Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов направления 550200 (Автоматизация и управ. Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов напра. Конспект лекций для студентов направления 550200 (Автоматизация и управление) специальности
 Скачать 0.94 Mb.
|
рис. 1.4.11. Схема восстановления сигнала.4) Двусторонний ограничитель. Эта схема ограничивает "размах" выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на диоде, т.е. приблизительно 0,6 В. Эта схема часто используется в качестве защиты на входе усилителя с большим коэффициентом усиления.  рис. 1.4.12. Схема двухстороннего ограничителя. Лекция №3. Биполярные транзисторы. План лекции. 1. Принцип работы транзистора; 2. Основные схемы включения транзисторов; 3. Схема с общим эмиттером. БИПОЛЯРНЫМ ТРАНЗИСТОРОМ называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами. Он представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором две крайние области с одинаковой электропроводностью разделены областью противоположной электропроводности. В зависимости от электропроводности этих трех областей различают транзисторы n-p-n типа и p-n-p типа. Термин "биполярный" подчеркивает, что в работе таких транзисторов играют роль оба типа носителей зарядов - электроны и дырки. Реальные биполярные транзисторы являются асимметричными при борами, их p-n-переходы существенно различаются. Один из них имеет гораздо меньшую площадь, чем другой (рис. 1.5.1). рис. 1.5.1. Структура транзисторов. Асимметрия наблюдается и в концентрации примесей - один из крайних слоев n1 или p1 легирован сильнее, чем слой n или p2. Средний слой транзистора называют БАЗОЙ, крайний, сильно легированный слой меньшей площади n1(p1) - ЭМИТТЕРОМ, а слой с большей площадью – n2(p2) – КОЛЛЕКТОРОМ. Соответственно n1-p(p1-n)-переход называют ЭМИТТЕРНЫМ, а n2-p(p2-n)-переход – КОЛЛЕКТОРНЫМ. Конструктивно транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, часть поверхностей которого (Б, Э и К) покрывается металлической пленкой. К этим пленкам привариваются и припаиваются внешние выводы всех электропроводов транзистора. Сам кристалл укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус, а выводы через изоляторы выводят наружу. В мощных транзисторах коллектор часто непосредственно соединяют с основанием, что увеличивает рассеиваемую на нем мощность. В этом случае коллекторным выводом служит основание корпуса транзистора. Принцип действия биполярного транзистора как управляющего элемента основан на сочетании процесса инжекции носителей через один p-n-переход и собирания их на другом p-n-переходе. При работе транзистора в режиме усиления эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Это ведет к тому, что число неосновных носителей (например, электронов в транзисторе n-p-n-типа) в базе около перехода база-эмиттер сильно возрастает. Концентрация электронов около смещенного в обратном направлении коллекторного перехода со стороны базы, до тех пор пока инжектированные электроны достигли этого перехода, очень мала. Такая комбинация двух p-n-переходов, смещенных в противоположных направлениях, создает большой градиент концентрации неосновных носителей в области базы. Вследствие теплового движения в базе образуется диффузионный поток неосновных носителей от эмиттерного перехода, где они в избытке, к коллекторному переходу и далее в область коллектора (рис. 1.5.2) рис. 1.5.2. Принцип действия биполярного транзистора. Итак, из эмиттера электроны инжектируются в базу, далее движутся через базу вследствие диффузии и, наконец, собираются коллектором. Почти все инжектированные в базу электроны достигают коллектора. Однако незначительное их число рекомбинирует с дырами в базе. Для компенсации дырок, убывающих в результате ре комбинации, а также вследствие инжекции их из области базы в область эмиттера, некоторое количество дырок должно поступать в базу через базовый вывод. Из коллектора эти дырки поступать не могут, поскольку там они являются неосновными носителями и их число мало. Итак, коллекторный переход представляет собой смещенный в обратном направлении диод, чей ток управляется потоком инжектированных через эмиттерный переход электронов. Ток коллектора не зависит от напряжении на коллекторном переходе при условии, что этот переход смещен в обратном направлении. Т.о. мы показали основное свойство биполярного транзистора как управляющего элемента – зависимость выходного (коллекторного) тока от входной переменной величины (тока эмиттера или напряжения на эмиттерном переходе). Способы включения и режимы работы биполярного транзистора. Так как транзистор имеет три вывода, то включить его можно шестью различными способами. Только три из них могут обеспечивать усиление мощности сигнала (с общим эмиттером, с общим кол лектором и общей базой). а) Схема с общим эмиттером. При этом включении эмиттерный вывод прибора является общим для входной и выходной цепей (рис. 1.5.3) Такая схема включения получила наиболее широкое распространение. Входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается между эмиттером и коллектором. Причиной преимущественного использования схем с общим эмиттером является наличие усиления по току и напряжению, что приводит к большой вели чине усиления по мощности. Существует три основных режима работы транзистора: режим усиления, режим отсечки и режим насыщения. При работе в режиме УСИЛЕНИЯ эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Режим отсечки имеет место, когда эмиттерный переход не смещен в прямом направлении, а режим насыщения – когда коллекторный переход не смещен в обратном направлении. рис. 1.5.3. Схема включения с общим эмиттером. Инжекция не основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если эмиттерный переход смещен в прямом направлении. Поэтому, если напряжение между базой и эмиттером будет меньше пороговой величины (0,6 В для кремниевых), заметной инжекции носителей в базу не происходит. При таком условии, как ток эмиттера, так и ток базы практически равны нулю и, согласно закону Кирхгофа ток коллектора также должен равняться нулю. Это и есть режим ОТСЕЧКИ, который можно описать одним из следующих эквивалентных соотношений: Uбэ < 0.6 В или iб = 0В случае, когда неосновные носители инжектируются через эмит терный переход, их последующая диффузия в базе и собирание на коллекторном переходе зависит от величины напряжения, приложенного к выводам коллектора и эмиттера. Если коллекторный переход не смещен в обратном направлении, то носители будут инжектироваться в базу не только из эмиттера, но также и из коллектора. Это и есть режим НАСЫЩЕНИЯ, при котором токи в выводах транзисторов управляются не самим прибором, а его внешней цепью. В соответствии со схемой, представленной на рис. 1.5.3: Uкэ = Uбэ + Uкб Когда транзистор находится в проводящем состоянии, напряжение Uбэ имеет значение 0,6 – 0,7 В (для кремния). Напряжение Uкб должно быть достаточной величины для того, чтобы на коллекторном переходе со стороны базы концентрация не основных носителей была малой. При незначительных токах транзистора (десятки миллиампер) для собирания носителей требуется Uкб = 0,3 В. Т.о. для работы в режиме усиления необходимо, чтобы соблюдалось следующее соотношение Uкэ > 1 В. При больших токах (порядка нескольких миллиампер), для того чтобы избежать режима насыщения, следует соблюдать условие Uкб = 1 В. Вследствие зависимости положения точки насыщения от величины токов в паспорте транзистора указывается напряжение насыщения Uкэ нас при определенной величине тока коллектора и тока базы. Значение напряжения насыщения обычно находится в пределах 0,2 – 1,5 В и зависит не только от величины токов и iб, но, в некоторой степени, и от особенностей структуры транзистора. Итак, требования, необходимые для работы транзистора в режиме усиления, могут быть сформулированы в виде следующих соотношений: iб < 0 (или Uбэ = 0.6 В) и Uкэ > Uкэ нас Рассмотрим ВАХи транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Работа эмиттерного перехода транзистора отличается от работы обычного полупроводникового диода лишь тем, что токи эмиттера и базы имеют разные значения (iб < iэ). Типичная входная характеристика транзистора приведена на рис.1.5.4. (iб = f(Uбэ)) при Uкэ = const рис. 1.5.4. Входные вольтамперные характеристики транзистора. Область отсечки соответствует напряжению Uбэ < 0,6 В. Выходными характеристиками транзистора является семейство iк = f(Uкэ) при iб = соnst (рис. 1.5.5). рис. 1.5.4. Выходные вольтамперные характеристики транзистора. При iб = 0 ток коллектора iк = 0, что соответствует режиму от сечки. Заметим, что все характеристики семейства для различных значений iб сливаются в одну кривую, соответствующую насыщению. Эта кривая лежит в области, где Uкэ столь мала, что становится недостаточной для обратного смещения на коллекторном переходе и где ток коллектора не зависит от тока базы. В области усиления, расположенной справа от этой кривой, находятся почти горизонтальные части этих характеристик, зависящих от тока базы. Лекция №4. Биполярные транзисторы. План лекции. 1. Основные параметры транзистора ( и ); 2. Схема с общей базой; 3. Схема с общим коллектором; 4. Предельные значения тока и напряжения. Для характеристики транзистора вводят два параметра: коэффициент передачи тока эмиттера () и коэффициент передачи тока базы (). Коэффициентом передачи тока эмиттера называют отношение iк/iэ, которое определяет долю носителей зарядов, инжектированных в базу и достигших вследствие диффузии коллектора. Как отмечалось выше, не все носители заряда достигают коллектора: небольшая их часть теряется в области базы из-за рекомбинации, а также существует небольшой поток дырок из базы в эмиттер. Однако влияние отмеченных факторов столь незначительно, что для типичного транзистора величина = iк/iэ лежит в пределах 0,95 – 0,995. Выражение для коэффициента тока базы = ir/iб может быть найдено путем совместного решения уравнения Кирхгофа для токов, которое применительно к транзистору имеет вид: iк = iэ - iб и уравнения: = iк/iэ, iэ = iк/ iк = iк/ - iб, (I/ - I) = iб = /(1 - ), iк = (/(1 - ))*iб = *iб (1.5.1) Так как близко к 1, то значения могут быть достаточно большими: от 20 до 200. Заметим, что в уравнении (1.5.1) ток коллектора не зависит от Uкэ. Это так, но при условии, что Uкэ достаточно велико, и транзистор работает в режиме усиления. Следовательно, график зависимости iк от Uкэ в области усиления представляет собой горизонтальную прямую (рис. 1.5.5).рис. 1.5.5. Реальные и идеальные вольтамперные характеристики транзистора. Из сравнения графиков для реальных транзисторов с идеальной ВАХ можно сделать вывод, что уравнение iк = *iб представляет собой довольно большое приближение для реальных характеристик в области усиления и области отсечки. Расхождения наблюдаются в области насыщения, где уравнение (1.5.1) не применимо. К тому же это уравнение не отражает небольшого подъема ВАХ. Если в качестве параметра выбирается напряжение Uбэ, то для построения выходных ВАХ требуется знать связь между Uбэ и iк. Получим ее. Для эмиттерного перехода: где Iэо – обратный ток эмиттерного перехода. (1.5.2)Как видно из полученного выражения iк имеет заметную нелинейную зависимость от Uбэ. Входные и выходные характеристики транзистора p-n-p-типа в схеме с общим эмиттером являются, дополняющими к характеристикам транзистора n-p-n-типа в том смысле, что все напряжения и токи имеют противоположный знак. б) Схема с общей базой. При таком включении базовый вывод является общим для входной и выходной цепей (рис. 1.5.6). |