80188

Физические основы работы полупроводниковых приборов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Связь между токами и напряжениями в транзисторе характеризуют тремя системами параметров: это системы z у и hпараметров. При такой схеме включения для расчетов применяют hпараметры экспериментально определяемые по статическим входным базовым и выходным коллекторным вольтамперным характеристикам ВАХ транзистора ВАХ зависимость напряжения на зажимах элемента электрической цепи от тока в нем. Статические характеристики в схеме с общим эмиттером: авходная; бвыходная Входные характеристики транзистора отражают зависимость...

Русский

2015-02-16

202.5 KB

3 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT12

Лекция №10 «Физические основы работы полупроводниковых приборов»

Биполярный транзистор. В электронике широко используют биполярные транзисторы с двумя р-n-переходами, к которым относят этот термин. Напомним основные сведения о биполярном транзисторе (проще, транзисторе; слово «транзистор» образовано от англ. transconductance — преобразование проводимости и varistor — нелинейный резистор) — полупроводниковом приборе с двумя р-n-переходами и тремя электродами: базой, коллектором и эмиттером. По характеру проводимости внешних слоев переходов транзисторы бывают р-n-р- и n-р-n-типов. Принцип действия транзисторов обоих типов идентичен. Отличие заключается в противоположности направлений протекания токов и полярности приложенных напряжений.

Из теории полупроводниковых приборов известно, что в биполярном транзисторе протекают токи базы Iб, коллектора Iк и эмиттера Iэ, связанные соотношением: Iэ = Iк + Iб. Обычно Iк = (0,9 ... 0,95)Iэ, т. е. практически весь ток, создаваемый эмиттером транзистора, протекает через коллекторный переход.  В зависимости от полярностей приложенных к р-n-переходам транзистора напряжений различают три режима работы:

отсечки — оба р-n-перехода закрыты, через транзистор протекает сравнительно небольшой тепловой ток;

насыщения — оба р-n-перехода полностью открыты, через транзистор протекает максимальный ток;

активный — один из р-n-переходов открыт, к другому приложено обратное напряжение; через транзистор протекает управляемый ток.

Рис.1. Схемы включения биполярного транзистора: а- с общим эмиттером; б- с общим коллектором; в – с общей базой

Различие в способах включения зависит от того, какой из трех электродов транзистора является по переменному току общим для входной и выходной цепей усилительного каскада. Связь между токами и напряжениями в транзисторе характеризуют тремя системами параметров: это системы z-, у- и h-параметров. Выбор удобной для практических расчетов системы параметров зависит от схемы включения транзистора. В радиотехнических схемах широко используют устройства, в которых транзисторы включены по схеме ОЭ. При такой схеме включения для расчетов применяют h-параметры, экспериментально определяемые по статическим входным (базовым) и выходным (коллекторным) вольт-амперным характеристикам (ВАХ) транзистора (ВАХ — зависимость напряжения на зажимах элемента электрической цепи от тока в нем).  

Рис.2. Статические характеристики в схеме с общим эмиттером:

а-входная; б-выходная

Входные характеристики транзистора отражают зависимость входного тока (тока базы Iб) от входного напряжения (напряжения база-эмиттер Uбэ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер Uкэ. Выходные

характеристики представляют собой зависимость выходного тока (тока коллектора Iк) от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ при постоянном токе базы Iб

Усилительный каскад ОЭ.

Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно  действуют постоянные напряжения покоя Uэп,  Uкп и Uэп. Резистор Rэ и делитель R1, R2 составляют цепь отрицательной обратной связи (ООС), предназначенную для термостабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. Под обратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилителя. Действие ООС объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя Iкп возрастают ток эмиттера покоя Iэп и падение напряжения на резисторе RЭ, поскольку (Uэп= Iэп Rэ). Поскольку напряжение между базой и землей (база-земля) Uбэ фиксировано базовым делителем R1, R2 и Uбз= Uбп + Uэп, то с увеличением напряжения Uэп уменьшается напряжение Uбп. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя Iбп и, следовательно, снижению тока коллектора покоя Iкп. Тем самым производится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя. Включение резистора RЭ в цепь эмиттера изменяет работу каскада и по переменному сигналу. Переменный ток эмиттера iэ создает на резисторе Rэ падение напряжения uэ = iэ*Rэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к базе транзистора, ведь uбэ= uвх - uэ. При этом снижается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку реактивное сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает потерь напряжения на резисторе Rэ.

В режиме покоя транзистора расчет каскада по постоянному току (входной сигнал отключен) проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзистора. Метод удобен при нахождении связи параметров режима покоя (Uкп и Iкп) с амплитудными значениями переменных составляющих — выходного напряжения Uвыхm и коллекторного тока Iвыхm, При расчетах на выходных характеристиках проводят пинию нагрузки по постоянному току (линия 1-2), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи каскада

Рис.3. Графический анализ каскада ОЭ по входной (б) и выходной (а) ВАХ

Линию нагрузки строят по двум точкам, характеризующим режимы

холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1: ток и напряжение холостого хода Iкх=0, Uкх = Ек; для точки 2: напряжение и ток короткого замыкания Uкз = 0; Iкз =Eк/(Rк + Rэ). При расчетах любые значения тока Iкп и напряжения Uкп определяют точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Одну из этих точек, полученную для заданного тока базы покоя Iбп, называют точкой покоя и обозначают буквой П.  Используя координаты точки покоя П, можно определить ток коллектора покоя Iкп, напряжение коллектора покоя Uкп и падение напряжения на резисторе RK, равное URк = Iкп*RK- При этом транзистор работает в активном режиме.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Ек и конденсатора С2 по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами RK и RH 

В режиме усиления сигнала токи и напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, поэтому линия нагрузки по переменному току также пройдет через точку П. И поскольку Rкн < RK, то линия будет находиться под углом γн = arctg(RKH), большим, чем угол γ. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где напряжение равно сумме Uкп + Iкп*RKH, и через нее и точку П проводят прямую (штриховая линия 3—4).

Вначале принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке RH (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения uвх переменный ток базы iб будет изменяться в соответствии с входной характеристикой. Одновременно и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении амплитуды входного напряжения возрастет ток базы iб. Поскольку ток коллектора связан с током базы как iк = h21*iб (h21 =50...75), то он тоже возрастет. В результате увеличивается падение переменного напряжения на резисторе Rк (ведь U = iк*RK), а переменное напряжение на  коллекторе uкэ = uВЫХ = Ек – iк*Rк уменьшится. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из данного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощности изменяет (инвертирует; инверсия — такое действие над входным сигналом, при котором все составляющие его спектра изменяют фазу на 180°) фазу входного сигнала на 180°. Точно так же работает схема и при подключении нагрузки RH, лишь переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами RK и RH, что естественно снижает усиление.

Эквивалентная схема каскада ОЭ

Амплитудная характеристика усилителя

Без искажений усиливаются входные сигналы с амплитудой не выше UBXмакс и не ниже UBXмин, отношение которых представляет динамический диапазон усилителя [дБ]

Линейное усиление сигнала обеспечивается при небольших амплитудах входного напряжения и выборе точки покоя на линейных участках входной и выходной характеристик транзистора. Тогда имеет место линейная зависимость между переменными токами базы iб и коллектора iк а также напряжениями UBX и UBЫX (см. штриховые линии на рис.). Если же амплитуда входного сигнала велика, то нелинейность характеристик приводит к искажениям формы выходного напряжения. Искажения формы выходного напряжения относят к нелинейным. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

где Р1, Р2,..., Рn, U1, U2,..., Un, I1, I2,..., In — мощности, напряжения и токи соответственно 1-, 2-,..., n-й гармонических составляющих выходного сигнала. Коэффициент гармоник усилителя не должен превышать 1...5 %.

Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление (до десятков мегаом). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большими входными сопротивлениями. Управление током осуществляют изменением проводимости канала р- или и-типа, через который под воздействием электрического поля он протекает, т. е. полевые транзисторы управляются по входной цепи напряжением (электрическим полем — отсюда название — «полевые»), а не током. Электропроводность канала обусловлена движением носителей только одного типа, поэтому по принципу действия они являются униполярными. По способу создания проводящего канала различают полевые транзисторы с р-п-переходом и с встроенным и индуцированным каналами. Последние два называют МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник). Большинство полевых транзисторов) имеют три электрода (вывода): сток, исток и затвор (от англ. gate — ворота). Включение полевых транзисторов (как и биполярных) в усилительный каскад осуществляют по трем схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Рис. Полевые транзисторы с каналами п-типа:

а, б — условные обозначения; в, г — стоко-затворные характеристики;

д, е — стоковые характеристики соответственно транзисторов с p-n-переходом и МДП-типа

Рис. Усилительный каскад ОИ на МДП-транзисторе

 

Рис.  Графический анализ каскада ОИ по характеристикам МДП-транзистора:

а — стоковым; б — стоко-затворной

Рис Эквивалентная схема каскада ОИ

Основные параметры каскада ОИ в линейном режиме усиления

рассчитывают с помощью эквивалентной схемы, основа которой схема замещения МДП-транзистора (обведена на рис. штриховой линией). В эквивалентной схеме усилительные свойства МДП-транзистора отражены генератором тока SUВХ с параллельно включенным внутренним сопротивлением транзистора ri Крутизна стоко-затворной характеристики S = ∆IС/∆UЗИ. Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением R3 = R1||R2, a нагрузка по переменному току — сопротивлением RСН (нагрузка по переменному току). 

Межэлектродные емкости СЗИ и СЗС отражают емкости р-п-переходов, а емкость ССИ — межэлектродную выходную емкость транзистора.

