Схемотехника БТ. 2021_Схемотехника06_БТ_Определения. Лекция. Лекция. Биполярные транзисторы биполярные транзисторы биполярные транзисторы
 Скачать 0.89 Mb.
|
схемотехника схемотехника Лекция. Лекция. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзистор – прибор, содержащий два или более электронно-дырочных перехода, имеющий не менее трех выводов и пригодный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Типы БТ Типы БТ n–p–n p–n–p Полупроводниковые материалы: Si, Ge, Se, GaAs, SiC. Существенным свойством полупроводника является возможность в широких пределах изменять свою проводимость под действием температуры, облучения и введения примесей. Э ( E – emitter) – эмиттер Б ( B – base) – база К ( C – collector) – коллектор Основные режимы работы транзистора Основные режимы работы транзистора Активный режим — основной или нормальный – эмиттер смещен в прямом направлении, коллектор – в обратном. Транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Инверсный режим — наоборот. Транзистор также может использоваться для усиления. использоваться для усиления. Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Используется в ключевых схемах. Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. Используется в электронных ключах. Принцип действия биполярного транзистора Принцип действия биполярного транзистора Эмиттер – источник НЗ. Коллектор – область сбора НЗ. База – средняя область между Э и К. р–n-переходы : эмиттерный – между эмиттером и базой; прямое смещение. коллекторный – между коллектором и базой; обратное смещение. Закон Кирхгофа для токов: I Э = I К + I Б Коэффициент усиления тока базы: h 21 = I К / I Б Способы Способы включения биполярных транзисторов включения биполярных транзисторов Выбор схемы включения зависит от конкретных требований к данной схеме. Один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Различают три схемы включения транзистора. Схема БТ с ОЭ Схема БТ с ОБ Схема БТ с ОК Схема с общей базой (ОБ) Схема с общей базой (ОБ) Достоинством схемы с общей базой являются лучшие частотные и температурные свойства по сравнению со схемой с общим эмиттером. К недостаткам относятся низкое входное сопротивление и малый коэффициент усиления мощности. Схема с общим эмиттером (ОЭ) Схема с общим эмиттером (ОЭ) Достоинства схемы включения Достоинства схемы включения транзистора с общим эмиттером: • Удобство питания от одного источника (на коллектор и базу подается напряжение одного знака). • Высокие значения Ku, Ki, Kp. Недостатки схемы : ─ Режим работы транзистора сильно зависит от температуры. ─ Худшие частотные свойства. Схема с общим коллектором (ОК) Схема с общим коллектором (ОК) Достоинства схемы : ● высокое входное сопротивление ● малое выходное сопротивление. ● наилучшие частотные свойства. Недостатки схемы : отсутствие усиления напряжения. Параметры схем включения биполярного транзистора Вольт Вольт--амперные амперные характеристики биполярных характеристики биполярных транзисторов транзисторов Статические характеристики – это зависимости между токами и напряжениями в транзисторе, снятые при постоянном токе в отсутствие нагрузки. Они взаимно связывают четыре величины i ВХ , i ВЫХ , U ВХ , U ВЫХ – входные и выходные токи и напряжения. Для описания режима работы транзистора необходимо иметь два семейства характеристик: иметь два семейства характеристик: входные характеристики i ВХ = f(U ВХ ) при U ВЫХ = const ; выходные характеристики i ВЫХ = f(U ВЫХ ) при i ВХ = const. Для каждой схемы включения транзистора существует свое семейство характеристик. Они приводятся в справочниках. В общем случае они подобны вольт-амперным характеристикам полупроводниковых диодов. Вольт Вольт--амперные амперные характеристики характеристики для для схемы с общей схемы с общей базой базой характеристики транзистора при включении его по схеме с ОБ Входные Выходные На выходных ВАХ биполярного транзистора можно выделить области, соответствующие различным режимам его работы: I – активная область работы транзистора, II – область отсечки (оба перехода закрыты, iэ<0), III – область насыщения (оба перехода открыты). Вольт Вольт--амперные амперные характеристики характеристики для для схемы с схемы с общим эмиттером общим эмиттером характеристики транзистора при включении его по схеме с ОЭ Входные Выходные На выходных ВАХ биполярного транзистора можно выделить области, соответствующие различным режимам его работы: I – активная область работы транзистора (усиление), II – область отсечки, III – область насыщения. рабочий режим и точка покоя рабочий режим и точка покоя Расчет усилителя должен начинаться с постоянного тока. По постоянному току X C → ∞, т.е. С – обрыв цепи; X L → 0. т.е. L – короткозамкнутый провод. Состояние, в котором находится УЭ, при отсутствии на его входе усиливаемого сигнала, называется состоянием покоя . Постоянные токи и напряжения в состоянии покоя определяют на входной и выходной статических характеристиках точку покоя При выборе положения точки учитываются : 1. Линейность усиления и уровень усиления. 2. Потребляемая мощность. 3. Условия эксплуатации УЭ. 4. Способ включения УЭ. 5. Работа в активном режиме. ПОНЯТИЕ О КЛАССАХ УСИЛЕНИЯ ПОНЯТИЕ О КЛАССАХ УСИЛЕНИЯ Класс усиления Класс усиления А А характеризуется: минимальными нелинейными искажениями сигнала (K г ≤ 1%). небольшим КПД усилительного каскада (всегда меньше 40 %), т.е. наименее экономичный режим. Класс Класс усиления усиления В В характеризуется : высокий КПД (до 70%) и малая мощность тепловых потерь, рассеиваемых в транзисторе. большой уровень нелинейных искажений сигнала (K г ≤ 10 %). угол отсечки θ = 90°. Угол отсечки - это угол, соответствующий моменту прекращения тока. Класс Класс усиления усиления АВ АВ Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе AB компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала. угол отсечки θ = 120…130°. Эквивалентные схемы Эквивалентные схемы усилительных усилительных элементов элементов Схемы замещения –– математические модели, характеризующие некоторые его свойства с заданной точностью и в определённых пределах. В общем случае транзистор представляет собой активный ( способный преобразовывать энергию источника сигнала) нелинейный четырехполюсник. ( ) ( ) = = 2 , 1 1 , 2 , 1 2 U I f U U I f I Его можно описать семействами характеристик – нелинейными функциями двух переменных: Схема замещения четырехполюсника по Схема замещения четырехполюсника по постоянному току в постоянному току в h h – –параметрах параметрах система линейных уравнений входное сопротивление транзистора по постоянному току: входное сопротивление транзистора по постоянному току: h 11э = U БЭ 0 / I Б 0 . дифференциальный коэффициент обратной связи по напряжению в схеме включения ОЭ: h 12э = d U БЭ / dU КЭ | при I Б = 0. коэффициент передачи (усиления) тока: h 21Э = dI К / dI Б | при U КЭ = 0. дифференциальная выходная проводимость транзистора: h 22Э = dI К / dU КЭ | при I Б = 0 ТИПОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТИПОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ h h--ПАРАМЕТРОВ ПАРАМЕТРОВ Переход от h-параметров схемы с общим эмиттером к h-параметрам схемы с общей базой или общим коллектором ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ Формулы расчета основных параметров Формулы расчета основных параметров для каскада для каскада усилителя по усилителя по эквивалентной эквивалентной схеме схеме Эквивалентная схема биполярного транзистора по Эквивалентная схема биполярного транзистора по переменному сигналу на примере схемы с общим эмиттером переменному сигналу на примере схемы с общим эмиттером В ОВЧ необходимо учитывать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов и диффузионную емкость. C C К К – емкость коллекторного перехода. Является элементом внутренней ОС; Параметры модели вычисляются аналитически в области точки покоя: S = dI K / dU БЭ = I K / φ T. φ T – тепловой потенциал, (φ T =25 мВ для Т = 27 0 С). элементом внутренней ОС; С С б ′ б ′э э – емкость прямосмещенного перехода БЭ; rr б б ′б ′б = τ ОС /C КБ [O м] – распределенное (объемное) сопротивление базовой области (омическое сопротивление базы); τ ОС – постоянная времени цепи обратной связи [пс]. r r б′э б′э – активное сопротивление эмиттера: ИТУТ с h 21 – управляемый генератор тока. Выходной ток: I К = S ·U БЭ Входное напряжение транзистора: частотные свойства эквивалентной схемы частотные свойства эквивалентной схемы биполярного транзистора с биполярного транзистора с общим общим эмиттером эмиттером Суммарная ёмкость входной цепи: Входное сопротивление: Сквозной коэффициент усиления: Граничная частота рабочего диапазона: Классификация биполярных транзисторов Классификация биполярных транзисторов 1. По структуре различают n−p−n и p−n−p транзисторы. 2. По диапазону используемых рабочих частот различают: - низкочастотные транзисторы f гр ≤ 3 МГц; - среднечастотные транзисторы 3 МГц ≤ f гр ≤ 30 МГц; - высокочастотные транзисторы 30 МГц ≤ f гр ≤ 300 МГц; - СВЧ-транзисторы f гр ≥ 300 МГц. 3. По мощности выделяют: 3. По мощности выделяют: - транзисторы малой мощности P max ≤ 0.3 Вт; - транзисторы средней мощности 0.3 Вт ≤ P max ≤ 1.5 Вт; - транзисторы большой мощности P max ≥ 1.5 Вт. 4. По технологии изготовления классификация аналогична классификации полупроводниковых диодов. маркировка биполярных транзисторов маркировка биполярных транзисторов включает в себя 5 позиций: 1) материал: Г, 1 – германий; К, 2 – кремний; А, 3 – арсенид галлия; 2) букву Т, означающую, что это биполярный транзистор; 3) диапазон основных параметров (мощность, частота) – число от 1 до 9: 1 – транзисторы низкочастотные малой мощности; 2 – транзисторы среднечастотные малой мощности; 3 – транзисторы высокочастотные малой мощности; 4 – транзисторы низкочастотные средней мощности; 4 – транзисторы низкочастотные средней мощности; 5 – транзисторы среднечастотные средней мощности; 6 – транзисторы высокочастотные средней мощности; 7 – транзисторы низкочастотные большой мощности; 8 – транзисторы среднечастотные большой мощности; 9 – транзисторы высокочастотные большой мощности; 4) порядковый номер разработки (1-99); 5) букву, определяющую классификацию по основным параметрам (β, fгр). Пример: ГТ313А – германиевый транзистор, маломощный, высокочастотный, номер разработки 13, группа А. |