Меню
ГлавнаяТелефон

Транзистор и биполярный транзистор, расчёт транзисторного каскада. Основные схемы включения транзисторов

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока). У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:

  • Схема с общим эмиттером
  • Схема с общей базой
  • Схема с общим коллектором

Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией. Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.

Схема с общим эмиттером

Наиболее распространенной схемой включения транзистора является (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении с общим эмиттером. Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора. Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором

Обычно применяется для получения высокого входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.

Литература:

Вместе со статьей "Схемы включения транзистора" читают:


http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/


http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур.

Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице:


Тип прибора Условное графическое обозначение
(УГО)
Биполярные Биполярный p-n-p типа
Биполярный n-p-n типа
Полевые С управляющим
p-n переходом 		С каналом p-типа
С каналом n-типа
С изолированным
затвором
МОП транзисторы 		С встроенным
каналом 		Встроенный канал
p-типа
Встроенный канал
n-типа
С индуцированным
каналом 		Индуцированный канал
p-типа
Индуцированный канал
n-типа

Биполярные транзисторы

Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки.

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

  • Э - эмиттер,
  • Б - база,
  • К - коллектор,
  • ЭП - эмиттерный переход,
  • КП - коллекторный переход,
  • W - толщина базы.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

  1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток
  2. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты
  3. Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

В нормальном режиме коллекторный p-n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы.

Движение носителей заряда в транзисторе n-p-n типа показано на рисунке:

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ . Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб . Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк .

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,95

При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен:

В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной. Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко.

Три схемы включения биполярного транзистора

Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Схемы для p-n-p транзистора показаны на рисунках а, б, в:

В схеме с общей базой (рис. а) электрод база является общим для входной и выходной цепи, в схеме с общим эмиттером (рис. б) общим является эмиттер, в схеме с общим коллектором (рис. в) общим является коллектор.

На рисунке показаны: Е1 – питание входной цепи, Е2 – питание выходной цепи, Uвх – источник усиливаемого сигнала.

В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер (схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы:

Малое значение тока базы во входном контуре обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1 (Uбэ ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2 (Uкэ ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке:

Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ . Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ .

Зависимость Iб = f(Uбэ ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ . При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб . Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход.

Зависимость Iк = f(Uкэ ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб

Параметры биполярного транзистора

Представление транзистора в малосигнальном режиме работы четырехполюсником

В малосигнальном режиме работы транзистор может быть представлен четырехполюсником. Когда напряжения u1 , u2 и токи i1 , i2 изменяются по синусоидальному закону, связь между напряжениями и токами устанавливается при помощи Z, Y, h параметров.

Потенциалы 1", 2", 3 одинаковы. Транзистор удобно описывать, используя h-параметры.

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб , Uбэ , Iк и Uкэ . Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических соображений в качестве независимых удобно выбирать величины Iб и Uкэ . Тогда Uбэ = f1 (Iб , Uкэ ) и Iк = f2 (Iб , Uкэ ).

В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства:

Физический смысл параметров:

Для схемы с ОЭ коэффициенты записываются с индексом Э: h11э , h12э , h21э , h22э .

В паспортных данных указывают h21э = β , h21б = α. Эти параметры характеризуют качество транзистора. Для увеличения значения h21 нужно либо уменьшить ширину базы W, либо увеличить диффузионную длину, что достаточно трудно.

Составные транзисторы

Для увеличения значения h21 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона:

В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1 . Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2 , а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1 .

Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом:

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1 , β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1 , то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1 , β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 , VT2 в отдельности.

Частотные свойства биполярных транзисторов

Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу. Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током Iэ и током Iк . При низких частотах фазы токов Iэ , Iк и Iб совпадают.

Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз по сравнению со статическим значением β0 , называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Fβ – предельная частота (частота среза)
fгр – граничная частота (частота единичного усиления)

Полевые транзисторы

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Схематически полевой транзистор с управляющим p-n переходом можно представить в виде пластины, к торцам которой подключены электроды, исток и сток. На рис. показана структура и схема включения полевого транзистора с каналом n-типа:

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 Ic . Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

При подаче запирающего напряжения на p-n-переход Uзи на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Изменяя величину этого напряжения, можно изменить сечение канала и, следовательно, изменять величину электрического сопротивления канала. Для полевого n-канального транзистора потенциал стока положителен по отношению к потенциалу истока. При заземленном затворе от стока к истоку протекает ток. Поэтому для прекращения тока на затвор нужно подать обратное напряжение в несколько вольт.

Значение напряжения Uзи , при котором ток через канал становится практически равен нулю, называется напряжением отсечки Uзап

Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Полевой транзистор характеризуется следующей ВАХ:

Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора. На начальном участке характеристик Uси + |Uзи | < Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

На ВАХ Iс = f(Uзи ) показано напряжение Uзап . Так как Uзи ≤ 0 p-n-переход закрыт и ток затвора очень мал, порядка 10-8 …10-9 А , поэтому к основным преимуществам полевого транзистора, по сравнению с биполярным, относится высокое входное сопротивление, порядка 1010 …1013 Ом . Кроме того, они отличаются малыми шумами и технологичностью изготовления.

Практическое применение имеют две основные схемы включения. Схема с общим истоком (рис. а) и схема с общим стоком (рис. б) , которые показаны на рисунке:

Полевые транзисторы с изолированным затвором
(МДП-транзисторы)

Термин "МДП-транзистор" используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи , при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2 . Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013 …1015 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

  • Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1...500) мА/В;
  • Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1...1) мА/В;
  • Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи . Типичные значения параметра: (0,2...600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1...100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01...0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
  • Напряжение отсечки Uзи.отс. . Типичные значения (0,2...10) В; пороговое напряжение Uп . Типичные значения (1...6) В;
  • Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
  • Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
  • Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri

    • Тиристоры

    Тиристор является полупроводниковым прибором с тремя и более электронно-дырочными p-n-переходами. Они, в основном, применяются в качестве электронных ключей. В зависимости от числа внешних выводов они подразделяются на тиристоры с двумя внешними выводами – динисторы и тиристоры с тремя выводами – тринисторы. Для обозначения тиристоров принят буквенный символ VS.

    Устройство и принцип работы динистора

    Структура, УГО и ВАХ динистора приведены на рисунке:

    Внешняя p-область называется анодом (А), внешняя n-область называется катодом (К). Три p-n перехода обозначены цифрами 1, 2, 3. Структура динистора 4-х-слойная – p-n-p-n.

    Питающие напряжение Е подаётся на динистор таким образом, что 1 из 3 переходы открыты и их сопротивления незначительны, а переход 2 закрыт и все питающие напряжение Uпр приложено к нему. Через динистор протекает небольшой обратный ток, нагрузка R отключена от источника тока питания Е.

    При достижении критического напряжения, равному напряжению включения Uвкл переход 2 открывается, при этом все три перехода 1, 2, 3 будут находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивления динистора падает до десятых долей Ома.

    Напряжение включения составляет величину нескольких сотен вольт. Динистор открывается, и через него протекают значительные по величине токи. Падение напряжения на динисторе в открытом состояние составляет 1-2 вольта и мало зависит от величины протекающего тока, величина которого равна τa ≈ E / R, а UR ≈ E, т.е. нагрузка подключена к источнику питания Е. Напряжение на динисторе, соответствующее предельно допустимую точку Iоткр.max , называется напряжением открытого состояния Uокр . Предельный допустимый ток составляет величины от сотен мА до сотен А. Динистор находится в открытом состоянии, пока протекающий через него ток не станет меньше тока удержания Iуд . Динистор закрывается при уменьшении внешнего напряжения до величины порядка 1В или при перемене полярности внешнего источника. Поэтому такой прибор используется в цепях переходного тока. Точки В и Г соответствуют граничным значениям токов и напряжений динистора. Время восстановления сопротивления перехода 2 после снятия питающего напряжения составляет порядка 10-30 мкс.

