Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
транзистори з керуючим p-n переходом. Умовні позначення (I) і структура (II) польового транзистора з керуючим p-n переходом показано на рис.1.На підкладці з p-кремнію створюється тонкий шар напівпровідника n типу, що виконує функцію струмопровідної області (каналу. Канал ізольований ввімкненим в зворотному напрямку p-n переходом від підкладки й затвора. Затвор використовується для керування величиною поперечного перерізу каналу. На кінцях каналу знаходяться – сильно леговані n+ - області, авдяки яким формується омічні контакти із металевими електродами стоку й витоку. При підключенні напруги СВ між стоком (+) і витоком (-) виникає дрейфовий рух основних носіїв заряду (електронів) від джерела через канал до стоку. З'явиться струм стоку IC, який буде максимальним (IC MAX) при повністю відкритому каналі, тобто при UЗВ=0. При подачі негативної напруги на затвор (UЗВ<0) замикаючий шар розширюється, канал звужується, збільшується його опір, зменшується струм стоку IC. Негативна напруга на затворі, при якій незалежно від напруги на стоці відбудеться перекриття каналу, називається напругою відсічки струму стоку (Uвідс<0). Підкладка може служити другим керуючим електродом. Напруга на p-n переході поблизу витоку складає UЗВ, а поблизу стоку – (UЗВ+UСВ), що зумовлює область розширення збідненого носіями заряду шару. Звичайно для польового транзистора використовуються дві статичні характеристики вихідні характеристики В) при UЗВ=const риса) і характеристика прямої передачі IC=f(UЗВ) при В рис. баб) Рис Як параметри польового транзистора використовують наступні величини (для схеми з загальним витоком): вихідний диференціальний опір: Крутість S показує на скільки міліампер змінюється струм стока C I при зміні напруги ЗВ U на В і постійній напрузі між стоком і витоком СВ U . Цим параметром характеризують підсилювальні властивості приладу. Звичайно крутість розраховують для режиму, який відповідає мінімальному участку стоко-затворної характеристики. Для цього будують трикутник ABC завдяки якому знаходять приріст струму с і напруги ∆ Uзв і по формулі (4) визначають крутість S (рис. б. Вихідна провідність визначається нахилом стокової характеристики в області насичення (риса. Цей параметр знаходять побудовою трикутника DEF завдяки якому визначають приріст струму с і напруги ∆ св . За формулою (8.6) розраховують значення вихідної провідності с . На лінійній ділянці стум стоку пропорційний до U c , ау ділянці насичення стум стоку не залежить від напруги стоку. При підвищенні від‘ємної напруги зміщення на затворі з струм насичення і напруга, що відповідає початку насичення зменшуються. Це зумовлено зниженням початкової товщини провідного каналу, що, в свою чергу призводить до більшого початкового опору каналу транзистора. При значних напругах на стоці може виникнути пробій р + -n-переходу затвора. Зворотня напруга нар +-n-переході затвора змінюється вздовж каналу, досягаючи максимального значення в кінці каналу біля стоку і дорівнює сумі напруг на стоці і на затворі. Отже, пробій польового транзистора може відбуватися при різних напругах на стоці залежно від напруги на затворі. Оскільки польові транзистори виготовляють здебільшого на основі кремнію, пробій таких транзисторів, як правило, має лавинний характер. Статичні характеристики передачі: І с =f(U з ) при U c =const. Струм стоку буде максимальним приз. Якщо напруга на затворі досягає напруги відсікання, то канал повністю перекривається і струм у вхідному колі спадає практично дону ля. При зміні напруги на стоці зміщенням передачі практично можна знехтувати у зв‘язку з малими змінами струму стоку. Характеристика передачі з ВАХ нелінійна через те, що міняється механізм проходження носіїв через транзистор дрейфовий в лінійній ділянці ВАХ, й переходить в екстракційний на ділянці насичення. 10. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 5.15: Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером ( рисунок) Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и потоку. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы б, и напряжение на коллекторе ка выходными характеристиками будут ток коллектора к и напряжение на эмиттере U э Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде: В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа) после перегруппирования сомножителей получаем (5.30) Коэффициент α/(1-α) перед сомножителем б показывает, как изменяется ток коллектора к при единичном изменении тока базы б. Он называется коэффициентом усиления потоку биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком β. (5.31) Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α < 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). С учетом (5.31), а также к = к) выражение (5.30) можно переписать в виде (5.32), где к = (к - тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора ка величина r к определяется как r к = r к. Продифференцировав уравнение (5.32) потоку базы б, получаем β = ∆I к /∆I б . Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора к при изменении тока базы б вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером стоком базы, как параметром кривых. Сравнивая эти характеристики с аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны. Проанализируем, почему малые изменения тока базы б вызывают значительные изменения коллекторного тока к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переходи лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток. Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером (рисунок) В схеме к базе транзистора относительно общего эмиттера приложены напряжения Uвх и Еб. При положительном полупериоде Uвх напряжение Uбэ = Еб + Uвх, те. напряжение Uбэ увеличивается. Это вызовет увеличение б, а следовательно, э и к, что приведет к увеличению падения напряжения на н, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) уменьшится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде Uвх выходное напряжение будет увеличиваться. Таким образом, в схеме ОЭ входной и выходной сигналы парафазны (сдвиг фаз между входными выходным сигналами равен 180°). Входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Так как б << к, можно сказать, что Iвх << Iвых. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление тока. При малых напряжениях во входной цепи токи также малы. Это говорит о том, что входное сопротивление схемы ОЭ значительно выше, чему схемы ОБ. Выходной ток протекает через большое сопротивление нагрузки RH, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОЭ (при этом оно ниже, чему схемы ОБ. Одновременное усиление напряжения и тока обеспечивает максимальный коэффициент усиления мощности по сравнению с другими схемами. Поскольку величины входного и выходного сопротивлений имеют приемлемые для большинства случаев значения, схема ОЭ получила наибольшее распространение при построении различных радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах. Входные ВАХ транзистора с общей базой Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n - перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряженияu КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли эффектом модуляции толщины базы, заключающимся в том, что при увеличении обратного напряженияu КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряженияu БЭ при неизменном входном токе. Выходные ВАХ транзистора с общей базой Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при КБ 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в областиu КБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю приu КБ < -0,75 В. Приu КБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектораI К0 , то есть график ВАХ, соответствующийi Э = 0, практически сливается с осью напряжений. В схеме (риск эмиттеру транзистора относительно общей базы приложены напряжения Uвх и Еэ. При положительном полупериоде Uвх напряжение Uэб = Еэ – Uвх, те. напряжение Uэб уменьшается. Это вызовет уменьшение э, а следовательно, и к, что приведет к уменьшению падения напряжения на н, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) увеличится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде Uвх выходное напряжение будет уменьшаться. Таким образом, в схеме ОБ входной и выходной сигналы синфазны сдвиг фаз между входными выходным сигналами равен 0). Входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. С учетом соотношения эк +б можно сказать, что Iвх > Iвых (с учетом малого значения Б можно считать Iвх . Iвых). Таким образом, в схеме ОБ усиления тока не происходит. При малых напряжениях во входной цепи возникают токи значительной величины. Это возможно, если входное сопротивление схемы ОБ низкое. Рис.4.7.Схема включения БТ с ОБ Выходной ток, практически равный входному, протекает через большое сопротивление нагрузки н, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОБ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОБ. 11. При паралельному з'єднанні елементів загальним параметром є напруга. Тому результуючу ВАХ будують запершим законом Кірхгофа: Якщо була задана напруга U, а струми в паралельних вітках невідомі, то за напругою на вході кола U за ВАХ нелінійних елементів визначають струми І, І а потім запершим законом Кірхгофа - загальний струм. Якщо був заданий струм І, то необхідно будувати результуючу характеристику U = f (ї +12). Розглянемо окремий випадок - паралельно з нелінійним елементом включено джерело постійного струму j. У цьому випадку ВАХ ділянки кола, яке містить нелінійний елемент і джерело струму, знаходять зсувом характеристики нелінійного елемента Ін (U) на величину струму джерела у бік додатних (для схеми рис. 3.13) або від'ємних значень струму залежно від полярності джерела струму І = Ін + J; І = Ін - J Рассмотренные методы расчета широко используются при анализе цепей, содержащих электронные и полупроводниковые приборы. I = I 1 + I 2 - первый закон Кирхгофа. Для построения ВАХ эквивалентного элемента, необходимо произвольным образом взять различные значения напряжения и вычислить для этих значений первого и I 2 второго элемента. Далее по I закону Кирхгофа находим ток результирующего элемента для этих значений напряжений. Получим координаты различных точек ВАХ. 12. Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h- параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины. h- параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U1 = Uбэ, входным током I1 = б, выходным напряжением U2 = Uкэ и выходным током I2 = к могут быть выражены системой двух уравнений ∆U1 = h11∆I1 + h12∆U2, ∆I2 = h21∆I1 + h22∆U2, где э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (попеременному току) на выходе транзистора э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе попеременному току э – коэффициент усиления потоку при коротком замыкании (попеременному току) на выходе транзистора э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (попеременному току) входе. э = ∆Uбэ / б при Uкэ = const; э = ∆Uбэ / Uкэ при б = const; эк б при Uкэ = const; эк Uкэ при б = const. Индекс э обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора параметры h11 и h12 – по входным (риса, б, параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 4.6, в, г. Рис.4.6.Определение параметров по входными выходным характеристикам Фізичний зміст h-параметрів транзистора складається в наступному: - h11 - вхідний опір в режимі короткого замикання (КЗ) на виході; - h12 - коефіцієнт внутрішнього зворотного зв’язку в режимі холостого ходу (ХХ) на вході; - h21 - коефіцієнт передання струму в режимі КЗ на виході; - h22 - вихідна провідність транзистора в режимі ХХ на вході. Розраховують h-параметри для схеми зі спільним емітером за формулами h11 = ∆ Uбе / ∆ I б кебе кеб к / ∆ б (Uке = const ), (6.3) h22 = ∆ к / ∆ кеб) Аналітичний розрахунок h-параметрів складний і неточний. Набагато простіше їх визначати за ВАХ. Для визначення h11 на вхідній характеристиці відмічають робочу точку Арт) транзистора (Риса, яка задається значеннями вхідного струму б і вхідної напруги Uбе. Через робочу точку А проводять дотичну і будують трикутник BCD. За формулою (6.1) розраховують h11: h11 = BD/ CD= ∆ Uбе / ∆ I б . Для визначення h12 необхідно побудувати дві вхідні характеристики для двох значень напруги на вихідному електроді (Рис. 6.2, б. Через робочу точку А проводять лінію б const , що відповідає холостому ходу на вході транзистора за змінним струмом. Точки перетину характеристик з цією лінією проектують на вісь Uбе і визначають ∆ Uбе. Використовуючи формулу (6.2) знаходять h12, в якій ∆ Uке =Uке2 - Uке1 . Для визначення h21 сімейство вихідних характеристик в області робочої точки перетинають лінією Uке = const, що відповідає КЗ за змінним струмом на виході транзистора. Параметр h21 знаходять за формулою (6.3), графічно визначивши ∆ к і розрахувавши ∆ б = б - б . Для визначення h22 (рисунок 6.2, г) знімають вихідну характеристику для струму бази в робочій точці, знаходять ∆ к та ∆ Uке, і за формулою (6.4) розраховують h22. 13. Активний і пасивний чотириполюсники. Параметри, методи розрахунку. Чотириполюсники – це електротехнічний пристрій або частина електричного кола, які розглядаються відносно двох пар затискачів. Бувають активні і пасивні. В активному діють джерела енергії і на розімкнутих затискачах присутня напруга неробочого ходу. До вхідних затискачів пасивного чотириполюсника підключають джерело енергії, до вихідних – навантаження. Це пряме включання чотириполюсника. Режим чотириполюсника характеризується вхідною і вихідною напругами і струмами. U 1 , U 2 , I 1 , I 2 можуть зв’язуватись у шести варіантах рівнянь: [Z] форма [Y] форма Також [E], [H], [A] і [B] форми. Способи визначення коефіцієнтів [A] форми рівнянь чотириполюсника A 11 ·A 22 -A 12 ·A 21 =1 Перший спосіб визначення коефіцієнтів А використовує режими неробочого ходу і короткого замикання Режим неробочого ходу I 2 =0 Режим короткого замикання: U 2 =0 Режим короткого замикання: Другий спосіб визначення коефіцієнтів використовує приведення системи рівнянь методу контурних струмів до вигляду рівнянь чотириполюсника.. U 1 – щоб знайти, застосовуємо теорему компенсації. Z 1 =R 1 +jωL 1 Z 2 =R 2 +jωL 2 Z 3 =-j Z M =jωM Z 11 =Z 1 +Z 2 +2Z M Z 22 =Z 2 +Z 3 Z 12 =Z 21 =-Z 2 -Z M Вхідний і вихідний опори чотириполюсника Система рівнянь для прямого включення чотириполюсника: Враховуючи, що: Вираз для вихідного опору чотириполюсника, навантаженого на опір В режимах НХ і КЗ отримаємо спрощені вирази вхідного опору НХ: КЗ: Розглянемо зворотнє включення чотирипорлюсника Генератор підключається до затискачів 22’, а навантаження – до затискачів 11’. Змінюється напрям передачі енергії і струмів. Система рівнянь для зворотнього включення чотириполюсника : В – форма рівнянь чотириполюсника. Вихідний опір чотириполюсника (відносно вторинних затискачів) НХ: |