Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 4

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Iex3

lex2

lexl

■ІІПЕ

фіксованої величини І відповідає фіксована реакція в силовому колі ПЕ, а саме - фіксоване значення струму че­рез ПЕ І що не залежить від величи­ни напруги на ньому UnE.

Тепер, якщо маємо фіксоване значен­а) ня навантаження Rh = R то при зміні І від нуля до нескінченності зміни на­пруги і струму в силовому колі будуть відповідати прямій 1 на рис. 2.10, б. Отже, змінам U відповідають про­порційні зміни UnE і І. Випадку, коли = R«2, відповідає пряма 2.

Якщо UnE та ІПЕ перевищують за ве­личиною U та I   маємо підсилювач, б) що відтворює в Rb всі зміни вхідної дії. А тепер подивимось, чи може транзистор виконувати роль НЕЇ

Рис. 2.10 - ВАХ гіпотетичного підсилюючого елемента

Широко розповсюджені транзистори з двома p-n переходами, що мають назву біполярних. Термін "біполярний" підкреслює, що проце­си в цих транзисторах пов'язані з взаємодією носіїв заряду двох типів: електронів і дірок. Для виготовлення транзисторів використовують гер­маній і частіше кремній. Два p-n переходи створюють за допомогою тришарової структури з чередуванням шарів, що мають електронну та діркову електропровідності.

У відповідності до чередування шарів з різними типами електропровід­ності біполярні транзистори поділяються на два класи: n-p-n і p-n-p типу, як показано на рис. 2.11.

Центральний шар біполярних транзисторів має назву "база". Зовнішній лівий, що є джерелом носіїв заряду (електронів чи дірок) і, головним чи­ном, створює струм приладу, називається "емітером". Правий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називається "колектором". На пе­рехід емітер-база напруга подається у прямому напрямку, тому, навіть при незначній напрузі, через перехід тече великий струм. На перехід колек-тор-база напруга подається у зворотному напрямку. Зазвичай її значення на декілька порядків перевищує значення напруги на переході емітер-база.

n-p-n

p-n-p

n   p n

p

VT

к

T

p

VT

к

Б

a)

-Л7Г

 

 

Б

6)

Рис. 2.11 - Схематична побудова та умовне позначення транзисторів n-p-n (а) та p-n-p (б) типів

На рис. 2.11 наведені також еквівалентні схеми транзисторів у ви­гляді двох діодів ( p-n переходів), увімкнених зустрічно. З них видно, що така конструкція не те що не може забезпечувати підсилення елек­тричного сигналу, а взагалі непрацездатна - струм від колектора до емітера протікати не може!

Підсилюючі властивості біполярного транзистора забезпечуються тим, що p-n переходи в ньому не незалежні, а взаємодіють один з од­ним, що, у свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури. А саме:

1) емітер виконано з великою кількістю домішки - він має велику кількість вільних носіїв заряду;

2) база виконана тонкою і має малу кількість основних носіїв за­ряду;

3) колектор - масивний і має кількість носіїв, меншу, ніж емітер. Розглянемо роботу транзистора типу n-p-n.

Для початку припустимо, що увімкнено лише перехід колектор-база: до нього прикладено напругу джерела колекторного живлення Ек, як показано на рис. 2.12. Емітерний струм ІЕ дорівнює нулю, у тран­зисторі протікає лише незначний зворотний струм через колектор­ний перехід, бо через нього ру­хаються неосновні носії заряду, що зумовлюють початковий струм І .

ІЕ=0

p n

Б

EK

Рис. 2.12 - Спрощена схема вмикання транзистора

n

Б

E

E

Е

Е

Ф

Р

Іб

Ik

0 е-

Рис. 2.13 - Схема вмикання транзистора

Якщо підімкнути емітерне дже­рело живлення ЕЕ, як показано на рис. 2.13, емітерний перехід змі­щується у прямому напрямку, че­рез нього тече струм І визначе­ної величини.

Оскільки зовнішню напругу прикладено до емітерного пере­ходу у прямому напрямку, електрони долають перехід і потрапляють у зону бази, де частково рекомбінують з її дірками, утворюючи струм бази ІБ. Більшість електронів, що є неосновними носіями для бази, зав­дяки дрейфу досягають зони колектора, де вони є основними носіями, і, потрапляючи під дію поля Ек, утворюють колекторний струм І Струм Ік практично дорівнює І.

Рівняння для струмів транзистора в усталеному режимі має вигляд:

ІЕ = ІБ + Ік. (2-4) Зв'язок між струмом емітера і струмом колектора характеризуєть­ся коефіцієнтом передачі струму, що вказує, яка частка повного струму через емітерний перехід досягає колектора (передається до нього з емітера): т

а = ■

-. (2.5)

Для сучасних транзисторів a = 0,9 , 0,995.

Транзистор p-n-p типу діє аналогічно, тільки струм через прилад зумовлений, головним чином, дірками, а полярність підмикання дже­рел живлення протилежна.

к

E

2.4.2. Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора

Як елемент електричного кола транзистор зазвичай використовується так, що один із його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій -спільний відносно входу та виходу. У коло вхідного електроду вмика­ється джерело вхідного змінного сигналу, що його треба підсилити за потужністю, а у коло вихідного - навантаження, у якому виділяється посилена потужність. Залежно від того, який електрод є спільним длявхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 2.14, розрізняють три схеми вмикання транзисторів: зі спільною базою - з СБ; зі спільним емітером - з СЕ; зі спільним колектором - з СК.

VT VT VT

ІБ

ІБ

Rh

В)

а) б) Рис. 2.14 - Схеми вмикання транзистора: а) з СБ; б) з СЕ; в) з СК

Слід зазначити, що основні схеми вмикання розглядаються для сиг­налу напруги змінного струму.

У схемі з СБ: І - вхідний струм, І - вихідний, передатність струму:

Ік

•  статична - а = — ;

ІЕ

•  динамічна - а

dh

дин

UKE = const'

У схемі з СЕ: І - вхідний струм, Ік - вихідний, передатність струму:

статична -       в '■

Ік

ІБ

Ік : іе

а

-; (2.6)

динамічна - Р,

дин

е - Ік): іе   1 -а' _dIK

'din       = const' (27у

У схемі з СК: ІБ - вхідний струм, ІЕ - вихідний, — =-= 1 + Р.

Для електричних схем на біполярних транзисторах існує чотири сім'ї статичних вольт-амперних характеристик ("статичних" у тому розумінні, що для транзистора задаються фіксовані значення напруги між деякими його електродами або струму в одному з кіл, і знаходяться відповідні їм значення струму у другому колі або напруги між іншими електродами - у статичному режимі):

сім'я вхідних характеристик L

- constє

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

(сім'я - тому, що для кожного конкретного значення Umx маємо свою залежність i  = f(U ));

сім'я вихідних характеристик івих = f (Ueux )

1вх = const;

сім'я характеристик керування (характеристик прямої передачі)

івих      f вх )

Ue

const

сім'я перехідних характеристик (характеристик зворотного зв'язку) Uex = f (Ueux ) jex = const

Для кожної схеми вмикання з чотирьох сімей статичних ВАХ не­залежними є лише дві. Для аналізу роботи транзистора та визначення його параметрів використовують частіше перші дві.

Для схеми з СБ статичні ВАХ, наведені на рис. 2.15, описуються залежностями:

•   вхідні - ІЕ

f (Uee )

const

(при U7 =0 маємо ВАХ прямо зміщеного базо-емітерного p-n переходу);

•  вихідні - Ік = f (Uke ) і і

укБ= 0

Укб= 5 В

ІЕ =const'

Убе

у іе > 0

іе = 0       у кб

а) б) Рис. 2.15 - ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СБ: а) вхідні; б) вихідні

Із рисунку видно, що вихідні характеристики майже паралельні осі напруги. Наявність невеликого нахилу (деяке збільшення Ік з ростом U)пояснюється тим, що колекторна напруга має вплив, хоча і слабкий, на рух носіїв до колекторного переходу (в основному через звуження бази з ростом UKE за рахунок розширення колекторно-базового p-n переходу). Вихідна характеристика описується досить точним співвідношенням

аіе +Іко +

U

КБ

, (2.8)

де І - зворотний струм колектора (тепловий), г - нелінійний опір колекторного переходу.

Складова

U

кБ

надто мала і стає відчутною лише у зоні, що передує

аі р

К 0-

пробою через зменшення rK. Тому можна вважати іК При невисоких температурах величиною І також можна знехтувати і тоді Ік ~ аІЕ.

Вхідні характеристики утворюють щільний пучок, що пояснюється слабким впливом колекторної напруги на струм емітера. Тому при прак­тичних розрахунках достатньо мати не сім'ю, а одну вхідну характе­ристику, зазвичай, для значення колекторної напруги 5 В (рис. 2.15,а).

Для схеми з СЕ статичні характеристики, що наведені на рис. 2.16, є залежностями:

•  вхідні - ІБ

f (Ube )

U

ке

const

(при U7 =0 маємо ВАХ прямо зміщеного базо-емітерного p-n переходу);

вихідні - Ік

f (Uке )

const

(при І = 0 фактично маємо ВАХ зворотно зміщеного базо-колекторно-го p-n переходу).

UKE=5 В

уКЕ=о

Use

Уіб > 0

і ко

і б = 0

а) б) Рис. 2.16 - ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СЕ: а) вхідні; б) вихідні

і

к

r

в

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

Вихідні ВАХ схеми з СЕ досить точно можна описати виразом:

Ік =іб +fL + —^~ (2-9)

1 a      1 a   rK (1 a)

або Ік =(Зіб +1* о + Uf, (2-Ю)

Гк

де І* о = Ік о (в +1); Гк* = . (2. її;

Вихідні характеристики схеми з СЕ мають більший нахил, ніж у схеми з СБ (це пояснюється сильнішим впливом колекторної напруги на пере­датність струму - на коефіцієнт Ь), вхідні характеристики більш лінійні.

ВАХ схеми з СК схожі з характеристиками схеми з СЕ, тому що в обох схемах вхідним є струм бази, а вихідні струми (ІЕ або Ік) відрізняються незначно. Тому при практичних розрахунках вихідні ВАХ схеми з СЕ мож­на використовувати як вихідні ВАХ схеми з СК, якщо замінити струм колектора на струм емітера.

Вирази для статичних характеристик схеми з СК мають такий вигляд:

•  вхідна -

•  вихідна -

Іб = f Рбе )

Іе = f (U ке )

UКЕ = const;

: const

Порівнюючи статичні характеристики біполярного транзистора з ха­рактеристиками гіпотетичного підсилюючого елемента (див. рис. 2.10) ми бачимо, що транзистор далеко не ідеальний елемент.

Його вхідні характеристики не є прямими, що починаються з нуля (крім того, їх положення залежить від напруги у силовому колі транзис­тора), а є, швидше, експонентами (які з допущеннями можна вважати за прямі, зміщені відносно нуля на деяке значення напруги). Це виклю­чає можливість підсилення сигналів, менших за j (див. рис. 1.7).

Вихідні характеристики не паралельні осі напруг (мають деякий на­хил: у схеми з СЕ більший, ніж у схеми з СБ), а також, реально, не­рівномірно розміщуються залежно від рівномірних змін ІБ або 7Е (на­приклад, коефіцієнт Ь - величина непостійна для різних значень ІЕ). Більше того, вихідні характеристики схеми з СЕ починаються не від

б

ЗЭ

осі Ік, через що, при малих напругах UKE струм Ік 1 ЬІБ і транзистор втрачає керованість.

Також слід зазначити, що, як і у всіх НП приладів, параметри тран­зистора (а отже, і положення його характеристик) значною мірою за­лежать від температури та різняться у різних екземплярів транзисто­рів навіть одного типу.

Тим не менше, ці електронні прилади якнайширше використовуються для реалізації конкретних підсилювачів, а їхня неідеальність компенсуєть­ся до необхідних значень відповідними схемотехнічними прийомами.

2.4.3. Біполярний транзистор як активний чотириполюсник (h-параметри)

Статичні ВАХ використовуються при розрахунках електронних схем із великими рівнями вхідних сигналів. Якщо рівень вхідного сигналу ма­лий і транзистор працює на лінійній ділянці ВАХ (робота у режимі малого сигналу), його можна подати як активний лінійний елемент (чотирипо­люсник), зображений на рис. 2.17.

Величини Up І] є вхідними, а U2, І2 - вихідними. При аналізі роботи чо­тириполюсника два параметри ви­бираються як незалежні змінні, а два інші є їхніми лінійними функціями. У

>2

Рис. 2.17 - Активний лінійний чотириполюсник

зв'язку з цим роботу чотириполюсника можна охарактеризувати шістьма системами лінійних рівнянь, кожна з яких складається з двох рівнянь.

Найчастіше використовується система рівнянь, у якій незалежними змінними величинами є вхідний струм І та вихідна напруга U2 :

["і = f (і, "2 ) |l2 = f , "2 )

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка