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

0 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

55338. Підготовка педагогів до взаємодії з обдарованими дітьми 74.5 KB
  Мета і завдання проекту Основна мета проекту: створити умови для виявлення підтримки і підготовки вчителів до взаємодії з обдарованими дітьми для ефективного розвитку інтелектуального і творчого потенціалу цих учнів.
55339. Інструмент для видалення бур'янів в саду, на городі 260.5 KB
  Мета проекту: вдосконалити навички роботи з різним інструментом для обробки деревини та металів, розвивати естетичний смак, економічно використовувати матеріали.
55340. ПРОЕКТНА СИСТЕМА ЯК ОДИН ІЗ ЗАСОБІВ ТВОРЧОГО РОЗВИТКУ ОСОБИСТОСТІ 328.5 KB
  Суть проектної технології полягає у функціонуванні цілісної системи дидактичних засобів змісту методів прийомів що адаптує навчальновиховний процес до структурних та організаційних вимог навчального проектування.
55341. Біосферно-ноосферні ідеї В.І. Вернадського – основа сучасної екології 3.33 MB
  Вчення В. Вернадського тим рельєфніше виступає роль і значення для нас всього того що зробив цей геніальний учений мислитель справжній син України який розробив науковий фундамент силу і глибину глобального геологічного процесу втілюючого сучасний перехід біосфери в ноосферу.
55342. ВПРОВАДЖЕННЯ ПЕДАГОІЧНОЇ ІННОВАЦІЇ 178.5 KB
  Актуальність порушеної проблеми зумовлена наступними суперечностями: між вимогами що постали перед шкільною освітою щодо забезпечення всебічного розвитку учнів і наявними засобами їхнього розвитку...
55343. Проектная деятельность как способ мотивации педагогов к использованию ИКТ 133.5 KB
  Цель программы: формирование мотивации педагогов к использованию средств ИКТ в учебно-воспитательном процессе. Как известно мотивация побуждение к действию динамический...
55344. ПРОЕКТНА ТЕХНОЛОГІЯ ЯК ШЛЯХ ДО РЕАЛІЗАЦІЇ ОСОБИСТІСНО-ОРІЄНТОВАНОГО НАВЧАННЯ 162.5 KB
  Хотілося б звернути увагу на те що проектні технології навчання відтворюють процеси дослідницької діяльності оскільки містять цикл і мають на меті процеси руху від незнання до знання на відміну від традиційних лінійних технологій навчання.
55345. ПІДСТАВКИ ДЛЯ ПАЯЛЬНИКА 295.5 KB
  Визначити призначення виробу: підставка призначена для утримання електропаяльника в нагрітому чи холодному стані в проміжках між роботою та зберігання матеріалу необхідного при паянні.