Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Основные теоретические положения

Лабораторная работа 8

Транзисторы и их применение в усилителях

Цель работы. Исследование статических входных и выходных характеристик транзистора и определение по ним характеристических Н-параметров. Применение транзистора в схеме однокаскадного усилителя напряжения, исследование влияния параметров элементов схемы усилительного каскада, выполненного на транзисторе по схеме с общим эмиттером, на его основные характеристики.

Основные теоретические положения

Транзистор (полупроводниковый триод) представляет собой электронный прибор, основанный на взаимодействии двух расположенных близко друг от друга (на расстоянии нескольких микрометров) электронно-дырочных p–n переходов.

Основным элементом транзистора является кристалл германия или кремния, в котором с помощью соответствующих примесей созданы три области (слоя) с различными типами проводимости. В германиевом транзисторе (рис. 8.1, а)обычно два крайних слоя обладают дырочной проводимостью (p – облас ти), а внутренний слой имеет электронную проводимость (n – область), в соответствии с чем такой транзистор называется полупроводниковым триодом типа р – п – р. Условное обозначение транзистора типа р – п – р показано на рис. 8.1, б. Кремниевые транзисторы чаще изготовляют в виде полупроводниковых триодов типа п – р – п, принципиальная схема и условное изображение которых показаны на рис. 8.2, а, б. Следует заметить, что принцип действия полупроводниковых транзисторов независимо от их типа один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых к ним источников питания.

Рис. 8.1 Рис. 8.2

Средняя область (слой) транзистора независимо от типа является его базой Били основанием, а крайние - эмиттером Э и коллектором К.Наличие трех слоев с различной проводимостью обусловливает на границах их раздела два p-n - перехода, характеризующихся динамическим равновесием. Чтобы вывести p-n - переход из состояния равновесия, к нему прикладывается внешнее напряжение. Схемы включения источников питания транзисторов типов р-п-р и п-р-п показаны на рис. 8.3 и 8.4.

Рис. 8.3 Рис. 8.5 Рис. 8.4 Рис. 8.6

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к переходу эмиттер - база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к p-n-переходу коллектор - база - в обратном направлении.

При воздействии внешних напряжений потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором - увеличивается. В результате основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затеем в область коллектора, создавая ток коллекторного перехода.

Одновременно с этим происходит и переход основных носителей заряда базы через эмиттерный переход. Однако в область базы при изготовлении транзистора вводят значительно меньшее количество атомов примеси, чем в эмиттер, поэтому ток эмиттерного перехода создается главным образом переходом основных носителей эмиттерного слоя. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через область базы много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей доходит до коллекторного перехода и попадает в область коллектора. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в области базы с ее основными носителями. Таким образом, значение тока в цепи коллекторного (закрытого) перехода зависит от значения тока в цепи эмиттерного (открытого) перехода. Связь между токами коллекторной и эмиттерной цепей характеризуется коэффициентом передачи тока

α = при U_K = const,

где ΔIк, ΔIэ - приращения коллекторного и эмиттерного токов.

Коэффициент передачи тока транзистора можно выразить через мгновенные значения переменных составляющих токов коллекторной и эмиттерной цепей:

α = I_K/I_Э, где Iк, I_Э - токи в цепях коллектора и эмиттера.

Для плоскостных транзисторов коэффициент передачи тока α = 0,92 - 0,99. Это означает, что в области базы рекомбинирует соответственно 1- 8 % основных носителей заряда эмиттера. Число рекомбинирующих в области базы основных носителей заряда эмиттера определяет ток базыI_Б. В соответствии с этим I_Б= I_Э-I_K. При рассмотрении усилительных свойств транзисторов схемы включения их для усиления переменных сигналов можно рассматривать без источников питания, так как по сравнению с другими сопротивлениями схемы сопротивления источников питания оказываются весьма незначительными (рис. 8.5—8.7).

Схему усилительной ячейки на транзисторе с общей базой (см. рис. 8.5) можно применять на более высоких частотах, однако она имеет коэффициент усиления по току меньше единицы и малое входное сопротивление. Схемавключения транзистора с общим коллектором (см. рис. 8..6) имеет большое входное и малое выходное сопротивления. Поэтому ее часто применяют в многокаскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку. Наиболее часто используют схему с общим эмиттером (см. рис. 8.7), с помощью которой можно осуществлять усиление по току, напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемами включения транзистора усиление по мощности. Эта схема характеризуется незначительным входным сопротивлением.

