшее выходное сопротивления.

14

Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора  к изменению тока в цепи базы   при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока   :

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.

Используя параметр   , связь между током коллектора I_K и током базы I_б, можно приближенно записать в виде

При включении транзистора по схеме, представленной на рис. 135 (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора  к изменению тока базы  является отношением изменения выходного тока   к изменению входного тока  . Это отношение называется коэффициентом усиления по току К_т:

Так как параметр B у транзистора может иметь значения от ~ 20 до ~ 500 , электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.

Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор R_к, значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.

Изменение тока коллектора на некоторую величину     приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину

Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора   к вызвавшему его изменению напряжения на входе   называется коэффициентом усиления каскада по напряжению К_н :

Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.

15 НЕ нашел 1

16 .

В ходная характеристика: зависимость тока I_Б от напряжения U_БЭ при неизмен­ном напряжении на коллекторе Например, увеличение напряжения U_БЭ вызовет увеличение тока эмитте­ра I_Э, при этом за счет роста составляющих тока I_Эn и I_Эрек увеличится и ток базы.

Сравнивая входные статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ с одноименными характеристиками для схемы с ОБ, можно заметить некоторые различия между ними:

• Во-первых, в схеме с ОЭ напряжение U_КБ не увеличивает входной ток I_Б, а уменьшает его, то есть смещает характеристику вправо. Причем резкое уменьшение тока базы происходит при изменении напряжения U_KЭ от нуля до значения, примерно равного напряжению на базе Е_Б, то есть до нескольких десятых долей вольта, а дальнейшее увеличение напряжения U_КЭ мало влия­ет на ток базы.

• Во-вторых, входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при наличии на­пряжения U_KЭ, имеют отрицательный участок (I_Б < 0).

При напряжении U_KЭ = 0 (коллектор замкнут накоротко с эмиттером) оба пе­рехода находятся под прямым напряжением источника Е_Б. При этом ток базы равен сумме прямых (диффузионных) токов эмиттера и коллектора и ограничи­вается сопротивлением базы.

При включении источника питания в коллекторной цепи и повышении его напряжения до значения Е_Б прямой ток через коллекторный переход уменьшает­ся до нуля, а при дальнейшем повышении напряжения U_КЭ коллекторный пере­ход оказывается под обратным напряжением и дырки, инжектированные в базу из эмиттера, доходят до коллекторного перехода (так как теперь им не препятст­вует встречный ток дырок из коллектора) и перебрасываются полем коллектор­ного перехода в коллектор.

Ток коллектора опять быстро возрастает, но теперь он имеет свое обычное на­правление — вытекает из коллектора. Ток базы при этом уменьшается до нор­мального значения, транзистор входит в свой обычный режим.

ВЫВОДЫ:

4. В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению дает также усиление по току. Транзистор, включенный по схеме с ОЭ, усили­вает приращения тока базы (амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиле­ние по напряжению в данной схеме остается примерно таким же, как и в схе­ме с ОБ (порядка десятков раз). Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

5. Транзистор, включенный по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений (входное больше, а выходное меньше), чем по схеме с ОБ.

6. Благодаря указанным преимуществам схема с ОЭ находит наибольшее при­менение на практике.

1 7

В отличие от схемы с ОЭ в схеме с общим коллектором (ОК) (рисунок 3.12) нагру­зочный резистор включается в цепь эмиттера, а не коллектора. Выходное напря­жение снимают с нагрузочного резистора в цепи эмиттера.

Особенность данной схемы состоит в том, что входное и выходное напряже­ния сигнала действуют в одной цепи база-эмиттер.

Прирост напряжения, создаваемый источником сигнала, вызывает близкие по значению приросты падения напряжения на нагрузочном резисторе R_Э, но про­тивоположной полярности.

Для того чтобы транзистор можно было считать линейным четырехполюсни­ком (рисунок 3.13), амплитуды переменных напряжений, приложенных к транзисто­ру, должны быть достаточно малы.

Выходное сопротивление схемы с ОК — наименьшее из всех схем включения транзистора (десятки-сотни Ом). Очевидно, что в данной схеме прирост напря­жения на сопротивлении R_Э, то есть напряжение Uвых, всегда меньше напряже­ния Uвх. Это означает, что схема с ОК не дает усиления по напряжению. В то же время схема с ОК дает усиление по току и мощности.

Статические характеристики транзистора снимаются при отсутствии нагру­зочного резистора (R_К = R_Э = 0), поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

ВЫВОДЫ:

3. Схема с ОК вносит усиление по току и мощности, но не дает усиления по на­пряжению.

4. Схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включения транзистора входное и наименьшее выходное сопротивления.

18. Статические характеристики биполярных транзисторов ( на примере транзистора, включенного по схеме с общей базой)

татические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входной характеристикой является зависимость:

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

схемы включения биполярных транзисторов

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Усилитель с общей базой.

• Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]

• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.

• Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

• Малое усиление по току, так как α < 1

• Малое входное сопротивление

• Два разных источника напряжения для питания

19.температурные и частотные свойства биполярных транзисторов

Температурные и частотные свойства транзистора

Диапазон рабочих температур транзисторов, определяемый свойствами р-n переходов, такой же, как и у полупроводниковых диодов. Особенно сильно на работу транзисторов влияет нагрев и менее существенно - охлаждение (до минус 60°С). Исследования показывают, что при нагреве от 20 до 60⁰ С параметры плоскостных транзисторов изменяются следующим образом:r_К падает примерно вдвое, r_Б- на 15-20 %, а r_Э возрастает на 15-20 %.

Особенно существенное влияние на работу транзистора при нагреве оказывает обратный ток коллекторного перехода, I_КБО. Для практических расчетов можно принять, что при повышении температуры на каждые 10°С ток I_КБО возрастает примерно вдвое.

Нестабильность режима работы транзистора, обусловленная током I_КБО, очень существенна, так как обратный ток коллектора в значительной степени влияет на токи эмиттера и коллектора, а, следовательно, на усилительные свойства транзистора.

Наиболее часто для работы при повышенных температурах применяются кремниевые транзисторы. Предельная рабочая температура у этих приборов составляет 125 ... 150°С в то время как для германиевых транзисторов - около 60⁰С.

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости эмиттерного и коллекторного р-n переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и возрастает их шунтирующее действие. Как указывалось при составлении Т-образной эквивалентной схемы транзистора наиболее вредное влияние на работу транзистора оказывает емкость коллекторного перехода С_к, так как она стоит параллельно сопротивлению r_к, величина которого значительна. Поэтому нарушение распределения токов в выходных цепях, которое характерно для низких частот, начинает сказываться при более низких значениях частоты сигнала: ток зависимого источника I_б вместо того чтобы поступать в нагрузку начинает замыкаться через емкость С_к.

Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе. Хотя время пролета носителей через базу незначительное, порядка долей микросекунды, но на частотах порядка единиц - десятков мегагерц становится заметным сдвиг фаз между переменными составляющими токов I_э и I_к. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами рисунка 2.9 при различных частотах сигнала.

Рисунок 2.9. Векторные диаграммы токов транзистора на разных частотах

С изменением частоты будет изменяться также величина фазового сдвига выходного тока транзистора по отношению к входному. Выражение (2.4) должно соблюдаться и при векторной форме представления токов. Поэтому при сдвиге по фазе между токами эмиттера и коллектора ток базы увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента в (см. выражение (2.9)) с ростом частоты сигнала.

Необходимо отметить, что с увеличением частоты коэффициент уменьшается значительно сильнее, чем б. Коэффициент бснижается лишь вследствие влияния емкости С_к, а на величину в влияет, кроме этого, еще и сдвиг фаз между I_э и I_к. Следовательно, схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема с общим эмиттером.

Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы:

(2.22)

где f_б и f - частоты, на которых коэффициенты усиления по току или б уменьшается до 0,7 (в v2 раз) своего значения на низких частотах(₀ или б₀).

Оценивая частотные свойства транзистора, следует учитывать также, что диффузия - процесс хаотический. Носители зарядов, инжектированные эмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигают коллекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения тока коллектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводит к искажению усиливаемого сигнала. Следует подчеркнуть вполне очевидную вещь, что чем тоньше база, тем в меньшей степени искажается сигнал на выходе и допускается работа транзистора на более высоких частотах. Поэтому, чем более высокочастотный транзистор, тем тоньше у него должна быть база.

