Схемы включения биполярного транзистора

В схеме, приведенной на рис. 3, электрическая цепь, образованная источником Uэб, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником Uкб, коллектором и базой этого же транзистора,—выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение на­зывают схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На рис. 4 изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ». В ней выходным то­ком, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I_К, незначительно отличающийся от тока эмиттера I_э, а входным — ток базы I_Б, значи-

Рис. 4. Включение тран Рис. 5. Включение тран-

зистора по схеме с общим зистора по схеме с общим

эмиттером коллектором

тельно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I_Б и I_к в схе­ме ОЭ определяется уравнением:

I_К= h_21ЕI_Б + I_КЭО

Коэффициент пропорциональности h_21E называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через стати­ческий коэффициент передачи тока эмиттера h_21Б

h_21Е= h_21Б /(1- h_21Б).

Если h_21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значе­ния h_21Е будут в пределах 9...499.

Составляющая I_КЭО называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1 +h_21Е раз больше, чем Iкбо, т. е.

IКЭО = (1 + h_21Е)IКБО.

Обратные токи Iкбо и Iкэо не зависят от входных напряжений Uэб и UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружаю­щей среды и определяют температурные свойства транзистора. Уста­новлено, что значение обратного тока Iкбо удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых тран­зисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обрат­ного тока Iкэо могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока Iкбо и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способ­ствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.

На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор (рис. 5). Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК».

Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справед­ливо уравнение, связывающее токи его электродов:

Iэ = Iк + Iб.

4. Полевые транзисторы, классификация, структура и схема включения полевого транзи­стора с затвором в виде р—n-перехода

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в ко­тором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через ко­торый основные носители ухо­дят из канала,— стоком. Элект­род, служащий для регулиро­вания поперечного сечения ка­нала, называют затвором.

Поскольку в полевых тран­зисторах ток определяется дви­жением носителей только одно­го знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение но­сителей заряда одного знака.

Рис. 1Классификация и условные графические

обозначения полевых тран­зисторов.

Полевые транзисторы изго­товляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразде­ляют на транзисторы с р-каналом и n-каналом. Классификация и условные графические обозна­чения полевых транзисторов приведены на рис. 1.

Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у ко­торого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n -каналом и управляющим р-n-переходом показаны на рис. 2

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от ис­тока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напря­жение, запирающее р-n-переход, образованный n-областью канала и р-областью

Рис. 2Структура (а) и схема включения полевого транзи­стора

с затвором в виде р—n-перехода (б):1,2 — области канала и затвора

соответственно; 3, 4, 5 — выводы исто­ка, стока и затвора соответственно

затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения по­тенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Uси<0,

Uзи>0.

Рис. 3. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с

р-каналом работают аналогично.

На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на

р-n-переход между затво­ром и каналом (рис. 3, а) на границах канала возникает равно­мерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению про­водящей ширины канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3 б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в на­правлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала располо-жено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рис. 3, в), то толщина обедненного слоя, а следовательно, и се­чение канала будут определяться действием этих двух напряжений.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзи-стора:

а — выходные; б — передаточная

При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:

Uси+|Uзи|=Uзап

обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора при­ведены на рис. 4 Здесь зависимости тока стока I_с от напряжения при постоянном напряжении за затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 4, а). На начальном участке характеристик Uси+|Uзи|<Uзап ток стока I_свозрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток — исток до Uси=Uзап-|Uзи| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_с прекращается (участок насыщения). От­рицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряже-ния Uси и тока стока I_с. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения Uсиприводит к пробою р-п-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена пере­даточная характеристика I_с=f(Uзи) (рис. 4,6). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Вход-ная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора I₃ от напряжения затвор — исток — обычно не ис­пользуется, так как при Uзи<0 р-n-переход между затвором и ка­налом закрыт и ток затвора очень мал (I₃ = 10^-8 /10^-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

Полевой транзистор с изолированным затвором — полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора I₃ между металлическими зат­ворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой ди­электрика, обычно оксид кремния, а р-n-переход отсутствует. Та­кие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП — металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-тран­зисторами (МОП — металл — оксид — полупроводник).

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изо­лированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время изо­лированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока I_с.

Основными параметрами полевых транзисторов являются кру­тизна характеристики передачи

S =dIc / dUзи при Uси= const

и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке на­сыщения

Rc =dUcи / dIc при Uзи = const.

5. Интегральные микросхемы (линейно-импульсные и логические)

Применение электронных устройств для решения все более сложных технических задач приводит к постоянному усложнению их электрических схем. Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным на базе микроэлектроники.Микроэлектроникой называют научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюрных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энергией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция- объединение в одном сложном элементе многих простейших элементов. Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

С точки зрения интеграции основными параметрами интегральных микросхем является плотность и степень интеграции. Плотность упаковки характеризует количество элементов в единице объема ИМС, степень интеграции – количество элементов, входящих в состав ИМС. По степени интеграции все ИМС принято подразделять на ИМС : первой степени интеграции – до 10 элементов, второй степени – от 10 до 100 элементов, и третьей степени – от 100 до 1000 элементов и т.д.

В отличии от полупроводниковых диодов и транзисторов ИМС представляют собой не отдельные элементы, а целые функциональные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов. В зависимости от назначения в интегральной микросхеме могут нормироваться разные параметры, характеризующие функциональное устройство в целом. По назначению все ИМС подразделяются на 2 класса : линейно-импульсные и логические.

К линейно-импульсным микросхемам относят микросхемы, которые обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. Входным сигналом чаще всего является входное напряжение, реже входной ток, выходным сигналом – выходное напряжение. Простейшим примером линейно-импульсной микросхемы является широкополосный усилитель постоянного тока. Ориентировочные параметры такого усилителя следующие : К >= 50 000, Rвх >= 0.5 MОм, Rвых <= 100 Oм, fв= 20МГц. Где : К – коэффициент усиления по напряжению , Rвх – входное сопротивление, Rвых – выходное сопротивление , fв- верхняя граница частотного диапазона.

Логические интегральные микросхемы, как правило, представляют собой устройства с несколькими входами и выходами. В них как входные, так и выходные напряжения могут принимать лишь определенные значения. Основными параметрами этих микросхем являются входное и выходное напряжения и быстродействие.

Общетехнические параметры ИМС - механическая прочность, диапазон рабочих температур, устойчивость к пониженным и повышенным давлениям и влагостойкость – обычно не хуже, чем у диодов и транзисторов

Как было отмечено, важным преимуществом интегральных микросхем является их высокая надежность. Другим не менее важным преимуществом являются их малые массогабаритные параметры. Большие интегральные микросхемы (БИС), содержащие до нескольких десятков-сотен тысяч элементов, имеют массу, не превышающую нескольких грамм. При этом большая ее часть приходится на корпус, выводы и подложку, а не на активные полупроводниковые элементы. Плотность активных элементов в самой БИС достигает 10 000 эл/куб.см. Это в 50-100 раз больше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, резисторов и т.д. в микромодульных схемах.

Интегральные микросхемы обладают высоким быстродействием, так как их малые размеры обеспечивают снижение таких паразитных параметров, как межэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводников. Это позволяет создать высокочастотные усилители на частоты 1-3 ГГц и быстродействующие логические схемы с задержкой не более 0,1 нс.

Достоинством ИМС является также их высокая экономичность. Даже большие интегральные микросхемы обычно потребляют не более 100-200 мВт, существуют микросхемы, потребляющие от источника питания не более 10-100 мкВт. Такие низкие потребляемые мощности позволяют снизить расход электроэнергии, уменьшить массу источников питания устройств, выполненных с применением интегральных микросхем.

Интегральные микросхемы на два сильно отличающиеся друг от друга класса : 1) полупроводниковые ИМС ; 2) гибридные ИМС.

Полупроводниковая ИМС – полупроводниковый кристалл, в толще которого

Выполняются все компоненты схемы : полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность проводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до 200-400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа , затем другие полупроводниковые приборы. Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС не выполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры.

3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии.

4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями .

5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния ( размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема : пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра, что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать 100 кОМ. Пленочные конденсаторы имеют структуру. Конденсатор состоит из трех пленочных слоев : металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает 10 000 пФ и более. Дроссели выполнены в виде спирали, они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн. Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными : эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами :

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых.Возможна подгонка номиналов конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями ( сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т.е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж. Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т.е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно не высок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.

6. Операционные усилители (ОУ): параметры и характеристики

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению к_u= =5×10³ - 5×10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

В данной работе использована микросхема К544УД1А, которая представляет собой операционный усилитель общего назначения с высоким входным сопротивлением. приведены условные обозначения и типовая схема включения ОУ. Он имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход U_вх.и. приращение выходного сигнала U_вых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением U_вх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) U_вых=f(U_вх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) к_U(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого к_U= =const, и нелинейный - к_U^¢<к_U. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки.