Выбор рабочей точки полевого транзистора

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 24Следующая ⇒

Выбор рабочей точки транзистора определяется максимальным выходным напряжением, максимальной рассеиваемой мощностью, максимальным изменением тока стока, максимальным коэффициентом усиления по напряжению, наличием напряжений смещения, минимальным коэффициентом шума.

Для достижения максимального выходного напряжения следует прежде всего выбрать наибольшее напряжение питания, значение которого ограничивается допустимым напряжением стока транзистора. Чтобы найти нагрузочное сопротивление, при котором получается максимальное неискаженное выходное напряжение, определим последнее как полуразность между напряжением источника питания Е_п и напряжением насыщения (равным напряжению отсечки). Разделив это напряжение на выбранное значение тока стока в рабочей точке I_с, получим оптимальное значение нагрузочного сопротивления:

R_н = (E_п-U_отс)/2I_с.

Минимальное значение рассеиваемой мощности достигается при минимальных напряжении и токе стока. Этот параметр важен для портативной аппаратуры, работающей от батарейных источников питания. В тех случаях, когда требование минимальной рассеиваемой мощности имеет первостепенное значение, необходимо использовать транзисторы с низким напряжением отсечки U_отс. Ток стока можно уменьшить при помощи изменения напряжения смещения на затворе, но при этом необходимо иметь в виду снижение крутизны, сопровождающее уменьшение тока стока.

Минимальный температурный дрейф тока стока для некоторых транзисторов может быть достигнут путем совмещения рабочей точки с точкой на проходной характеристике транзистора, имеющей нулевой температурный коэффициент. При этом ради точной компенсации приносится в жертву взаимозаменяемость транзисторов.

Максимальный коэффициент усиления при малых значениях нагрузочного сопротивления достигается при работе транзистора в точке с максимальной крутизной. У полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом этот максимум имеет место при напряжении затвор - исток, равном нулю. Минимум коэффициента шума достигается установлением режима малых напряжений на затворе и стоке.

Рабочую точку полевого транзистора можно также определить графически. Для примера на рис. 4.35 показаны графики изменения всех токов и напряжений полевого МДП-транзистора в схеме с ОИ при гармоническом входном сигнале, построенные по статическим характеристикам транзистора. Для графического расчета каскада на полевом транзисторе достаточно изображения только характеристики передачи и выходной характеристики (для биполярных транзисторов мы строим также и входную характеристику).

Рис.4.35. Графический анализ токов и напряжений в усилительном каскаде на МДП-транзисторе по схеме с ОИ, нагрузочная характеристика усилительного каскада на полевом транзисторе (рисунок выполнен авторами)

При комплексной нагрузке, например при резистивно-емкостном ее характере, между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги, в результате чего рабочая точка в процессе усиления сигналов перемещается на плоскости выходных характеристик транзистора не по линии, а по контуру, называемому траекторией движения рабочей точки. Конфигурация этой траектории зависит от формы сигнала, его интенсивности и скорости изменения во времени, а также от степени отклонения характера нагрузки от резистивной.

Задание положения исходной рабочей точки транзистора по постоянному току осуществляется внешними цепями смещения. Такие цепи могут иметь различную конфигурацию, зависящую от нескольких факторов: типа транзистора, схемы включения, необходимости обеспечения устойчивости к температурным воздействиям и независимости от параметров конкретного транзистора (Петров А., 1994).

Фототранзисторы

Фототранзисторы, как и обычные биполярные транзисторы, представляют собой полупроводниковую пластинку, в которой имеются чередующиеся р и n области. Отличие в том, что базовая область у фототранзистора облучается светом.

Рассмотрим принцип работы фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при токе базы, равном нулю (рис. 4.36).

Рис. 4.36. Схема включения фототранзистора: К - коллектор; Б - база; Э - эмиттер (рисунок выполнен авторами)

В этом случае темновой ток будет значительно больше, чем темновой ток фотодиода. Если на базу транзистора воздействовать световым потоком, в ней образуются парные носители заряда (как и в фотодиоде), которые делятся электрическим полем коллекторного перехода. Дырки увлекаются полем и через переход перебрасываются в р область, а электроны остаются в базе, создавая в ней отрицательный объемный заряд (выйти электронам во внешние цепи через переходы мешают их поля, а вывод базы отсутствует). Объемные заряды воздействуют на эмиттерный переход и понижают его потенциальный барьер. Это вызывает дополнительную инжекцию дырок в область базы. Большинство этих дырок проходит через коллекторный переход. Управляющим сигналом (входным сигналом) в такой схеме является сигнал, поступающий через базу; в рассматриваемом случае это световой поток. Для такой схемы, как мы видели у биполярных транзисторов, характерно усиление базового тока, то есть транзисторная структура более чувствительна к световым изменениям по сравнения с диодом. Фототранзисторы имеют металлические корпуса, в которые вставляются тонкие стекла, Через эти стекла свет попадает на чувствительные слои фотоприборов. Фототранзисторы (как и фоторезисторы) применяются в радиоэлектронных устройствах в качестве датчиков, реагирующих на световые изменения, но они боле чувствительны (реагируют на меньшие световые приращения). Поэтому их используют чаще, чем фоторезисторы.Обозначение фототранзистора на схемах показано на рис. 4.37 (Петрович В. П., 2008).