Коэффициент усиления по напряжению находят из эквивалентной рис схемы

Как правило, в полевых транзисторах

поэтому

Входное сопротивление каскада ОИ определяется в основном делителем в цепи затвора

R = RЗ.

Выходное сопротивление каскада приблизительно равно стоковому сопротивлению

RВЫХ ≈RС.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40155. Основы радиоэлектроники и связи 78 KB
  В ней рассматриваются способы математического представления сообщений сигналов и помех методы формирования и преобразования сигналов в электрических цепях вопросы анализа помехоустойчивости и оптимального приема сообщений основы теории информации и кодирования. Знания полученные в результате изучения дисциплины являются базой для глубокого усвоения материала по существующим и перспективным методам передачи информации сравнительному анализу этих методов и выявлению наиболее рациональных способов повышения эффективности радиоэлектронных...
40156. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ И ПОМЕХАХ 1.75 MB
  Импульсный сигнал это сигнал конечной энергии существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе для воздействия на которую этот сигнал предназначен. Конкретный вид случайного процесса который наблюдается во время опыта например на осциллографе называется реализацией этого случайного процесса. Примером такого процесса является процесс характеризующий состояние системы массового обслуживания когда система скачком в произвольные моменты времени t...
40157. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ 2.32 MB
  Для стационарного случайного процесса двумерная плотность вероятности и соответственно корреляционная функция зависят не от t1 и t2 в отдельности а только от их разности = t2 t1. В соответствии с этим корреляционная функция стационарного процесса определяется выражением 3.1 где математическое ожидание стационарного процесса; х1 х2 возможные значения случайного процесса соответственно в моменты времени t1 t2 ; = t2 t1 интервал времени между сечениями; двумерная...
40158. ВРЕМЕННОЙ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ 1.39 MB
  3 справедливы в полной мере если xt есть реализация случайного процесса t. Но эти формулы служат для решения основной задачи анализа линейной цепи при случайных воздействиях заключающейся в нахождении вероятностных характеристик выходного случайного процесса t если известны вероятностные характеристики входного случайного воздействия и определена цепь посредством задания порядка и коэффициентов дифференциального уравнения или импульсной характеристики. Требуется найти математическое ожидание t и корреляционную функцию...
40159. ОПТИМАЛЬНЫЙ РАДИОПРИЕМ КАК СТАТИСТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА 548 KB
  Введение в теорию оптимального радиоприема ОПТИМАЛЬНЫЙ РАДИОПРИЕМ КАК СТАТИСТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА Помехоустойчивость и ее основные задачи Особенность радиоприёма состоит в том что наряду с сигналами через антенную систему в приёмное устройство поступают разнообразные помехи. Количественно помехоустойчивость оценивается с помощью различных показателей использующих вероятностное описание помех и сигнала. Например применяются такие показатели как отношение сигнал шум на входе и выходе приёмного устройства вероятность правильного обнаружения...
40160. ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ 340.5 KB
  Основными определяющими факторами являются длительность фронта и среза импульса коллекторного перехода стокового тока транзистора и тип нагрузки активной и активно индуктивной. Первый способ применяется когда возможно произвольно варьировать параметрами нагрузки. Тогда параметры нагрузки выбираются таким образом чтобы к моменту коммутации автоматически выполнялось условие Uкл=0 или Iкл=0. Второй способ используется если параметры нагрузки строго заданы и состоит во введении в схему дополнительных цепей искусственно разносящих во...
40161. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 295 KB
  2 Основные способы записи функций алгебры логики ФАЛ Функции алгебры логики ФАЛ зависимость выходных переменных Zi выраженная через совокупность входных переменных х1х2хn. Логические устройства работа которых описывается с помощью ФАЛ. 1 Описание ФАЛ в виде таблице истинности табл. Описание ФАЛ в виде алгебраического выражения: а логическое сложение ИЛИ дизъюнкция б логическое умножение И конъюнкция в отрицание инверсия НЕ если х = 1 то ;если х = 0 то Дизъюнктивная нормальная форма ДНФ ...
40162. ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ 378 KB
  По принципу действия: комбинационные – автоматы без памяти, входные сигналы которых определяются действующей на входе комбинацией переменных; последовательные – автоматы с памятью, выходные сигналы которых определяются не только действующей комбинацией переменных, но и предыдущей.
40163. МИНИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 518 KB
  Минимизация с применением карт Вейча Карты Вейча это прямоугольная таблица число клеток в которой для ФАЛ n переменных равно 2n каждой из клеток поставлен в соответствие набор входных переменных причем рядом расположенным клеткам соответствуют соседние наборы входных переменных а в самих клетках записаны значения функции определенные для этих кодов. На карте Вейча ФАЛ n переменных выделяют прямоугольные области объединяющие выбранные значения функции 0 или 1. Каждой из выделенных областей соответствует k куб исходной ФАЛ...