Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники
Подождите немного. Документ загружается.
81
напряжению и по мощности, усиление по току не происходит . Для того, чтобы выделить
мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают нагрузочный резистор
Rк, обладающий большим сопротивлением, значительно превышающим входное
сопротивление транзистора Rэ (сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом
направлении (см. рис. 12-16).
Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера
коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе (Uкб=Eкб–Rк
.
Iк), но
это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный ток Iк не уменьшится.
Величина тока Iк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттера Iэ.
Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока
эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи
на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное
изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.
Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину
Uэб, ток эмиттера изменится на величину
Iэ=
Uэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же
величину
Iк=
Iэ
Iэ, (
1). Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи изменится на
Uк=Rк
Iк или
Uк=(Rк/Rэ)
Uэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке в
Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так как Rк>>Rэ,
следовательно,
Uк>>
Uэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение
входной мощности равно
Рвх=Рэ
Iэ
2
приращение выходной мощности
Рвых=Rк
Iк
2
Rк
Iэ
2
или
Рвых=(Rк/Rэ)
Рвх. Т.к. Rк>>Rэ, то
Pвых>>
Pвх.
При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение
сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним
включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить
к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении
нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.
В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током
является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение
Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток
коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем
ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной
цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.
Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором
k
R
в выходной
цепи.
Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется
усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора
можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет
значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току
приводит к значительное усилению по мощности.
82
В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так
как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.
Параметры транзистора:
1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ
=Iкр/Iэ (12.17)
Обычно
=0,9–0,99.
Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его
можно получить из соотношения Iк=
Iэ+Iко, если подставить в него выражение Iэ=Iб+Iк.
Тогда Iк=
(Iб+Iк)+Iко, откуда:
Iк=(
/(1–
))Iб+Iко/(1–
), (12.18)
или
Iк=
Iб+Iкоэ, (12.19)
=
/(1–
), (12.20)
где
=
/(1–
) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный
через .
Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по
току. Например, если
=0,985, то
=66.
Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.
Iкоэ=Iко/(1–
)=(1+
)Iко (12.21)
Коэффициенты
и
являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто
называют коэффициентами передачи тока эмиттера (
) и тока базы (
).
2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен
б
M
=
Uэб/
Uкб , (12.22)
в схеме с ОЭ
Mэ
=
Uбэ/
Uкэ, (12.23)
где
Uэб,
Uбэ,
Uкб,
Uкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и
коллектора.
3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:
Rвхб=
Uэв/
Iэ, (12.23)
в схеме с ОЭ
Rвхэ=
Uбэ/
Iб , (12.24)
где
Iэ и
Iб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.
4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно
Rвыхб=
Uкб/
Iк, (12.25)
в схеме с ОЭ
83
Rвыхэ=
Uкэ/
Iк (12.26)
На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора,
включённого по схемам ОБ и ОЭ
U
кб
>0
U
кб
<0
U
кэ
=0
U
кэ
<0
I
э
>0
I
э
=0
I
б
=0
I
б
>0
-U
кэ
-U
кб
U
кэ
-U
бэ
0
0
0
0
а)
б)
в)
г)
I
к
I
к
I
э
I
б
U
кб
=0
Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора,
включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)
Схемы замещения транзисторов типа p-n-p
84
Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет
сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни
килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.
Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.
В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на
сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока
базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами
Rвхб=
Uэб/
Iэ
десяткам Ом.
Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов,
включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)
85
Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.
Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.
Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как
усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U
1
и ток I
1
, а на выходе
соответственно U
2
и I
2
. Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 12-20)
Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.
86
Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.12-20)
1. Входное сопротивление VT для переменного тока:
Н
11
=
Uбэ/
iб (Uкэ=const) (12.27)
2. Выходная проводимость: (12.28)
Н
22
=
iк/
Uкэ (iб=const)
3. Коэффициент усиления по току:
Н
21
=
iк/
iб ( Uкэ=const) (12.29)
Для маломощных транзисторов:
)(1010
43
11
ОмН
а для транзисторов средней и большой мощности
)(100050
11
ОмН
(12.30)
Выходная проводимость для маломощных транзисторов
)(1010
65
22
СмН
, а для средней и большей мощности
)(
10
10
6
4
22
СмН
(31)
Коэффициент усиления по току
20020
21
Н
(12.32)
87
Общая характеристика схем включения транзисторов p-n-p типа.
