Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
9.3. О способах включения биполярных транзисторов В электрических схемах биполярные транзисторы могут включаться тремя различными способами с общей базой (ОБ, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) (см. рис. 9.2) Название способа включения происходит от названия того электрода биполярного транзистора, который в рассматриваемой схеме является общим для входного и выходного контуров электрической цепи. Важность способа включения транзистора состоит в том, что схемы в зависимости от этого приобретают разные свойства при совершенно одинаковых параметрах транзисторов. Примеры возможных способов включения транзисторов показаны на рис. 9.10. Рис. 9.10. Три способа включения биполярного транзистора в электрической схеме с источниками питания, смещения и входного сигнала На представленных упрощенных схемах включения биполярного- транзистора приняты следующие обозначения вх U – входной (усиливаемый) сигнал к э Е , Е – источники эмиттерного и коллекторного смещений (внешние источники питания k R – резистор вцепи коллектора в схемах ОБ и ОЭ, его основная функция – ограничение тока вцепи коллектора, но он может одновременно служить сопротивлением нагрузки H R – резистор (сопротивление нагрузки) вцепи эмиттера схемы ОК. Отличительным признаком схемы ОК является отсутствие ограничивающего резистора вцепи коллектора. Схему ОК часто называют эмиттерным повторителем. Каждая из схем использует биполярный транзистор в качестве элемента, обеспечивающего усиление входного сигнала вх U . Стрелки напряжения вх U не показаны, так как это напряжение может быть положительным, отрицательным либо переменным. Рассматриваемые схемы обладают разными свойствами при совершенно одинаковых, включенных по разному, транзисторах. Принцип усиления входного сигнала для схем одинаков. Он состоит в том, что входной сигнал воздействует на базовую (управляющую) цепь транзистора и вызывает изменение сопротивления основной (управляемой) цепи (коллектор-эмиттер) транзистора, вследствие чего ток в этой цепи, созданный источником питания, будет изменяться, обеспечивая изменение выходного напряжения вых U . При этом вследствие нелинейности характеристик транзистора малые изменения вх U могут вызвать гораздо большие изменения выходного сигнала U вых , создавая эффект усиления входного сигнала. Области использования схем определяются их разными свойствами, о чём будет сказано далее. Здесь только отметим, что наибольшее распространение получили схемы ОЭ и ОК. 9.4. Основные режимы работы транзистора Различают три основных режима транзистора активный, отсечки, насыщения [38]. Активный режим – нормальный эмиттер смещен в прямом направлении, коллектор – обратном. Инверсный режим – наоборот. В уравнениях (9.9, 9.10) в нормальном активном режиме U эб имеет знак «+», U кб имеет знак «–». Режим отсечки глубокая отсечка – оба перехода смещены в обратном направлении, причем модули этих напряжений должны быть U > (3 - 5 ) m т , где m ≈ (1,5 – 2). В режиме отсечки к = I кбо. Режим отсечки характеризует закрытое состояние транзистора транзистор заперт, при котором его сопротивление максимально, токи – минимальны. Режим насыщения характеризует открытое состояние транзистора, когда его сопротивление минимально, а токи определяются внешними источниками, ноне должны превышать некоторых допустимых значений. В режиме насыщения оба перехода транзистора с помощью внешних напряжений смещены в прямом направлении. Напряжение транзистора U кэ минимально U кэ наст) Ток коллектора к к мах. Режим отсечки и насыщения широко используется в электронных ключах. Достигаются эти режимы различными способами, в том числе и изменением подводимых к транзистору напряжений. 9.5. h - параметры биполярного транзистора Транзистор можно представить в расчетном отношении как активный четырёхполюсник, имеющий два входных и два выходных зажима (рис. 9.11). Это представление во многих случаях существенно упрощает расчеты схем с транзисторами. Рис. 9.11. 4-х-полюсник – аналог транзистора Согласно теории электрических цепей [26], связь между токами и напряжениями 4-х-полюсника может быть показана с помощью системы уравнений U 1 = h 11 i 1 + h 12 U 2 ; (9.12) i 2 = h 21 i 1 + h 22 U 2 , где i 1, i 2 – соответственно входной и выходной токи U 1 , U 2 – входное и выходное напряжения. Коэффициенты h, входящие в уравнения, получили название параметры. Физический смысл этих коэффициентов выясняется, если рассматривать два характерных режима холостой ход (х.х.) и короткое замыкание (к.з.) на входе и выходе 4-х-полюсника. Режим х.х. характеризуется отсутствием тока при наличии напряжения, режим к.з. – отсутствием напряжения при наличии тока. В этих случаях h 11 = U 1 / i 1 ; ( U 2 = 0) – входное сопротивление при к.з. на выходе коэффициент передачи напряжения при х.х. на входе (коэффициент обратной связи по напряжению h 21 = i 2 / i 1 ; (U 2 = 0) – коэффициент передачи тока при к.з. на выходе h 22 = i 2 / U 2 ; ( i 1 = 0) – выходная проводимость при х.х. на входе. В усилительных устройствах с транзисторами параметр определяют обычно по соотношениям между приращениями токов и напряжений. Например, для схемы с общим эмиттером ∆ U бэ = э I бз + э ∆U кэ (9.13) к = э ∆ I бз э ∆ U кэ Получив опытным путем входные и выходные характеристики, можно вычислить параметры, как частные производные в заданных точках характеристик, полагая неизменными нужные величины. Например, в схеме ОЭ: ∆ U бэ U кэ = Со ∆ U бэ э = (∆ U кэ = 0) ; э = ∆ I бз ∆ U кэ I бз = Сок U кэ = Сок э (∆ U кэ = 0) ; э = I бз = Со ; ∆ I бз ∆ U кэ параметры определяются для любой из трех схем включения транзистора, причем система параметров позволяет в расчетах использовать обобщенную схему замещения транзистора для параметров, показанную на рис. 9.12. Рис. 9.12. Обобщенная схема замещения биполярного транзистора Упрощенные схемы замещения транзисторов для параметров пренебрегаем h 12 ) будут иметь вид, представленный на рис. 9.13. Рис. 9.13. Схемы замещения транзисторов в параметрах 9.6. Основные параметры биполярных транзисторов 1. Коэффициенты э, h 21б , h 21к – это коэффициенты передачи тока (коэффициенты усиления потоку) (в схеме ОЭ э – это β, в схеме ОБ б – это α). 2. Граничная частота для коэффициента передачи тока – это частота, на которой э уменьшается до 1. 3. Частота усиления f(h 21 ) – это частота, на которой э уменьшается враз этим значением определяется так называемая полоса пропускания частот, те. диапазон частот, в которых характеристики усиления удовлетворительны. 4. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в схеме ОЭ – э. d U бэ э = r э диф = U кэ Со d I бз Значения э – Омы, десятки Ом ). 5. Выходная проводимость э связана с дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. 1 d U кэ = r к диф = б Со эк. Коэффициент обратной связи по напряжению d U бэ э = б Со , э ≈ 10 –3 - 10 -4 d U кэ 7. Объемное сопротивление базы r б = (десятки – сотни Ом. 8. Емкость коллекторного перехода С к . Это фактически барьерная емкость коллекторного перехода С к ≈ (5 - 50) р. 9. Максимальная частота генерации f б) макс ≈ √ , б С к макс это наибольшая частота, при которой транзистор может работать (способен работать) в схеме автогенератора. 10. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении I кбо = к при э = 0, U кб < 0. О значении этого тока говорилось выше. Величина тока I кбо от А до нескольких мА в зависимости от мощности и качества изготовления транзистора. 11. Максимально допустимый ток коллектора – к макс. 12. Наибольшая допустимая мощность рассеяния коллектора Р к макс = к макс U кэ . Тепловое сопротивление между коллектором и корпусом R т =∆Т/Р кмакс , где Т – перепад (градиент) температур между коллектором и корпусом. Следует помнить, что приведенные в справочных материалах параметры транзисторов определены для заданного диапазона их изменения, те. для определенных режимов работы ив заданном диапазоне температур. Поэтому для представления о том, как будут меняться параметры, в литературе [31, 38] приводятся обобщенные зависимости физических параметров от режима работы и от температуры. Вид этих зависимостей (например, для схемы ОЭ) показан на риса б) в) Рис. 9.14. Примерный вид обобщенных зависимостей физических параметров биполярных транзисторов оттока, напряжения и температуры а) – зависимость оттока э б) – зависимость от напряжения U кэ ; в) – зависимость от температуры Т 9.7. Транзисторы с инжекционным питанием Интересным развитием биполярных транзисторов являются полупроводниковые приборы с инжекционным питанием [15,18] (предложены в 1971 году, используются в составе микросхем. Благодаря особой конструкции, эти приборы обладают весьма полезными свойствами. В составе интегральных схем (их называют И 2 Л-элементы) они позволяют получить высокую степень интеграции, т.к. для их действия требуется очень малая энергия переключения Э п = 10 -12 Дж. Схемы хорошо работают в диапазоне температур от -60 до +125 С. Особенностями являются инверсный режим (по схеме, ключевой режим (по действию, небольшой логический уровень высокого и низкого напряжений U 1 = (0,6 – 0,7) В, U 0 =(0,1 – 0,2) В, наличие общего для групп четвёртого электрода – инжектора (рис. 9.15), высокое быстродействие (t здр ≈ 10 нс. Рис. 9.15. Cтруктуры а б и УГО И 2 Л-элемента в) Принцип действия И 2 Л-элемента: заряды инжектируются в область Р, область эмиттера обогащается, поэтому понижается барьер перехода р, а следовательно и перехода р. Между эмиттером и коллектором образуется область с малым сопротивлением (возникает режим насыщения. Если эмиттер соединить с базой, замкнув ключ SW, то сопротивление перехода р резко увеличивается (возникает режим отсечки. Роль ключа SW может выполнять такой же точно транзистора инжектору них будет общим. 10. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, работа которого обусловлена током основных носителей зарядов, протекающим через проводящий канал, сопротивление которого модулируется (управляется) электрическим полем. Другое название – униполярные транзисторы – обусловлено тем, что ток в них создается носителями заряда одного знака (электронами или дырками. Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами, таких как высокое входное сопротивление, малые мощности для управления, высокие частотные свойства, возможность работы при низких температурах, высокая технологичность изготовления. Полевые транзисторы делятся на транзисторы с затвором в виде р – перехода (с управляющим р – переходом) и с изолированным затвором (со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы)), (другое название МОП-транзисторы). 10.1. Транзистор с управляющим р – переходом Транзистор с управляющим р – переходом (рис. 10.1) представляет собой пластину (участок) полупроводника р или типа, от тор- цев которой сделаны отводы, называемые стоки истока вдоль пластины выполнен электрический переход (р – переходили барьер Шоттки), имеющий свой вывод, называемый затвором. Рис. 10.1. Структура и УГО транзистора с управляющим р – n- переходом и каналом n -типа а (б УГО транзистора с каналом р-типа в) На затвор подается такое по отношению к истоку напряжение, чтобы р – переход между затвором и кристаллом был смещен в обратном направлении. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р – переходом и каналом типа представлены на рис. 10.2. Рис. 10.2. Стоко-затворная аи выходные б статические характеристики полевого транзистора с управляющим р – переходом и каналом типа Ток стока, при котором достигается значение тока насыщения, называется начальным током стока (обозначено с нач ) Напряжение си, при котором происходит насыщение канала, называется напряжением насыщения (обозначено си нас. Напряжение U зи , при котором ток стока с = 0, называется напряжением отсечки (обозначено U зи отс ). Значения токов насыщения I снас и напряжений си нас зависят от значений U зи , причем геометрическое место точек, соответствующих перекрытию канала и наступлению режима насыщения (пунктирная линия, образуют кривую, похожую напрямую ветвь ВАХ диода. С увеличением модуля U зи уменьшается пробивное напряжение между стоком и истоком U си пр , так как к р-n-переходу прикладывается сумма напряжений U си +U зи На выходных характеристиках (рис. 10.2) имеются три участка ОА, АБ, БВ. На участке ОА зависимость с = f (си практически линейна и имеет большую крутизну. Участок АБ – область насыщения, участок БВ – область электрического пробоя. Участок ОА похож на ВАХ резистора, поэтому полевые транзисторы (ПТ) можно использовать как управляемое сопротивление. Участок АБ используется для усилительных режимов. Основные параметры полевых транзисторов с управляющим р – переходом 1. Ток стока в области насыщения выходных характеристик при неизменном значении си (аналитическое выражение стоко-затворной характеристики с = с нач (1 - U зи / U зи отс ) 2 (10.1) 2. Крутизна характеристики S (оценка управляющего действия затвора S= с /dU зи си = Со (10.2) Наибольшую крутизну характеристика имеет в области U зи = 0, причем S = нач (1 - U зи / U зи отс ) 2 , (10.3) где S нач = - с нас /U зи отс ). S ≈ (0,3 – мА В. с нач t=125 0 C t=25 0 C 3. Температурные свойства ПТ харак- си =Const теризуются семейством стоко- затворных характеристик при раз U зи ,В Т t= -55 0 C ных значениях температуры окру- Жающей среды. По характеристикам видно, что ПТ с управляю- U зи отс щим p – n- переходом имеет Рис. 10.3. Стоко -затворные « термостабильную » точку Т характеристики ПТ при разных (рис. 10.3). температурах 4. Усилительные свойства ПТ помимо крутизны S характеризуются ещё коэффициентом усиления напряжения М, причем М = dU си /dU зи Iс = Со (10.4) 5. Дифференциальное внутреннее сопротивление R си диф = си с Uзи = Со (10.5) R си диф = ( 0,1 – 1)Мом . Учитывая (10.3), (10.4), (10.5), получим М = S R си диф (10.6) 3. Температурные свойства ПТ характеризуются семейством стоко- затворных характеристик при разных значениях температуры окружающей среды. По характеристикам видно, что ПТ с управляющим р – переходом имеет «термостабильную» точку Т рис. 10.3). Наличие точки, в которой сходятся характеристики, снятые в широком диапазоне температур, свидетельствует о том, что параметры ПТ в этой точке мало зависят от температуры. Нужно заметить, что крутизна характеристики в этой точке невелика. Емкость р – перехода между затвором и каналом характеризуют двумя значениями ёмкостью между затвором и истоком С зи и между затвором истоком С зс . Величина ёмкости составляет (5 – 20) р. 7. Эквивалентные схемы ПТ с управляющим р переходом разнообразны в зависимости от условий применения. Наиболее часто используются так называемые малосигнальные (для сигналов переменного тока) эквивалентные схемы, показанные на рис. 10.4. Рис. 10.4. Малосигнальные эквивалентные схемы ПТ: а) – исходная б преобразованная На рис. 10.4 обозначены З – омическое сопротивление затвора, экв – усредненное эквивалентное сопротивление, через которое заряжается эквивалентная емкость затвора С з . Ориентировочные значения для ПТ с управляющим p – переходом [31]: S = (0,3 - 3) мА/В; З = 10 10 Ом си = (0,1- 1) мОм экв = ( 50 - 800 ) Ом С з = ( 0,2 - 10 ) пФ. Изменение параметров и характеристик ПТ с изменением температуры обусловлено - изменением обратного тока р – перехода - изменением контактной разности потенциалов - изменением удельного сопротивления канала. Особое свойство ПТ с управляющим р – переходом – наличие термостабильной точки (см. рис. 10.3). Это свойство обусловлено тем, что с ростом температуры удельное сопротивление канала увеличивается, вызывая уменьшение тока стока. Это дает возможность правильным выбором режимов взаимно компенсировать изменения тока стока, вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. При этом можно добиться, чтобы ток с оставался неизменным в широком диапазоне изменения температур (см. рис. 10.3). Это объясняется тем, что контактная разность потенциалов с увеличением температуры уменьшается приблизительно на 2,2 мВ/град, что должно (при неизменном U зи ) приводить к увеличению тока стока. Увеличение удельного сопротивления канала приводит к уменьшению этого тока. Ориентировочное положение термостабильной точки на стоко- затворной характеристике (см. рис. 10.3) определяется значением |U зит | =|U зи отс |-0,63В. Недостаток этого режима – малая крутизна характеристик. |