Метрология. все ответы к теории-1. На входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
13. Эквивалентные схемы БТ (Эберса-Молла, физическая, формальная) и его параметры. Определение параметров моделей по справочным данным. Схемы замещения и параметры транзистора Физические эквивалентные схемы транзистора и их параметры Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. При малых амплитудах сигналов, воздействующих на транзистор, его можно считать линейным элементом и пользоваться линейными схемами замещения. Получили распространение физические и формализованные модели транзистора. Физические схемы замещения транзистора составляются по физическим моделям транзистора. На риса, б показаны Т-образные схемы замещения для переменных токов и напряжений для схем с ОБ и ОЭ соответственно. Они справедливы для линейных участков входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными. Рассмотрим параметры транзистора по схеме с ОБ - r э =dU эб / dI б | Uкэ=const - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении. Оно зависят от постоянной составляющей тока э г э ≈φ т /I э = 0,026 э. (2.20) Числовое значение г э лежит в пределах от единиц до десятков Ом. г б –обьемное сопротивление области базы . Обычно г б >> г э и состовляет 100-500 Ом. - э - эквивалентный источник тока, учитывает передачу эмиттерного тока, через базу в коллектор. α=∆Iк/∆Iэ│ Uкб=const . -дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока. Коэффициент α имеет порядок 0,9 — 0,999. - r к =∆U кб /∆I к │ Iэ=соnst — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении учитывает зависимость коллекторного тока от напряжения U кб . Значения r к лежат в пределах 0,5—1 МОм. - С э и С к — это емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода. В Т-образной схеме замещения транзистора ОЭ (рис. 2.6,6) сопротивления r э и к, имеют тот же физический смысли тот же порядок величин, что ив схеме ОБ. Поскольку входной ток в схеме ОЭ — ток базы, в выходную цепь введен источник тока б , где β =∆Iк/∆Iб| Uкэ = const - дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ Сопротивление кг к + β), учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения U кб . Так как входным в схеме ОЭ является ток базы, который враз меньше тока эмиттера, то при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ враз уменьшается не только активное, но и емкостное сопротивление коллекторного перехода. В схеме ОЭ С* к = (1 + β) С к . Увеличение емкости С * к приводит к еще большему ее влиянию на высоких частотах, чем влияние емкости С э . В связи с этим емкость С э в схеме ОЭ можно не учитывать. Поскольку на высоких частотах емкость С * к шунтирует большое сопротивление г кона сильно влияет на работу транзистора, а емкость С э шунтирует малое сопротивление г э и ее влияние незначительно. Емкость С к учитывают при частотах, составляющих десятки килогерца емкость С э — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (от десятков герц до единиц килогерц) емкости переходов не учитывают ив схему замещения не вводят. Формальные схемы замещения транзистора и их параметры Они основаны на представлении транзистора в виде четырехполюсника, который может быть охарактеризован одной из шести систем уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. Чаще всего используются следующие три системы уравнений в которых Y,Z,H являются параметрами. Наиболее широко используется система H- параметров т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, устанавливающая связь токов и напряжений с параметрами, имеет вид ; ; 2 22 1 21 1 1 12 1 11 где 0 2 1 1 11 U I U H - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока 0 1 2 1 12 I I U H – коэффициент обратной связи по напряжении при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока 0 2 1 2 21 U I I H – коэффициент передачи потоку при коротком замыкании на выходе 0 1 2 2 22 I U I H – выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока. Поскольку параметры измеряются наиболее просто, то они наиболее часто, приводятся в технических условиях и справочниках по транзисторам. Значения параметров зависят от схемы включения транзистора, поэтому в обозначении параметров вводится третий индекс (Б, ЭК. Формальные схемы замещения составляют по основным уравнениям четырехполюсника. Схемы замещения транзистора для систем Z, Y и параметров показаны на рис. . Покажем связь между параметрами формальной схемы замещения (рис. ) транзистора для схем с ОБ и ОЭ с параметрами физических схем замещения (рис. ирис. б = r э диф +r б- ) ; э = r б+ r э диф ( +1); б r к диф /(r к диф +r б) = ; эк диф /(r к диф +r э диф ) = ; б r б к диф +r б) = r б к диф ; эк диф /r э диф ; б 1/(r к диф +r б) = 1/r к диф ; эк диф = 1/ к диф Методика графического определения h – параметров транзистора Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения параметров. Для определения параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I бА , U кэА ), в которой требуется найти параметры. Параметры э и э находят по входной характеристики U бэ = 1 (I б )| Uкэ=const Определим э для заданной рабочей точки А (I бА , U кэА ). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис. Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки Аи А приблизительно на одинаковом расстояние, определим по ними U бэ и б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле h 11э =( U бэ / I б )| Uкэ=const . Приращения U бэ и б выбираю так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки. Графическое определение параметра э = U бэ / U кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных U кэ 0 практически сливается в одну (риса. Параметры э и э определяются из семейства выходных характеристик транзистора к (U кэ ) (рис. Параметр эк б) )| Uкэ=const . находится в заданной рабочей точки А (I бА , U кэА ). Приращение тока базы б следует брать вблизи выбранного значения тока базы I бА | Uкэ=UкэА , как I б =I б2 б. Этому приращению б соответствует приращение коллекторного тока к = к к. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле эк б) )| Uкэ=const. Параметр h 22э =( I к / U кэ ) Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис) в заданной рабочей точки А (I бА , U кэА ), где U кэ | Iб = IбА к –U к1 –приращение коллекторного напряжения, вызывающие приращение коллекторного тока к. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I б =I бА . Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними, значения тока базы которых известно, и присвоить ей значение тока базы равное I бА 14. Полевой транзистор (ПТ) с управляемым p-n переходом. Структура, принцип работы, ВАХ, параметры и схема замещения. Принцип работы полевого транзистора с управляющим переходом Принцип работы рассмотрим по физическим моделям, приведенным на рис. 1. си. Область обеднённая носителями заряда, располагается в объёме канала, причём она имеет одинаковую толщину по его длине. Напряжение U зи позволяет управлять сечением проводящей части канала, а следовательно и сопротивлением исток-сток.. В таком режиме полевой транзистор, выполняет роль переменного сопротивления управляемого U зи При U зи 2. 03. При сиси нас происходит смыкание проводящей части канала у стока. 4. си на си. Смыкание происходит в объёме канала. При этом с с возрастанием сине увеличивается. Это режим насыщения транзистора. Наличие тока стока с, объясняется инжекцией носителей заряда в обеднённую область. Статические характеристики полевого транзистора с р-п переходом Если полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений могут быть охарактеризованы следующими ВАХ: ); ( ) ( тика характерис входная U f I const U зи з си const U си з зи U f I ) ( передачи обратной тика характерис ); ( ) ( тика характерис рная стокозатво или передачи прямой тика характерис U f I const U зи с си ); ( ) ( тика характерис выходная U f I const U си с зи Обычно применяются две последние характеристики. Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с n-p- переходом показано на рис 1.2. На выходных ВАХ можно выделить три области. Область I. 0c почти линейно увеличивается с ростом напряжения на стоке. В этой области транзистор может быть использован как омическое, управляемое входным напряжением, сопротивление. Далее линейная зависимость между си ток I c нарушается, так как уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление. Область 2. си нас c практически прекращается, и его величина почти не зависит от напряжения, так как увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой — сужение канала, что, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения си нас Область 3. сиси мах. Это область пробоя транзистора. Увеличение напряжения на стоке выше определенной величины приводит к электрическому пробою р- перехода у стокового конца канала, так как в этой части прибора кр- переходу приложено наибольшее обратное напряжение. При напряжении U зи =0 напряжение насыщения равно напряжению отсечки. Можно показать, что при положительных напряжениях на затворе напряжение насыщения определяется по формуле отс зи зи нас си U U U 1.1. В выходных ВАХ кривая, соединяющая точки, соответствующие значениям си нас при разных значениях U зи , является параболой, выходящей изначала координат (пунктирная линия на рис. 5.3). Если управляющий р -n переход смеcтить в прямом направлении, ток стока увеличится. При этом резко возрастает входная проводимость прибора. Такой режим на практике не используют. Это нерабочий режим работы. Передаточная ВАХ (стокозатворная характеристика) const U зи с си U f I ) ( может быть легко получена из семейства