методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
 Скачать 2.57 Mb.
|
 Рисунок 3. Типовые входные (а) и выходные (б) характеристики транзисторов в схеме с ОЭ. Входные и выходные характеристики транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, приведены на рисунке 3. Входными характеристиками для схемы ОЭ называют зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером, снятую при нескольких неизменных значениях напряжения между коллектором и эмиттером: Iб = φ(Uбэ) при Uкэ = const. В отличие от схемы ОБ входные характеристики в схеме ОЭ смещаются под действием коллекторного напряжения к оси абсцисс. Это объясняется изменением знака напряжения обратной связи, возникающей из-за наличия модуляции толщины базы (эффект Эрли). Входная характеристика схемы ОЭ при Uкэ=0 также подобна прямой ветви ВАХ диода. Входными характеристиками транзистора для схемы ОЭ называют зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером, снятую при нескольких неизменных значениях тока базы: Iк = φ (Uкэ) при Iб = const. Выходные характеристики для схемы ОЭ не выходят за пределы первого квадранта, потому что источник внешней ЭДС Uбэ включён навстречу напряжению внешнего источника Uкэ и между базой и коллектором транзистора действует напряжение: Uкб = Uкэ – Uбэ . При |Uкэ| = |Uбэ| напряжение Uкб уменьшается до нуля, т.е. коллекторный переход будет заперт. При напряжении Uкэ = 0 дырки, инжектируемые в базу, будут подхвачены внешним электрическим полем источника Uбэ и пойдут в базовый электрод. Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ характеризуются большим наклоном и меньшей эквидистантностью, чем в схеме ОБ, так как управляющим в схеме ОБ является ток базы Iб , по величине значительно меньший, чем управляющий ток в схеме ОЭ Iэ (ток эмиттера). Для схемы ОЭ важным является отношение тока коллектора к току базы, называемое коэффициентом передачи тока от базы к коллектору в транзисторе:  .Если α изменяется в пределах от 0.9 до 0.99, то β изменяется в пределах от 10 до 100 и выше. При Iб = 0 тепловой ток коллектора Iко = Iкбо (1 + β), так как он усиливается транзистором в β - раз. Основные отличия выходных характеристик в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с ОБ. Наклон характеристик в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ. Увеличение наклона характеристик показывает, что в схеме с ОЭ при увеличении Uкэ ток Iк увеличивается сильнее, чем в схеме с ОБ, при увеличении Uкб . Тепловой ток коллектора Iко в схеме с ОЭ при Iб = 0 больше, чем тепловой ток коллектора Iкбо в схеме с ОБ при Iэ = 0. Предельно допустимое напряжение между коллектором и эмиттером в схеме с ОЭ меньше, чем между коллектором и базой в схеме с ОБ. Транзистор характеризуется зарядами (барьерными) и диффузионными ёмкостями эмиттерного и коллекторного переходов. Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода обусловлена изменением заряда в базе при изменении напряжения на эмиттере. Величина этой ёмкости зависит от тока через эмиттерный переход и может достигать значения в десятки тысяч пикофарад. Обратно смещённый коллекторный переход характеризуется главным образом барьерной ёмкостью. Ее величина зависит от величины перехода и, таким образом, является функцией коллекторного напряжения. Изменяется она в пределах десятков пикофарад. Величина ёмкости зависит от схемы включения транзистора. Ёмкость коллекторного перехода для схемы с ОЭ увеличивается, по сравнению со схемой с ОБ, в 1/1+α или (β +1) раз. Влияние температуры на характеристики транзисторов. При увеличении температуры окружающей среды термическая равновесная концентрация дырок в базе растёт и тепловой ток Iко увеличивается. С увеличением температуры также увеличивается и коэффициент передачи по току α. Поэтому выходные характеристики транзистора с увеличением температуры смещаются вверх. Влияние температуры сказывается сильнее на характеристиках транзистора, включённого по схеме с ОЭ, чем на характеристиках транзистора, включённого по схеме с ОБ, так как в первом случае коллекторный ток будет равен: Iк”оэ” = β(I б + Iкбо)+Iкбо= βIб + Iко , а во втором: Iк”об”=αIэ + Iкбо, где Iко > Iкбо . Кроме того, падение напряжения на эмиттерном переходе с ростом температуры уменьшается. Усилительный каскад по схеме с ОЭ. При использовании транзистора в качестве усилителя, на него нужно подать правильное напряжение смещения (задать режим работы по постоянному току). Для этого используется делитель напряжения R1-R2 и источник питания постоянного тока Uп . Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включается Rн - нагрузочный резистор, а Rк – является коллекторным резистором. С помощью эмиттерного резистора Rэ вводится отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию статического режима усилителя. Ср1 - входной, а C р1 - выходной разделительный конденсатор. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор Сэ . Усилитель с ОЭ дает высокое усиление по току и напряжению, а значит и по мощности. Фаза входного сигнала инвертируется при его усилении.  Рисунок 4. - Усилительный каскад по схеме с ОЭ. Усилительный каскад по схеме с ОБ. Усилитель с ОБ имеет низкое входное сопротивление (50 -100 Ом) и низкий коэффициент усиления по сравнению с усилителем по схеме с ОЭ. Преимущество этого усилителя - хорошие частотные характеристики (широкая полоса пропускания). Поэтому усилители с ОБ используются при очень высоких частотах. Разделительный конденсатор С1 обеспечивает передачу переменного входного сигнала на эмиттер транзистора (входное напряжение прикладывается между эмиттером и базой). RЗ - эмиттерный резистор. Делителем напряжения R1-R2 задается режим работы усилителя. Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R4.  