Конспект лекций (3,4 семестр) для студентов 1 курса
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
5 Транзисторы 5.1 Биполярные транзисторы Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами. Биполярным транзистор называется потому, что его работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Биполярные транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости. В транзисторах p-n-p проводимости стрелка направлена к базе, основными носителями заряда являются дырки. В транзисторах n-p-n проводимости стрелка направлена от базы, основными носителями заряда являются электроны. И в том, и в другом случае стрелка указывает направление эмиттерного тока. Обозначение: Если транзистор рассматривать как узловую точку, тогда справедлив 1-й закон Кирхгофа (сумма входящих токов равна сумме выходящих), т.е.: – основное уравнение транзистора Из этого выражения вытекает: - это максимальный ток транзистора. Назначение областей транзистора Эмиттер – осуществляет инжекцию ОНЗ в базу. Инжекция – это введение основных носителей заряда в ту область, где они являются неосновными, при прямом включении перехода. Другими словами, инжекция - это интенсивная диффузия. База – область, куда инжектируются эмиттером НЗ. Коллектор – осуществляет экстракцию ННЗ. Экстракция – это переброс ННЗ через переход ускоряющим полем. Режимы работы транзистора Биполярный транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход (ЭП) – переход между эмиттером и базой и коллекторный переход (КП) – переход между базой и коллектором. В зависимости от того, как смещены эмиттерный и коллекторный переходы (прямо или обратно), различают 4 режима работы биполярного транзистора: Режим отсечки. К обоим переходам подводится обратное напряжение. В цепи транзистора текут небольшие неуправляемые токи. Транзистор полностью закрыт. Режим нерабочий. Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Эмиттер и коллектор инжектируют НЗ в базу, поэтому ток базы – максимальный. Транзистор полностью открыт, но при этом неуправляем (выходной ток не регулируется входным током). Режим нерабочий. Активный (рабочий) режим. ЭП находится под прямым напряжением, а КП – под обратным. Эмиттер инжектирует ОНЗ в базу, где они становятся ННЗ и подвергаются экстракции в коллектор. Инверсный режим. Транзистор – прибор обратимый. К ЭП подводится обратное напряжение, а к КП – прямое, т.е. эмиттер и коллектор меняются ролями. Режим нерабочий (не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора, т.к. эмиттер и коллектор имеют разные размеры и обладают разными электрофизическими свойствами). Режимы отсечки, насыщения и инверсный используется в цифровых схемах, активный режим используется в аналоговых схемах. Схемы включения транзисторов В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов: а) Общий эмиттер ( n-p-n) Изображена теоретическая схема усилителя. Практически используется один источник питания, а не два. Назначение элементов: VT – усилительный элемент; Еп – источник питания, подающий обратное напряжение на КП; Есм – источник питания, подающий прямое напряжение на ЭП; Uс – источник переменного сигнала; Rк – сопротивление коллекторной нагрузки (на нем выделяется усиленный сигнал). Как расставляются знаки у источников питания? n – p – n Э Б К ЭП (UПР) КП (UОБР) ЭП должен находиться под прямым напряжением. При прямом напряжении знаки клемм источника питания и ОНЗ соответствующих областей должны совпадать. Эмиттер – это n-область, поэтому на него должен быть подан «минус» источника питания Есм, а на базу, соответственно, - «плюс». КП должен находиться под обратным напряжением. При обратном напряжении знаки клемм источника питания и ОНЗ соответствующих областей должны быть противоположны. Коллектор – это n-область, поэтому на него должен быть подан «плюс» источника питания Еп. б) Общая база (n-p-n) в) Общий коллектор (эмиттерный повторитель)(n-p-n) RЭ- сопротивление эмиттерной нагрузки. Для переменного тока источник постоянного напряжения (ЕП) имеет внутреннее сопротивление, стремящееся к нулю, поэтому можно считать, что плюсовая и минусовая клеммы этого источника для переменного тока закорочены, т.е. коллектор соединён с корпусом, что и требуется для схемы ОК. Принцип работы транзистора p ЭП n КП p IЭР IКР Э К IЭ IЭn IРЕК IКБО IК ЕВН IЭ Б IК IБ ЕВНЕШН + IБ + UПР UОБР Пусть транзистор находится в активном (рабочем) режиме, т.е. на ЭП подано прямое напряжение, а на КП – обратное. При этом возникает инжекция дырок из эмиттера в базу, в обратном направлении будет происходить инжекция электронов. Ток, проходящий через ЭП, равен сумме дырочной и электронной составляющих: . Т.к. концентрация ОНЗ в эмиттере много больше концентрации ОНЗ в базе, то инжекция дырок будет преобладать над инжекцией электронов, т.е. . Пришедшие в базу дырки начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому бо́льшая часть дырок успевает пройти через тонкий слой базы и достигнуть КП. Суммарное поле КП ( ) является ускоряющим для дырок, поэтому дырки перебрасываются этим полем через КП (происходит экстракция ННЗ) и участвуют в образовании дырочной составляющей коллекторного тока (управляемая часть коллекторного тока). Т.