Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники
Подождите немного. Документ загружается.
или
(3.56)
где - дифференциальный коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ; (соотношение
аналогичное ).
Так как , то
(3.57)
Дифференциальный коэффициент передачи тока h
21Э
может отличаться от статического на десятки
процентов, но технологический разброс еще больше и в последнее время между ними часто не делают
различия, считая h
21Э
.
- выходное сопротивление транзистора в схеме ОЭ ( в десятки раз меньше, чем r
К
в
схеме с ОБ.
а) б)
Рис. 3.21
С учетом выражения (3.56) Т-образная, малосигнальная эквивалентная схема для включения с ОЭ
приобретает вид (рис. 3.21, а). Для схемы с общем эмиттером часто используют и П-образную
эквивалентную схему (рис 3.21, б), получаемую линеаризацией передаточной модели Эберса - Молла.
Статическая крутизна транзистора:
,
остальные элементы соответствуют введенным ранее для Т-образных схем. Резистор, показанный
пунктиром, учитывает влияние модуляции ширины базы на дополнительный ток коллекторного
перехода. Он имеет порядок r
К
и в практических расчетах не учитывается. П-образная схема удобна для
расчетов методом узловых потенциалов и используется , например, в компьютерных программах.
Аналогично для параметров физической модели:
э22
э12
э
h
h
2r
– величина порядка десятков ;
э12
э22
э12
э11б
h1
h
h
2hr
– величина порядка сотен ;
э22
э12
кэ
h
h1
r
– величина порядка сотен k;
э21
э21
h1
h
– 0.90.99;
э21
h
– обычно =50.
Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения
Рис. 3.22
Для сравнения усилительных каскадов воспользуемся малосигнальными физическими эквивалентными
схемами при различных схемах включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК). При анализе будем полагать, что
во всех схемах обеспечивается одинаковый режим по постоянному току. Схема ОЭ. Малосигнальная
эквивалентная схема усилительного каскада (схема для переменных составляющих рис. 3.22) получена
следующим образом:
1. Транзистор заменен его малосигнальной эквивалентной физической схемой ( в данном случае Т-
образной).
2. Источники постоянного напряжения замкнуты накоротко ( их сопротивление переменному току
близко к нулю). Как и ранее, сопротивление разделительных конденсаторов считается малым, а
резисторов R
Б
и R
К
- большим.
Из схемы следует, что коэффициент усиления по току равен
,
выходное напряжение определяется как .
По закону Кирхгофа для входной цепи имеем .
Учтем, что ,
тогда ;
. (3.58)
Входное напряжение равно
. (3.59)
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен
, (3.60)
знак ― - ‖ показывает, что выходное напряжение противофазно входному.
Выходное сопротивление (без вывода):
.
Для повышения стабильности работы усилительного каскада в эмиттерную цепь часто включают
резистор R
э
>>r
э
, тогда
и . (3.61)
Аналогично можно проанализировать схемы с ОБ и с ОК.
Для наглядности приближенные расчетные соотношения для трех схем включения транзистора сведены
в таблицу 3.1. В скобках указаны типовые значения параметров для каскадов на маломощных
транзисторах.
Таблица 3.1
Параметр
ОЭ
ОБ
ОК
R
ВХ
r
Б
+h
21Э
(r
Э
+R
Э
) h
21Э
R
Э
сотни ом ... единицы
r
Э
+r
Б
(1-h
21Б
)
единицы ...десятки
h
21Э
R
Э
высокое -
килоом
ом
десятки ... сотни
килоом
K
I
h
21Э
= (50...300)
h
21Б
=(0,98...0,998)
h
21Э
+1=(50...300)
K
U
единицы ... сотни
(с инверсией)
десятки ... сотни
(без инверсии)
повторитель
напряжения
(без инверсии)
R
ВЫХ
единицы килоом
десятки килоом
низкое - десятки ом
Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы:
1. Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое
большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на
180 . Это самая распространенная усилительная схема.
2. Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза
выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в
усилителях высоких и сверхвысоких частот.
3. Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное
применение данной схемы - согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной
нагрузки.
4. Полевые транзисторы:
4.1. Общие определения
Полевой транзистор это полупроводниковый прибор, в котором управление током, протекающим между двумя
электродами, осуществляется с помощью напряжения, приложенного к третьему электроду.
Управление током в полевых транзисторах осуществляется с помощью электрического поля либо за счет
изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя, через который проходит
рабочий ток, либо за счет изменения удельной проводимости этого слоя.
Проводящий полупроводниковый слой называется каналом.
Полевой транзистор в отличие от биполярного называют униполярным, поскольку ток в нем образуется только
основными носителями заряда. Электрод, через который втекают носители заряда в канал называется истоком , а
электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком. В принципе эти электроды
обратимы. Третий, управляющий, электрод называется затвором.
Полевой транзистор с изменяющимся сечением канала называется транзистором с управляющим p - n - переходом,
а полевой транзистор с изменяющимся удельным сопротивлением называется транзистором с изолированным
затвором. К последним относятся так называемые МДП – транзисторы (метал – диэлектрик – полупроводник) и
МОП – транзисторы (металл – окисел – полупроводник).
4.2. Полевой транзистор с управляющим p–n - переходом
4.2.1. Принцип действия, обозначение
На рис. 4.1 показана упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p–n – переходом.
Рис. 4.1
Основной является пластина из полупроводника n – или p – проводимости (на рисунке эта пластина
имеет проводимость типа n ). Слой под затвором имеет проводимость типа p
+
, где знак «+» показывает
большую проводимость этого слоя по сравнению с проводимостью пластины. На торцы пластины и
область р
+
наносят металлические пленки, к которым припаивают внешние выводы. Металлическая
пленка и полупроводник образуют невыпрямляющие контакты.
Так как концентрация носителей заряда в р
+
области больше, чем в пластине, то образующийся на их
границе p–n -переход располагается главным образом в n - области.
Если внешние напряжения отсутствуют, то поле внутри канала равно нулю, поперечное сечение
максимально. Если к стоку относительно истока подать положительное напряжение u
СИ
> 0, то
электроны n -канала устремятся от минуса к плюсу источника , образуя во внешней цепи токи i
И
и i
С
.
Если теперь к затвору приложить отрицательное напряжение относительно истока, то есть
u
ЗИ
< 0, то ширина p–n – перехода увеличится, в основном в n - область, уменьшив тем самым поперечное
сечение канала. Если напряжение u
СИ
мало, форма p–n – перехода и канала изменятся симметрично
относительно истока и стока (см. рис.4.2).
Рис. 4.2
При |U
ЗИ
| > U
ЗИ, ОТС
, где U
ЗИ, ОТС
- модуль напряжения на затворе, соответствующего полному
перекрытию канала p–n -переходом, ток через канал станет равным нулю. Этот режим работы
транзистора называется режимом отсечки. Если же напряжение между истоком и стоком U
СИ
> 0 и |U
ЗИ
| <
U
ЗИ, ОТС
, то в канале будет протекать ток, который, проходя вдоль канала, создаст падение напряжения,
увеличивающееся от истока к стоку (почти линейно). Поэтому область p–n -перехода у стокового конца
будет шире, чем у истокового (см.рис.4.3).
Рис. 4.3
Рассмотрим поведение канала при увеличении напряжения U
СИ
и U
ЗИ
< 0 . При отрицательном
напряжении затвора относительно истока ток через затвор равен нулю. По мере сужения канала
линейный рост падения напряжения (и соответственно напряженности электрического поля)
прекращается, и рост тока стока замедляется. При некотором значении U
СИ
площадь канала сужается
настолько, что поток электронов через него прекращается, это влечет за собой уменьшение падения
напряжения на канале; напряженность электрического поля уменьшается, площадь канала
увеличивается, ток стока увеличивается, это приводит к увеличению напряженности электрического поля
и т.д. В канале устанавливается некое динамическое равновесие, при котором у стока образуется узкая
горловина канала, имеющая фиксированную площадь сечения. Ток стока в этом режиме практически не
зависит от напряжения U
СИ
. Это так называемый режим насыщения. Напряжение между стоком и
истоком, соответствующее возникновению этого режима, называется напряжением насыщения U
СИ, НАС
.
При U
СИ
>> U
СИ, НАС
может возникнуть пробой p–n – перехода, в этом случае ток резко увеличивается.
На принципиальных схемах полевой транзистор с управляющим p–n – переходом в соответствии с типом
проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.4.4.
Рис.4.4
4.2.2. Вольтамперные характеристики
Вид ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n – переходом , как и любого транзистора , зависит от
способа включения транзистора к источникам питания . Различают схемы включения с общим истоком (
ОИ ), общим стоком ( ОС ) и общим затвором (0З).
Наиболее часто применяются схемы с ОИ. Поэтому в справочниках обычно даются характеристики и
параметры именно для этого способа включения. На рис. 4.5 показано семейство выходных ВАХ
транзистора с ОИ.
Рис. 4.5
На рисунке показаны области, в которых транзистор работает в различных режимах: омическая область
соответствует начальному линейному участку ВАХ при малых напряжениях сток-исток, область
насыщения, где ток стока мало зависит от напряжения сток-исток и увеличивается лишь с увеличением
напряжения затвор - исток, режим отсечки, в которой ток стока определяется обратным током p–n -
перехода, и, наконец, область пробоя. Обычно транзисторы с управляющим p–n -переходом в
усилительных схемах работают при отрицательных напряжениях на затворе, ток затвора при этом равен
нулю. Поэтому входные ВАХ как правило не приводятся. В справочниках может быть приведено
семейство так называемых сток - затворных ВАХ (или проходных характеристик) - зависимости тока
стока от напряжения затвор-исток (см.рис.4.5).
Эти характеристики позволяют правильно выбрать рабочую точку и диапазон изменения входного
напряжения транзистора.
4.3. Полевой транзистор с изолированным затвором
4.3.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом
В полевых транзисторах с изолированным затвором последний отделен от полупроводника
диэлектриком. Структура такого транзистора показана на рис.4.6.
Рис. 4.6
Здесь, кроме электродов исток, сток и затвор, имеется еще один электрод (так называемый «подложка»),
напряжение на котором также может менять свойства транзистора.
Если напряжение на затворе относительно истока отрицательно, то имеет место явление обеднения
канала (уменьшение числа носителей заряда): в данном случае электроны выталкиваются из канала в p -
область, что приводит к уменьшению тока через канал; при положительном же напряжении затвор-исток
наоборот имеет место обогащение канала электронами, пришедших в канал из областей p и n
+
, что
приводит к увеличению тока через канал. Таким образом этот полевой транзистор может работать и при
положительных и при отрицательных значениях напряжения затвор-исток. При этом ток через затвор не
протекает, так затвор изолирован от канала.
На принципиальных схемах полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом в
соответствии с типом проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.4.7
Рис. 4.7
Примерный вид семейств выходных ВАХ данного транзистора изображен на рис.4.8,а; передаточные
свойства транзистора показаны на рис. 4.8,б в виде сток–затворной характеристики. Здесь также режим
отсечки характеризуется некоторым отрицательным значением U
ЗИ, ОТС.
Рис. 4.8
Эти характеристики справедливы для случая, когда электрод подложки соединен с истоком. Если этот
электрод используется для управления током стока, то тогда его называют «нижним затвором», причем
механизм этого управления аналогичен управлению самого затвора.
4.3.2. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом
Структура такого вида полевого МДП - или МОП - транзистора показана на рис. 4.9.
Рис. 4.9
При нулевом напряжении U
ЗИ
= 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Встречно направленные p–
n – переходы препятствуют движению электронов от истока к стоку: канал отсутствует. При U
ЗИ
> 0
возникающее под затвором электрическое поле будет отталкивать положительные заряды (дырки,
являющиеся основными носителями в p–полупроводнике) в глубь полупроводника. При некотором
пороговом значении напряжения между стоком и истоком под затвором накапливается достаточный слой
электронов. Создается (индуцируется) проводящий канал, толщина которого может составлять 1...2
нанометра и она далее практически не меняется. Удельная проводимость канального слоя зависит от
концентрации электронов в нем. Изменяя U
ЗИ
, можно менять величину тока стока.
На принципиальных схемах полевой транзистор с индуцированным каналом в соответствии с типом
проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.4.10.
Рис. 4.10
Вид ВАХ этого типа транзистора отличается от предыдущих тем, что ток возникает при положительных
напряжениях u
ЗИ
> U
ЗИ, ПОР
, где U
ЗИ, ПОР
- напряжение отпирания транзистора. Примерный вид стоковых
и сток–затворных ВАХ транзистора с индуцированным каналом представлены на рис.4.11.
Рис. 4.11
Как видно из рис.4.11 все характеристики располагаются при положительных значениях напряжений.
4.4. Параметры и модели полевых транзисторов
4.4.1. Параметры
При работе транзистора в усилительном (линейном) режиме основными параметрами являются крутизна
S сток - затворной характеристики при постоянном напряжении U
СИ
:
коэффициент усиления полевого транзистора µ:
внутреннее сопротивление R
i
полевого транзистора:
Крутизна, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление связаны между собой соотношением
4.4.2. Математические модели транзистора с общим истоком
а) Универсальная модель полевого транзистора (рис.4.12) описывает все режимы его работы.