Рис. 4.37. Обозначение фототранзистора на схеме (рисунок выполнен авторами)

Транзисторные оптроны

Оптрон конструктивно состоит из двух элементов: излучателя и фотоприемника, объединенных, как правило, в общем герметичном корпусе.

Существует много разновидностей оптронов: резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные. Эти названия указывают на тип фотоприемника. В качестве излучателя обычно применяют полупроводниковый светодиод инфракрасного излучения с длиной волны в пределах 0, 9...1, 2 мкм. Используют также светодиоды красного свечения, электролюминесцентные излучатели и сверхминиатюрные лампы накаливания.

Основное назначение оптронов - обеспечение гальванической развязки между сигнальными цепями. Исходя из этого общий принцип действия этих приборов, несмотря на различие фотоприемников, можно считать одинаковым: входной электрический сигнал, поступающий на излучатель, преобразуется в световой поток, который, воздействуя на фотоприемник, изменяет его проводимость.

В транзисторном оптроне облучение его базы создает такой же эффект, что и при подаче тока в базу обычного транзистора, и он открывается.

В результате на выходе оптрона формируется сигнал, который в общем случае может быть и не идентичен входному по форме, а входная и выходная цепи оказываются гальванически не связанными. Между входной и выходной цепями оптрона помещена электропрочная прозрачная диэлектрическая масса (обычно органический полимер), сопротивление которой достигает 10⁹...10¹² Ом.

Излучатель - бескорпусный светодиод, - как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней - на кристаллодержателе - укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототранзистора. Все пространство между светодиодом и фототранзистором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны.

Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

Существуют также оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор. Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности.

У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

В настоящее время оптроны получили широкое применение, особенно в целях согласования микроэлектронных логических блоков, содержащих мощные дискретные элементы, с исполнительными устройствами (реле, электродвигателями, контакторами и др.), а также для связи между логическими блоками, требующими гальванической развязки, модуляции постоянных и медленно изменяющихся напряжений, преобразования прямоугольных импульсов в синусоидальные колебания, управления мощными лампами и высоковольтными индикаторами (Повный А., 2008).

Обозначение транзисторного оптрона приведено на рис. 4.38.

Рис. 4.38. Обозначение транзисторных оптронов с простым (а) и составным (б) транзисторами (рисунок выполнен авторами)

Тиристоры

Рис.5.1. Виды тиристоров

Источник: http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_5/picture/5_1.gif

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые приборы, имеющие четыре и более области различного типа проводимости и три и более электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы.

У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии. Амплитуда максимального тока некоторых тиристоров может достигать десятков тысяч ампер, а напряжение анод-катод - нескольких киловольт. После включения между выводами анод-катод тиристоров присутствует остаточное напряжение величиной обычно от 1, 2В до 2, 5В.

В большинстве устройств динисторы и тринисторы фактически выполняют функции двухпозиционных переключателей, которые характеризуются большим сопротивлением в закрытом и малым - в открытом состояниях. Основные требования, предъявляемые к приборам в таких устройствах:

надежность сохранения закрытого или открытого состояния;
быстрый переход из одного состояния в другое при подаче переключающих (управляющих) сигналов.

В тех устройствах, для которых время коммутации не имеет решающего значения, управление динисторами и тринисторами осуществляется выключателями, кнопками, контактами реле и т. д. В различных импульсных устройствах переключение приборов производится посредством коммутирующих импульсов с достаточно крутым фронтом.

Динисторы

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p₁ - n₁ - p₂ - n₂ (рис. 5.2, а). На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы ( J₁ и J₃ ) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, - эмиттерами; средний p-n-переход ( J₂ ) называется коллекторным. Внутренние n₁- и p₂-области структуры называется базами. Область p₁ называется анодом (А), область n₂ - катодом (К).

Рис. 5.2. Структура динистора (а) и его условное графическое обозначение (б)

(рисунок выполнен авторами)

Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе при подаче прямого напряжения, т. е. «+» на анод, «-» на катод. В этом случае крайние p-n-переходы J₁ и J₃ смещены в прямом направлении, средний переход J₂ смещен в обратном направлении. Динистор можно представить в виде двухтранзисторной структуры (рис. 5.3). Так как переходы J₁ и J₃ смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области p₁, электроны из области n₂. Эти носители заряда диффундируют в областях баз n₁ и p₂, приближаясь к коллекторному переходу, и перебрасываются его полем через переход J₂. Дырки, инжектированные из области p₁, и электроны из области n₂ движутся через переход J₂ в противоположных направлениях, создавая общий ток I.

Рис. 5.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (б)

(рисунок выполнен авторами)

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе J₂. Поэтому к переходам J₁ и J₃, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток через динистор мал и равен обратному току через переход J₂.

При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно. При дальнейшем увеличении напряжения, по мере увеличения ширины перехода J₂, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами p-n-перехода J₂ ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p₂, а электроны в область n₁. Ток через переход J₂ увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам J₁ и J₃ и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода J₂ становится малым. Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 5.4). После переключения вольт-амперная характеристика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Рис. 5.4. Вольт-амперная характеристика динистора (рисунок выполнен авторами)

Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока I_max (рис.5.4), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр. Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током I_уд, ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением включения U_вкл. При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный переход J₂ смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток.

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