Классификация биполярных транзисторов. Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (Р_вых 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт< Р_вых 1,5 Вт) и мощные (Р_вых > 1,5 Вт); по частотным свойствам - на низкочастотные (f_б 0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< f_б 3 МГц), высокой частоты (3 МГц < f_б 30 МГц) и сверхвысокой частоты (f_б > 30 МГц).,

20 Динамические характеристики биполярных транзисторов

Динамические характеристики 

• f_гр — граничная частота передачи тока в схемах с общим эмиттером

• C_к — ёмкость коллекторного перехода

• C_э — ёмкость эмиттерного перехода

• τ_к — постоянная времени цепи обратной связи коллекторной цепи

• t_рас — время рассасывания

В динамическом  режиме изменения коллекторного тока при E_k = const и R_k = const зависят не только от изменения базового тока,  но и от изменения напряжения на коллекторе U_kэ = E_k - I_k R_k, которое, в свою очередь,  определяется изменениями как базового  так и  коллекторного токов. Такой режим работы называется динамическим, а характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при  наличии сопротивления нагрузки - динамическими. Динамические характеристики строятся на семействе статических ВАХ при заданных значенияхE_k  и R_k 

21 Канальные полевые транзисторы (с p-n переходом).Конструкция , принцип действия,УГО , стокофая характеристика

Сочетание достоинств полевых транзисторов с p-n переходом и МДП ПТ реализуется в транзисторах с барьером Шотки, упрощенная конструкция которых приведена на рис. 1.20, в. Здесь в качестве управляющей цепи используется контакт «металл — полупровод­ник», обладающий выпрямительными свойствами и очень малой емкостью. Механизм управления аналогичен приборам с управляю­щим p-nпереходом. В качестве исходного материала применяется обычно арсенид галлия n-типа. Это обеспечивает хорошие температурные, усилительные и частотные свойства приборов.

Принцип действия полевого транзистора с управляющим

p–n-переходом основан на изменении проводимости канала за счёт изменения

его поперечного сечения. Между стоком и истоком включается напряжение та-

кой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа)

перемещались от истока к стоку. Между затвором и истоком включено отрица-

тельное управляющее напряжение, которое запирает p–n-переход. Чем больше

это напряжение, тем шире запирающий слой и уже канал. С уменьшением по-

перечного сечения канала его сопротивление увеличивается, а ток в цепи сток –

исток уменьшается. Это позволяет управлять током стока с помощью напряже-

ния затвор-исток Uзи

. При некоторой величине напряжения затвор-исток запи- рающий слой полностью перекрывает канал, что приводит к уменьшению про- водимости канала. Напряжение Uзи , при котором перекрывается канал, называют напряжением отсечки и обозначают Uотс Для n-канального полевого транзистора напряжение отсечки отрицательно. Рассмотрим вольт-амперные характеристики ПТ. Входные характеристики у полевых транзисторов отсутствуют, так как входной ток равен нулю. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 23.2. На выходной характеристике можно выделить три области – отсечки, линейную (триодную) и насыщения. В линейной области ВАХ представляют прямые, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток Uзи Минимальное сопротивление канала достигается, когда напряжение 0 Uзи = , так как проводящая часть канала в этом случае имеет наибольшее сечение. Таким образом, в линейной области полевой транзистор можно использовать как резистор, сопротивление ко-

торого регулируется напряжением затвора. По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: с управляющим p–n-переходом; с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП- транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-

транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический

кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной

или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор

называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про-

водимость, называют p-канальными. В МОП- транзисторах канал может быть

обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой

транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов.

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электро- нике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и обеспечивают малое потребление энергии. Во вторых, МОП-транзисторы занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь, чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-

интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства

интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций,

чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

22 Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом . принцип действия , УГО. Достоинства полевых транзисторов.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Основным преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными являются большое входное сопротивление, малая зависимость параметров от температуры, малые нелинейные искажения и малые шумы. Малый уровень шумов в диапазоне низких и инфранизких частот (вплоть до частот 1–2 Гц) и высокое входное сопротивление. Делают предпочтительным ПТ по сравнению с БПТ гидролокационной аппаратуре и системах связи на сверхдлинных волнах, а также в схемах ИК техники. В то же время основными их недостатками по сравнению с БПТ являются: малая мощность, малое значение крутизны S, большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты.

