Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ВНЕПЛАНОВАЯ ЛЕКЦИЯ ПЭ № 6 от 14 .11. 2018 г.

1. Базовая информация о фотоэлектронных приборах ( фоторезисторы, фото и светодиоды) и приборах без р-п перехода (термо, тензо и магниторезисторы, варисторы , датчики Холла) .

Биполярный (БПТ) и полевой (ПТ) транзисторы и их усилительные свойства.

УК на БПТ в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и основы ее расчета для выполнения РГР.

Видеофайлы для закрепления лекции: Светодиоды; УК с общим эмиттером.

1.

Фотоэлектронные (ФЭ) –это приборы, преобразующие энергию света (оптического излучения) в электрическую. В основном при-меняют ФЭ со спектрами излучения: УФ (λ = 10-400 нм), видимый (λ = 0,38 - 0,76 мкм) и ИК (λ = 0,74 мкм -1 мм). Их работа основана на внутреннем и внешнем фотоэффектах.

Внутренний фотоэффект - это  разрыв ковалентных связей ато-мов с электронами, которые, освобождаясь, переходят из валент-ной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) , где и  обусловливают проводимость. По Эйнштейну для этого процесса  энергия фотонов света W _ф должна превышать ширину запрещенной зоны ∆ W _зз полупроводника, что возможно при длине волны λ_Ф , меньшей некоторого граничного значения λ_гр , называемого «красной грани-цей:

λ_ф < λ_гр = с / f = h с / ΔW _зз ≈ 1,23/ ΔW _зз (мкм)

с – скорость света ( ) в вакууме;  – постоянная Планка;  – ширина запрещенной зоны, ограниченная дном ЗП (W_C) и потолком ВЗ ( W_V) в электрон-вольтах (эВ) – см. ниже рисунок.

Полупроводниковые (ПП) приборы без Р- N перехода : фото, термо, тензо и магниторезисторы, варисторы, датчики Холла.

Это приборы на однородных полупроводниках, электропровод-ность которых меняется под действием теплового, светового, маг-нитного полей, либо механических напряжений. Дадим краткую характеристику основным из них, указанных выше.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это ФЭ прибор, в котором под действием света в результате внутреннего фотоэффекта возрастает электропровод-ность.

Внешний вид, обозначение и схема включения фоторезистора     

Конструктивно - это тонкая пластинка или пленка из п/пр соединений кадмия, висмута или свинца 1 с двумя токопроводящими контактами 2, и укрепленная на изоляционной подложке 3.

При освещении в зависимости от светового потока уменьшение сопротивления достигается в 500–1000 раз в диапазоне частот от 10Гц до 10кГц. Основное применение фоторезисторов – в качестве датчиков освещённости в измерительных и информационных устройствах автоматики [12].

Терморезисторы

Терморезистор  - это п-п прибор, сопротивление которого изме-няется в несколько десятков раз при увеличении температуры, подчиняясь экспоненциальной зависимости

R_t = R₀ exp B ( T₀ – T) / T₀ T)

где Ro – номинальное сопротивление при исходной температуре (обычно при 20°С), указываемой в справочниках;

                                               

B – коэффициент температурной чувствительности, зависящий от физико-химических свойств полупроводника, в К (кельвинах), у разных типов терморезисторов В = 700÷15800К; Т – любая температура в рабочем диапазоне 20÷150°С, в К.

Конструкция позистора, ВАХ терморезистора и позистора:

Принцип усиления

Рис. 2. Упрощенная схема, характеризующая принцип усиления в БПТ

 

 Например, в БПТ n-p-n (рис.2) (в котором на базе «+»), положительная полуволна входного сигнала U _ВХ =  U _БЭ добавляет положительный потенциал (плюс) на базе транзистора, вследствие чего ток базы I _б увеличивается. Происходит процесс интенсивного введения электронов из основной области (эмиттера) в неосновную (базу), называемый инжекцией .Так возникает эмиттерный ток . Но электроны этого тока не успевают рекомбинировать с дырками базы из-за ее малой толщины и оптимально малой концентрации в ней дырок. Поэтому мгновенно вступает в действие процесс экстрации - интенсивное втягивание этих электронов в положительно заряженный коллектор благодаря его сильному электрическому полю. Возникает выходной экстрактируемый коллекторный ток (принято направление любого тока от источника в замкнутой цепи от «плюса к минусу»):

                                         (1)

Усиление обусловлено тем, что ток I _к , зависящий от большого напряжения питания Е_к, во много раз больше малого инжекцион-ного (управляющего) тока I _б в силу соответствующей несоразмер-ности величин напряжений Е_к >>Е_б .При этом выходное напряже-ние , отбираемое от источника питания Е_к, изменяется по закону изменения входного сигнала U _вх и определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи в соответствии с уравне-нием (2), называемым выходной динамической характеристикой или нагрузочной прямой.

                        (2)

Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:

                            (3)

В усилителе на БПТ с дырочной электропроводностью, т.е. типа p-n-p, работа происходит аналогично, однако, все полярности на электродах транзистора противоположны. Простейшая схема рис.2 называется схемой с общим эмиттером. Название « с общим эмит-тером» и другими ( с ОБ или ОК) означает, что данный электрод яв-ляется общим для входной и выходной цепей УК, рис. 3.

Рис. 3. Упрощенные схемы трех включений БПТ (ОБ,ОЭ,ОК)

 

Выводы

1. Таким образом, п-р-п БПТ (с основными носителями «элект-ронами») усиливает сигнал за счет одновременного действия двух процессов: инжекции (нагнетание электронов из эмиттера в базу, где их ждут неосновные носители – «+дырки») и экстракции (втяги-вании этих электронов мощным полем коллектора . В результате напряжение источника ЭДС Е_К перекачивается в нагрузку R_Н в ви-де «размаха» выходного сигнала U_КЭ = U_ВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом U_БЭ. Усиление обусловлено тем, что U_КЭ >> U_БЭ , а коэффициент усиления по напряжению равен:

К_U = U_ВЫХ / U_ВХ= U_КЭ / U_БЭ.

2. Название БПТ «биполярный» обусловлено тем, что в усилении участвуют одновременно два вида носителей тока – электроны и дырки.

 

Полевой транзистор (ПТ) и его усилительные свойства.

ПТ называется ПП прибор с одним обратно смещенным p-n-переходом и тремя выводами – истоком, затвором и стоком, выходной ток которого обусловлен не инжекциейэлектронов или дырок (как у БПТ), а расширением или сужением p - n перехода за счет потенциала (поля) затвора, предназначенный для усиления и преобразования электрического сигнала.

В отличие от БПТ, в ПТ носители тока только одного типа: дырки в ПТ со структурой p - n, либо электроны в ПТ со структурой n - p, поэ-тому полевые транзисторы часто называют униполярными (рис. 5). Третье название ПТ – канальные, так как ток транзистора протека-ет в канале «исток-сток», поперечное сечение которого перекры-вается за счет расширения поля затвора.

Основное же названию «полевой» обусловлено электрическим полем, возникающем за счет напряжения U _зи между затвором и истоком, который управляет током через канал.

Рис. 5. Схема включения и структуры ПТ с каналами n- и p-типов (б)

Процесс усиления сигнала

Отрицательная полуволна входного напряжения добавляет «минус» на затворе, (рис.4) и запирающий слой p - n -перехода расширяется, т.е. ширина n -канала уменьшается, что эквивалентно увеличению его сопротивления и прекращению протекания тока через канал от истока к стоку . При этом, как и в БПТ, малый управляющий сигнал на затворе синхронно вызывает большие колебания сигнала на нагрузке в стоковой цепи, т.е. имеет место усиление входного сигнала. Аналогичная биполярному транзистору выходная хар-ка имеет вид: 

U _вых  = U _си = Е_си – I _с ∙ R _н

Здесь описан так называемый ПТ с управляющим p-n-переходом. Существуют также другие типы ПТ, например, типов МДП и МОП («металл-диэлектрик-полупроводник» и «металл-окисел-полупро-водник»), структуры с индуцированными и встроенными каналами, диффузионными и изолированными затворами и т.д.

ПТ аналогично УК на БПТ может работать в трех схемах включе-ния (рис.6):

Рис. 6. Схемы включения полевого транзистора:
а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

Выводы:

1. Принцип действия полевого транзистора (ПТ) основан не на инжекции и экстракции, а на перекрывании канала «исток-сток» за счет поля (потенциала) затвора.

2.  В ПТ , как и в БПТ, напряжение источника стока Е_С перекачи-вается в нагрузку R_Н в виде «размаха» выходного сигнала  U_СИ = U_ВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом U_ЗИ. Усиление обусловлено тем, что U_СИ >> U_ЗИ , а коэффициент усиления по напряжению равен

К_U = U_ВЫХ / U_ВХ= U_СИ / U_ЗИ.

3. ПТ имеет три названия: полевой (управляется эл. полем затво-ра), униполярный (носители тока только  одного  вида - либо элект-роны, либо дырки) и канальный (ток в канале «исток-сток»)

3.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Пусть требуется получить в нагрузке R _н = 1 кОм маломощного каскада на биполярном транзисторе (БПТ) в схеме с ОЭ (рис.1) мощность выходного сигнала P _~н = 1 мВт при Е_к = 6 В и коэффициенте стабилизации К_ст= 8, обеспечивающем стабильность рабочей точки при нагревании транзистора в процессе работы.

Рис.1. Усилительный каскад НЧ на транзисторе 1Т313Б с рассчитанны-ми в РГР параметрами

Расчет осуществляем в следующей последовательности .

1. Выбираем транзистор на более высокую мощность рассеяния на коллекторепо сравнению с требуемой P _~н = 1 мВт:  

                          Р_{к макс} ≥ (5 – 10)P_~н                                       ( 1)

Выбираем БПТ типа 1Т313Б , у которого Р_{к макс} >10 P_~н = 100 мВт.

2. В соответствии с заданными R _{н ,} P _~н и Е_к на семействе выходных ста-тических характеристик I _к = ƒ( U _кэ ) строим НП. При этом учитываем наличие в коллекторной цепи резисторов R_к и R_н, а в эмиттерной - R_э.

Ход нагрузочной прямой и её наклон определяем величинами:

  Е_к = 6 В и R_о = R_{н экв} + R_э = R_к∙R_н/(R_к + R_н) + R_э               (2)

Так как заданным является R_н , а не R_о , определяющее верхнюю координату I_к = Е_к / R_о , то из координаты абсциссы Е_к = 6 В проводим НП произволь-но , задавшись I_к = 6 мА так , чтобы точка её пересечения с ординатой оказалась ниже выходной характеристики , снятой при максимальном токе базы                  I_{б макс} =160 мкА  (рис.2в).

3. На линии нагрузки БПТ выбираем рабочую точку посередине НП, чтобы равным отклонениям тока базы (ΔI_б = 40 – 80 – 120 мкА) соответствовали равные отрезки НП, что гарантирует минимальные нелинейные искажения формы выходного сигнала:

U_ко =3 В; I_ко = 3 мА; I_бо = 80 мкА

Выбранная рабочая точка обеспечивает динамический режим БПТ (т.н. линейный режим класса А), при котором изменения входного сигнала ΔI_вх = ΔI_б = 80 ± 40 мкА и ΔU_вх = ΔU_бэ = 0,45 ± 0,05 В (амплитуды I_б = 40 мкА и U_бэ = 0,05 В) вызывают соответствующие изменения выходного сигнала ΔI_вых = ΔI_к = 3 ± 1,8 мА, и ΔU_вых = ΔU_кэ = 3 ± 1,8 В (амплитуды I_к = 1,8 мА, т.е. размах∆ I _к = 2∙1,8 = 3,6 мА, U_кэ = 1,8 В, т.е. размах ∆ U _{к э} = 2∙1,8 = 3,6 В).

4. Проверяем получение требуемой мощности по формуле :

P_~н =(U_{к макс} - U_{к мин})∙(I_{к макс} - I_{к мин})/8 =∆ U_{к э}∙∆I_к/8 =[(4,8В – 1,2В)∙           ( 4,8мА – 1,2мА)] / 8 = 3,6(В)∙3,6∙10^-3(А) /8=1,62 мВт,         (3)

что с достаточным запасом удовлетворяет условиям задания.

5.Коэффициент нелинейный искажений не должен превышать 5-10%:

 

К_ни≈ [(I_{к макс} + I_{к мин} - 2I_{к о} )/ 2(I_{к макс} - I_{к мин} )]∙100% = [(4,8+ 1,2 - 2∙3 )/ /2(4,8– 1,2 )]∙100% = [(6 - 6 )/ 2∙3,6)]∙100% = 0% (4)

то есть искажения практически отсутствуют.

 

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.

Коэффициенты усиления по напряжению К_u, току К_i и мощности К_р; а также другие динамические параметры - входное R_вх и выходное R_вых сопротивления каскада определяются графическим, либо аналити­ческим путем, с помощью h-параметров. Для наших условий наиболее проще воспользоваться данными, полученными выше графическим путем с помощью рис.1б, в. Основные соотношения следующие:

К_u = U_вых / U_вх = U_кэ / U_бэ = 1,8 / 0,05 = 36 (рис.1б);

К_i = I_вых / I_вх = I_к / I_б = 1,8 мА / (40∙10^-3 мА) = 45;

К_p = К_u∙ К_i= 36∙45 = 1620;

R_вх = U_вх / I_вх = U_бэ / I_б = 0,05 В / (40∙10^-3мА) = 1,25 кОм;

R_вых = U_вых / I_вых = U_кэ / I_к = 1,8 В / 1,8 мА = 1 кОм.

Эти же параметры можно получить и аналитически с помощью т.н.h-па­раметров, указываемых в справочниках, либо определяемых с помощью статических входных и выходных характеристик, на основе соотношений:

К_u = - h₂₁∙R_{н экв}/( h₁₁ + h∙R_{н экв} ) ≈ - h₂₁∙R_н / h₁₁; ( до 1000 и более )

К_i =h₂₁ /( 1 + h₂₂∙R_{н экв} ) ≈h₂₁; ( до 30 и более )

К_p = |К_u∙ К_i|= К_u²∙R_вх/ R_н = К_i²∙R_н / R_вх ≈ h₂₁²∙R_н / h₁₁; ( ≥30000 )

R_вх = (h₁₁ + h∙R_{н экв})/( 1 + h₂₂∙R_{н экв} ) ≈h₁₁; ( менее 2 кОм ) - включено параллельно R_б

R_вых = (h₁₁ + R_с )/( h + h₂₂∙R_с ) ≈ 1 / h₂₂ ; (обычно ≥ 10 кОм) – включено параллельно R_{н экв},

гдеR_{н экв} = R_к∙R_н / (R_к + R_н); h = h₁₁∙h₂₂ - h₁₂∙h₂₁; R_с – сопротивление источника сигнала (измеряется при E_с = 0 ) .

Приближенные равенства соответствуют часто встречаемым случаям R_н« R_вых (например, динамический громкоговоритель и т.д.), т.е. h₂₂∙R_н « 1 и h « 1. Знак минус в выражении, определяющем К_и, означает переворачивание фазы (инвертирование) выходного сигнала от­носительно входного (на 180^о).

ВЫВОДЫ

Из расчета и полученных графиков видно, что входной сигнал с амплитудой 0,05 В соответствует выходному сигналу (вызывает выходной сигнал) с амплитудой 1,8 В. Соответственно, амплитуда тока базы 40 мкА вызывает амплитуду тока коллектора 1,8 миллиампер.

При этом динамические параметры : коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности а также входное и выходное сопротивления будут иметь следующие значения:

К_u = U_вых / U_вх = U_кэ / U_бэ = 1,8 / 0,05 = 36

К_i = I_вых / I_вх = I_к / I_б = 1,8 мА / (40*10^-3 мА) = 45;

К_p = К_u∙ К_i= 36∙45 = 1620;

R_вх = U_вх / I_вх = U_бэ / I_б = 0,05 В / (40*10^-3мА) = 1,25 кОм;

R_вых = U_вых / I_вых = U_кэ / I_к = 1,8 В / 1,8 мА = 1 кОм.

Принципиальная электрическая схема усилителя с расчетными и принятыми стандартными значениями элементов показана на рис.1-а.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 8,6; 9,1; 10, 0.

 

 

Рис. 2. Входная ДХ (а), выходные статические характеристики и «НП» (б) для БПТ 1Т313Б

 

Варианты заданий к расчету усилительного каскада на БПТ 1Т 313 Б

Вариант	R Н , кОм	P ВЫХ , мВт	E К , В	K СТ	Фамилия студента
1	0,6	1,4	9	3
2	0,6	1,5	10	3
3	0,7	1,6	10	3
4	0,8	1,7	11	4
5	0,8	1,8	12	4
6	0,7	1,9	12	4
7	1,2	2,0	12	4
8	1,3	1,3	9	5
9	1,2	1,2	9	6
10	1,0	1,1	8	7
11	1,1	0,9	7	8
12	1,2	0,8	6	8
13	1,3	0,7	6	8
14	1,4	0,6	6	8
15	1,5	0,5	5	8
16	1,6	0,4	6	8
17	1,9	0,3	7	6
18	2,0	0,2	3	6
19	1,2	1,25	6	8
20	1,0	1,45	9	4
21	0,9	1,4	8	5
22	1,4	2,0	9	6
23	1,5	1,0	6	8
24	1,6	1,6	6	4
25	0,8	1,0	7	7
26	0,9	1,0	6	9
27	1,0	0,7	10	3
28	1,5	0,8	6	4
29	1,6	0,6	8	6
30	2,0	0,5	9	5
31	1,4	2	10	4
32	1,7	0,7	7	8

                                                                                   

Литература

Тихонов А. И.  Информационно-измерительные и электронные приборы и устройства: учеб. пособие к выполнению лабораторных работ и индивидуальных заданий / А. И Тихонов, С. В. Бирюков, А. В. Бубнов.   – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010 – 256 с.  

Для закрепления материала лекции посмотрите небольшой видеофайл о принципах работы светодиода и  БПТ в схеме с общим эмиттером.

Благодарю за внимание!

ВНЕПЛАНОВАЯ ЛЕКЦИЯ ПЭ № 6 от 14 .11. 2018 г.

1. Базовая информация о фотоэлектронных приборах ( фоторезисторы, фото и светодиоды) и приборах без р-п перехода (термо, тензо и магниторезисторы, варисторы , датчики Холла) .

Биполярный (БПТ) и полевой (ПТ) транзисторы и их усилительные свойства.