выходных характеристик, если при фиксированном напряжении си отмечать величину напряжения U зи и соответствующие ему значения I c . Изменение напряжения си в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики. 15. МДП транзистора со встроенным каналом. Структура, принцип работы, ВАХ, параметры и схема замещения МДП- транзистор со встроенным каналом В таких МДП транзисторах канал на этапе изготовления образуется тонким слоем полупроводника, нанесенного на подложку и имеющего противоположный по отношению к ней тип проводимости. Эти транзисторы отличаются от транзисторов с индуцированным каналом тем, что могут работать как при положительном, таки при отрицательном напряжении на затворе. Конструкция МДП транзистора со встроенным каналом приведена на рис. Если напряжение на затворе относительно подложки, которая обычно соединена с истоком, равно нулю Uзи=0, то при подаче на сток положительного напряжения вцепи сток исток будет протекать ток стока с определяемый проводимостью канала, причем ВАХ будет аналогична выходной вах полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Если на затвор, подать отрицательное напряжение Uзи<0, то электрическое поле, создаваемое этим напряжением, удаляет электроны канала вглубь подложки, увеличивая его сопротивление, ток стока при этом уменьшается. Такой режим называется режимом обеднения. Если на затвор, подать положительное напряжение Uзи>0, то электрическое поле, создаваемое этим напряжением, втягивает электроны из подложки в канал, обогащая его носителями, и уменьшая его сопротивление, ток стока при этом увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Полевые транзисторы с индуцированным каналом получили более широкое распространение, чем транзисторы со встроенным каналом. В первую очередь это связано стем, что управляющее напряжение и напряжение питания одной полярности (одного знака. 16. МДП транзистора с индуцированным каналом. Структура, принцип работы, ВАХ, параметры и схема замещения Полевые транзисторы с изолированным затвором МДП- или МОП-транзистор представляет собой прибор, в котором металлический затвор изолирован слоем диэлектрика от канала, образованного в приповерхностном слое полупроводника. Принцип действия МДП транзистора основан на явлении управления пространственным зарядом полупроводника через слой диэлектрика. Различают МДП-транзисторы с индуцированными со встроенным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком истоком индуцируется (наводится) управляющим напряжением затвора. В этих транзисторах при разности потенциалов между истоком и затвором, равной нулю, электропроводность между стоком и истоком практически отсутствует. МДП – транзистор с индуцированным каналом В МДП – транзисторах затвори канал изолированы пленкой диэлектрика (рис. 1.4). Каналом является тонкий слой на поверхности пластины (подложки) с противоположным типом проводимости. Затвор представляет собой тонкую пленку алюминия, нанесенную на поверхность окисла кремния. Истоки сток выполнены в виде сильнолегированных n+ – областей (концентрация дырок 10 18 - 10 20 см) в пластине кремния n- типа. Если U зи =0 напряжение на затворе отсутствует, то сопротивление между истоком истоком, определяемое двумя включенными встречно p-n переходами в местах контакта подложки и n+- областей, очень велико. Возникновение канала основано на так называемом эффекте поля, те. изменении концентрации носителей в приповерхностном слое полупроводник под действием электрического поля. При подаче на затвор положительного U зи >0, по отношению к истоку напряжения в подложке полупроводника возникает электрическое поле, которое вытягивает из р- подложки электроны, увеличивая их концентрацию в тонком приповерхностном слое и изменяет тип его проводимости на противоположный. Этот тонкий слой полупроводника с инверсной проводимостью (n – типа) называется индуцированным или наведенным слоем. Он образует проводящий канал, соединяющий n+ - области истока истока. При увеличении отрицательного напряжения затвора толщина n - слоя и его проводимость возрастают. Таким образом, можно управлять током стока транзистора. Напряжение затвора, при котором в приборе формируется канал, называется пороговым напряжением U зи пор. Если при |U зи |>|U зи пор подать положительное напряжение на сток, тов канале появится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение электронов от истока к стоку. При изменении напряжения си, будет меняться дрейфовая скорость движения дырок в канале, а, следовательно, и ток I c . Величина порогового напряжения у транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах от 1 до 6 В. Величина тока вцепи затвора транзистора очень мала, так как сопротивление изоляции между затвором и каналом достигает 10 15 Ом. Выходные характеристики МДП транзистора с индуцированным каналом (рис. 1.5) имеют такой же вид, как и характеристики полевого транзистора с p-n -переходом, а его входная ВАХ на рис. 1.6. Принцип работы, свойства и ВАХ МДП- транзистора с p - каналом примерно такие же как и транзистора с n каналом. Отличие состоит в том, что транзисторы с n - каналом оказываются более быстродействующими, так как подвижность электронов, переносящих ток, примерно в три раза выше, чем подвижность дырок. Кроме того, эти транзисторы имеют разные пороговые напряжения. 17. Работа полевого транзистора в усилительном режиме. Рабочая точка и способы ее задания. Нагрузочная прямая. Предельно-допустимые параметры БТ. Работа транзистора в усилительном режиме При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например, переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора. Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей. Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13. Коллекторная цепь состоит из резистора к и источника Е к , а цепь базы - из источников тока Б и Б Источник Б обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник Б- источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки к на коллекторе транзистора. Рисунок 3.13 Схема усилителя на БТ. Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3.. При Б =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (Б 0, К и напряжением на коллекторе К Е К -I К 0 R к Рисунок 3.14 Временные диаграммы усилителя. Вовремя положительного полупериода входного тока (риса) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14, б) и уменьшение напряжения U КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3.14, в. Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180 0 . При соответствующем выборе сопротивления нагрузки к амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U mвых =I Кm R к может значительно превышать амплитуду входного напряжения. В этом случае происходит усиление сигнала. Расчет параметров усиления дан в Построение нагрузочной линии В усилительном каскаде выходные зажимы транзистора, сопротивление нагрузки и источник питания составляют последовательную цепь, в которой протекает определенный ток. За счет этого тока обеспечивается определенное падение потенциалов Uкэ и н , где н - напряжение, которое падает на нагрузочном элементе. Тогда для ИРТ можно записать следующее выражение Uкэ = Еп – н. (3.1) Построение нагрузочной прямой (кривой) с целью выбора ИРТ для транзистора предполагает решение графическим методом уравнения (3.1). На рис. 3.3 приведена электрическая схема усилительного каскада с линейной нагрузкой н, ВАХ которой представлена приведена на рис. б. Допустим, что н = 1 кОм. Для графического решения выражения (3.1) перенесем ВАХ резистора риса) на ВАХ транзистора, где для ВАХ резистора заточку отсчета принимаем величину напряжения источника питания Еп. Точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора определяют точки для к и Uкэ0. По этим точкам в соответствии с б выбирают необходимые к и Uкэ0 при условии не превышения током коллектора к максимального допустимого значения. Появление сигнального приращения б приводит к появлению новой точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора, соответственно появляются и сигнальные приращения к и Uкэ. Рис. 3.3 Аналоговый сигнал б) изменяется плавно и вызывает изменение положения ИРТ, следовательно, процесс усиления можно трактовать как процесс управления ходом выходной ВАХ транзистора, приводящий к изменению положения РТ и появлению сигнальных составляющих тока и напряжения на выходе усилительного каскада. 0 I k 2 2 4 4 6 10 10 8 6 8 а) 0 I k,ма 2 2 4 4 6 10 10 8 6 8 I н U кэ I к E п U кэ,в I б0 + I б =70 ма I б0 =80 мка б) U н,в Рис. 3.4 Если в качестве нагрузки используется нелинейный двухполюсник, то процесс построения нагрузочной линии соответствует тому же процессу, что и при линейной нагрузке, а именно идет решение соотношения (3.1) (Рис. Э Э 0 I н I н U н E 0 а) б) Рис. 3.5 Таким образом, для определения положения ИРТ в соответствии сна плоскости выходных ВАХ транзистора необходимо построить график ВАХ нагрузочного элемента совместив начало его координат сточкой (Uкэ = Еп, к) и изменив направление оси напряжении этого графика на противоположное. Точка пересечения графика, построенного таким образом, с графиком текущей выходной ВАХ транзистора и определяет положение ИРТ. +Е п U вх U ? R н Способы задания рабочей точки усилительного элемента от отдельного источника смещения, фиксированным током, фиксированнымнапряжением. Рабочая точка задается в режиме покоя (те. в режиме по постоянному току. В схеме протекают постоянные токи, поэтому конденсаторы представляются разрывами. В этом же режиме определяется рабочее напряжение на конденсаторах каскада |