23 Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом . принцип действия , УГО. Достоинства полевых транзисторов.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Основным преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными являются большое входное сопротивление, малая зависимость параметров от температуры, малые нелинейные искажения и малые шумы. Малый уровень шумов в диапазоне низких и инфранизких частот (вплоть до частот 1–2 Гц) и высокое входное сопротивление. Делают предпочтительным ПТ по сравнению с БПТ гидролокационной аппаратуре и системах связи на сверхдлинных волнах, а также в схемах ИК техники. В то же время основными их недостатками по сравнению с БПТ являются: малая мощность, малое значение крутизны S, большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты.

24. Динистеры. Назначение ,струтура, принцип работы, УГО ,вольтамерная характеристика

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости   (рис. 5.2, а). На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы (  и  ) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, – эмиттерами; средний p-n-переход ( ) называется коллекторным. Внутренние n₁- и p₂-области структуры называется базами. Область p₁, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n₂ – катодом (К).

Рис. 5.2. Структура динистора (а) и его условное графическое обозначение (б)

Рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре при подаче прямого напряжения, т. е. «+» на анод, «–» на катод. В этом случае крайние p-n-переходы   и   смещены в прямом направлении, средний переход   смещен в обратном направлении. Соответственно динистор можно представить в виде двухтранзисторной структуры (рис. 5.3). Так как переходы   и   смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области p₁, электроны из области n₂. Эти носители заряда диффундируют в областях баз n₁ и p₂, приближаясь к коллекторному переходу, и перебрасываются его полем через переход  . Дырки, инжектированные из областиp₁, и электроны из области n₂ движутся через переход   в противоположных направлениях, создавая общий ток  .

Рис. 5.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (б)

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе  . Поэтому к переходам   и  , имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток   мал и равен обратному току через переход  .

При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно. При дальнейшем увеличении напряжения, по мере увеличения ширины перехода  , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами p-n-перехода   ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p₂, а электроны в область n₁. Ток через переход   увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам   и   и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода   становится малым. Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 5.4). После переключения вольт-амперная характеристика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Рис. 5.4. Вольт-амперная характеристика динистора

Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока   (рис. 5.4), при котором на приборе будет небольшое напряжение  . Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током  , ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением включения  .

При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный переход   смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток.

34.Каскад с непосредственной связью. Назначение, область применения, принципиальная схема.

Задача каскада предварительного усиления состоит в максимальном увеличении подводимого к нему электрического сигнала без внесения в него частотных и нелинейных искажений, а также дополнительных составляющих, отсутствующих в подводимом сигнале (фон, наводки). Для усилителей низкой частоты радиовещательной аппаратуры частотный диапазон лежит в пределах от 40 до 16 000 гц. В этом диапазоне предварительное усиление сигнала без частотных искажений для усилителей на лампах выполнить несложно, для усилителей на транзисторах - несколько труднее. В предварительных усилителях частотные искажения в области низших частот вызываются недостаточной емкостью переходных конденсаторов и малым входным сопротивлением следующего каскада. Искажения в области высших частот возникают из-за больших емкостей монтажа, больших сопротивлений нагрузки каскада и паразитных отрицательных обратных связей через монтаж и цепи питания.

35.Усилители мощности. Назначение. Схема двухтактного усилителя мощности, работа в режиме класса В и АВ.

Усилители Мощности – это промежуточные или оконченные выходные каскады поэтому на входе каскады на входе довольно большой сигнал по амплитуде.

При работе используется большая часть входной характеристики усилителя который иногда включает нелинейные области входной характеристики, что приводит к искажению сигнала при усилении. Каскады рассчитывают область средних частот fo=кореньfн*fв. Нагрузка часто имеет малое сопротивление поэтому часто используют сглаживающие устройство которое доводит величину Rнагрузки до величины Rвых.

Классификация УМ:

1.по величине мощности нагрузке

2.малой P: P<0.3

3.средней: 0,3Вт<P<=Вт

4.большой: P>3Вт

Двухтактным называют усилитель с парой усилительных приборов работающего по очередно. Схема двухтактного УМ на базе двух транзистеров.

Транзистор VT1 и VT2 открывается параллельно на нагрузку будет выделяться усиленное напряжение большой недостаток фазы ивектора, что его входное сопротивление на эмитере и коллекторе резко отличается и для их выпрямления необходимо усложнить схему. Достоинство двухтактной схемы возможность работы уселителя в АВ иВ на допускаемом уровне недопустимых уравн. Для обеспечения работы требуется полная симетрия схемы и подачи на оба плеча двух одинаковых по амплитуде напряжения по фазе.

36. Усилители мощности с трансформаторным включение нагрузки. Схема.

Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки

Схема усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой показана на рис. В работе усилителя используется режим А. Исходным при расчете являются выходная мощность Pн и сопротивление Rн.

В выходной цепи каскада сопротивление постоянному току относительно мало. Оно определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, в силу чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя П, необходимо определить коэффициент трансформации . Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотки сопротивлением Rн: .

Rн

VT

Rэ

3

R

С1

R1

АХЧ:

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

38.Усилители постоянного тока прямого усиления. Назначение схем сдвига уровня.

УПТ находят самое широкое применение в системах автоматической регулировки, управления, измерительных приборах для усиления сигналов датчиков и преобразователей неэлектрических величин. На основе УПТ выполняются схемы интегральных операционных уси­лителей, которые находят широкое применение в различных элект­ронных устройствах. По принципу действия УПТ подразделяются на: УПТ прямого усиления, УПТ с преобразованием. Схема УПТ прямого усиления подана на рисунке. Усилители постоянного тока должны обеспечивать усиление как переменной, так и постоянной составляющих входного сигнала, поэтому для межкаскадной связи здесь пригодны элементы, сопротивления которых в широком диа­пазоне частот от fн = 0 и выше остаются практически неизменными.

В качестве таких элементов могут быть использованы резисторы, стабилитроны, диоды. Применяется также непосредственное присоединение выхода предыдущего каскада ко входу последующего. Однако при любом таком способе соединения каскадов видно, что высокое выходное постоянное напряжение предыдущего каскада непосредственно подается на базу последующего. Это не только может привести к изменению его смещения, но и, возможно, к выходу из строя транзистора

39.Дрейф нуля в уселителях постоянного тока.

дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

40. Усилители постоянного тока с преобразованием.

Применение компенсационных и балансных схем и стабилиза­ция источников питания позволяют снизить приведенный к входу дрейф усилителя постоянного тока прямого усиления до сотен, в лучшем случае до десятков микровольт в час. Колебания напряже­ния дрейфа, обусловленные в основном эффектом мерцания, имеют величину того же порядка.

Поэтому для усиления сигналов с напряжением ниже сотен мик­ровольт усилители постоянного тока прямого усиления непригодны, и для усиления таких сигналов применяют усилители постоянного тока с преобразованием

42.Основные схемы включения операционных усилителей. (повторитель, интегратор, дифференциатор, сумматор) Математические выражения, реализуемые схемой.

Дифференциальное сопротивление следует отличать от сопротивления дио­да постоянному току, которое определя­ется отношением напряжения к току в заданной точке характеристики (точ­ка А на рисунке 2.9): Rпр=Uпр/Iпр и составляет десятки-сотни Ом, то есть r_дифRпр.

Напомним, что нескомпенсированные объемные заряды атомов («-» акцепторной примеси и «+» донорной примеси) в рn -переходе, разделенные объемным слоем с малой электропроводностью, об­разуют емкость. Ее принято называть барьерной, или зарядной, емкостью рп - перехода. Емкость диода С_д является другим важным параметром, зависящим от напряжения Uобр. В справочниках указывают напряжение Uобр, которому соот­ветствует приведенное значение емкости С_д. При увеличении напряжения Uобр ширина pn -перехода увеличивается, а барьерная емкость уменьшается. При умень­шении напряжения Uобр ширина pn -перехода уменьшается, а барьерная емкость увеличивается. Остальные параметры ВЧ - диодов аналогичны параметрам низ­кочастотных выпрямительных диодов (Uпр, Iобр. max, Uобр.max, Iпр.max или Iвыпр. max).

Порядок определения сопротивлений r_диф и Rпр приведен на рисунке 2.9.