Метрология. все ответы к теории-1. На входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал
 Скачать 4.07 Mb.
|
1. Токовые. В них выходной ток пропорцианален входному току - I вых = kI вх . В создании выходного тока в таких транзисторах принимают участие два вида носителей заряда – электроны и дырки, а потому, их часто называют биполярными. 2. Полевые. В них выходной ток пропорцианален входному напряжению - I вых = SU вх Входное напряжение U вх создаёт в объёме транзистора электрическое поле, управляющее выходным током. В этих транзисторах в создании выходного тока I вых принимает участие один вид носителей заряда – электроны или дырки, а потому их иногда называют униполярными транзисторами. Общие сведения о биполярных транзисторах Биполярные транзисторы — это объём полупроводника стремя чередующимися р и n областями и с двумя близко расположенными, а потому взаимодействующими р-n-переходами. В зависимости от чередования р и n областей, различают два типа биполярных транзисторов р-п-р и п-р-п-типа. Структуры и условные обозначения Средний слой транзистора называют базой (Б, один из крайних - эмиттером (Э, другой — коллектором (К. Между эмиттером и базой возникает эмиттерный переход (ЭП), а между коллектором и базой – коллекторный переход (КП). Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме и соотношения для его токов Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активном режиме показана на рис. активный режим — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. В таком режиме - Iвых=Кi вх , К – коэффициент передачи тока. Такой режим используется при работе транзистора в усилителях или генераторах Эмиттер – область, выполненная из сильно легированного полупроводника. Она является инжектором носителей заряда в базу. База – содержит малую концентрацию примесей ее толщина много меньше диффузионной длины w< тока коллектора кв коллекторной цепи транзистора. Кроме того, через коллекторный переход протекает обратный, неуправляемый ток, создаваемый собственными неосновными носителями заряда КП – это собственный тепловой ток ко коллекторного перехода. Часть неосновных носителей заряда не достигает КП, рекомбинируют с основными носителями заряда в области базы, это создаёт ток базы I Б Для транзистора можно записать следующие соотношения для токов 1. эк+ б 2. б э + I ko где э - коэффициент передачи тока эмиттера (типичные значения =0,9…0,999); э - управляемая составляющая тока коллектора, I K0 - собственный тепловой ток коллекторного перехода, или неуправляемая управляемая составляющая тока коллектора. 3. б э - I к =(1-α s )I э - I ko , если это б -I k0 0 К Э К Э Б α 1 I I I I I 9. Схемы включения БТ и соотношения для токов. Режимы работы БТ. Схемы включения биполярного транзистора В зависимости оттого, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора с общей базой (ОБ, с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Она имеет достаточно высокие коэффициенты усиления по напряжению (с инвертированием фазы входного напряжения на 180°), потоку и относительно высокое входное сопротивление. Схему ОК называют также эмиттерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению. Эта схема усиливает токи мощность, ноне усиливает напряжение (К и < 1). Она обладает наибольшим из всех трех схем включения входным сопротивлением и наименьшим выходным сопротивлением, поэтому часто используется как буферный усилитель для согласования низкого сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением каскада, иначе говоря, применяется как трансформатор сопротивлений. Эмиттерный повторитель эквивалентен генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки. Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, ноне усиливает ток (коэффициент усиления потоку меньше единицы, но близок к ней. Подобно схеме ОЭ, она имеет высокое выходное сопротивление. В отличие от схемы ОЭ входное сопротивление этой схемы очень мало последнее обстоятельство делает ее непригодной для усиления больших напряжений. Обычно схема ОБ применяется для усиления напряжений на очень высоких частотах. Математическая модель транзистора Она устанавливает аналитические зависимости между токами и напряжениями на выходах транзисторов Для определения аналитических зависимостей между токами и напряжениями транзистор представляют эквивалентной схемой Эберса — Молла (рис. 