к. КП находится под обратным напряжением, через него протекает еще один ток – неуправляемый тепловой ток коллекторного перехода . Суммарный ток коллектора равен: . Т.к. тепловой ток мал, то . Те дырки, которые всё же успевают прорекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока рекомбинации . Таким образом, суммарный ток базы равен: Все составляющие этого тока малы, следовательно, ток базы также мал. Рекомбинация в базе + инжекция электронов из базы в эмиттер нарушают электрическую нейтральность базы (база приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности базы от внешнего источника питания ( ) в базу поступают электроны. Т.к. ток всегда направлен в сторону, противоположную движению электронов, токи и имеют направление сверху вниз, следовательно, ток базы имеет такое же направление. Пришедшие в эмиттер из базы электроны и ушедшие из эмиттера дырки нарушают электрическую нейтральность эмиттера (эмиттер приобретает отрицательный заряд). Для восстановления нейтральности эмиттера избыточные электроны уходят из эмиттера к внешнему источнику питания ( ), т.е. во внешней эмиттерной цепи протекает ток снизу вверх. Пришедшие в коллектор дырки нарушают его электрическую нейтральность(коллектор приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности в коллектор поступают электроны от внешнего источника питания ( ), т.е. во внешней коллекторной цепи протекает ток сверху вниз. Статические характеристики биполярного транзистора Статические ВАХ транзистора ОБ Входные характеристики транзистора ОБ - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. при , где f - этофункция. IЭ, mA UКБ=5В UКБ=0 UЭБ, В 0 1 Если использовать выходное напряжение >5В, то входные характеристики незначительно сместятся влево, (пойдут кучно), поэтому чтобы не загромождать рисунок, ограничиваются двумя характеристиками: при и при . При этом погрешность будет незначительной, ею можно пренебречь. Выходные характеристики транзистора ОБ -это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, т.е. при насыщение 0 Статические ВАХ транзистора ОЭ Входные характеристики транзистора ОЭ – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. при IБ,mA UКЭ =0 UКЭ=5В 0 1 UБЭ, В Если использовать выходное напряжение >5В, то входные характеристики незначительно сместятся вправо, (пойдут кучно), поэтому чтобы не загромождать рисунок, ограничиваются двумя характеристиками: при и при . При этом погрешность будет незначительной, ею можно пренебречь. Выходные характеристики транзистора ОЭ - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, т.е. при IК, mA IБ3 насыщение IБ2 IБ1 IБ3 > IБ2 > IБ1 IКЭО IБ=0 отсечка UКЭ, В Первичные параметры транзистора Анализировать схему, содержащую нелинейный элемент (например, транзистор), сложно. Но при определенных условиях транзистор можно заменить эквивалентной схемой, содержащей исключительно линейные элементы (сопротивления, емкости, индуктивности). Условием замены реального транзистора эквивалентной схемой является малый уровень входного сигнала, т.к. при малых амплитудах входного сигнала можно пренебречь нелинейностью ВАХ и считать малые участки ВАХ линейными. Эквивалентная схема составляется только для переменных составляющих токов и напряжений, поскольку полезную информацию несут только они. Элементы, образующие эквивалентную схему транзистора, и являются его первичными параметрами. Эквивалентных схем транзистора много, рассмотрим одну из них. Т-образная эквивалентная схема транзистора ОБ - генератор тока (учитывает усилительные свойства транзистора). Вместо генератора тока можно использовать генератор напряжения , соединенный последовательно с : - дифференциальное сопротивление прямо смещенного эмиттерного перехода (ЭП) =доли Ома÷единицы Ома, т.е. мало - ёмкость ЭП. Эта ёмкость диффузионная (т.к. ЭП смещен в прямом направлении). Она относительно большая ( десятки пФ), но её влиянием можно пренебречь, т.к. она шунтирована малым сопротивлением прямо смещенного эмиттерного перехода . - дифференциальное сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (КП) - может достигать сотен кОм÷десятки МОм, т.е. велико. - ёмкость КП. Эта ёмкость барьерная (т.к. КП смещен в обратном направлении). Она мала ( единицы пФ), но пренебрегать ею нельзя. На ВЧ реактивное сопротивление этой емкости уменьшается ( ), в результате чего часть выходного тока ответвляется через эту емкость и поступает на вход транзистора, не попадая в нагрузку, т.е. не участвуя в усилении. Другими словами: с помощью барьерной ёмкости на ВЧ в транзисторе осуществляется внутренняя обратная связь. Обратная связь (ОС) – передача части мощности сигнала с выхода на вход схемы. Таким образом, ёмкость КП на ВЧ ухудшает усилительные свойства транзистора. - сопротивление базы. Оно состоит из 2-х составляющих: - омическое сопротивление слабо легированной области базы; - небольшое сопротивление, обеспечивающее внутреннюю ОС в транзисторе. h-параметры Недостаток первичных параметров – невозможность их измерения, т.