Электроника. ЭЛЕКТРОНИКА ЖӘНЕ АНАЛОГТЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАР СХЕМОТЕХНИКАСЫ. Алматы энергетика жне байланыс институты электроника жне компьютерлік технологиялар кафедрасы
 Скачать 89.06 Kb.
|
|
Биполярлық транзисторлар үшін 3.2, б–Суретте келтірілген шартты белгілерін қолдану керек. 3.2 Сурет б) Транзистордың n-р-n түрінің жұмыс істеу қағидасын қарастырайық. Транзистор келесі тәртіптерде (режимдерде) қолданылуы мүмкін: а) n-р өткелдердің екеуі де кері бағытта ығысқан (тоқтату (отсечка) тәртібі); ә) өткелдердің екеуі де тік бағытта ығысқан (қанығу тәртібі); б) эмиттерлік өткел тік бағытта, ал коллекторлық кері бағытта ығысқан (активті тәртіп – белсенді тәртіп); Белсенді тәртіпте жұмыс істегенде (2.2- Сурет) ЭӨ-нің потенциалдық тосқауылы. 3.3 Сурет – Биполярлық транзистордың жұмыс істеу қағидасы мәніне дейін төмендейді, ал кедейленген қабаттың ені кемиді; КӨ-нің потенциалдық тосқауылы шамасына өседі, ал кедейленген қабаттың ені артады. Эмиттерлік өткел арқылы база ішіне электрондардың инжекциясы іске асады. Инжекцияның деңгейі инжекцияланған электрондардың үйірленуінің олардың (е– дың) база ішіндегі тепе-теңдік үйірленуіне қатынасымен анықталады. Базаның Wб – деген ені транзисторларда Wб << Ln болатындай етіп таңдап алынады. Мұндағы Ln дегеніміз диффузиялық ұзындық Ln. (5) мұндағы Dn– диффузия еселеуіші (коэффициенті); – өмір сүру уақыты. Сондықтан эмиттермен инжекцияланған е-дардың басым көпшілігі базаның кемтіктерімен рекомбинациялануға (жойылуға) үлгермей коллекторға жетеді. Қазіргі кремнийден жасалған транзисторлардың базасының ені Wб—1мкм, ал электронның кремнийдің ішіндегі диффузиялық ұзындығы 5-10 мкм. КӨ-ні маңында электрондар оның үдеткіш өрісіне түседі де, коллектордың ішіне тартылады. Дрейфсіздік транзисторларда база электр бейтарап болуы тиісті. Электрондар мен кемтіктердің жарым-жартылай рекомбинациялану себебінен базаның бейтараптылығы бұзылады. Оны қайта орнату үшін, яғни кемтіктердің оң таңбалы зарядын толықтыру үшін, орныққан жұмыс тәртібінде Uэб кернеу көзінен база ішіне кемтіктердің керекті саны енгізіледі. Бұл соңғы кемтіктер базаның рекомбинациялық тоғын береді. Физикалық тұрғыдан бұл артық е-дардың Uэб көзіне қайта ағуына сәйкесті. Сонымен қатар, база тізбегі бойынша І кбо – тоғы (КӨ-нің кері тоғы) ағады. КӨ арқылы ағатын Ік тоғы ЭӨ-нің тоғына тәуелді. База тоғы: Іб=Іэ– Ік (6) 3.1Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші (коэффициенті) Эмиттер тоғы қатаң айтқанның өзінде де, ЭӨ бір жақты болғанның өзінде тек е-дардың қозғалысымен ғана анықталмай, кемтіктердің де қозғалысымен анықталады; ал коллектор тоғы (Іэ-ге тәуелді болатын) тек е – мен ғана анықталады.