2.3). Она состоит из двух идеальных р-n-переходов, включенных навстречу друг другу и двух зависимых источников тока. Объемные сопротивления слоев, емкости р- n -переходов и эффект модуляции ширины базы здесь не учитываются. Токи эмиттера и коллектора, как следует из схемы, состоят из двух слагаемых и выражаются следующим образом э – α I I 2 , 1 e I 1 e I i U U T К 0 T Э 0 φ К T φ Э Э α ;(1) i k = α N I 2 – I 2 , 1 e I 1 e I i U U T К 0 T Э 0 φ К φ Э N К α (2) где ЭК тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов N — коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме I — коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении Uэб и КБ – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно т = kT/e — температурный потенциал I 1 , I 2 - токи через соответствующие p-n переходы э – зависимый источник тока, который учитывает ток через коллекторный переход, который связан стоком эмиттера эк- зависимый источник тока, который учитывает ток через эмиттерный переход, который связан стоком эмиттера к, при работе транзистора в инверсном режиме. При нормальном включении биполярного транзистора, когда выходным током является к, можно записать, что I к =α N I э +I к0 . При инверсном включении биполярного транзистора, когда выходным током является э, можно записать – I э =α I I э +I э0 Режимы работы. В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на р-n-переходах различают следующие области (режимы) работы транзистора: активный режим — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. В таком режиме - Iвых=Кi вх , К – коэффициент передачи тока. Такой режим используется при работе транзистора в усилителях или генераторах режим отсечки — на обоих переходах обратные напряжения (транзистор заперт. Через транзистор протекает малый тепловой ток коллекторного перехода К к. Такой режим используется в электронных ключах на транзисторах и соответствует разомкнутому состоянию ключа режим насыщения - на обоих переходах прямые напряжения (транзистор открыт. Через транзистор протекает максимальный ток, ограниченный сопротивлением коллекторной цепи – это ток коллектора насыщения I Кнас =Е к /R к . Такой режим используется в электронных ключах на транзисторах и соответствует замкнутому состоянию ключа инверсный режим — напряжение на эмиттерном переходе обратное, а на коллекторном - прямое. Входным током можно считать ток коллектора ка выходным – ток эмиттера э. эк, где коэффициент передачи транзистора в инверсном режиме. Однако коэффициент передачи в таком режиме мала потому в усилительных схемах такой режим не применяется. Инверсное включение применяют в схемах двунаправленных переключателей, использующих симметричные транзисторы, в которых обе крайние области имеют одинаковые свойства. 10. ВАХ транзистора в схеме с ОБ. Коэффициент передачи тока эмиттера. Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ это I э =f(U эб )| Uкб=const . Ток эмиттера э связан сдвижением основных носителей заряда. При КБ = 0 и U ЭБ > 0 характеристика имеет вид обычной ВАХ p - n – перехода смещенного в прямом направлении. При подаче запирающего напряжения на коллектор (КБ, входные характеристики, незначительно смещаются влево, это обусловлено эффектом модуляции ширины базы и состоит в том, что толщина базы w уменьшается, что ведет к росту тока эмиттера - w n I Э При U ЭБ 0, I б =I к0 . Этот ток малина ВАХ его не показывают. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ – это зависимость I к =f(U кб )| Iэ=const . Ток коллектора связан сдвижением неосновных носителями заряда. При смещении КП в обратном направлении 1. Если 0 Э I , то Iк=Iко, что соответствует обычной характеристики р-n-перехода, включенного в обратном направлении и соответствует режиму отсечки в работе транзистора. 2. При U кб >0, 0 К Э К α I I i - это линейный (активный) режим работы транзистора. 3. При U кб U кб max наблюдается резкое возрастание коллекторного тока т.е.-пробой транзистора. Возможно два вида пробоя лавинный – за счет ударной ионизация носителей заряда, и прокол базы – за счет смыкания коллекторного и эмиттерного переходов. 