к. общая точка, относительно которой определяются первичные параметры, находится внутри Базы транзистора. Поэтому переходят к вторичным параметрам транзистора, которые легко измерить. Самыми распространенными вторичными параметрами транзистора являются h-параметры. В системе h-параметров в качестве независимых переменных (аргументов) принимают входной ток (I1) и выходное напряжение (U2). Зависимыми переменными (функциями) являются входное напряжение (U1) и выходной ток (I2). С вязь между зависимыми и независимыми переменными выражается с помощью системы уравнений: U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2 Здесь I1, I2, U1, U2 – амплитуды переменных токов и напряжений (индекс «1» относится к входному сигналу, а индекс «2» - к выходному), h11, h12, h21,h22 являются коэффициентами пропорциональности (индекс «11» означает 1-я строчка, 1-й столбец; «12» - 1-я строчка, 2-й столбец и т.д.) Таким образом, имеем систему 2-х уравнений с четырьмя неизвестными. Решить такую систему уравнений в общем виде невозможно. Для ее решения необходимы дополнительные условия. Так, например, чтобы определить из первого уравнения h11, нужно второе слагаемое этого уравнения занулить, т.е. считать, что U2=0. Тогда при - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе. Аналогично определяем: при - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе; при - коэффициент усиления по току при короткозамкнутом выходе; при - выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе. Пример расчета h-параметров транзистора ОЭ Изобразим транзистор ОЭ с его входными и выходными токами и напряжениями: а) Определим входное сопротивление транзистора. Для этого запишем формулу: при . Заменив амплитуды на малые приращения и подставив значения входного тока, входного и выходного напряжений конкретно для транзистора ОЭ, получим: при ,т.е. при индекс «э» означает, что транзистор собран по схеме ОЭ Входное сопротивление транзистора определяется по входным вольт-амперным характеристикам. Точка А – это рабочая точка, в которой определяются h-параметры. Iб (mA) 0,75 Uкэ=5В б = 0,25 Uбэ (В) 0,3 бэ 0,55 Чтобы определить , необходимо выполнить дополнительное построение: это построение обязательно должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие (в данном случае ). Исходя из вышесказанного, строим небольшой прямоугольный треугольник таким образом, чтобы его гипотенуза прилегала к входной характеристике и делилась рабочей точкой А пополам. Тогда катеты этого треугольника и будут искомыми значениями и , зная которые, легко определить входное сопротивление транзистора: б) Определим коэффициент обратной связи по напряжению. Заменив в формуле при амплитуды на малые приращения, получим: при , т.е. при . Коэффициент обратной связи по напряжению определяется по входным вольт-амперным характеристикам транзистора. Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие . В данном случае это будет прямая, параллельная оси напряжений и проходящая через точку А. Iб(mA) кэ Uкэ=0 Uкэ=5В А` А Uбэ(В) 0,5 бэ 0,7 в) Определим коэффициент усиления по току. Заменив в формуле при амплитуды на малые приращения, получим: при , т.е. при . Коэффициент усиления по току определяется по выходным вольт-амперным характеристикам транзистора. Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие . В данном случае это будет прямая, параллельная оси токов и проходящая через точку А. Iк(mA) 40 Iб=1,5mA А Iб=1mA к б Iб=0,5mA 20 Iб=0 Uкэ(В) Для транзистора, собранного по схеме ОЭ: , где - коэффициент передачи тока базы в коллектор. г) Определим выходную проводимость и выходное сопротивление транзистора. Заменив в формуле при амплитуды на малые приращения, получим: при , т.е. при . Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие . В данном случае это будет прямоугольный треугольник, у которого гипотенуза делится рабочей точкой А пополам. Iк(mA) Iб=1mA 7 A Iб=0,5mA к 6 Iб=0 Uкэ(В) 5 кэ 10 ; Примечание: Чтобы перенести рабочую точку А с входных характеристик на выходные, необходимо определить ток базы в рабочей точке (IБА). Затем на выходных характеристиках выбирают характеристику, соответствующую этому току. Точка пересечения выбранной характеристики и перпендикуляра, соответствующего указанному на входных характеристиках рабочему значению напряжения UКЭ, и даст положение рабочей точки на выходных ВАХ. Чтобы перенести рабочую точку А с выходных характеристик на входные, необходимо определить ток базы в рабочей точке (IБА). Затем на входных характеристиках на оси токов отмечают это значение и через полученную точку проводят прямую, параллельную оси напряжений, до пересечения с рабочей входной характеристикой. Точка пересечения и даст положение рабочей точки на входных ВАХ. |