Сондықтан эмиттердің тиімділігі (эффективтілігі) деген түсінікті енгізуге болады (7) Мұнда Іэп және Іэр - эмиттер тоғының құраушысы ретінде кіретін электрондардың және кемтіктік бөліктері Іэ=Іэп+Іэр. (8) База арқылы тасушыларды тасымалдау еселеуі дегеніміз келесі қатынас болып табылады: (9) Эмиттердің тоғын беру статикалық еселеуіші деп - көбейтіні айтады. Өндірістің шығаратын транзисторлары үшін бұл – деген еселеуіш 0,9-0,999 шамасына жетеді. Қатаң математикалық қатынастарға сүйенбей-ақ Ік мен Uкб –ні, Іэ мен Uэб-ні [кейде Ік=f(Uкб) және Іэ=f(Uэб)] байланыстыратын ВАС-тың жүрісін түсіндірейік. Ік=f(Uкб)- коллекторлық ВАС деп, ал, Іэ=f(Uэб)- эмиттерлік ВАС деп аталады. 3.4Сурет – коллекторлық және волт амперлік сипаттамасы Эмиттерлік тоқ нөлге тең болғанда (Іэ=0), коллекторлық тізбек бойымен КӨ-нің кері тоғы Ікб бұл тоқ негізгі емес тасушылардың қозғалысынан туады. Бұл тоқ диодтағы кері ығысу бергендегі кері тоқтың Uкб- ға тәуелділігі сияқты заңдылықты береді. Іэ=/0, яғни нөлге тең болмағанда база ішіне электрондардың ағыны инжекцияланады да, олардың (электрондың) көбі коллекторға жетеді. Эмиттер тоғымен қамтамасыздандырылатын коллекторлық тоқ, Іэ-ге тең болады екен. Коллектор кернеуінің нөл мәнінен кері кернеудің жеткілікті үлкен мәндеріне дейін өзгеруі коллектор тоғына тек сәл дәрежеде әсер етеді, себебі КӨ оған жеткен е-ның бәрін Uкб кернеуінің шамасына тәуелсіз жинап алады. Uкб-нің өсуімен Ік- ның сәл өсуінің бақылануы КӨ-нің Uкб-нің өсуімен, енінің кеңейуімен, ал база енінің кішірейуімен және еселеуішінің сәл үлкеюімен түсіндіріледі. Сонымен, коллектордың толық тоғы (10) ал база тоғы (11) Uкб-нің шамасы үлкен болғанда, коллектордың тоғы КӨ-нің көшкіндік тесіп өтілу себебінен күрт өседі. КӨ-ге тік ығысу бергенде 2.3 Суреттегі ВАС –тан көріп отырғанымыздай Ік нөлге дейін кемиді де, ал одан кейін өзінің бағытын өзгертеді. Бұл жағдай КӨ-ге тік ығысу түсірілгенде оның электр өрісі база ішінен коллекторға қозғалып келе жатқан е- дар үшін тежеуші болатындығынан және КӨ-де тік тоқтың (Іэ-нің әсерінен пайда болатын) пайда болуымен түсіндіріледі. 4.3, а Суреттегі сипаттамалар ВАС-тар үшін ширекте (квадратта) салынған, себебі коллекторлық кернеу кері болып тұр, ал коллекторлық тоқ негізгі емес заряд тасушыларымен іске асырылады. Uкб =0 кезіндегі (жағдайындағы) эмиттерлік. ВАС диодтың ВАС-ына жақын; Uкб>0 болғанда сипаттама жоғары ығысады, себебі КӨ кеңейеді де, базаның ені кеңейеді. Бұл жағдайда Uкб =0 болғандағы сипаттаманың Uкб* кернеуінің мәніне сәйкесті жерін қарастырсақ, базадағы е- лердің үйірленуінің драдиенті өседі. Ал, бұл өз кезегінде эмиттер тоғының өсуімен қабаттас болады. Әдетте коллекторлық эмиттермен салыстырғанда кемірек қосындылтындықтан және КӨ-нің ауданы ЭӨ-нің ауданынан үлкен болатындықтан, транзистор беттескелі (симметриялы) прибор емес. Бірақ тәсілге қосқанда эмиттер мен коллекторды орындарымен ауыстырып қосуға болады. Транзистордың тәсілге мұндай жалғануы инвестрлік, яғни терістелген деп аталады. Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші (терістеп қосқанда коллектор эмиттер болды), тік жалғағандағы еселеуішінен кем болады. Бұл Ік-ның е-дық құрамының кемуімен және ауданы кем болатын коллектордың е-дарды жинауының нашарлануымен байланысты. 3.2 Дәріптелген (идеализированный) транзистор және оның ВАС-ы.(Эберс-Моллдың математикалық нобайы) Есептеулер үшін оның ішінде өз тәсілдендірілген есептеулер үшін де нақты транзисторды оның дәріптелген балама тәсілімен ауыстырып, орнына алуға болады. 3.5Сурет – Эберс–Моллдың математикалық нобайы Бұл тәсімді транзистор ЭӨ мен ЭК-ларды еліктетілетін (имитациялайтын) екі шала өткізгіш ретінде және оларға қатарлас қосылған І2 менІ1 тоқ көздерімен беріліп отыр. Бұл тоқ көздері нақты транзисторлардағы өткелдердің өзара әрекеттесуін (байланысын) ескеруге мүмкіндік береді. Бұл балама (парапарлық) тәсімде базаның кедергісін елемеуге және ЭӨ мен КӨ өткелдерінде кернеу өзгергенде база арқылы заряд тасушылардың өту шарттары өзгермейді деп алуға келісілген. Мұндай жеңілдіктер Іэ, Ік және Іб транзистор тоқтарының эмиттерлік Uэб мен коллекторлық Uкб кернеулерімен байланысын беретін өрнектерді оңай табуға мүмкіндік береді. Еске салайық, егер ЭӨ тік бағытта ығысқан болса және ол арқылы І1- ток өтіп жатса, онда база ішіндегі заряд тасушылардың белгілі бір бөлігінің жойылу (рекомбинациялану) себебінен КӨ-нің ішіндегі ток кеміген болады. Бұл жағдай балама тәсімде І1- ток генераторымен ескерілген. Осыған ұқсас терістеп (инверсті) қосқан жағдайда эмиттер ролін атқаратын өткелден берілуі де генераторымен ескерілген. Тікелей 3.5 Суреттен табатынымыз келесі (12) Өткелдің ВАС-ын келесі түрде табылатынын, екенін ескеріп, әрбір п-р- өткел үшін былай жаза аламыз (13) (14) Бұндағы І/эо пен І/ко – ЭӨ мен КӨ өткелдеріне кері кернеу берілгендегі жылулық тоқтар. І/эо – жылулық тоғын өлшеуді Uкб=0 болғанда жүргізеді, ал І/ко -ті өлшегенде Uкб=0 (15) 3.6 Сурет – а)ОБ қосылған транзистордың вольтамперлік сипаттамалары б) ОЭ қосылған транзистордың вольтамперлік сипаттамалары Транзистордың немқұрайлы (формалды) орнын баса тұру тәсілдері. 3.7 Сурет – Биполярлық транзистордың қосылу схемалары БПТ – нің қиылу режиміндегі динамикалық параметрлері ( қарастырып отырған модельде ) екі сызықты емес тосқауылдық сыйымдылықтармен анықталады ( 3.7-Суретті қара). Бұл сыйымдылықтар сәйкесті р-n-өткелдердегі кернеу өсімшелерінің пайда болу себебінен жабу қабатының аймағында жиналған қозғалмайтын зарядтардың өсімшесін модельдейді: ; ; (16) Мұнда және - эмиттерлік пен коллекторлық өткелдердің болған жағдайдағы сыйымдылықтардың шамасы, ал және -К-Б ( коллектор база ) және Э-Б ( эмиттер – база ) өткелдердің ТПА-сы ( түйіндік потенциалдар айырымы ); жақша сыртындағы "n" – көрсеткіштің мәні диффузиялық БПТ- лер үшін n=1/3 деп алынады. Келешекте эмиттерлік және коллекторық өткелдер сыйымдылықтарының шамасын паспорттық деректер ретінде ( әрине бегілі бір қателікпен ) пайдаланатын боламыз. БПТ-нің белсенді режимдегі жиіліктік қасиеттері