4. При КБ коллекторный переход смещён в прямом направлении, а ток обусловленный неосновными носителями заряда стремиться к нулю. При работе транзистора в активном режиме выходной ток определяется из соотношения I к = I э +I к0 , где к- тепловой ток коллекторного перехода транзистора с ОБ. Однако это выражение не учитывает наклона выходных ВАХ связанного с модуляцией толщины базы. Для учета этого эффекта, которое наиболее сильно проявляется при работе транзистора в активном режиме, в выражение вводят дополнительное слагаемое I к = I э +I к0 +U кб /r к диф , где r к диф = U кб / I к | Iэ=const – дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода в схеме с ОБ. Усилительным параметром транзистора, включенного по схеме с общей базой, является α - коэффициент передачи тока эмиттера 999 ЭК. Различают три вида параметров α: 1. Статический - ЭК, где ЭК, I I - абсолютные значения. 2. Дифференциальный - α ДИФ = 0 = I Э / I К Uкб = const . Практически в активном режиме при не слишком больших уровнях инжекции величина α мало меняется с изменением эмиттерного тока, и без большой погрешности можно полагать α ДИФ =α. Поэтому в дальнейшем дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока также будем обозначать α. 3. Комплексный (динамический) - Э К дин α I I , где ЭК, I I - комплексные амплитуды. Комплексный коэффициент передачи, зависит от частоты дин D w 2 2 α - постоянная времени транзистора D – коэффициент диффузии. Амплитудно и фазочастотные характеристики (j ) имеют вид 2 α 0 ) ( 1 α α j , ( )= - arctg( ). Выводы с ростом частоты - 1. передаточные свойства биполярного транзистора ухудшаются 2. появляется фазовый сдвиг (задержка) между выходными входным сигналами. 11. ВАХ транзистора в схеме с ОЭ. Коэффициент передачи тока базы. Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОЭ Входная ВАХ - Const U БЭ Б КЭ U f I ) ( Если Uбэ 0, переход база-эмиттер смещен в прямом направлении. Ток через переход связан сдвижением основных носителей заряда. 1. При Uкэ=0, входная ВАХ транзистор совпадает с ВАХ р-п перехода смещённого в прямом направлении. 2. При Uкэ>0, ВАХ смещается вправо, это связанно стем, что через переход база-эмиттер протекает ток коллектора, создающий на нём напряжение. Если Uбэ 0, то б -к. к к поэтому его показывают на ВАХ. Ток связан сдвижением неосновных носителей заряда. Выходная ВАХ: I К =f(U КЭ )| Iб=const . Выходной ток К связан сдвижением неосновных носителей заряда. Выходные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ имеют ряд отличий по сравнению с транзистором, включенным по схеме с ОБ. 1. За счёт U кэ =U кб +U бэ ВАХ с ОЭ смещаются вправо. 2. Наклон рассматриваемых характеристик значительно больше чем прежде. Это связано стем, что U бэ , зависит оттока к протекающего через эмиттерный переход. 3. При U кэ >U кэmax , происходит пробой коллекторного перехода, причём, U кэ max (ОЭ) < U кбmax (ОБ). 4. При б, I кэ =I * ко >>I ко Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром - коэффициент передачи тока базы. Различают три коэффициента передачи тока базы 1. Статический коэффициент передачи β=I к /I б | Uкэ = const 2. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы β=∆I к /∆I б | Uкэ = const 3. Динамический коэффициент передачи j j I I j α 1 α Б К ; α 0 α 0 0 α 0 0 α 0 α 0 ; 1 α - 1 1 α - 1 α 1 α - 1 α 1 α - 1 1 α j j j j j - постоянная времени транзистора включенного по схеме с ОЭ. Амплитудно и фазочастотные характеристики (j ) имеют вид 2 0 1 , ( ) = arctg(- ). =( ) -1 – граничная частота транзистора включенного по схеме с ОЭ, , = (1 - ) 12. Влияние температуры, радиации и положения рабочей точки на характеристики и параметры БТ. Частотные свойства и параметры БТ. Предельно-допустимые параметры БТ. Влияние температуры на работу транзистора. Работа транзисторов сильно зависит от температуры, при которой находятся р-n-переходы. Различают три основные причины нестабильности тока коллектора при изменении температуры. Прежде всего от температуры существенно зависит обратный ток коллекторного перехода ко. Установлено, что ток ко удваивается при изменении температуры на каждые 10 С для германиевых и на каждые 7 С для кремниевых транзисторов. Кроме того, напряжение база — эмиттер Uбэ с ростом температуры уменьшается. Ориентировочно значение этого уменьшения ∆Uбэ/∆T= -2,5 мВ/°С. Наконец, коэффициент передачи ток β с увеличением температуры переходов увеличивается. Наиболее вредное влияние на работу транзистора при изменении температуры оказывает увеличение тока ко. За счет этого фактора в наихудшем случае ток коллектора может возрасти настолько, что произойдет тепловой пробой коллекторного перехода транзистора Температурная зависимость С повышение температуры, ВАХ транзистора смещается вверх, это связано стем, что в состав коллекторного тока входит тепловой ток коллекторного перехода, который существенно зависит от температуры. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером 0 К * К К α - 1 0 0 I I I , эта зависимость значительно сильнее, чем при включении по схеме с общей базой. Рассмотрим зависимость T : возрастает, так как с увеличением температуры, увеличивается коэффициент диффузии, то есть скорость переноса зарядов в область базы. Напряжение возрастает, следовательно, время нахождения в области базы меньше, а значит, возможность рекомбинации уменьшается. 1) Частотная зависимость – с ростом частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются (см. График *) 2) Зависимость параметров транзистора от положения рабочей точки. Рабочая точка транзистора – это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах транзистора РТ РТ КЭ К , I I РТ Спад при малых К связан с рекомбинацией в эмиттерном переходе. Спад при больших К связан с уменьшением коэффициента инжекции при высоких плотностях эмиттерного тока. При малых КЭ U , уменьшение связанно с эффектом Эрли, в результате которого происходит расширение толщины базы. При больших КЭ U , резко возрастает, это связанно с предпробойным состоянием транзистора. Предельно допустимые параметры транзистора — это те параметры, которые не должны быть превышены при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К ним относят Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р Ктлх — наибольшая мощность, рассеиваемая в транзисторе при температуре окружающей среды Т с (или корпуса к. При работе транзистора в режиме переключения, кроме мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, добавляется мощность, рассеиваемая в базе. Значение Р mах , допустимое при заданной температуре корпуса Т к или окружающей среды с, определяют по формулам к (T n max – T к )/R т пк с (T n max – ст пс где Т птах — максимально допустимая температура р-n-перехода; т пк — тепловое сопротивление переход—корпус; т пс — тепловое сопротивление переход—окружающая среда. Максимально допустимые напряжения:U кб max U кэ max U эб max .. Для большинства биполярных транзисторов указывается максимальное сопротивление между базой и эмиттером Б, при котором допустимо данное значение U кэ max в отсутствие запирающего смещения на базе. Максимально допустимые токи к max э max б регламентируется только для транзисторов большой и средней мощности. Частотные и импульсные свойства транзисторов. С повышением частоты коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается по модулю и становится комплексной величиной. Как следствие, происходит сдвиг по фазе между переменными составляющими тока коллектора и тока эмиттера. Частотные свойства транзисторов принято характеризовать рядом параметров. Предельной частотой коэффициента передачи тока называют такую частоту, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается враз, те. на 3 дБ по сравнению сего низкочастотным значением. При включении транзистора по схеме ОБ эту частоту обозначают f били иногда f . В зависимости от значения этой частоты различают низкочастотные (f 3 МГц, среднечастотные (3 МГц < f < < 30 МГц, высокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц) и СВЧ (f 300 МГц)-транзисторы. В схеме ОЭ предельную частоту передачи тока базы обозначают символом f э или f . Следует заметить, что частотные свойства транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ, так как частота f э примерно враз ниже частоты f h21б Граничной частотой коэффициента передачи тока базы в схеме ОЭ называют такую частоту f гр (или f 1 ), на которой модуль коэффициента передачи тока базы равен единице. Для транзистора справедливы следующие соотношения э = f б / , f б =1,2 f гр Максимальной частотой генерации fmax это наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Важным параметром служит сопротивление базы транзистора г б, представляющее собой распределенное омическое сопротивление базовой области. Это сопротивление необходимо знать при определении входного сопротивления каскада. Сопротивление г находят путем измерения постоянной времени цепи обратной связи т к, поскольку т кг б С к , где С к — емкость коллекторного перехода. |