|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Биполярный (БПТ) и полевой (ПТ) транзисторы и их усилительные свойства.Стр 1 из 5Следующая ⇒
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 / Δ W зз ≈ 1, 23/ Δ W зз (мкм) с – скорость света (
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 Rt = 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.
Рис1. Графический символ, структура и диодный эквивалент БПТ
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
Усиление обусловлено тем, что ток I к , зависящий от большого напряжения питания Ек, во много раз больше малого инжекцион-ного (управляющего) тока I б в силу соответствующей несоразмер-ности величин напряжений Ек > > Еб. При этом выходное напряже-ние
Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:
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 ЕК перекачивается в нагрузку RН в ви-де «размаха» выходного сигнала UКЭ = UВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом UБЭ. Усиление обусловлено тем, что UКЭ > > UБЭ, а коэффициент усиления по напряжению равен: КU = UВЫХ / UВХ= UКЭ / UБЭ. 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 = Еси – 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: 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 ЕС перекачи-вается в нагрузку RН в виде «размаха» выходного сигнала UСИ = UВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом UЗИ. Усиление обусловлено тем, что UСИ > > UЗИ, а коэффициент усиления по напряжению равен КU = UВЫХ / UВХ= UСИ / UЗИ. 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 Ек = 6 В и коэффициенте стабилизации Кст= 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: Рк макс ≥ (5 – 10)P~н ( 1) Выбираем БПТ типа 1Т313Б, у которого Рк макс > 10 P~н = 100 мВт. 2. В соответствии с заданными R н, P ~н и Ек на семействе выходных ста-тических характеристик I к = ƒ ( U кэ ) строим НП. При этом учитываем наличие в коллекторной цепи резисторов Rк и Rн, а в эмиттерной - Rэ. Ход нагрузочной прямой и её наклон определяем величинами: Ек = 6 В и Rо = Rн экв + Rэ = Rк∙ Rн/(Rк + Rн) + Rэ (2) Так как заданным является Rн , а не Rо, определяющее верхнюю координату Iк = Ек / Rо, то из координаты абсциссы Ек = 6 В проводим НП произволь-но, задавшись Iк = 6 мА так, чтобы точка её пересечения с ординатой оказалась ниже выходной характеристики, снятой при максимальном токе базы Iб макс =160 мкА (рис.2в). 3. На линии нагрузки БПТ выбираем рабочую точку посередине НП, чтобы равным отклонениям тока базы (Δ Iб = 40 – 80 – 120 мкА) соответствовали равные отрезки НП, что гарантирует минимальные нелинейные искажения формы выходного сигнала: Uко =3 В; Iко = 3 мА; Iбо = 80 мкА Выбранная рабочая точка обеспечивает динамический режим БПТ (т.н. линейный режим класса А), при котором изменения входного сигнала Δ Iвх = Δ Iб = 80 ± 40 мкА и Δ Uвх = Δ Uбэ = 0, 45 ± 0, 05 В (амплитуды Iб = 40 мкА и Uбэ = 0, 05 В) вызывают соответствующие изменения выходного сигнала Δ Iвых = Δ Iк = 3 ± 1, 8 мА, и Δ Uвых = Δ Uкэ = 3 ± 1, 8 В (амплитуды Iк = 1, 8 мА, т.е. размах ∆ I к = 2∙ 1, 8 = 3, 6 мА, Uкэ = 1, 8 В, т.е. размах ∆ U к э = 2∙ 1, 8 = 3, 6 В ). 4. Проверяем получение требуемой мощности по формуле: P~н =(Uк макс - Uк мин)∙ (Iк макс - Iк мин)/8 =∆ Uк э∙ ∆ Iк/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%:
Кни≈ [(Iк макс + Iк мин - 2Iк о )/ 2(Iк макс - Iк 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 Кu, току Кi и мощности Кр; а также другие динамические параметры - входное Rвх и выходное Rвых 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: Кu = Uвых / Uвх = Uкэ / Uбэ = 1, 8 / 0, 05 = 36 (рис.1б); Кi = Iвых / Iвх = Iк / Iб = 1, 8 мА / (40∙ 10-3 мА) = 45; Кp = Кu∙ Кi= 36∙ 45 = 1620; Rвх = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб = 0, 05 В / (40∙ 10-3мА) = 1, 25 кОм; Rвых = Uвых / Iвых = Uкэ / Iк = 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: Кu = - h21∙ Rн экв/( h11 + h∙ Rн экв ) ≈ - h21∙ Rн / h11; ( до 1000 и более ) Кi =h21 /( 1 + h22∙ Rн экв ) ≈ h21; ( до 30 и более ) Кp = |Кu∙ Кi|= Кu2∙ Rвх/ Rн = Кi2∙ Rн / Rвх ≈ h212∙ Rн / h11; ( ≥ 30000 ) Rвх = (h11 + h∙ Rн экв)/( 1 + h22∙ Rн экв ) ≈ h11; ( менее 2 кОм ) - включено параллельно Rб Rвых = (h11 + Rс )/( h + h22∙ Rс ) ≈ 1 / h22; (обычно ≥ 10 кОм) – включено параллельно Rн экв, гдеRн экв = Rк∙ Rн / (Rк + Rн); h = h11∙ h22 - h12∙ h21; Rс – сопротивление источника сигнала (измеряется при Eс = 0 ). Приближенные равенства соответствуют часто встречаемым случаям Rн« Rвых (например, динамический громкоговоритель и т.д.), т.е. h22∙ Rн « 1 и h « 1. Знак минус в выражении, определяющем Ки, означает переворачивание фазы (инвертирование) выходного сигнала относительно входного (на 180о). 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: Кu = Uвых / Uвх = Uкэ / Uбэ = 1, 8 / 0, 05 = 36 Кi = Iвых / Iвх = Iк / Iб = 1, 8 мА / (40*10-3 мА) = 45; Кp = Кu∙ Кi= 36∙ 45 = 1620; Rвх = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб = 0, 05 В / (40*10-3мА) = 1, 25 кОм; Rвых = Uвых / Iвых = Uкэ / Iк = 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
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. |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-18; Просмотров: 251; Нарушение авторского права страницы
) в вакууме; 
– постоянная Планка; 
– ширина запрещенной зоны, ограниченная дном ЗП ( WC ) и потолком ВЗ ( WV ) в электрон-вольтах (эВ) – см. ниже рисунок.
. 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)
, отбираемое от источника питания Ек, 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)
(3)
