Особенности работы транзистора в импульсном режиме.

Лекция 1.

Введение в дисциплину.

План занятия:

1.Предмет дисциплины, связь с другими дисциплинами. Структура лекционных, лабораторных и самостоятельных занятий. Рекомендуемая литература.

2.Общие сведения о дисциплине.

Электроника, как самостоятельная дисциплина, начала развивается чуть более столетия назад, являясь логическим продолжением успехов в области электротехники. За это время электроника достигла такого уровня, что без неё нельзя представить управление и комплексную автоматизацию производства, связь и информационные технологии. Она обеспечивает надежность, безотказность, эффективность производства и, как одно из следствий этого, качество продукции. В этом смысле электроника приобретает большое значение и в других областях промышленности в том числе в биологии и медицинской технике.

Условно всю электронику можно разделить на силовую, которая касается принципов построения преобразователей на мощных полупроводниковых элементах (тиристорах, диодах, транзисторах) и электронику, связанную с передачей и обработкой информации. Эта часть охватывает проблемы измерения, передачи, преобразования и формирования управляющих сигналов в устройствах автоматического регулирования. Под сигналом будем понимать такой электрический сигнал, который в своём изменении несёт информационный смысл, т.е. является носителем информации.

Основным элементом электронных устройств являются электронные приборы, использующие различные физические явления и выполняющие определенные функции.

Историю развития электронных приборов можно условно разделить на три периода. Первый период относится к началу прошлого столетия и может быть охарактеризован, как время установления основных физических законов, способствующих открытиям в области электроники. Второй период- это период вакуумной электроники. Этот период охватывает временной интервал с начала нашего столетия до 1948 года, когда американскими исследователями Д. Бардиным и В. Браттейном был открыт точечный транзистор. Этот период открывает эпоху полупроводниковой электроники.

Номенклатура полупроводниковых (ПП) элементов, выпускающихся в мире, существенно превышает 100000. Из них примерно 20% приходится на транзисторы и диоды. Остальные 80% - на различные полупроводниковые датчики и интегральные микросхемы.

Широкое распространение интегральных схем стало возможным благодаря разработке и внедрению планарной технологии производства полупроводниковых приборов. Под планарной технологией подразумевается процесс, при котором полупроводниковые приборы создаются в результате диффузии легирующей примеси в отверстия маски-шаблона на поверхности ПП. На стандартной пластине при этом образуется группа ПП приборов. Это открывало пути и механизации и автоматизации сборочных процессов и созданию технологии производства дешевых ПП приборов со стабильными характеристиками.

Достоинствами планарной технологии также является возможность уменьшения размеров транзисторных структур, и как следствие этого повышение их быстродействия. При этом существенно уменьшается технологический разброс параметров приборов.

В современной полупроводниковой электронике существуют и развиваются четыре основных направления:

1. ПП электроника дискретных приборов;

2. Интегральная ПП электроника монолитных схем;

3. Интегральная гибридная ПП электроника;

4. Интегральная пленочная ПП электроника.

Дискретные приборы начали развиваться незадолго до второй мировой войны в связи с широким применением точечных диодов на СВЧ. С открытием транзистора – получили мощный стимул к развитию.

Второй этап развития элементной базы полупроводниковой техники- это разработка интегральных схем. Интегральной схемой называется изделие, выполненное в едином технологическом процессе так, что составляющие его элементы неразрывно связаны между собой. Элементы схемы (диоды, транзисторы, резисторы и др.) не имеют внешних выводов и не могут рассматриваться как отдельные элементы.Интегральная электроника положила начало процессу микроминиатюризации электронного оборудования.

Успехи планарной технологии позволили широко применять в интегральной электронике полевые транзисторы с изолированным затвором на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник, что позволило существенно уменьшить энергопотребление.

Интегральная электроника – это качественное понятие, а микроэлектроника – количественное.

К микроэлектронике относят узлы и устройства, плотность деталей в которых превышает десятки и более элементов на квадратный сантиметр.

Дисциплина«Физические основы электроники»имеет своей целью формирование у студентов компетенций, связанных со знанием и пониманием принципов действия основных элементов аналоговой электроники, а также построения схемотехнических решений, которые обеспечивают основу для дальнейшего изучения общетехнических и специальных дисциплин, связанных с проектированием и конструированием электронных аналоговых, цифровых и микропроцессорных устройств автоматических систем.

Задачей дисциплины является освоение знаний современной элементной базы аналоговой электроники, а также практических навыков по разработке базовых схемотехнических решений для устройств автоматики.

Структура дисциплины:

1.Основы расчёта электрических схем. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности);

2.ПП приборы с одним p-n переходом. ВАХ p-n перехода. ПП диод, его свойства и характеристики. Фотодиод. Светодиод. Варикап;

3.ПП приборы с двумя p-n переходами. Биполярный транзистор. Входные и выходные характеристики транзистора.h-параметры. Предельные эксплуатационные параметры;

4.Основные схемы включения транзистора. Схема с ОЭ, ОК, ОБ. Усилители сигналов по напряжению и по мощности;

5.Операционные усилители. Особенности схемотехники. Дифференциальный каскад. ГСТ. Токовое зеркало. Инвертирующий и неинвертирующий каскад на ОУ.

6.Особенности работы транзистора в импульсном режиме. Транзисторный ключ. Импульсные устройства. Мультиплексоры, компараторы, триггеры, счетчики.

Рекомендуемая литература:

1. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. Учебн. Пособие. М.: Гелиос. АРВ, 2002.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. М.: Высшая школа, 2004.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. М.: Мир, 1982.

4. Кренева Л.В., Маковеев В.М. Электронные устройства. Лабораторный практикум. ч.1, КНИТУ (КАИ).

Лекция 2

Расчет электрических цепей. Элементная база электроники.

План занятия:

1. Основные понятия и определения.

2. Методы расчета электрических цепей.

При расчете и конструировании электронных устройств в большинстве практических случаев достаточно знать, что существуют определённые устройства (усилители, генераторы, вторичные источники питания и т.п.), которые обладают интересующими потребителя свойствами и есть примеры их схемного решения в простых расчётных соотношениях, дающие возможность с достаточной точностью найти параметры этих устройств, т.е. использовать готовые технические решения. Однако при переходе от теоретических расчётов к практической реализации очень часто возникают затруднения, а при накладке конкретного устройства требуется корректировка расчетных параметров. Поэтому, при использовании такого подхода при проектировании, необходимо знать принципы расчета и функционирования элементарных узлов.

Электричество, как физическая величина, характеризуется большим числом параметров. В электронике основных, первичных понятий два - электрический ток и напряжение. Ток возникает в электрической цепи, а напряжение на элементах электрической цепи.

Электрической цепьюназывают совокупность связанных электрических элементов, по которым протекает электрический ток.

Электрическим токомназывают упорядоченное, направленное движение заряженных частиц в цепи. Если q(t) - заряд, прошедший через заданное сечение, то ток измеряется в амперах (А), миллиамперах , микроамперах , наноамперах

Электрическим напряжением называется отношение энергии dW, необходимой для перемещения заряда dq из одной точки цепи в другую, к величине заряда

Напряжение измеряется в вольтах (В), милливольтах и микровольтах.

В электронных устройствах ток и напряжение используются как носители информации. В этом случае их называют сигналами.

При всём многообразии электронных элементов (компонентов) можно выделить пять идеализированных базовых.

1.Идеальный резистор - это элемент, в котором электрическая энергия преобразуется в джоулево тепло. В идеальном резисторе энергия даже частично не преобразуется в энергию электрического или магнитного поля. Обозначается R или r

2.Идеальный конденсатор - в котором электрическая энергия преобразуется в энергию электрического поля. Обозначается С или с

3.Идеальная катушка индуктивности - элемент, в котором электрическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля

4.Идеальный источник напряжения

5.Идеальный источник тока

Пусть имеем замкнутую цепь, для которой можно записать уравнение Кирхгофа

или

дифференцируя по t, получим уравнение относительно i(t)

решая это уравнение известными методами можно, в зависимости от соотношения R,L,e, получить различные решения.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна 0, т.е.

i₁+i₂-i₃=0 или i₁+i₂=i₃

Второй закон Кирхгофа. Сумма падений напряжений при обходе замкнутого контура равна 0. т.е. .

Пример: Найти напряжение на резисторе R_3. Из 1 закона для узла А, для узла В, тогда , в соответствии с законом Ома, можно записать

Или переходя к проводимостям G получим систему уравнений:

Решая систему относительно , можно определить все токи и напряжения в исследуемой цепи.

Элементная база электронных устройств.

Резисторы. Основными характеристиками при выборе резисторов для конкретного применения - это размер в омах, номинальная мощность, стабильность и точность исполнения (допуски).

В ряде случаев значение имеет коэффициент шума , максимальное рабочее напряжение, частотный диапазон.

Номинальная мощность (P_ном) определяет максимальную мощность, которую может рассеивать данный резистор без превышения некоторой температуры. P_ном рассчитывается для температуры окружающей среды . Если температура окружающей среды выше этой величины, то Pном будет меньше на 50 %, что необходимо учитывать при расчетах.

Стабильность резистора характеризует его способность сохранять неизменным R_ном в течении заданного срока эксплуатации (P_ном, 1000 часов, ).

ТКС показывает изменение сопротивления в зависимости от окружающей температуры.

Допуск указывает max и min сопротивление данного номинала. На практике применяют сопротивление с допусками процентов.

Стандартные значения Rном (Е-ряды). 10**, 11, 12*, 13, 15**, 16, 18*, 20, 22**, 24, 27, 30, 33**, 36, 39*, 43, 47**, 51, 56*, 62, 68**, 75, 82*, 91, 100**. Умножая на 10 в степени n, можно получить все кратные номиналы. Указанный ряд имеет допуск 5%, значения с одной *10%, с двумя **20%.

Резисторы маркируются на корпусе цифрами и буквами:

лат. рус.

По конструктивному исполнению и используемым материалам резисторы делятся на:

1. Углеродистые композиционные самые дешёвые, но нестабильные. Имеют высокий коэффициент шума (КИМ, С4-1-2 и.т.п.).

2. Углеродистые плёночные дороже композиционных, но благодаря более низкому коэффициенту шума и более высокой стабильности вытесняют их. Типовые значения параметров:

R_ном от 2,2Ом до 1 МОм

P_ном от 0,125 Вт до 2 Вт

Допуск (5÷10)%

Конструктивно выполнены в виде керамического стержня с покрытием плёнкой кристаллического углерода.

3. Металлооксидные тоже плёночные, но вместо кристаллического углерода осаждают оксидную плёнку, а окончательное R_ном получают путём нанесения спиральной канавки в керамической основе. (МОН-0,5)

4. Плёночные металлические имеют малый уровень шумов, низкий положительный ТКС.

5. Проволочные наиболее стабильные и точные могут рассеивать большую Р_ном (до 100 Вт).

Особое место имеют переменные и подстроечные резисторы. Материалы для их изготовления должны обладать ещё одним свойством - износоустойчивостью, т.е. выдерживать определённое количество рабочих циклов. Композиционные СП-3, проволочные СП-1.

Конденсаторы характеризуются размером в дольных значениях фарад, стабильностью, допусками, Uраб, током утечки, сопротивлением изоляции и коэффициентом потерь.

Uраб устанавливает max напряжение, которое может быть подано на конденсатор при нормальной работе. Если температура выше t_ном, то U_раб необходимо уменьшить.

Uраб и температура влияют на срок службы конденсаторов. Для некоторых типов конденсаторов увеличение температуры на уменьшает срок службы на .

Сопротивление утечки. Если конденсатор зарядить от источника постоянного тока, то заряд на конденсаторе не остаётся неизменным, а будет уменьшаться по exp с постоянной времени . Токи утечки возрастают с увеличением температуры.

Коэффициент потерь. Для идеального конденсатора ток опережает напряжение на . В реальных условиях этот угол меньше. Потери это . Для идеального

Типы конденсаторов классифицируют по диэлектрику, применяемому при изготовлении. Различают:

Керамические: до ;

до ;

Полистироловые: малый коэффициент потерь, стабильность;

Полиэфирные: до ;

Бумажные;

Электролитические (низкая точность - 20 до + 100%);

Подстроечные и переменные конденсаторы.

Индуктивность. Представляет собой катушку из низкоомного провода. Для однослойной катушки индуктивность равна . Катушки бывают с сердечниками: для НЧ - магнитные, для ВЧ немагнитные - медь, латунь и.т.д.

Трансформаторы. Тоже относятся намоточным изделиям, они характеризуются: Р_ном, кпд, частотным диапазоном и др.

Трансформаторы наматывают на броневых сердечниках;

стержневых сердечниках;

ленточных сердечниках;

Силовые трансформаторы - на сердечниках из электротехнической стали. ВЧ трансформаторы – на ферритах марки 4000 НМ, 2000 НМ.

КПД: ;

Различают: силовые, согласующие, ВЧ трансформаторы.

В качестве сопротивлений, зависящих от частоты напряжения, используют дросели.

Лекция 3.

Полупроводниковые приборы.

План занятия:

1.Полупроводниковые приборы с одним p-n переходом. ВАХ p-n перехода.

2.Полупроводниковый диод, его свойства и характеристики.

3.Фотодиод, светодиод, стабилитроны и стабисторы. Варикап.

Полупроводники (п.п.) занимают промежуточное положение между диэлектриком и проводником. Их электрические свойства существенно зависят от внешних воздействий (электромагнитных, температурных и др.). Если рассматривать атомную структуру полупроводника при достаточном уровне энергии (например, нагреть его), то внешние электроны будут оторваны от своих ядер, а на его месте образуется дырка. Под воздействием электрического поля в полупроводнике будет протекать ток, обусловленный движением электронов в одну сторону, а дырок – в другую.

Если полупроводник чистый, то количество дырок равно электронам.

В качестве полупроводников наиболее часто используют материалы 4 группы – германий (Ge) и кремний (Si). В последнее время стали использовать арсенид галлия.

- Если п.п. легировать элементом 2 группы (мышьяк As), то в нём будет больше электронов – это полупроводник n-типа (negative).

- Если п.п. легировать элементом 3 группы (индий In), то в нём будет больше дырок – это полупроводник р-типа (positive).

Если монокристалл полупроводника легировать с одного конца примесью р-типа (индий), а с другого n-типа (мышьяк), то между областями с разными проводимостями образуется р-n переход. Он образуется в силу того, что некоторые дырки из р – области за счёт диффузии сместятся в область n, а электроны - из n в p. В тонком слое перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е. уравновешивают друг друга, и в этой p-n области нет свободных носителей зарядов (это обедненный слой). Если к прибору подключить внешний источник тока плюс к А (аноду), минус к К (катоду), то толщина обедненного слоя уменьшится и через диод потечёт ток. С увеличением внешнего напряжения ток через p-n переход будет увеличиваться по exp закону, до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным потенциальному барьеру. Дальнейшее возрастание тока ограничивается только сопротивлением полупроводника.

Если полярность изменить на противоположную минус к А, плюс к К, то величина потенциального барьера увеличится и ток через p–n переход будет обусловлен только I_обр, который остаётся практически постоянным до пробоя. (Аналог: обратный клапан в гидравлике). I_обр для германия ~1÷200 мкА. Для кремния в сотни раз меньше. В любом случае I_обр сильно зависит от температуры.

Основные причины:

- образованиенеосновныхносителей при нагреве;

- поверхностные точки утечки (для Si);

Режим работы диода определяется его ВАХ I=F(U). Обычные диоды работают в области ограниченной U_прmax и U_обрmax. При этом токи также не должны выходить за пределы допустимых.

По конструктивно-технологическому признаку диоды бывают точечные и плоскостные.

В плоскостных диодах р-n переход закрыт защитным слоем двуокиси кремния, поэтому такие диоды обладают меньшим током утечки и могут использоваться в импульсных устройствах.

Точечно-контактные диоды получаются, если вольфрамовую пружину ввести в контакт с полупроводником. В этой контактной области образуется p-n переход. Т.к. площадь контакта мала, то сопротивление таких диодов больше, но ёмкость меньше. Соответственно ВЧ свойства таких диодов лучше. (Сопротивление можно уменьшить, используя золотую спираль).

Сочетание достоинств тех и других получается в диодах, изготовленных по специальным технологиям. Это микроплоскостные и диффузионные диоды.

В качестве материала используют германий (~70℃), кремний(~150℃) и арсенид галлия нескольких сотен градусов Цельсия.

Динамический режим характеризуется конечным временем перехода из закрытого состояния в открытое, которое обусловлено эффектом накопления заряда. Когда входное напряжение положительно, диод открывается и напряжение на нём равно прямому напряжению на диоде. Когда U_E отрицательно диод закрывается и напряжение на нём становится равным U_E . Однако это происходит не мгновенно, а по истечении времени t_р, которое тем больше, чем больше прямой ток через p-n переход.

Для маломощных диодов , для сильноточных это время порядка миллисекунд. Очевидно, что период колебаний должен быть больше, чем t_р. На несколько порядков меньше t_р у диодов, которые имеют переход металл–полупроводник. Заряда в таком переходе весьма мало (t_p , кроме того они обладают малым (по сравнению с обычными кремневыми диодами) прямым напряжением, составляющем ~0,3В. Диоды Шоттки обозначаются:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления токов НЧ, в основном промышленной частоты 50 Гц. В качестве их используют плоскостные кремневые диоды, т.к. они имеют большую площадь и соответственно больший ток.

Основные параметры:

U_пр - постоянное прямое напряжение, при I_пр = const;

U_обр - постоянное обратное напряжение, при I_обр =const;

I_пр - постоянный прямой ток в прямом направлении (диод открыт);

I_обр- постоянный обратный ток (диод закрыт);

r_диф- дифференциальное сопротивление т.е. отношение ∆U_пр к ∆I_пр, характеризует наклон прямой ветви ВАХ.

Максимально допустимые параметры - это параметры, определяющие границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью отказа в течение установленного срока службы.

U_{прmax ,}I_прmax

Пример: КД 105 Г обладает параметрами:

I_прmax = 0.3 A

U_обрmax = 800 В

I_обрmax = 0.05 А

U_прmax = 1 B

Выпрямительные диоды, для выпрямления переменного тока в силовых цепях, чаще используют в полупериодных схемах. Одной из них является мостовая схема. Мостовые схемы из выпрямительных диодов выпускаются промышленностью в виде монолитных блоков, например серии КЦ.

Высокочастотные диоды. Это приборы универсального назначения. Используются для выпрямления ВЧ токов (МГц), модуляции, демодуляции, детектирования и др., нелинейных преобразований. В качестве таковых используют точечные диоды. Их основные параметры такие же, как и у выпрямительных, но диапазон частот (t_max) гораздо выше.

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов (в детекторах видеосигналов, ключевых и логических устройствах)

Основные параметры:

U_примп – импульсное прямое напряжение;

U_обримп – импульсное обратное напряжение;

(включая выбросы на фронтах)

С_д – общая ёмкость диода;

τ_уст – время установления U_пр;

τ_вост - время восстановления U_обр;

Максимально допустимые параметры: U_{обр.имп.max}, I_{обр.имп.max}, T_max ÷ T_min

Стабилитроны. Предназначены для стабилизации уровня напряжения при протекании через диод тока. Используют обратную ветвь ВАХ. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации U_ст. В рабочей области (точки А и В). Существенное изменение тока I_ст вызывает малое изменение . При этом качество стабилизации тем выше, чем меньше дифференциальное сопротивление .

Основные параметры:

U_стаб - напряжение стабилизации (~3÷200 Вольт)

U_пр

С_ст – полная ёмкость стабилитрона

- температурный коэффициент. (при I_ст =соnst)

Максимально допустимые параметры:

I_ст.max, U_ст.max, P_max

Существует класс приборов (стабисторы), которые используют свойства прямой ветви ВАХ.

Стабилитроны:Стабисторы:

Варикапы. Ёмкость p-n перехода с увеличением U_обр уменьшается

где - контактный потенциал (десятые доли В),

n - конструктивный элемент (2 3).

Максимальная ёмкость варикапа в зависимости от типа , коэффициент перекрытия по емкости .

Фотодиоды. Обратный ток диода возрастает при освещении p-n переходе. Этот эффект может использоваться для фотометрии. Чувствительность фотодиодов около 0,1мкА/лк.

Как следует из ВАХ фотодиода, напряжение холостого хода составляет примерно 0,5В (для кремния) и мало зависит от нагрузки, пока величина тока нагрузки остаётся меньше величины тока короткого замыкания для данной освещённости J_p. Благодаря этому фотодиоды могут быть использованы для получения электрической энергии.

Граничная частота для обычных фотодиодов ~10 МГц. Для диодов с р-i-n переходом достигнуты частоты порядка 1 ГГц.

Светодиоды. При протекании прямого тока через p-n переход некоторые полупроводники излучают свет определённого, довольно узкого спектра. Светодиоды изготавливают не на основе Si или Ge, как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида- фосфида галлия и др. В зависимости от материала получают соответствующее излучение:

арсенид галлия – инфракрасный

арсенид фосфид галлия – красный (оранжевый, жёлтый)

фосфид галлия - зелёный.

КПД инфракрасных , остальных .

Яркость свечения в широком диапазоне пропорционального I_пр.

Лекция 4

Полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами

План занятия:

1.Биполярный транзистор. Входные и выходные ВАХ. h-параметры. 2.Предельные эксплуатационные параметры.

3.Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. КМОП-транзисторы.

Биполярные транзисторы – это полупроводники, в которых используются заряды носителей обеих полярностей. Основанием прибора служит пластина п.п., называемая базой. С двух сторон в неё вплавлены полупроводники с проводимостью, отличной от проводимости базы. Если крайние области с электронной проводимостью n, а база с дырочной р, то получают n-p-n транзистор. Если наоборот, то p-n-p – транзистор. Переходы могут быть включены как в прямом, так и в обратном направлении.

При этом:

1) Если оба перехода включены в обратном направлении, т.е. оба заперты – транзистор работает в режиме отсечки.

2) Если оба перехода включены в прямом направлении (оба перехода открыты) – транзистор работает в режиме насыщения.

3) Промежуточный режим – активный (линейного усиления)

Активный режим получают подачей отрицательного (относительно эмиттера) напряжения на базу (переход база-эмиттер открыт), а коллектор смещают в обратном направлении, подачей отрицательного относительного эмиттера напряжения.

В соответствии с теорией четырёхполюсников, транзистор можно представить в виде:

Напряжения, и токи связаны через h – параметры:

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂

Физический смысл h- параметров:

h₁₁= U₁/I₁ – входное сопротивление в транзисторе, при U₂=0

h₁₂= U₂/U₂ – коэффициент ОС по U, при I₂=0

h₂₁= I₂/I₁ – коэффициент передачи по току, для сх. с ОБ это α

ОЭ β=

h₂₂=I₂/U₂ – выходная проводимость при I₁=0

ВАХ транзистора; связывающие входные и выходные токи и напряжения, называются соответственно входными и выходными характеристиками.

Входная ВАХ связывает напряжение . В активном режиме переход э-б смещён в прямом направлении. В этом случае ВАХ представляет собой прямую ветвь р-n переходе. Открывающее напряжение . Через открытый переход протекает ток . Зависимость входных характеристик от объясняется уменьшением толщины базы при увеличении обратного напряжения (эффект Эрли).

Усилительные свойства транзистора объясняются тем, что при увеличении тока базы I_Б, существенно увеличивается ток коллектора I_К. Из выходных характеристик видно, что Iк, начиная с некоторого значения U_нас, мало изменяется. Напряжение, при котором ВАХ имеет изгиб, называется напряжением насыщения. При напряжение на коллекторе становится меньше напряжения базы. В этом случае коллекторный переход открывается, возникает режим насыщения и I_К резко уменьшается. При большом U_K, I_К резко возрастает – наступает тепловой (лавинный) пробой.

Из анализа ВАХ следует, что транзистор, как и диод является нелинейным элементом, однако в активном режиме U_проб > U_КЭ > U_нас ток I_Б и I_К связаны почти линейно.

Классификация биполярных транзисторов:

1) -германиевые ( )

-кремниевые ( )

2) по диапазону частот: НЧ, СЧ, ВЧ.

3) по мощности:

-маломощный;

-средней мощности;

-большой мощности.

Транзисторы малой мощности:

1) усилители НЧ и ВЧ;

2) малошумящие;

3) переключатели.

Транзисторы большой мощности:

1) усилители;

2) генераторы;

3) переключатели;

4) по технологическому признаку:

- сплавные;

- сплавно-диффузионные;

- планарные;

и др.

В соответствии с ГОСТ 10862-72 транзисторы обозначаются комбинацией букв и цифр.

Первый элемент обозначает полупроводниковый материал:

Г или 1 - Германий

К или 2 - Кремний

А или 3 - соединение галлия

Второй элемент означает подкласс прибора:

Т - биполярный транзистор

П - полевой транзистор.

Третий элемент – назначение прибора.

Четвёртый и пятый – номер разработки.

Шестой – деление технологического признака (буквы от А до Я).

ГТ115А – германиевый, низкочастотный малой мощности номер разработки 1Б, группа А.

Параметры постоянного тока характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов

- обратный ток коллектора I_КБО,

- обратный ток эмиттера I_ЭБО,

- обратный ток «коллектор – эмиттер» I_КЭО

ВЧ – параметры характеризуют работу транзистора на ВЧ:

- граничная частота, частота выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент;

- граничная частота по току (сх.ОЭ), f_гр- это частота, при которой ;

- максимальная частота генерации - частота, при которой транзистор может работать в режиме автогенерации;

- ёмкость коллекторного перехода C_К (между базой и коллектором) при заданном обратном напряжении U_ЭБ;

- сопротивление базы r_Б – сопротивление между базой и эмиттером (h_11э);

- постоянная времени ;

- коэффициент шума К_ш – отношение мощности P_шума на выходе транзистора к той её части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала.

К_ш = f (U_K, I_Э, f, T, R_{ист.сигн.})

Для обеспечения малошумящего режима транзистор используют при малых токах (I_Э 0.1 ÷ 0.5 мА) и малом напряжении .

Предельные эксплуатационные характеристики

Предельные эксплуатационные характеристики определяют значения токов и напряжений, превышение которых не гарантирует безотказную работу транзистора. Это I_Кmax, U_КЭmax, P_Кmax

Полевые транзисторы – это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании электрического поля для изменения сопротивления полупроводникового канала. Такие транзисторы называют униполярными, так как управляемый ток в них создаётся основными носителями заряда (р или n), движущимися в канале с одним типом проводимости. Различают транзисторы с управляющим p-n переходом и транзисторы с изолированным затвором (МОП). Рассмотрим полевой транзистор с управляющим р-n переходом и р-каналом. На затвор транзистора подают обратное напряжение , следовательно ток I₃ (обратный ток р-n перехода) будет мал. Под действием E_си через канал будет протекать ток I_С, величина которого определяется сопротивлением в канале «сток – исток», а сопротивление этого канала от ширины р-n перехода «канал-затвор». При увеличении Е_зи (запирающего) ширина р-n перехода увеличивается, сопротивление канала возрастает и ток I_с уменьшается. Таким образом, изменяя потенциал затвора можно управлять током истока. При этом токи затвора очень малы и на управление тратится малая мощность. Следовательно, в каскадах с полевыми транзисторами можно получить большое увеличение по мощности.

Полевые транзисторы с изолированным затвором также изготавливаются с каналами р и n типов. Металлический затвор З надёжно изолирован от канала диэлектриком D. В качестве диэлектрика используются окись кремния. В этом случае транзистор называют МОП-транзистор. Сток С и исток И изготовлены из полупроводника типа n. От основного полупроводника р-типа сделан дополнительный отвод, называемый подложкой.

Пусть напряжение питания Е_си > 0. При нулевом потенциале на затворе, ток между стоком и истоком практически равен нулю, т.к. при данной полярности переход между стоком и каналом (подложкой) будет закрыт. При подаче на затвор небольшого положительного потенциала Е_зи из канала к затвору начинают дрейфовать не основные носители – электроны. В приповерхностном слое над затвором образуется n-область, которая хорошо пропускает ток от стока к истоку. Такие транзисторы называются МОП-транзистор с индуцированным каналом.

Если область n под затвором создана при изготовлении транзистора. То он называется МОП-транзистором со встроенным каналом. Встроенный канал пропускает ток при нулевом напряжении на затворе, а ток стока управляется и(+) и (–).

У МОП-транзистора выходные ВАХ аналогичны характеристикам транзистора с управляющим р-n переходом, но, как правило, у них больше крутизна S , а также более чем на порядок больше входное сопротивление R_зи.

Лекция 5

Транзисторные усилители

План занятия:

1.Классификация усилителей. Основные характеристики и свойства.

2.Схемы включения транзисторов в режиме усиления.

Процесс усиления заключается в том, что маломощный сигнал управляет потоком энергии от более мощного источника к нагрузке (потребителю). Необходимым условием является то, что мощность на выходе усилителя должна быть больше мощности на входе. При этом для компенсации потерь используется дополнительный источник энергии.

Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы различных исполнительных устройств и т.д.

― По усиливаемой величине различают усилители U, I, P

― По диапазону частот УПТ, УНЧ, СВЧ

― По используемым активным элементам транзисторные, ламповые и т.д.

Основные показатели усилителей:

― коэффициент усиления , , ;

― входное Z_вх, выходное Z_вых сопротивление;

― коэффициент нелинейных искажений, коэффициент частотных искажений;

― К.П.Д. и др.

При всем многообразии схемотехники транзисторных усилителей существуют три основных: ОЭ, ОК, ОБ.

Рассмотрим схему с ОЭ. Через дроссель с большой индуктивностью на базу транзистора подается напряжение смещения Е_бэ ≈ 0,5-0,8 В. Оно предназначено, чтобы открыть эмиттерный переход (сместить переход в прямом направлении) и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме транзистора. Вместе с Е_н , ток коллектора I_к, и напряжение смещения Е_бэ определяют режим по постоянному току. Этот режим ― обязательное условие линейного режима усилителя, т.к. в противном случае, без начального смещения, рабочая точка P будет находится в области почти нулевых начальных базовых токов, что не может обеспечить соответствие входных и выходных сигналов. (Выходной сигнал станет однополярным, импульсным.) Кроме вышеописанного способа задания тока покоя, существуют и другие, например: способ постоянным током базы через резистор или постоянным напряжением базы с помощью делителя в цепи базы. Это делается из экономических соображений, т.к. стоимость Др. существенно выше резистора.

Схема с ОБ отличается тем, что через Др. на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение, т.к. только при такой полярности транзистор будет приоткрыт и через него начнет протекать постоянный ток покоя, позволяющий осуществлять усиление малых сигналов.

Схема с ОК отличается от ранее рассматриваемых тем, что нагрузка Z_н включена в цепь эмиттера.

Сх. ОЭ ― усиление по току и напряжению (К_р― max)

R_вх ~ кОм , R_вых ~ Ом ÷ кОм

Сх. ОБ ― усиление по напряжению, К_I < 1, стабильность, R_вх ~ Омы, R_вых ~ кОм, K_гарм меньше, чем ОЭ, ОК

Сх. ОК (эмит. повторитель), наибольшее R_вх (сотни кОм), R_вых десятые доли Ома,

K_U < 1,

K_I ― большой

На практике наибольшее распространение имеет линейный каскад с ОЭ. Рассмотрим его более подробно.

В эквивалентной схеме содержится идеальные элементы: резисторы, комплексные сопротивления и источник тока I_к=SU_вх, здесь

― крутизна транзистора, I_к протекает по r_кэ , s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _k и s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _н , суммарная проводимость нагрузки равна , а суммарное сопротивление . С учетом инвертирующих свойств каскада с ОЭ можно записать

s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых= – I_ks w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _нс или s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых= – SU_вх ,

тогда _u= = – S _нс

Откуда следует, что усиление каскада увеличивается с увеличением S, s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _k, s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _нс, на практике выбирают > > в этом случае можно использовать упрощенное выражение

Сх. ОЭ

аналогично величины можно получить для сх. ОБ, ОК

	ОЭ	ОБ	ОК
Zвых

Усилители на полевых транзисторах строятся с использованием трех основных схем (ОИ, ОЗ, ОС). Свойства этих усилителей аналогичны выше рассмотренным, на биполярных транзисторах.

Более подробно расчет каскада с ОЭ рассмотрен в лабораторной работе.

Лекция 6

Операционные усилители.

План занятия:

1.Обратные связи в усилителях.

2.Элементы схемотехники операционных усилителей.

Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях будем понимать передачу части выходного сигнала обратно на вход усилителя.

Внутренняя ОС обусловлена, как правило, паразитными влияниями в устройстве. Это может б сопротивление потерь и утечек, различные поля рассеивания. Такая ОС образуется при изготовлении устройства и её невозможно полностью исключить. Может привести к самовозбуждению устройства.

Внешняя ОС создается специально внешними 4-х полюсниками. Её параметрами можно варьировать. В зависимости от способа подсоединения 4-х полюсника ОС различают: последовательную по напряжению, параллельную по напряжению, параллельную по току и последовательную по току.

На практике чаще используют последовательную по напряжению ОС. В этом случае выходное напряжение U_c поступает на вход 4-х полюсника ОС, а напряжение с его выхода вводится последовательно входным напряжением. Рассмотрим этот вид ОС более подробно. Пусть К– коэф. передачи усилителя, а - четырехполюсника ОС. Тогда

s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых = Кs w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх , s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ос = s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых , s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ус =s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ос = s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых или s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых = (s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых), поделив на s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх, получим =

Различают отрицательную и положительную ОС. Примером усилителя со стопроцентной ООС является каскад с ОК (эмитторный повторитель). Для него =1, K ≈ - SR_э тогда K_ок= .

Известно, что с ростом температуры I_к и I_э существенно изменяются (~ 0,2 мA/ ). Если учесть, что температура внутри корпуса может изменятся от +10 до +60 , то ток I_к может достигать значений более 0,2 ≈ 10 мA. Это может полностью закрыть транзистор или вывести его в область насыщения, т.е. температурная нестабильность полупроводниковых приборов – существенная проблема. Для уменьшения её используют ООС с помощью R_э, а для уменьшения влияния ООС на коэффициент усиления по ~ току R_э блокируют конденсатором. Если блокировать только часть R_э, то не блокированную часть R_э можно использовать для установки.

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель, имеющий большой коэффициент усиления K_u, два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, один выход. Для идеального усилителя K_u ,

R_вх , R_вых полоса усиливаемых частот от 0 (постоянный ток) до . Технически удовлетворить все эти требования невозможно. Современные ОУ имеют K_u ≈ 10⁷ , R_вх ≈ 10⁷Ом , R_вых ≈ 10² ÷ 10³ , верхняя частота усиления порядка МГц.

Напряжение на выходе ОУ рассчитывается по формуле U_вых = K₀(U₊ - U_-) , где U₊ – напряжение на неинвертирующем входе, а U_- – напряжение на инвертирующем входе.

Схемотехника ОУ обуславливается требованиями к его высокими параметрами. Кроме рассматриваемых ранее схем усиления (ОК, ОЭ, ОБ) в схемах ОУ используются несколько специальных схем.

Наиболее простая схема это источник тока. Напряжение с делителя R, VD открывает эмитерный переход. Из выходных ВАХ транзистора известно, что ток коллектора i зависит от подключаемой нагрузки (ВАХ почти горизонтальна), т.е. эта схема близка к идеальному источнику тока с R_вых= ; т.к. часть делителя образована VD , свойства которого близки к свойствам перехода «база – эмиттер» транзистора VT, то температурные воздействия на диод и транзистор взаимно компенсируются.

Схема токового зеркала предназначена для передачи тока из одной части схемы в другую. Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток i₁ определяется напряжением на базе. Так как транзисторы VT₁ и VT₂ идентичны и на базах одно и тоже, то входной ток i₁ равен выходному i₂. Для нормальной работы схемы необходимо на коллекторы VT₁ и VT₂ подавать положительное напряжение.