негізінен база ішіндегі қозғалмалы заряд тасушылардың таралу процесінің инерциялығымен және коллекторлық ауысудағы ( өткелдегі ) тосқауылдық сыйымдылықтың ( ) ықпалымен анықталады. Инженерлік есептеулерде ток бойынша беріліс коэффицентінің ( ) жиіліктік сипаттамасы төменгі жиіліктік ( ТЖ ) сүзгінің ( I-ші реттік ) сипаттамасымен беріле алады. (17) Мұндағы - қиықтың дөңгелектік жиілігі. Бұл - жиілікте беріліс коэфицентінің абсолют мәні |β| - кемиді ( -есеге ). Уақыттық аймақта бұл тәуелділік келесі түрде болады (18) Мұндағы - тоқ бойынша беріліс коэффициентінің уақыт тұрақтысы. БПТ-нің динамикалық параметрлерін қарастырғанда күшейтудің шекаралық жиілігі ( басқаша айтқанда «бірлік күшейту жиілігі» ) деген түсінік енгізіледі. Бұл жиілікте күшейту коэффициентінің модулі «1ге» дейін кемиді. Тәжірибе жүзінде есептегенде келесі қатынасты пайдаланады: (19) (тағы интегралдық схемалардағы БПТ-лермен жұмыс істейміз) заряд тасушылардың тасымалдау процестерінің инерциялығымен; - өткелдердің нақты электр сыиымдылықтарының ( өткелдер тура және кері ығысқанда пайда болатын ) бар болуымен және ішкі кедергілер мәндерінің ақырғы болуымен; - зарядтардың жиналу және таралу эффектерімен ( кілттік схемаларды талдағанда әсіресе маңызды ). Инерциялық себептердің талдануын жеңілдету үшін әдетте, транзистор ішіндегі инерциялық процестер көздерінің үлкенірек бөлігін эквивалентті сыиымдылықтарға ( жалпы жағдайда кернеу мен жиілікке тәуелді болатын ) келтіреді де, түрлі режимдерде жұмыс істей алатын транзистордың эквивалентті схемасын құруға мүмкіндік болады. 3.8 Сурет – БПТ-нің айнымалы токтағы эквиваленттік схема а) белсенді режим б) қиылу режимі (20) С*к және С*Э – кері ығысқан p-n - өткелдердің сыйымдылықтары. - белсенді режимдегі жұмысшы нүктенің орны бұзылуы мүмкін; - база тізбектеріндегі резисторлар шамалары (мәндері) үлкен схемаларда температураны жоғарылатқанда БПТ-нің қиылу режимінен шығуының бұзылуы мүмкін; - температура өзгергенді қию кернеуінде және қаныққан БПТ-нің коллекторындағы қалдық кернеудің шамасы да өзгереді. Бірақ бұл өзгерулер айтарлықтай емес, сондықтан тәжірибе жүзінде ескермеуге де болады. 3.3 Транзисторлардың динамикалық параметрлері Динамикалық параметрлер деп келесі параметрлерді түсінеді. Бұл параметрлер схеманың басқа компоненттерінің (құрауыштарының) осындай параметрлерімен бірге сызықты схеманың АЖС-ының түрін анықтайтын немесе кілттік схемалардың өтпелі процестерін сипаттайтын болып табылады. Белсенді режимде жұмыс істейтін схемалар үшін көбінесе ток бойынша бірлік коэффициентінің жиіліктік сипаттамасын қарастырады. (a-ны немесе b-ны). Бұл коэффициенттердің жиіліктік сипаттамасы келесі жағдайлармен анықталады: - транзисторлық құрастылымдағы (біз) дық өзгеруі ток бойынша беріліс коэффициентінің өзгеруі. Міне осы, жоғарыда айтылған параметрлердің арасында температураға ең күшті тәуелді болатыны – кері токтар: (21) Мұнда t*- екі еселеу температурасы, яғни температура айырымының белгілі бір мәнінде кері жылулық тоқтар екі еселенеді (тәжірибе жүзінде жиі келесі мәнді қолданады: t*=10оС). Әдетте kt - ден белгіленетін температуралық кофэфициентті (жалпы алғанда кез келген температураға тәуелді «А» шаманың) былай түсінеді: - «1 оС-ға есептелген коэффициентті түсінеді. UБЭ-нің температуралық коэффициентінің мөлшерлік мәні жуықтап алғанда деп бағалағанда (ескерту: температураның өсуі UБЭ-шамасының кемуіне әкеліп соғады). Мүмкін болатын келесі бұзылуларға да көңіл аудару керек: Әдетте шамасы бойынша үлкен (оншақты, жүз шақты килоОм). Шығыс кедергі: (22) БПТ-нің ОК схемасындағы өте кішкентай (өте аз шама). Сонымен келесі жағдайды атап кетуге болады. БПТ-нің ОК-схемасы келесі параметрлерді алуға мүмкіндік береді: - Кернеу бойынша өте тұрақты күшейту коэффициентін (себебі b-мәні өте үлкен болғанда беріліс коэфицентінің шамасы b-ның мәніне өте аз теуелді болады); - Ток бойынша күшейту коэфицентін жоғарғы дәрежеде етіп алуға болады. 3.4 БПТ-нің статикалық сипаттамаларына температураның әсері БПТ-нің барлық сипаттамаларына температураның өзгеруі әртүрлі дәрежеде ықпал етеді, бірақ келесі БПТ-нің статикалық сипаттамаларына нақты анықтаушы ықпал жасайтындар келесілер кері тоқтардың өзгеруі, jт- деп бейнеленген температуралық потенциалдық тәжірибе жүзінде БПТ-нің тоқтары үшін барлық қатынастар және оның өткелдеріндегі потенциялдар және оның өткелдеріндегі потенциялдар үшін барлық қатынастар ( ОЭ схемасына тән болатын ) ОК-схемасы үшін де қолданыла алады. Тағы бір ескерілетін жағдай – ол ОК-схемасы үшін қанығу режимі болмайды, себебі коллектор потенциялы ешқандай да база потенциялынан төмен бола алмайды. БПТ-нің ОК-схемасы үшін қанығу режиміндегі параметрлер ОЭ- схемасындағы қиылу режиміндегі параметрлеріне ұқсас. ОЭ-схемасындағы кернеу бойынша күшейту (23) Бұл соңғы өрнектен көретініміз: β-шамасы үлкен болғанда - шамасы « 1ге» өте жақын. ОЭ-схемасындағы ток бойынша күшейту (24) P.S. Бұл соңғы өрнектен - шамасы өте үлкен Кіріс кедергіні талдағанда 3.6 Суреттегі – эмитерлік резистор ток бойынша тізбекті КБ ( кері байланыс ) ролін атқарады да , ОЭ-схемадағы кіріс кедергі келісіге тең болады. 3.4 Ортақ коллектормен ( ОК ) БПТ-нің қосылу схемасы а) б) 3.9 Сурет БПТ-нің ОК-схемасымен қосу. а) қосудың негізгі схемасы; б) қосудың балама схемасы -динамикалық кіріс кедергісі; - коллектордың басқарылатын ток көзі; - кіріс тізбек жағынан коллекторлық токты басқарудың тіктілігі. Бұл схемада басқарушы кернеу Б-Э-учаскесіне түсіріледі де, ол шығыс сигнал эмиттерлік тізбекке қосылған жүктеме резистордан алынады ( ескере кетейік! Коллектордың потенциялы бекітілген ). Егер ОЭ-схемасында = 0 деп алатын болсақ БПТ- ні ОК-схемасымен қосуды ОЭ-схемадағы қосудың жеке жағдайы ретінде қарастыруға болады. Міне осы соңғы шарт орындалса. ОЭ-схема «терең» кері байланыспен қамтылған