Схемы
Iвх
Iвых
Ki
Rвх и Rвых
Uвх
Uвых
Ku
Kp
Инв
ОБ
Iэ
Iк
<1
Rвх < Rвых
Uэб
Uкб
>1
>1
Нет
ОЭ
Iб
Iк
>1
Rвх < Rвых
Uбэ
Uкэ
>1
>1
Да
ОК
Iб
Iэ
>1
Rвх > Rвых
Uбк
Uэк
<1
>1
Нет
Влияние температуры на работу полупроводниковых транзисторов. На
работу транзисторов значительно влияет повышение температуры. При этом возрастает
начальный ток коллектора, а, следовательно, это приводит к изменению характеристик
транзистора. Например, для германиевого транзистора включённого по схеме ОБ при
диапазоне нагрева от 20
0
С до 70
0
С Iко (начальный ток коллектора) увеличится в 2
5
раз.
Известно, что Iк=Iко+
Iэ, (12.33)
где
Iэ
Iк
- не зависит от температуры, Iэ=const и поэтому незначительное увеличение Iк
при повышении температуры практически не изменяет режим работы транзистора. В том
случае, если транзистор включён по схеме ОЭ, то начальным током является сквозной ток и
он возрастает при изменении температуры от 20
0
С до 70
0
С примерно в 2 раза. Очевидно, что
такое возрастание тока приводит к резкому изменению выходных характеристик
(зависимости Iк от Uкэ) транзистора, перемещается рабочая точка и режим усиления
нарушается.
88
Полевые транзисторы.
Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, предназначенные для
преобразования и усиления электрических сигналов с помощью полевых транзисторов
обусловлены потоком основных носителей, которые протекают через проводящий канал и
управляются электрическим полем. В образовании выходного тока в полевых транзисторах
участвуют только электроны или дырки, а поэтому эти полупроводниковые приборы ещё
называются униполярными транзисторами.
Полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n переходом и
изолированным затвором, или МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). Также
к полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МОП-транзисторы (металл-
диоксид кремния-полупроводник)
В этих группах полевых транзисторов электроды обозначают истоком И (эмиттер-
биполярного транзистора), затвором З (база биполярного транзистора) и стоком С (коллектор
биполярного транзистора). На рис. 12-21 изображена упрощённая структура полевого
транзистора с управляющим p-n переходом.
Рис. 12-21. Структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом.
89
Условное графическое изображение полевых транзисторов с управляющим p-n
переходом с каналом n-типа и p-типа приведены на рис. 12-22 а, б
Рис. 12-22. Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n
переходом с каналом n-типа (а), p-типа (б).
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом выполнен в виде пластины из
полупроводника n-или p-типа (рис.1-21в данном случае рассматривается полупроводник n-
типа). На гранях этой пластины созданы области p-типа электропроводности (3) и в
результате образуются p-n переходы, а контакты областей «3» соеденены между собой.
Объём пластины, расположенный между p-n переходом является каналом полевого
транзистора. Если приложить к затвору отрицательное напряжение, то происходит обеднение
электронами (основные носители) участков канала, примыкающих к затвору, ширина p-n
перехода возрастает и увеличивается его сопротивление. Таким образом происходит
управление сопротивлением канала. В том случае, если канал полевого транзистора p-типа,
то при подаче положительного напряжения между затвором и истоком p-n переход
расширяется и уменьшается толщина канала и, следовательно, увеличивает его
сопротивление.
90
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (канал n-типа) оказывается запертым
(Iс=0) при обратном напряжении, которое называется напряжением отсечки Uзиотс. В этом
случае p-n переходы сливаются и ток через канал не проходит. Напряжение насыщения:
Uси(нас) = /Uзи(отс)/-/Uзи/…………………………………………………………..(12.34).
Режим, когда Uси>=Uсиназ называется режимом насыщения и рост тока Iс прекращается при
увеличении Uси.
Полевые транзисторы имеют три схемы включения с общим истоком (ОИ) (а), общим стоком
(ОС) (б) и с общим затвором (ОЗ) с каналом n-типа. Наиболее часто используемой схемой
включения применяется схема с ОИ (рис. 12-23).
Рис. 12-23. Схема включения полевого транзистора с общим истоком.
Так же как у биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют статические
характеристики. Основной статической характеристикой полевого транзистора с
управляющим p-n переходом - выходная (стоковая), которая показывает зависимость Iс от
Uси при Uзи=const. Вольтамперная стоковая характеристика полевого транзистора с
управляющим p-n переходом показана на рис. 12-24.