Биполярные транзисторы. Основные характеристики: входные, выходные, проходные. Электрические и экспоненциальные параметры.

Статические характеристики биполярных транзисторов, h- параметры, схемы замещения транзисторов.

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства.

Все параметры можно разделить на собственные (первичные) и вторичные.

Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения. К ним относятся: rэ – сопротивление эмиттера, rк – сопротивление коллектора, rб – сопротивление базы. Значения сопротивлений рассматриваются по отношению к переменной составляющей.

С учетом этих параметров транзистор, включенный по схеме с ОЭ, может быть представлен эквивалентной схемой.

Схема замещения:

Генератор тока отражает усилительные свойства схемы, а уменьшение коллекторного сопротивления на 1-α – тот факт, что к эмиттерному переходу прикладывается часть напряжения U кэ.

 

Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную зависимость между токами и напряжениями транзистора.

Статическими характеристиками являются статический коэффициент передачи тока эмиттера α и статический коэффициент передачи тока базы β.

С точки зрения системы вторичных параметров транзистор рассматривают как некоторый четырехполюсник со следующей схемой замещения.

Эквивалентная схема с h-параметрами:

Входное сопротивление при коротко замкнутом выходе  при , к.з. на выходе по переменному току, .

переменному току при к.з. на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

2)Коэффициент обратной связи по напряжению  при х.х. на входе, .

Этот коэффициент показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие отрицательной обратной связи в нем.

3) Усиление тока при к.з. на выходе по переменному току , при , .

Показывает коэффициент усиления переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. Аналогичен β в системе R-параметров.

Выходная проводимость при х.х. на входе , при ,

– часто используют выходное сопротивление.

Представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Для схемы с ОБ:

                              

Для схемы с ОЭ:

Отражатели тока.

Rн

Iпр

I= 2Iпр

Rн1           Rн2

I= Iпр

I= Iпр

Iпр

Отражатели токов могут кратко отражать

 

I= 1/2Iпр

Iпр

Rн

 

12.Режимы работы транзисторов: активный (усилительный), инверсный, насыщения.

Основные режимы работы биполярных транзисторов.

 Активный режим: эмиттер p-n включён в прямом, коллектор в обратном. Дырки из эмиттера переходят в базу, т.к. эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Концентрация дырок в базе на границе с эмиттером резко увеличивается и дырки диффузируют через базу в область с более низкой концентрацией, т.е. к коллекторному переходу. Основной усилительный режим.

Инверсный режим: в этом режиме эмиттерный переход смещён в обратном напрвлении, коллекторный – в прямом. Обладает меньшим коэффициентом усиления и низким допустимым напряжением источника питания, т.к. запертый эмиттерный переход не рассчитан на высокое напряжение.

Режим насыщения: оба p-n перехода транзистора включают в прямом направлении. Токи насыщения коллектора и эмиттера обусловлены движением основных носителей, т.к. концентрация основных >> не основных, то ;  считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

 

Режим отсечки: оба p-n перехода транзистора включают в обратном направлении. Обратные токи коллектора и эмиттера обусловлены движением неосновных носителей зарядов.

 

 

 

 

При режиме насыщения рассеиваемая мощность равна 1,2Вт, при режиме отсечки – 0,6Вт, а при мгновенном переключении рассеиваемая мощность =1Вт, а передаваемая (полезная) =90Вт.

Чередование режимов отсечки и насыщения используется в ключевых усилителях и прелбразователях напряжения с целью увеличения КПД. Когда транзистор открыт, напряжение на нём мало, ток максимален – рассеиваемая мощность невелика. Когда транзистор закрыт, напряжение максимальное, ток очень мал (только ток утечки) – рассеиваемая мощность ещё меньше. Максимальная мощность на транзисторе рассеивается, когда напряжение и ток равны половине максимальных значений. Делая время переключения минимально возможным, мы можем уменьшить эту составляющую рассеивания на транзисторе и увеличить КПД.

Эффект Миллера.

Емкость ограничивает скорость изменения напряжения в схеме, так как любая схема имеет собственные конечные выходные импеданс и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, ее заряд происходит по экспотенциальному закону с постоянной времени RC; если же емкость заряжает идеальный источник тока, то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону. Схема на рисунке иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует RC-цепь с выходным сопротивлением . Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению , следовательно, небольшой сигнал на входе порождает на коллекторе сигнал, в  раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость  в раз больше, чем при подключении  между базой и землей. Эффективное увеличение емкости  и называют эффектом Миллера.

Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера. Например, он может быть полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рисунке показаны еще 2 возможности. В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи ) эффект Миллера не наблюдается; эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой. На второй схеме показано каскадное включение транзисторов.  - это усилитель с заземленным эмиттером, резистор является общим коллекторным резистором. Транзистор  включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе  (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение - это фиксированное напряжение смещения, обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере  и поддерживает коллектор  в активной области.

 

 

 

Параллельная ОС по току

 

При параллельной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор R, падение напряже­ния на котором пропорционально выходному току. Это напряже­ние образует во входной цепи ток обратной связи, протека­ющий через специальный дополнительный резистор R_ос. Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение I_ос и тока входного сигнала. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току. Здесь , а коэффициент обратной связи по току  Глубина ООС по току

Коэффициент усиления по току

 где  - коэффициент усиления по току без ООС. При глубокой парал­лельной ООС по току

Отметим также, что введение параллельной ООС по току уменьшает как линейные, так и нелинейные искажения токовых сигналов.

Так как входное сопротивление усилителя в ООС определяется лишь способом подачи сигнала обратной связи во входную цепь, то для параллельной ООС можно записать:

.

Здесь во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает R_вхОС, причем величина R_вхОС обратно пропорциональна глубине ООС по току.

Как было выше показано, ООС по току способствует увеличе­нию выходного сопротивления усилителя. Для параллельной ООС по току R_выхОС может быть рассчитано по следующей приближенной формуле:

        Изложенное выше позволяет заключить, что параллельная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по току, снижает искажения токовых сигналов, уменьшает входное и увеличивает выходное сопротивления усилителя.

 

 

Усилители. Классификация (линейные (УПТ, УЗЧ (УНЧ), УВЧ, ШПУ, УПУ (ИУ)) и нелинейные (логарифмические, показательные (антилогарифмические), усилители-ограничители, функциональные преобразователи) и основные характеристики. Чувствительность усилителя.

Усилители - устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

УПТ – усилитель постоянного тока

УЗЧ – усилитель звуковых частот

УНЧ – усилитель низких частот

УВЧ – усилитель высоких частот

ШПУ – широкополосные усилители

УПУ - узкополосные усилители

Δf = f_в-f_н - полоса пропускания или полоса усиливаемых частот.

Основные параметры:

                          

 

Пассивный сумматор.

Недостатки: взаимное влияние источников сигнала друг на друга;

необходимость согласования уровней.

 

 

Интегратор

Может служить фильтром НЧ первого порядка

Используется в генераторах пилообразного и треугольного напряжения, а также в качестве звена фильтра низких частот 1-го порядка.

 

Дифференциатор:

Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рисунке, а приведен электрический аналог и на рисунке,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.

U_вых = -I_осR_ос

I_ос = C·dU_с/dt

U_с = U_вх

U_вых = -R _осC·dU_вх/dt

Используется для выделения переднего и заднего фронтов сигнала, а так же в качестве звена ФВЧ первого порядка. Эти схемы обеспечивают линейные нарастание и спад выходных сигналов при прямоугольных сигналах на входе, т.к. заряд и разряд конденсатора осуществляется постоянным током (т.к. U_вх=0). В генераторе разверток.

RC-генераторы.

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют RC-генераторы.

Представленная RС-цепь не осуществляет сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, т.е. . Эта схема включается между выходом усилителя и неинвертирующим входом ОУ. Элементу  и предназначены для получения требуемого коэффициента усиления. В схеме возникают автоколебания при соотношении , частота которых определяется формулой  Если  и , то частоту автоколебаний определяют из соотношения , причем должно быть выполнено условие .

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление или увеличивается . Поэтому вместо  включается миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо  - металлический терморезистор.

Достоинства 1- возможность получения низко- сверхнизко-частотных колебаний при приемлемых габаритах L и С

Недостатки 1-относительно невысокая стабильность частоты

Биполярные транзисторы. Основные характеристики: входные, выходные, проходные. Электрические и экспоненциальные параметры.

Биполярный транзистор - (в процессе переноса заряда участвуют электроны и дырки) п/п прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, которые служат для усиления или переключения входного сигнала. По порядку чередования переходов различают - p-n-p и n-p-n. Различие у них в полярности подключения источника питания.

В транзисторе, находящемся в активном состоянии, переход эмиттер-база, эмиттерный переход, смещен в прямом направлении, т.е. приоткрыт, а коллекторный переход закрыт.

Прямосмещенный эмиттерный p-n-переход ускоряет электроны из эмиттера в базу. Если база узкая – меньше диффузионной длины – и электрон не успевает рекомбинировать в базе, он пролетает через базу в коллектор, ускоряясь положительным напряжением последнего. Изменяя прямое напряжение эмиттер-база , мы изменяем количество электронов, впрыскиваемых в базу из эмиттера, а значит и ток коллектора.

I_э = I_к+I_б (Так как ток коллектора во много раз больше тока базы, то токи эмиттера и коллектора приближенно равны).

Статические характеристики:

Выходная (коллекторная характеристика)

I_К=f(U_КЭ) при I_Б = const

Участки: I – крутой, II – пологий, III – участок теплового пробоя.

Основным является II (усилительный) участок. На нём транзистор можно представить как управляемый источник тока.

Наклон пологого участка: при ↑U_КЭ => ↑φ₀ => ↑ объёмный заряд => ↑ ширина двойного слоя => ↓ эффективная ширина базы => ↓ вероятность рекомбинации => ↑ I_К.

, ,

Для увеличения I_Б надо увеличить U_БЭ:

I-участок ,

Пусть мы будем уменьшать U_КЭ при U_БЭ = const, когда U_КЭ = U_БЭ = U_{КЭ НАС}, при дальнейшем уменьшении U_КЭ, U_КБ сменит знак – коллекторный переход встал под прямое напряжение.

        Возникает диффузия дырок из коллектора в базу, следовательно уменьшается ток I_К, транзистор теряет усилительные свойства.

I участок используется в ключевом режиме транзистора. U_КЭН ≈ 0.2 ÷ 1 В

III участок – участок теплового пробоя. Если увеличится U_КЭ энергии электрического поля станет достаточно для ударной ионизации, нерабочий участок.

Входная характеристика

Семейство кривых I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const

I_Б = I_К + I_Э

Входная характеристика - ВАХ двух параллельно включенных p-n переходов.

При U_КЭ = 0 на ЭБ и БК U_ПРЯМОЕ.

При U_КЭ > U_КЭН на ЭБ – U_ПРЯМОЕ, на БК – U_{ОБРАТНОЕ}.

При U_БЭ = 0 I_Б = I_КБО

I_Б = I_К - I_Э  = (1-α) × I_Э - I_КБО из (2)

- сопротивление базы – входное дипольное сопротивление транзистора

 

2. (8). Каскад с ОЭ: схема включения, значения параметров Rвх, Rвых, Ku, Ki, φ. Достоинства и применение.

Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением равняется π, т.к. при увеличении напряжения на базе ток коллектора увеличивается и напряжение на коллекторе уменьшается за счёт увеличения падения напряжения на U_R коллекторе.

 - уравнение Эберса-Молла        - тепловой потенциал

Известно, что Т_КUбэ = -2,1mВ/°С.

R - резистор, который выполняет роль отрицательной обратной связи по току.

U_бэ = U_б – U_э           I_э = I_к+I_б         

Включая конденсатор С_э || R, мы шунтируем R по переменному току, т.е. делаем переменный потенциал эмиттера равным нулю, позволяет добиться от каскада более высокого коэффициента усиления.

                   R_вх относительно мало вследствие малого сопротивления открытого эмиттерного p – n перехода, однако больше чем R_ОБ вследствие действия последовательной отрицательной обратной связи (ООС) в эмиттерной цепи.

R_вых – высокое выходное сопротивление определяется высоким сопротивлением замкнутого p – n перехода.

R_э выбирается из диапазона (0.1 – 0.3)R_к для осуществления температурной стабилизации режима работы каскада. Включение С_э позволяет снять это ограничение на К_u на рабочих частотах, т.е. x_сэ<<R_э и x_сэ < r_э0. Для переменного тока его влияние ограничено уменьшением максимальной амплитуды неискажённого выходного сигнала.

Достоинства каскада с общим эмиттером: высокие коэффициенты по току h₂₁ и напряжению (десятки, сотни), более высокие (по сравнению с ОБ) R_вх = h₂₁(R+r_э0), относительно высокое R_вх.

Недостатки: высокое R_вых, инвертирование сигнал (способствует возникновению самовозбуждения и уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах вследствие эффекта Миллера), зависимость Кu от Rн;

, наличие эффекта Миллера, который заключается в увеличении эквивалентной емкости С_кб в К_u раз. Это приводит к резкому падению усиления каскадов на высоких частотах и необходимости применения каскадов с ОБ.

Статистические входные и выходные характеристики биполярных транзисторов для схем включения с общим эмитером.

Применение схем с ОЭ: предварительные, промежуточные и предвыходные каскады.

3.Каскад с ОК: схема включения, значения параметров R вх, R вых, K u, K i, φ. Достоинства и применение.

U_б=U_э+0,6

Коэффициент усиления по напряжению стремится к единице (но всегда меньше).

Коэффициент усиления по току: 

K_u=

R_вх = (R_э+r_эо)h21

U_б = U_э

I_бR_вх=I_э(R_э+rэо)

φ = 0;

Достоинства: отсутствие эффекта Миллера, отсутствие зависимости К_u от R_н.

Недостатки: отсутствие усиления по напряжению.

Используется во входных каскадах для согласования с высоким сопротивлением источника сигнала; в промежуточных каскадах для согласования, особенно с высоким выходным сопротивлением источников тока, в выходных каскадах для согласования с низким сопротивлением нагрузки и потому, что его коэффициент не зависит от сопротивления нагрузки.

4.Каскад с ОБ: схема включения, значения параметров R вх, R вых, K u, K i, φ. Достоинства и применение.

Рабочая точка задается делителями R₁  и R_2.

U_бэ = U_б - U_э

U_к = U_п - U_Rк

Схема с общей базой не инвертирует фазу сигнала, имеет коэффициент усиления по току h₂₁ < 1, (т к отношение тока коллектора к току эмиттера меньше единицы), коэффициент усиления по напряжению во много раз превышает единицу:

       –– зависит от сопротивления источника сигнала.

Входное сопротивление мало. Оно определяется низким сопротивлением прямосмещенного эмиттерного p-n-перехода.

Выходное сопротивление высоко. Оно определяется высоким сопротивлением обратносмещенного коллекторного p-n-перехода.

С1 и С2 необходимы для разделения усилительного каскада с генератором и нагрузкой для исключения протекания через них постоянного тока. С_Б необходимо для сглаживания пульсации переменного сигнала и поддержания постоянного напряжения на базе.

Схема с общей базой используется для усиления высокой частоты на СВЧ и УВЧ (т.к. в ней отсутствует эффект Миллера) и в составе каскодных схем (в том числе и в дифференциальном каскаде).

 

Каскад - два или более усилительных элемента с гальванической связью, выполняющих роль одного усилительного каскада.

Каскoд – независимая усилительная ячейка, которую можно выделить из схемы и обозначить ее свойства.

Недостаток схем с ОБ: низкое входное и высокое выходное сопротивление, отсутствие усиления по току.

Достоинства схем с ОБ: не инвертируется фаза.

Статические входные и выходные характеристики биполярных транзисторов для схем включения с общей базой.

Для схемы с общей базой входной характеристикой называется зависимость тока эмиттера от напряжения между базой и эмиттером.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: