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

План лекции

1. Структура биполярного транзистора

2. Характеристики, параметры и схема замещения в режиме малых сигналов

3. Усилительная схема с общим эмиттером (ОЭ)

1. Структура и работа транзистора

Биполярный транзистор представляет собой тройную полупроводниковую структуру, состоящую из узкой p-области между двумя n-областями (n-p-n-транзистор), или узкую n-область между двумя p-областями (p-n-p- транзистор). Транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор; у каждой есть омические контакты для присоединения внешних проводов (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1 Схематическое изображение n-p-n- транзистора

 

Эмиттер является наиболее легированной областью транзистора. Коллектор легирован слабее, а база – в самой меньшей степени. Таким образом для концентраций выполняются соотношения:

Из трех областей наибольший размер у коллектора. Размер эмиттера меньше, но он намного больше размера базы.

Как уже было рассмотрено ранее, с возникновением p-n-переходов между областями с различными типами проводимостей возникают процессы диффузии и нейтральность зарядов в этих областях нарушается. В них образуются зоны обеднения без подвижных зарядов, имеющих лишь неподвижные заряды ионизированных атомов донорных и акцепторных примесей. В результате образуются два p-n‑ перехода. Переход база-эмиттер, обычно называемый эмиттерным переходом, другой переход – база-коллектор, называемый коллекторным переходом.

Однако ширина обедненных областей у них различна из-за различных степеней легирования. Как было показано раньше, из двух обедненных областей – большую ширину имеет та, у которой меньше степень легирования. Поэтому вблизи эмиттерного перехода область обеднения узкая, а вблизи коллекторного – широкая. У каждой обедненной области есть контактная разность потенциалов, превышение которой ведет к открыванию данного p-n-перехода.

При смещении транзистора внешними источниками напряжения возможны следующие варианты:

1) Оба перехода смещены в прямом направлении;

2) Оба перехода смещены в обратном направлении:

3) Эмиттерный переход смещен прямо, а коллекторный – обратно.

В первом случае оба p-n-перехода будут смещены в прямом направлении. Как было показано ранее, при понижении барьера эмиттерного перехода поток электронов из сильнолегированного эмиттера диффундирует в базу. Аналогично, при прямом смещении коллекторного перехода, поток электронов поступает из коллекторного перехода поступает в базу.

Таким образом, при двойном прямом смещении потоки электронов проводимости образуются как в эмиттерной, так и в коллекторной цепи. Следует отметить, что эти токи не зависят друг от друга. Например, если ток эмиттера прекратится, то ток коллектора не изменится. Очевидно, что такое включение не может быть использовано в усилительной схеме, поскольку выходной ток усилителя должен воспроизводить закон изменения своего входного тока.

Во втором случае через оба перехода будут протекать чрезвычайно малые температурно зависимые «обратные» токи порядка микроампер. Кроме того, эти токи также независимы. По этой причине данная схема также неприемлема в качестве усилительной.

При третьем типе смещения переход база-эмиттер смещен в прямом, а переход база-коллектор в обратном направлении. Теперь через эмиттерный переход будет протекать значительный ток, заданный в основном электронами, диффундировавшими из сильнолегированного эмиттера в базу.

Поскольку эмиттерный переход смещен прямо, большое число электронов переходит из эмиттера в базу. При этом в области базы небольшая часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальная часть электронов переходит в коллекторную область. Эти инжектированные в коллекторную область электроны дрейфуют под действием обратносмещенного электрического поля и создают таким образом большой ток коллектора. Таким образом, основой работы биполярного транзистора является перенос неосновных носителей через область базы (в p-области базы электроны являются неосновными носителями).

Базовая область тонкая и слабо легирована, поэтому вероятность рекомбинации в ней мала. Значит, проходящие через нее электроны имеют сравнительно большое время жизни, и, как следствие, практически все они доходят до коллекторной области (рекомбинируют порядка 1 % электронов). По этой причине ток коллектора при таком смещении будет приблизительно равен току эмиттера, а ток базы много меньше и одного и другого тока.

В итоге, почти весь ток переносится транзистором из низкоомной входной цепи в высокоомную выходную цепь, что позволяет говорить об усилительном эффекте биполярного транзистора в третьей схеме включения.

 

Рис. 3.2 Схемы включения биполярного транзистора

 

Коэффициент передачи по току это отношение выходного тока к входному. В схеме с общей базой (рис. 3.2) входным током является ток эмиттера I_Э, а выходным – ток коллектора I_К. Поэтому коэффициент передачи по току α равен

Поскольку коллекторный ток близок по величине к эмиттерному, величина α близка к единице, но всегда меньше ее (порядка 0,995 и больше).

При работе на переменном токе в линейной области задаются приращениями токов и тогда

Коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером задается так:

При работе на переменном токе в линейной области также задаются приращениями токов и тогда

Между коэффициентами передачи тока α и β существует связь.

По 1-му закону Кирхгофа имеем

Или

Для приращений

Воспользуемся тем, что

Тогда

Значит

Поскольку α близок к единице, то используют приближенную формулу:

Важным замечанием является то, что в схеме с ОЭ обратный ток насыщения базы также усиливается в β раз, что является нежелательным эффектом для данной усилительной схемы.

2. Характеристики, параметры и схема замещения в режиме малых сигналов

    Статические характеристики позволяют производить практические расчеты электронных схем, а также вычислить параметры транзистора при небольших входных сигналах.

    Входная статическая характеристика это зависимость входного тока базы от входного напряжения база-эмиттер i_б(u_бэ) (для схемы ОЭ), которая представляет собой прямую ветвь полупроводникового диода. Входная характеристика снимается при фиксированном выходном напряжении коллектор-эмиттер (U_кэ = const), которое обычно берется равным 5 В.

    Семейство выходных статических характеристик это зависимости выходного тока коллектора от выходного напряжения коллектор-эмиттер [i_к(u_кэ)]_k при различных входных токах базы i_бk.

    Основными параметрами биполярного транзистора являются: входное сопротивление, коэффициент усиления по току и выходное сопротивление.

    Входное сопротивление транзистора представляет собой отношение приращений входного напряжения к входному току и рассчитывается по входной характеристике в некоторой точке P_вх (участок A₁B₁) так

    Выходное сопротивление транзистора это отношение приращений выходного напряжения к выходному току. Оно рассчитывается по выходной характеристике в точке P_вх (участок A₃B₃) так

    Коэффициент усиления по току это отношение приращений выходного тока к входному и рассчитывается по выходной характеристике в точке P_вых (участок A₄B₄) так

 

    Фактически все перечисленные параметры представляют собой производные, рассчитанные в конечных разностях. Их расчет довольно прост и показан на рисунке.

    Остается открытым вопрос о том, каким образом заставить усилительный каскад работать в выбранных точках P_вх, P_вых, поскольку, очевидно, что на других участках параметры выбранного транзистора будут иными. Ответ на него будет дан при рассмотрении схемы усилителя с ОЭ.

    Исходя из рассчитанных параметров, схема замещения биполярного транзистора в режиме малых сигналов, будет выглядеть как линейный четырехполюсник. Если известны параметры R_вх, k_i, R_вых, то зная входное напряжение можно рассчитать входной и выходной ток, а также выходное напряжение.

    Схема замещения может быть объяснена так. При подаче на вход транзистора напряжения U_бэ, в нем начинает протекать входной ток I_б = U_бэ/R_вх. Этот ток поступает на управляемый источник тока, задавая в выходной цепи транзистора ток I_к = k_i·I_б. Этот ток приводит к появлению на выходе транзистора напряжения U_вых = R_вых·I_к.

    Эта схема замещения, также как и параметры транзистора, может быть применима в расчетах только в режиме малого сигнала, то есть, когда переменные токи и напряжения изменяются в пределах точек P_вх и P_вых. Это возможно для усилителей малых сигналов, называемых предварительными усилителями. Если же это условие не выполняется, как, например, в усилителях мощности, то расчет производится графическим способом.

Рис. 3.2 Схема замещения в режиме малых сигналов

4. Усилительная схема с общим эмиттером (ОЭ)

Рис. 3.3 Усилительная схема с ОЭ

 

Электронный усилитель преобразует (с увеличением) величину силы тока или (и) напряжения на выходе по отношению к соответствующим величинам на входе, за счет энергии источника питания.

Для нормальной работы усилителя ему необходимо задать рабочую точку - определенные величины постоянного тока и напряжения на входе (I_б0, U_бэ0) и на выходе (I_к0, U_кэ0). Эта необходимость обусловлена спецификой биполярного транзистора, для открывания которого необходимо достижение на входном переходе база-эмиттер некоторой величины напряжения (обычно порядка нескольких десятых долей вольта). В противном случае форма напряжения на выходе не будет повторять входную, что будет означать наличие искажений спектра.

Рабочая точка усилителя задается резисторами R₁, R₂, по которым протекает ток I_дел, создавая при этом падение напряжения U_R2. Это падение напряжения создает входной ток I_б0, который приводит к появлению выходного тока I_к0 (как правило, I_к0 значительно больше I_б0). А ток I_к0, в свою очередь, приводит к возникновению напряжения U_кэ0 на выходном p-n переходе транзистора.

Если усилитель работает в режиме усиления «А», то напряжение U_кэ0 соответствует максимальному «размаху» выходного сигнала, то есть позволяет транзистору работать в линейном режиме. Аналогично, входное напряжение смещения позволяет работать усилителю на линейном участке входной характеристики.

Конденсатор С_р называется разделительным конденсатором. Он отделяет усилительный каскад по постоянному току от устройства, подключенного к входу, чтобы постоянный ток I_дел не шунтировался его сопротивлением.

Однако расчет конденсатора С_р следует производить по определенной методике, поскольку совместно с входным сопротивлением усилителя он образует фильтр верхних частот (ФВЧ), «срезающий» низкочастотный спектр входного сигнала, который, по этой причине, не будет усилен, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Поэтому величину емкости конденсатора С_р подбирают из условия X_C << R_{вх ус}, причем величина емкостного сопротивления X_C рассчитывается для минимальной частоты спектра входного сигнала f_min, поскольку, согласно выражению X_C = 1/(ωС), для всех остальных, высших гармонических составляющих, соотношение X_C << R_{вх ус} будет выполняться еще лучше.

Резистор R_э вводит в усилительный каскад отрицательную обратную связь (ООС), которая представляет собой передачу части напряжения с выхода усилителя на его вход, в противофазе с выходным. ООС позволяет стабилизировать положение рабочей точки, которое может изменяться с изменением температуры окружающей среды.

Работу ООС в усилителе можно пояснить, записав 2-й закон Кирхгофа для входной цепи, для постоянных токов и напряжений:

U_R2 = U_бэ0 + I_к0·R_э.

Предположим, что при воздействии температуры величина напряжения на входе U_бэ0 возросла. Это, очевидно, приведет к уменьшению величины выходного тока I_к0, так как в левой части равенства стоит величина U_R2, независящая от температуры. Уменьшение выходного тока, в свою очередь, приведет к уменьшению величины входного тока I_б0, поскольку эти величины связаны соотношением I_б0 = I_к0/β, где β – статический коэффициент усиления по току. Наконец, снижение величины I_б0 приведет к понижению входного напряжения U_бэ0, согласно форме входной статической характеристике биполярного транзистора.

Конденсатор С_э нужен для шунтирования петли ООС для переменного тока. Дело в том, что ООС снижает коэффициент усиления по напряжению, по этому, если выбрать величину емкости С_э такой, чтобы для нее выполнялось условие: X_Cэ << R_э, то для переменного тока ООС не будет и коэффициент усиления по напряжению не уменьшится. При этом для расчета величины X_Cэ тоже задаются минимальной частотой спектра входного сигнала, чтобы для всех остальных гармонических составляющих это условие выполнялось автоматически.

Резистор R_к нужен для перераспределения напряжения между ним и выходным p-n переходом. Его выбирают исходя из значений выходного сопротивления транзистора, а также сопротивления нагрузки.

Важным является то, что усилительный каскад по схеме с ОЭ является инвертирующим, то есть фазы напряжений на входе и на выходе противоположны друг другу. Это можно доказать, записав 2-й закон Кирхгофа для выходной цепи для переменных токов и напряжений:

E = u_вых(t) + R_к·i_к(t).

Продифференцируем это выражение, учитывая, что E = const.

0 = Δu_вых(t) + R_к·Δi_к(t);

 Δu_вых(t) = – R_к·Δi_к(t).

Знак «минус» означает, что ток и напряжение на выходе противоположны по фазе, но токи i_б(t) и i_к(t), а с ним и напряжение u_вх(t) совпадают по фазе, значит, напряжения на входе и выходе имеют сдвиг, равный 180°.