Транзисторы И Электронные Схемы На Их Основе

В.Б.

сигнала по мощности.
Транзисторы:
биполярные;
униполярные (полевые).
Биполярные транзисторы
трехслойная структура с чередующимися типами

эл.проводности
с двумя p-n переходами.
Выполняют из кремния, реже германия.
Различают биполярные транзисторы двух типов: n-p-n и p-n-p

База (Б) - средняя область между двумя p-n переходами с малой толщиной.
Эмиттер (Э) с высокой концентрацией основных носителей – создает ток.
Коллектор (К) с несколько меньшей концентрацией основных носителей служит для приема носителей от Э.
Стрелка показывает направление тока в открытом Т.
Переход Э-Б – эмиттерный, Б-К – коллекторный.
В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей двух типов: электронов и дырок – отсюда биполярные.

в прямом направлении («-» с Э, «+» Б).
На переход

КБ – напряжение UКБ=10..30В – в обратном направлении («+» К, «-» Б) – рабочий режим.

При UЭБ= 0 IЭ=0 и через переход КБ протекает небольшой ток IKO, обусловленный движением неосновных носителей (дырок из К в Б, электронов из Б в К.), аналогичный обратному току в диоде: IKO=10…100 мкА – у герман Т., и существенно меньше 0,1…10 мкА у кремниевых Т.
IKO возрастает с увеличением температуры (тепловой ток).
2. При подключении UЭБ= 0..0,6 В в прямом направлении возникает эмиттерный ток IЭ из основных носителей (электронов) – (аналогия с Uпр диода.).
3. Часть электронов (несколько %) IЭ рекомбинирует с дырками тонкой базы и не доходит до коллекторного перехода, образуя небольшой IБ

ток IК=α·IЭ, где α = 0,9…0,995 – коэффициент передачи тока.
5.

Коллекторный ток IK=IKO + α·IЭ
6.Количество электронов в IЭ определяется напряжением UЭБ, напряжение UБК только ускоряет электроны, не увеличивая их количества: IЭ от UБК зависит мало.

большой входной ток (Iэ), малое входное сопротивление, малое усиление по

току KI≤1.
Преимущества: высокая стабильность в работе.
Схема с ОЭ – наибольшее распространение.
Преимущества: мал входной ток, высокие К усиления,
Схема с ОК - обладает высоким входным и малым выходным сопротивлением, мал коэффициент усиления по напряжению KU≤1
Каскад с ОЭ – усилительный, с ОК – повторитель напряжения, с ОБ – повторитель тока.

ОК

ОБ

ОЭ

В зависимости от общего электрода Т различают схемы:

двумя ВАХ.
Входная (базовая) ВАХ – IБ(UБЭ) – аналогична ВАХ диода.

Практически не зависит от UКЭ.




Семейство выходных ВАХ – Ik(UКЭ) IБ=const,
в широком диапазоне UКЭ прямолинейны.

Описываются уравнением Ik=βIБ+(1+β)Iko
β=α/(1-α)=20…200 (до 1000) – коэффициент передачи тока из базы в коллектор.

усилительный каскад содержит:
Источник постоянного тока, за счет энергии которого происходит

усиление мощности входного сигнала;
Транзистор;
Цепи смещения, обеспечивающие режим транзистора по постоянному току (режим покоя).
Основные характериcтики усилительного каскада.
Коэффициент усиления по току KI = iвых/iвх⇒ (10…20);
Коэффициент усиления по напряжению KU = uвых/uвх⇒ (10…20);
Коэффициент усиления по мощности KP = Pвых/Pвх= KU· KI ⇒ (100…400)
Коэффициенты усиления могут выражаться в логарифмических единицах – децибелах Ku,I (дБ) = 20lg(Ku,I); Kp(дБ) = 10lg(Kp)

Многокаскадные усилители – для получения высокого KU (тысячи...миллионы)
KU= KU1· KU2· … Kun
Связь между каскадами –
для УПТ – гальваническая или R,
в усилителях переменного тока – через R-C.

типа, включенный по схеме с ОЭ (Э – общий электрод

для входной и выходной цепи.)
источник постоянного тока Ек =10..30 В,, для усиления входного сигнала по мощности.
Коллекторное сопротивление Rk, ограничивает ток в коллекторной цепи, на нем Uвых.

Делитель на R1-R2, обеспечивает требуемое UБ в режиме покоя, на постоянном токе, когда Uвх=0: UБ= EkR2/(R2+R1)
С1 и С2 – разделительные конденсаторы: С1 не пропускает постоянный ток в источник сигнала, С2 – в нагрузку.
Rэ и Сэ – цепочка термостабилизации.
источник входного сигнала еист с внутренним сопротивлением Rист.

ВАХ.
Коллекторная цепь представляет последовательно соединенные Rk с управляемым НЭ –

транзистором. По 2 закону Кирхгофа
Ek = Uk + IkRk
Расчет такой нелинейной ЭЦ проводим графически методом пересечений

- линейно зависит от Uk

Линию нагрузки - по 2 точкам:
1) При Ik=0 Uk=Ek, 2)при Uk=0, Ik=Ek/Rk

Для анализ строим переходную характеристику Ik(IБ), по точкам пересечений линии нагрузки с семейством выходной ВАХ.
При евх=0 подбором резисторов R1 и R2 на постоянном токе определяют UБП, при котором точка покоя (П) находится посередине линейной части передаточной и входной ВАХ. При этом минимизируются нелинейные искажения.

ВАХ происходит изменение базового тока iБ, Если, например, амплитуда Uвх=0,15

В, то амплитуда IБ=240 мкА, и Рвх=26·10-6 Вт.
2. При изменении iБ меняется ik
в соответствии с линейным участком a’ – b’ переходной характеристики

3. При изменении Ik в соответствии с линией нагрузки меняется Uвых. Амплитуда Ik =6 мА и Uвых = 6В, т.е. Рвых = 25,5·10-3Вт и сигнал усиливается в 1000 раз по мощности, Ku = 6/0.15=40;
Ki=6·10-3/0.24·10-3=25.
4. Выходной сигнал находится в противофазе с входным сигналом.

линейные участки входной и переходной характеристик, то форма выходного напряжения

соответствует форме Uвх.
Uвх – синусоида

Uвых – синусоида

При больших Uвх токи выходят за пределы линейных участков входной и переходной характеристик и форма Uвых существенно искажается ⇒ нелинейные искажения.

Для оценки диапазона Uвх, усиливаемых без искажения, строят амплитудную характеристику – зависимость Uвыхm от Uвхm

Нелинейных искажений нет!

Uвх = const.
При изменении частоты на Кu влияют частотные

свойства транзисторов, емкостные сопротивления C связи и паразитные емкости в усилителе.

Снижение Ku в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями: при усилении несинусоидального сигнала отдельные гармоники Uвх усиливаются по-разному из-за неравномерности АЧХ. И форма усиливаемого U искажается.
Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М=Ко/К, которое принимается равным √2.
Частоты fнгр и fвгр, соответствующие допустимым значениям коэффициента М, называют нижней и верхней граничными частотами,
а диапазон частот, в котором М<√2, называют полосой пропускания усилителя.

Uвых опережает по фазе Uвх, а в области верхних частот

отстает от него.
В предельных случаях при f→0 φ→π/2, а при f→∞ φ→- π/2,

температуры.
При повышении Т возрастает IK0, изменяются коллекторные характеристики, что вызывает

смещение рабочей точки за пределы линейного участка переходной характеристик и приводит к нелинейным искажениям.
Для уменьшения влияния Т в цепь эмиттера включают Rэ.
При введении Rэ UБЭ=UБ- RЭIЭ

При ↑T ↑IK(Iэ) ↓UБЭ, что приводит к ↓IБ и ↓IК, т.е. к частичной стабилизации режима транзистора.
Но падение напряжения на Rэ на переменном токе, снижает Ku, что нежелательно.

Параллельно Rэ включают СЭ, при этом ХСэ<< Rэ , что снижает падение напряжения на Rэ и повышает Ku.

частоты (АЧХ).
По типу АЧХ различают усилители:
1. Усилители постоянного тока

(УПТ) – нижняя граница по частоте fн=0, верхняя fв=103..108Гц.

2. Усилитель низких частот (УНЧ):fн=20..50 Гц, fв=104..2·104Гц.


3. Усилитель высоких частот (УВЧ): fн=104.. 105 Гц, fв=107..108Гц.


4.Широкополосный усилитель
fн=20..50 Гц, fв=107..108Гц.

- смещен в прямом направлении
- + (для n-p-n

транзисторов)
Б К – смещен в обратном направлении
- +
2. Режим насыщения – транзистор открыт IЭК – максимален.
Э Б - смещен в прямом направлении
- + (для n-p-n транзисторов)
Б К – смещен в прямом направлении
+ -
3. Режим отсечки – транзистор закрыт, IЭК ⇒0
Э Б - смещен в обратном направлении
+ - (для n-p-n транзисторов)
Б К – смещен в обратном направлении
- +

В режимах насыщения и отсечки управление в транзисторе отсутствует, напряжение и ток определяются компонентами внешней цепи.

на его вход.
ПОС ⇒ Uвх складывается (в фазе) с Uос
U1=Uвх+Uос
ООС

⇒ из Uвх вычитается (в противофазе) Uос ⇒ U1=Uвх- Uос

ПОС – в генераторах, ООС – в усилителях.

Коэффициент усиления.

Без ОС Ku=Uвых/U1 Коэффициент передачи звена ОС αос=Uос/Uвых
При наличии ОС

Делим на Uвх

Коэффициент усилителя с ОС

«+» - ООС
«-» - ПОС

состоящим из R и С, которые могут выполнены очень термостабильными..
ООС

существенно улучшает свойства усилителя:
Повышается стабильность Ku при изменении параметров транзисторов,
Снижается уровень нелинейных искажений,
Увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления,
Расширяется полоса пропускания усилителя
Но при этом уменьшается коэффициент усиления.

При ПОС:
Увеличивается коэффициент усиления,
Но существенно снижается стабильность Ku и в усилителях не используется.

зажимах, т.е. при Uвх=0.
специфичный недостаток УПТ, которые используются в

измерительной технике для усиления сигналов порядка долей герц.
Причины:
Нестабильность источников питания,
Неточная компенсация температурной нестабильности;
Старение транзисторов;
Изменение температуры.
При этом усилитель без искажения воспроизводит сигналы Uвх>>Uдр.
Меры по уменьшению дрейфа:
Стабилизация источника питания на уровне ± 0,01% уменьшает уровень Uдр до 5…20 мВ/час.
Применение дифференциальных УПТ.

элементам схемы:
R2 = R3
Подбирают пары Т1 и Т2 со строго

идентичными характеристиками.
Режимы пары Т1 и Т2 одинаковы.
Стабильность существенно зависит от величины R1 (чем больше, тем лучше). Вместо R1 используют стабилизатор тока.
Используют два источника ЭДС с Е1=Е2 (Е1 – коллекторная, Е2 – смещения ЭДС).

Требования выполняются, если У - в виде микросхемы (интегральное выполнение на одном кристалле)

А)При изменении Е1 и Е2 меняются токи обеих Т и потенциалы их коллекторов. Если R и T идентичны, то ток в Rн равен 0.
Б) Аналогично и при изменении температуры.

Rп – для балансировки моста (установки 0)

дифференциального УПТ
1. При подаче на Uвх1 сигнала («+» на базу

Т1), ток через Т1 возрастает, падение напряжения на R2 ↑, φа↓ и ток в Rн течет от т. b к т.a.

2. При подаче на Uвх2 сигнала («+» на базу Т2), ток через Т2 возрастает, падение напряжения на R3 ↑, φb↓ и ток в Rн течет от т. a к т.b. , т.е. в обратном направлении.

Выходное напряжение в усилителе совпадает по фазе с Uвх1 (неинвертирующий вход)
и противофазно напряжению Uвх2 (инвертирующий вход).
Uвых=Ku(Uвх1 - Uвх2)

При Uвх1 = Uвх2 выходное напряжение Uвых=0

Дифференциальный УПТ – основа операционных усилителей.

электрическим полем, и которые предназначены для усиления входного сигнала по

мощности.
Полевой транзистор можно рассматривать как резистор, сопротивление которого изменяется под действием поперечного электрического поля, создаваемого прилегающим к проводящему объему полупроводника управляющим электродом (затвором).
В униполярном транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных носителей.
Применяют два вида полевых транзисторов:
с управляющим p-n переходом;
с изолированным затвором.
На рис. показана структура и схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n типа.

Область канала, от которой начинается движение носителей – исток (И), область канала, к которому движутся носители сток (С). Управляющая область, охватывающая канал – затвор (З).

переходе) поперечное сечение канала уменьшается и ток стока Ic уменьшается.
Полевые

транзисторы с изолированным затвором имеют структуру: металл (М) – диэлектрик (Д) – полупроводник (П) МДП

На подложке р-типа создают область n-типа, к которым подводятся внешние электроды И и С. Между металлическим затвором З и подложкой находится диэлектрик Д, чаще – диоксид кремния. По этой причине МДП структуры часто называют МОП структурами (металл – оксид- полупроводник).
Условные обозначения МДП-транзисторов:

а) б) в) г)

а) встроенный канал n- типа,
б) с индуцированным каналом n- типа;
в) встроенный канал р- типа,
г) с индуцированным каналом р- типа

Отличительная особенность – большое входное сопротивление (>109 Ом), что позволяет управлять мощными цепями с помощью маломощного сигнала.