    Динисторы по своему принципу – приборы ключевого действия. Во включенном состоянии (участок БВ) он подобен замкнутому ключу, а в выключенном (участок ОГ) - разомкнутому ключу.

    Устройство и принцип работы тиристора (тринистора)

    Тринистор является управляемым прибором. Он содержит управляющий электрод (УЭ), подключаемый к полупроводнику р-типа или полупроводнику n-типа среднего перехода 2.

    Структура, УГО и ВАХ тринистора (обычно называют тиристором) приведены на рисунке:

    Напряжение Uвыкл , при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу 2. В какой мере снижается Uвкл показано на ВАХ. Важным параметром является отпирающий ток управления Iу.от , который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при напряжениях, меньших напряжения Uвкл . На рисунке показаны три значения напряжение включения UI вкл < Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от > Un у.от > Um у.от .

    Рассмотрим простейшую схему с тиристором, нагруженным на резисторную нагрузку Rн


    • Iа – ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);
    • Uак – напряжение между анодом и катодом;
    • Iу – ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);
    • Uук – напряжение между управляющим электродом и катодом;
    • Uпит – напряжение питания.

    Для перевода тиристора в открытое состояние не управляющий электрод подается от схемы формирования импульсов кратковременный (порядка нескольких микросекунд) управляющий импульс.

    Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

    Для выключения тиристора на практике на него подают обратное напряжение Uак < 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

    Устройство и принцип работы симистора

    Широко используется так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симметричные тринисторы являются управляемым прибором с симметричной вольт-амперной характеристикой. Для получения симметричной характеристики используются двухсторонние полупроводниковые структуры типа p-n-p-n-p.

    Структура симистора, его УГО и ВАХ приведены на рисунке:

    Симистор (триак) содержит два тиристора p1-n1-p2-n2 и p2-n2-p1-n4, включенных встречно-параллельно. Симистор содержит 5 переходов П1-П2-П3-П4-П5. При отсутствии управляющего электрона УЭ симистор называется диаком.

    При положительной полярности на электроде Э1 осуществляется тиристорный эффект в p1-n1-p2-n2, а при противоположной полярности в p2-n1-p1-n4.

    При подачи управляющего напряжения на УЭ в зависимости от его полярности и величины изменяется напряжение переключателя Uвкл

    Тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы) являются основными элементами в силовых устройствах электроники. Существует тиристоры, для которых напряжение переключения больше, чем 1 кВ, а максимально допустимый ток больше, чем 1 кА

    Электронные ключи

    Для повышения коэффициента полезного действия устройств силовой электроники широко используется импульсный режим работы диодов, транзисторов и тиристоров. Импульсный режим характерен резкими изменениями токов и напряжений. В импульсном режиме диоды, транзисторы и тиристоры используются как ключи.

    При помощи электронных ключей выполняется коммутация электронных схем: подключение/отключение схемы к/от источникам(-ов) электрической энергии или сигнала, подключение или отключение элементов схем, изменение параметров элементов схем, изменение вида воздействующего источника сигнала.

    УГО идеальных ключей показаны на рисунке:

    Ключи, работающие на замыкание и размыкание соответственно.


    Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: "включено"/"выключено".

    Идеальные ключи характеризуются мгновенным изменением сопротивления, которое может принимать значение 0 или ∞. Падение напряжения на идеальном замкнутом ключе равно 0. При разомкнутом ключе ток равен 0.

    Реальные ключи также характеризуются двумя крайними значениями сопротивления Rmax и Rmin . Переход от одного значения сопротивления к другому в реальных ключах происходит за конечное время. Падение напряжения на реальном замкнутом ключе не равно нулю.

    Ключи подразделяются на ключи, используемые в маломощных схемах, и ключи, используемые в силовых схемах. Каждый из этих классов имеет свои характеристики.

    Ключи, используемые в маломощных схемах, характеризуются:

  1. Сопротивлениями ключа в открытом и закрытом состояниях;
  2. Быстродействием – временем перехода ключа из одного состояния в другое;
  3. Падением напряжения на замкнутом ключе и током утечки разомкнутого ключа;
  4. Помехоустойчивостью – способностью ключа оставаться в одном из состояний при воздействии помех;
  5. Чувствительностью ключа – величиной управляющего сигнала, переводящего ключ из одного состояния в другое;
  6. Пороговым напряжением – значением управляющего напряжения, в окрестности которого происходит резкое изменение сопротивления электронного ключа.

Диодные электронные ключи

Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. Схема диодного ключа, статическая передаточная характеристика, ВАХ и зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на диоде показаны на рисунке:


Принцип работы диодного электронного ключа основан на изменении величины дифференциального сопротивления полупроводникового диода в окрестностях порогового значения напряжения на диоде Uпор . На рисунке "в" показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, на которой показано значение Uпор . Это значение находится на пересечении оси напряжений с касательной, проведенной к восходящему участнику вольт-амперной характеристики.

На рисунке "г" показана зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на диоде. Из рисунка следует, что в окрестности порогового напряжения 0,3 В происходит резкое изменение дифференциального сопротивления диода с крайними значениями 900 и 35 Ом (Rmin = 35 Ом, Rmax = 900 Ом).

В состоянии "включено" диод открыт и , Uвых ≈ Uвх .

В состоянии "выключено" диод закрыт и , Uвых ≈ Uвх · Rн / Rmax <

С целью уменьшения времени переключения используемые диоды с малой емкостью перехода порядка 0,5-2 пФ, при этом обеспечивается время выключения порядка 0,5-0,05 мкс.

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющею и управляемую цепи, что часто требуется в практических схемах.

Транзисторные ключи

В основе большинства схем, используемых в вычислительных машинах, устройствах телеуправления, системах автоматического управления и т.п., лежат транзисторные ключи.

Схемах ключа на биполярном транзисторе и ВАХ показаны на рисунке:

Первое состояние «выключено» (транзистор закрыт) определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы Iб = 0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк = Uк1 ≈ Ек . Режим отсечки реализуется при Uвх = 0 или при отрицательных потенциалах базы. В этом состоянии сопротивление ключа достигает максимального значения: Rmax = , где RT - сопротивление транзистора в закрытом состоянии, более 1 МОм.

Второе состояние «включено» (транзистор открыт) определяется точкой А2 на ВАХ и называется режимом насыщения. Из режима отсечки (А1) в режиме насыщения (А2) транзистор переводится положительным входным напряжением Uвх . При этом напряжение Uвых принимает минимальное значение Uк2 = Uк.э.нас порядка 0,2-1,0 B, ток коллектора Iк2 = Iк.нас ≈ Ек /Rк . Ток базы в режиме насыщения определяется из условия: Iб > Iб.нас = Iк.нас / h21 .

Входное напряжение, необходимое для перевода транзистора в открытое состояние, определяется из условия: Uвх > Iб.нас · Rб + Uк.э.нас

Хорошая помехозащищенность и малая мощность, рассеиваемая в транзисторе, объясняется тем, что транзистор большую часть времени либо насыщен (А2), либо закрыт (А1), а время перехода из одного состояния в другое составляет малую часть от длительности этих состояний. Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108 -109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108 -109 Ом. (схемы "а" и "б") и 1012 -1014 Ом (схемы "в" и "г").

Силовые (мощные) полупроводниковые приборы

Мощные полупроводниковые приборы находят применение в энергетической электронике, наиболее интенсивно развивающейся и перспективной области техники. Они предназначены для управления токами в десятки, сотни ампер, напряжениями в десятки, сотни вольт.

К мощным полупроводниковым приборам относятся тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы), транзисторы (биполярные и полевые) и биполярные статически индуцированные транзисторы (IGBT). Они используются в качестве электронных ключей, выполняющих коммутацию электронных схем. Их характеристики стараются приблизить к характеристикам идеальных ключей.

По принципу действия, характеристикам и параметрам мощные транзисторы подобны маломощным, однако имеются определенные особенности.

Силовые полевые транзисторы

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее перспективных силовых приборов. Наиболее широко используются транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Для уменьшения сопротивления канала уменьшают его длину. Для увеличения тока стока в транзисторе выполняют сотни и тысячи каналов, причем каналы соединяют параллельно. Вероятность саморазогрева полевого транзистора мала, т.к. сопротивление канала увеличивается при увеличении температуры.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру. Каналы могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

ДМДП-транзистор

Этот транзистор МДП-типа, изготовленный методом двойной диффузии, имеет горизонтальный канал. На рисунке показан элемент структуры, содержащий канал.

VМДП-транзистор

Этот V-образный МДП-транзистор имеет вертикальный канал. На рисунке показан один элемент структуры, содержащий два канала.

Легко заметить, что структуры VМДП-транзистора и ДМДП-транзистора подобны.

IGBT-транзистор

IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В нем совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупроводника р-типа.

Обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины "эмиттер", "коллектор" и "затвор".

Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p). Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p.

УГО и схема выключения IGBT показаны на рисунке:

Типичный вид выходных характеристик показаны на рисунке:

SIT-транзистор

SIT – полевой транзистор с управляющим p-n переходом со статической индукцией. Является многоканальным и имеет вертикальную структуру. Схематическое изображение SIT и схема включения с общим истоком показаны на рисунке:

Области полупроводника р-типа имеют форму цилиндров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каждый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рисунке "а" электрод затвора условно не показан).

Пунктиром обозначены области p-n-переходов. Реальное число каналов может составлять тысячи. Обычно SIT используется в схемах с общим истоком.

Каждый из рассмотренных приборов имеет свою область применения. Ключи на тиристорах применяются в устройствах, работающих на низких частотах (килогерцы и ниже). Основным недостатком таких ключей являются низкое быстродействие.

Основной областью применения тиристоров являются низкочастотные устройства с большой коммутируемой мощностью вплоть до нескольких мегаватт, не предъявляющих серьезных требований к быстродействию.

Мощные биполярные транзисторы применяются в качестве высоковольтных ключей в устройствах с частотой коммутации или преобразования, находящейся в диапазоне 10-100 кГц, при уровне выходной мощности от единиц Вт до нескольких кВт. Оптимальный диапазон коммутируемых напряжений 200-2000 В.

Полевые транзисторы (MOSFET) применяются в качестве электронных ключей для коммутации низковольтных высокочастотных устройств. Оптимальные значения коммутируемых напряжений не превышают 200 В (максимальное значение до 1000 В), при этом частота коммутации может находится в пределах от единиц кГц до 105 кГц. Диапазон коммутируемых токов составляет 1,5-100 А. Положительным свойствами этого прибора является управляемость напряжением, а не током, и меньшая зависимость от температуры по сравнению с другими приборами.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) применяются на частотах менее 20 кГц (некоторые типы приборов применяются на частотах более 100 кГц) при коммутируемых мощностях выше 1 кВт. Коммутируемые напряжения не ниже 300-400 В.Оптимальные значения коммутируемых напряжений свыше 2000 В. IGBT и MOSFET требуют для полного включения напряжения не выше 12-15 В, для закрытия приборов не требуется подавать отрицательное напряжение. Они характеризуются высокими скоростями переключения.

Материал для подготовки к аттестации

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.


Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
  1. Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности - до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор - обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное - не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления - то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.


Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.


Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

  • схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.


Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье . Сейчас нас будут интересовать параметры , собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора R вхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения U б от тока базы I б) приведен на рисунке 4.


Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора R вхОЭ зависит от тока базы I б0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔU б0 и ΔI б0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.


Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

(2)

где I б — ток базы в рабочей точке;
U бэ — напряжение базы в рабочей точке;
I s — обратный ток перехода эмиттер-база;
— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток I s , поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

(3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

(4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы r бб" .

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.


Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.


Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы R вых и h 21 ×i вх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

(5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).


Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление R и будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление R и при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

(6)

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.


Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

Литература:

Вместе со статьей "Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)" читают:


http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/


http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Усилители содержат транзисторы, а также такие элементы, как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Пара­метры используемых элементов (их номиналы и напряжения) зависят от требований, предъявляемых к усилителю, а также от типа применяемых транзисторов. С появлением транзисторов различных типов стали возможны новые конфигурации схем усилителей. В биополярном р - n - р- или n - р - n -транзисторе создаются чередующиеся в определенном порядке области с различным видом проводимости, образующие базу, эмиттер и коллектор. Транзистор называется биполярным, поскольку пе­ренос зарядов в нем осуществляется как электронами, так и дырками. В полевых же (униполярных) транзисторах заряды переносятся носителями одного вида: либо электронами, либо дырками. Полевые транзисторы (ПТ) имеют три области, на­зываемые затвором, истоком и стоком, В зависимости от вида используемых носителей различают два типа полевых транзи­сторов: р- и я-канальные. Разным типам транзисторов соответ­ствуют различные характеристики, описываемые более подроб­но в этом разделе.

Наиболее распространенная схема построения усилителя на биполярном транзисторе - схема с общим (заземленным) эмит­тером (ОЭ); варианты таких схем показаны на рис. 11.1. Термин «общий эмиттер» указывает на то, что в соответствующей схе­ме сопротивление между выводом эмиттера и землей для сиг­нала мало, но из этого не следует, что оно во всех случаях ма­ло и для постоянного тока. Так, например, в схемах показан­ных на рис. 1.1, а и б, эмиттеры непосредственно заземлены, а в схеме на рис. 1.1, в между эмиттером и землей включено сопро­тивление, зашунтированное конденсатором. Поэтому, если ре­активное сопротивление этого конденсатора для сигнала мало, можно считать, что для сигнала эмиттер практически заземлен.

Для работы в классе А (разд. 1.4) напряжение смещения между базой и эмиттером должно быть прямым (отпирающим), а между коллектором и эмиттером - обратным (запирающим). Для получения такого смещения полярности источников пита­ния выбирают в зависимости от типа используемого транзисто­ра. Для транзистора р - n - р-типа (рис. 11 Л, а) плюс источника смещения должен быть подключен к эмиттеру р-типа, а ми­нус - к базе я-типа. Таким образом, прямое смещение получа­ется при отрицательном потенциале базы относительно эмитте­ра. Для обратного смещения коллектора р-типа его потенциал должен быть отрицательным. Для этого источник питания под­ключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицатель­ным к коллектору.

Входной сигнал создает на резисторе R 1 падение напряже­ния, которое алгебраически складывается с постоянным смещающим напряжением. В результате этого суммарный потенци­ал базы изменяется в соответствии с сигналом. С изменением потенциала базы меняется ток коллектора, а следовательно, и напряжение на резисторе R 2. При положительной полуволне входного напряжения прямое смещение уменьшается и ток че­рез R 2 соответственно уменьшается. Падение напряжения на R 2 также уменьшается, в результате чего между входным и вы­ходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°.

Если используется транзистор n - р - n-типа (рис. 1.1,6), то полярность обоих источников питания меняется на обратную. При этом базовый переход также оказывается смещенным в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Как и в предыдущем случае, между входным и выходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°.

На рис. 1.1,а и б изображены основные элементы усилителя, а схема усилителя, применяемая на практике, приведена на рис. 1.1,6. Здесь конденсатор С 1 не пропускает постоянной со­ставляющей входного сигнала, но имеет малое реактивное со­противление для его переменной составляющей, которая таким образом поступает на резистор R 2 . (Это так называемая RC -связь; более подробно она описана в разд. 1.5). Напряжение прямого смещения базы поступает с делителя напряжения Ri - R2, который подключен к источнику питания. Нужная вели­чина прямого смещения базы транзистора получается при над­лежащем выборе отношения величин сопротивлений R 1 и R 2 . При этом в транзисторе n - р - n-типа потенциал базы устанав­ливают более положительным, чем эмиттер. Коллекторный ре­зистор, на котором образуется выходной сигнал, обычно назы­вают резистором нагрузки и обозначают R н. Через разделитель­ный конденсатор С 3 сигнал поступает на следующий каскад. Входные и выходные цепи должны иметь общую заземленную точку (рис. 1.1, а).

Коэффициент усиления тока базы для схемы с ОЭ задается следующим соотношением:

где р - коэффициент усиления тока базы;

ДI б - приращение тока базы; ДI к - соответствующее приращение тока коллектора при-

Рис. 1.1. Схемы с общим эмиттером.

Таким образом, р равно отношению приращения коллектор­ного тока к соответствующему приращению базового тока прк постоянном коллекторном напряжении. Коэффициент усиление сигнального тока также называют коэффициентом прямой пере­дачи тока [ При достаточно большой величине сопротивления R 2 переменная состав­ляющая сигнального тока практически равна переменной составляющей тока базы. - Прим. ред. ]

Резистор R 3 (рис. 1.1,5) оказывает стабилизирующее дейст­вие на ток транзистора при изменении температуры. Падение напряжения на R 3 создает обратное (запирающее) смещение эмиттерного перехода транзистора, так как оно повышает по­тенциал эмиттера. Следовательно, оно уменьшает положитель­ное прямое смещение базы на величину этого падения напря­жения. Присутствие переменной составляющей напряжения на Rз вызвало бы уменьшение выходного сигнала и, следователь­но, коэффициента усиления усилителя (см. разд. 1.8). Для устранения этого эффекта резистор Rз шунтируют конденсато­ром С 2 .

При нагреве транзистора постоянная составляющая тока коллектора возрастает. Соответственно возрастает и падение напряжения на R z , что приводит к уменьшению прямого смеще­ния базы, а также тока коллектора. В результате осуществля­ется частичная компенсация температурного дрейфа тока.

Рис. 1.2. Схемы с общим истоком

На рис. 1.2 показана схема усилителя на полевом транзи­сторе, эквивалентная схеме с ОЭ, которая называется схемой с общим истоком. В этой схеме затвор соответствует базе би­полярного транзистора, исток - эмиттеру, а сток - коллектору. На схеме 1.2, а показан ПТ с каналом n-типа. Для транзистора с каналом р-типа стрелка на затворе будет направлена в про­тивоположную сторону. На рис. 1.2, б также показан транзи­стор с каналом д-типа, а на рис. 1.2, в - с каналом р-типа.

Цепи смещения ПТ отличаются от цепей смещения бипо­лярных транзисторов вследствие существенного различия ха­рактеристик этих приборов. Биполярные транзисторы являются усилителями сигнального тока и воспроизводят на выходе уси­ленный входной сигнальный ток, в то время как в полевых транзисторах выходным сигнальным током управляет приложен­ное ко входу напряжение сигнала.

Существуют два типа ПТ: с управляющим р - n-переходом и металл - окисел - полупроводник (МОП). (МОП-транзи­сторы называют также полевыми транзисторами с изолирован­ным затвором.) Полевые транзисторы обоих типов изготовляют с n– и р-каналами.

В схеме на рис. 1.2, а используется ПТ с управляющим р - я-переходом, а в схеме на рис. 1.2, б - МОП-транзистор, ра­ботающий в режиме обогащения. На рис. 1.2, в изображен МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения. У МОП-транзисторов затвор изображается как бы в виде обкладки конденсатора, что символизирует емкость, возникающую в ре­зультате формирования очень тонкого слоя окисла, изолирую­щего металлический контакт вывода затвора от канала. (От этого способа производства и произошел термин «МОП-тран­зистор».)

Поскольку ПТ управляются напряжением входного сигнала, а не током, как биполярные транзисторы, параметр «коэффи­циент усиления» сигнального тока заменяется передаточной проводимостью g m . Передаточная проводимость является мерой качества полевого транзистора и характеризует способность на­пряжения затвора управлять током стока. Выражение для пе­редаточной проводимости выглядит следующим образом:

Единица измерения g m , называемая сименсом, есть величина, обратная единице измерения сопротивления (1 См=1/Ом). Как следует из выражения (1.2), параметр g m для ПТ есть отноше­ние приращения тока стока к приращению напряжения затвора при постоянной величине напряжения между истоком и стоком.

В полевом транзисторе с управляющим р - n-переходом и ка­налом n-типа (рис. 1.2,а) при поступлении отрицательного на­пряжения на затвор происходит обеднение канала носителями зарядов и проводимость канала уменьшается. (Для ПТ с кана­лом р-типа проводимость уменьшается при действии положи­тельного напряжения на затвор.) Поскольку однопереходный по­левой транзистор имеет только две зоны с разными типами прово­димости (выводы истока и стока подключены к одной зоне, а вы­вод затвора - к другой), проводимость между истоком и стоком того же типа, что и проводимость канала. Следовательно, в отли­чие от биполярного транзистора, у которого при U Q 3 = 0 ток кол­лектора равен 0, ток канала может протекать даже при нулевом напряжении затвор - исток. Поскольку ток канала это функция напряжения U зи, канал полевого транзистора с управляющим р - n-переходом может проводить ток в обоих направлениях: от истока к стоку и в обратном направлении (у биполярного транзистора ток коллектора в рабочем режиме имеет всегда одно направление). При этом рабочая точка (например, для схем класса А) для таких транзисторов устанавливается путем подачи напряжения обратного смещения затвора в отличие от прямого смещения базового перехода в биполярных транзи­сторах [В транзисторе с управляющим р - n-переходом обычно подается запи­рающее напряжение U 8и на переход (отрицательное для n-канала) и макси­мальный ток в канале получается при U 3 и = 0. Направление тока в канале за­висит от полярности источника питания, подключенного к каналу; при изме­нении полярности источника питания вывод, бывший стоком, становится исто­ком и наоборот. - Прим. ред. ].

Как было отмечено выше, затвор в МОП-транзисторах изо­лирован от канала диэлектриком, например двуокисью крем­ния (SiO 2). При этом затвор имеет очень высокое входное со­противление и на него может подаваться как прямое смещение для обогащения канала носителями (что будет увеличивать про­ходящий ток), так и обратное смещение для обеднения канала носителями (что уменьшает ток канал а). Поэтому возможно из­готовление двух различных типов МОП-транзисторов: для ра­боты в обогащенном и обедненном режимах (здесь имеются в виду МОП-транзисторы с встроенным каналом).

В МОП-транзисторе обедненного типа имеется ток стока при нулевом смещении на входе. Напряжением обратного сме­щения ток стока уменьшают до некоторой величины, зависящей от требуемого динамического диапазона входного сигнала. Как показано на рис. 1.2,6, у транзисторов обедненного типа линия, изображающая канал, непрерывная, что означает наличие замк­нутой цепи и протекание тока в канале (тока стока) при нуле­вом смещении затвора.

В МОП-транзисторах обогащенного типа ток стока при ну­левом смещении мал. Напряжением смещения ток стока увели­чивают до некоторой величины, зависящей от динамического диапазона входного сигнала. У МОП-транзисторов обогащен­ного типа линия, изображающая канал, прерывистая, что сим­волизирует как бы разрыв цепи при нулевом смещении. Для того чтобы увеличить ток до величины, необходимой для нор­мальной работы такой схемы, как усилитель, нужно использо­вать соответствующее смещение.

Рабочие характеристики схем, изображенных на рис. 1.Д аналогичны характеристикам схем, представленных на рис. 1.11. Схема на рис. 1.2, в наиболее пригодна для практического ис­пользования. Как и в ранее рассмотренном случае, имеет место инверсия фазы между входным и выходным сигналами. Напря­жение источника питания обычно обозначают Е с. Для того что­бы уменьшить падение напряжения сигнала на внутреннем со­противлении источников питания и смещения, их шунтируют емкостями соответствующей величины (рис. 11.2, а). Через эти емкости замыкаются токи сигнала цепей затвора и стока.