Рисунок 5. - Усилительный каскад по схеме с ОБ. Полевые транзисторы. В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение. Почему же к полевым транзисторам возник, практически сразу с момента их возникновения, такой огромный интерес? Это объясняется рядом их свойств, отсутствующих у биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление (практически бесконечность) по постоянному току и на высокой частоте, низкий коэффициент шума, почти полное разделение выходного сигнала от входного, обусловленность рабочего тока только основными носителями. Совокупность этих свойств позволяет упростить схемы, уменьшить размер и массу устройства, а также улучшить некоторые технические характеристики по сравнению с устройствами на биполярных транзисторах. Благодаря этому преимуществу полевые транзисторы широко применяются в цифровых схемах, особенно в больших интегральных схемах запоминающих устройств, содержащих тысячи транзисторов. Но все-таки, несмотря на все преимущества, они имеют существенный недостаток - коэффициент усиления полевого транзистора значительно ниже. Транзистор называется полевым, так как входное напряжение создает электрическое поле, которое, в свою очередь, влияет на выходной ток. Итак, значит полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением. Полевой транзистор еще называют униполярным, поскольку его работа основана на использование только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Существуют два типа полевых транзисторов: 1) с управляющим p-n переходом ; 2) с изолированным затвором (МОП -, МДП-транзисторы). Транзисторы с управляющим p-n переходом. На Рисунке 6 показано условное изображение полевого транзистора с управляющим p-n переходом, где: 1-затвор (управляющий электрод); 2-исток; 3-сток.  Рисунок 6. - Полевые n-канальные (а) и p-канальные (б) транзисторы с управляющим p-n переходом. Для объяснения принципа работы этого транзистора рассмотрим, как создается этот полупроводниковый прибор. На Рисунке 7 представлена структура такого транзистора.  Рисунок 7. - Разрез структуры полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом p-типа проводимости: 1-область стока; 2-верхний низкоомный затвор; 3- область истока; 4 - полупроводниковая подложка - нижний высокоомный затвор; 5 - диффузионный карман (эпитаксиальный слой); 6 - окисел; 7 - металлические контакты; Lк - расстояние между диффузионными областями стока и истока. В исходном материале - подложке создается методом диффузии примесей (или эпитаксиальным выращиванием) легированная область – диффузионный карман (или эпитаксиальный слой). К пластине слабо легированного полупроводника, имеющего электропроводность определенного типа, прикрепляют с двух сторон электроды. Внешние напряжения прикладывают так, что через полупроводник потечет ток. Этот полупроводник называют каналом n- или p-типа (тип проводимости канала определяется типом проводимости диффузионного кармана). Ток, протекающий через канал, называют током стока Iс. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом (ПТУП) на примере транзистора с каналом n-типа. Исток обычно заземлен и относительно него измеряют напряжения на стоке и затворе. Если напряжения на затворе и на стоке равны нулю (Uзи=Uси=0), то ток через канал не потечет (Iс = 0). При отрицательном напряжении на затворе через p-n переход протекает обратный ток, которым практически можно пренебречь. На рисунке 8 приведены выходные ВАХ характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. При приложении положительного напряжения к стоку (Uси > 0) и при напряжении на затворе, равном нулю (Uзи = 0), по каналу потечет ток, который будет создаваться основными носителями заряда (в данном случае электронами). Ток стока растет пропорционально напряжению. На выходных ВАХ характеристиках (зависимость тока стока от напряжения на стоке при различных напряжениях на затворе), представленных на рисунке 8, этому режиму соответствует линейная область.  Рисунок 8. - Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа . Линейность стоковых характеристик на этих участках объясняется тем, что ток стока создает падение напряжения на участке сток - исток: от нуля на истоке до Uс на стоке. Это падение напряжения увеличивает обратное смещение на p-n переходе и, в результате этого, происходит сужение канала, причем в области стока больше, чем в области истока. Увеличение напряжение на стоке приводит к увеличению разности потенциалов между каналом и затвором, что, в свою очередь, увеличивает толщину обедненных слоев рp-n переходов. При некотором напряжении на стоке обедненные слои смыкаются вблизи стока, и наступает момент, называемый перекрытием канала. Соответствующее напряжение на стоке называется напряжением насыщения (Uси =Uсинас). Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока стока, а лишь увеличивает напряженность поля в обедненном слое. При этом точка смыкания обедненных слоев смещается в сторону истока. Начиная с момента перекрытия канала, выходные характеристики принимают так называемый “пентодный” вид. На Рисунке 8 этому моменту соответствует область насыщения. Запирающее напряжение, приложенное к затвору, увеличивает начальную толщину обедненных слоев, уменьшая исходное проводящее сечение канала. Поэтому при совместном действии напряжений затвора и стока перекрытие канала (насыщение тока стока) наступает при различных напряжениях на стоке: чем больше запирающее напряжение, тем меньше напряжение на стоке, соответствующее перекрытию канала. Таким образом, на семействе характеристик можно выделить три области: -линейную область (изменение тока стока пропорционально изменению напряжения на стоке); -область насыщения (ток стока слабо зависит от напряжения на стоке); -область пробоя (ток стока резко возрастает при малых изменениях напряжения на стоке). Зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке характеризуется передаточными (стоко - затворными) характеристиками, представленными на Рисунке 9.  Рисунок 9. - Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов. Для полевых транзисторов входная характеристика (зависимость Iз от Uзи при фиксированном значении Uси) не имеет практического применения, и при расчетах используются только передаточные и выходные ВАХ. Таким образом, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом работают в режиме обеднения канала носителями заряда (независимо от типа его проводимости) при изменении напряжения затвор - исток до напряжения отсечки. |