болып шығады. Ал енді БПТ-нің ОБ-схемасындағы коллекторлық сипаттамасын келтірейік: \ 4–Сурет ОБ мен қосылған транзистордың шығыс сипаттамаларының үйірлері Ескертіп кетейік! Бұл схемадағы БПТ- нің қанығуы тек болғанда ғана іске асырылады, ал бұл жағдайға егер коретендіру көзінің полярлығы бекітілген болса, жете алмаймыз! Дай жиі кездеседі), онда және оның шамасы әдетте жеткілікті үлкен ( 100 және 1000 ) болуы мүмкін. Ток бойынша күшейту (25) әдетте «1»-ден кем. Кіріс кедергі (26) Бұл схемадағы кіріс кедергі БПТ-нің ОЭ схемасындағы -кедергісінен β есе кем. Шығыс кедергі (27) Бұл схемадағы шығыс кедергі БПТ-нің ОЭ- схемасындағы шығыс кедергісінің мәніне тең. Коллектордағы төбелік кернеудің шамасы коллекторлық өткелдің (КӨ-нің) көшкіндік тесіп өтілуімен анықталып шектеледі; коллектордың төбелік мүмкін бола алатын тоғы коллектормен оның шықпасының арасындағы Омдық түйсінінің жанып кету қауіптілігімен шектеледі; коллекторда шашыратылатын қуаттың төбелік мүмкін бола алатын шамасы КӨ-нің төбелік температурасымен Ттөб. өткел және айналасындағы ортаның температурасымен Торта анықталады: (30) Мұндағы Rт – транзистордың жылулық кедергісі деп аталатын тұрақты шама. Ол КӨ -ден транзистор қабына (тысына) джоульдік жылудың берілуін анықтайды, [С/Вт]. Кремнийлік транзисторлардың Т өткел.мах шамасы 200С мәніне дейін жете алады. Коллекторда шашырайтын төбелік мүмкін болатын қуаттың қисық сызығы келесі беркенің көмегімен салынады (31) Мүмкін болатын Іок – тоқтың және Uокб – кернеудің шамалары бұл қисық сызықтан төмен жатады. Коллектордың тоғы мен оның кернеуінің шамалары төбелік мәндерінен 70% алып түсетін болса, жұмыс тәртібі (транзистордың) қауіпті аралықта болады. Транзисторлардың екі тесіп өту кернеулері болады. Uкбо – деген кернеуді коллектор мен база шықпаларының арасында белгілі бір берілген І кбо – тоғы мен І э – эмиттер тоғының нөл болған жағдайында І э= 0 өлшейді. Ал U кэо – деген кернеу коллектор мен эмиттер шықпаларының арасында белгілі бір берілген элиттер тоғы (І э= const) мен база тоғының нөлге тең кезінде (І б= 0) өлшейді. U кэо >> U кбо, яғни бұл теңсіздік жиі орындалуы мүмкін. Транзистордың көшкіндік тесілуінің себебі ретінде база мен коллектор тізбектеріне жалғанған Rб мен Rк кедергілері де болуы мүмкін. Егер Rк шамасы кішкентай болса, онда басталған көшкіндік тесіп өту қайтымсыз жылулық тесілуге көшуі мүмкін. Егер Rб кедергіні өсірсек тесілудің кернеуі кемиді. Сондықтан аса қуатты транзисторлар үшін мүмкін бола алатын UкэRмах – деген кернеудің шамасын белгілі бір Rбмах кедергінің шамасынан кем болатын база кедергісінің (Rб) мәні үшін көрсетіледі. Сонымен қатар, транзистордың анықтамалық деректерінде ұсынылатын немесе нақтылы деп аталатын жұмыс тәртібі үшін шаққылық (дифференциялдық) һ-параметрлер келтіріледі. Мысалы, төменгі қуатты транзисторлар үшін мұндай тәртіптер ретінде келесі тәртіптер (режимдер) болуы мүмкін: |