Рассматривая основные усилительные схемы на транзисторах, исходят из предположений, что работа транзистора происходит на линейных участках его характеристик, что соответствует малым входным сигналам, и что при расчете коэффициентов усиления транзисторно-резисторных усилительных схем при работе на средних частотах влиянием входных, переходных и выходных емкостей пренебрегают. Коэффициент усиления усилительного каскада по току независимо от схемы включения транзистора К_I = i_вых/i_вх, где i_вых, i_вх - мгновенные значения выходного и входного токов. В общем случае коэффициент усиления по напряжению K_U = u_вых/u_вх, где u_вых, u_вх - мгновенные значения выходного и входного напряжений. Коэффициент усиления по мощности определяют как произведение соответствующих коэффициентов усиления по току и напряже - нию: K_P = K_I K_U

В общем случае входное сопротивление каскада независимо от схемы включения транзистора определяют как отношение мгновенного значения входного напряжения к мгновенному значению входного тока: R_ВХ= u_BX/i_BX

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой (см. рис. 8.5) и схемы с общим коллектором (см. рис. 8.6) совпадают по фазе. Для схемы с общим эмиттером (см. рис. 8:7) входное и выходное напряжения оказываются в противофазе.

Далее приведены выражения для коэффициентов усиления соответствующих наиболее распространенной на практике схеме включения транзистора с общим эмиттером. Выражение для коэффициента усиления по току для этой схемы имеет вид K_I_Э= α/(l- α) = β.

Коэффициент передачи тока в данной схеме α = 0,9 - 0,98, поэтому коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером в отличие от схемы с общей базой, для которой K_IO_Б= α <1, оказывается больше единицы и, следовательно, она может быть использована для усиления тока. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для схемы с общим эмиттером определяется соотношением K_UO_Э= u_вых/u_вх= i_KR_H /i_БR_{вх Э} = К_I_Э (R_H/R_BX_Э)»1, где R_H - сопротивление нагрузочного резистора, R_H» R_BX _э. В этой схеме входное сопротивление

R_bx _э= u_BX/i_BX = U_ЭБ /i_Б. Принимая во внимание, что ток эмиттера, равен сумме тока базы и тока коллектора i_э=i_б+i_к, ток базы с учетом выражения для коэффициента передачи тока эмиттера можно определить через ток эмиттера

i_б= i_э(1- α). Тогда входное сопротивление будет равно R_BXo_э = .

Коэффициент усиления по напряжению в схеме с общим эмиттером:

K_U_Э = α (R_H/R_ЭБ), где R_ЭБ — сопротивление открытого перехода транзистора.

Это сопротивление обычно много меньше нагрузочного сопротивления, поэтому коэффициент усиления по напряжению оказывается больше единицы и схема с общим эмиттером может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности для схемы с общим эмиттером с учетом полученных выражений

К_P_Э= К_I_ЭК_U_Э= .

Анализ данного выражения показывает, что схема с общим эмиттером может быть использована и для усиления мощности. Аналогично можно получить выражения для коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности для схем включения транзистора с общей базой и с общим коллектором. Основными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, являются статическая входная характеристика I_б(u_б) при u_K = const (рис. 8.8) и статическая выходная I_K(u_K) при I₆= const (рис. 8.9). Входная характеристика определяет зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе.

Рис. 8.7 Рис. 8.8 Рис. 8.9

В рассматриваемой схеме к эмиттерному переходу транзистора приложено прямое напряжение, поэтому при напряжении на коллекторе (u_к=0 входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового p-n -перехода. При этом увеличение отрицательного напряжения на коллекторе смещает характеристику вправо, что соответствует уменьшению тока базы. Это объясняется тем, что чем больше отрицательное напряжение на коллекторе, тем меньше ширина слоя базы. Уменьшение же ширины приводит к уменьшению рекомбинаций в ней, а, следовательно, и к уменьшению тока базы.

Статическая выходная характеристика транзистора показывает зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при неизменном значении тока базы. Так как к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, выходная характеристика соответствует левой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода. С увеличением тока базы концентрация неосновных носителей заряда базы возрастет за счет инжекции их из эмиттера. При этом через коллекторный переход будет проходить большее количество основных носителей заряда из эмиттера, что приведет к увеличению тока коллектора.

Свойства транзисторов в рабочем (динамическом) режиме оцениваются по их характеристическим параметрам, которые устанавливают связь между малыми изменениями токов и напряжений. В настоящее время наиболее распространена система h - параметров, выражающая функциональную зависимость между входным напряжением, входным током и выходным напряжением и зависимость между выходным током, входным током и выходным напряжением.

Основные h - параметры транзистора для схемы включения с общим эмиттером можно получить с помощью характеристических треугольников, построенных на его выходных и входных характеристиках. Параметры, найденные по характеристическому треугольнику, являются малосигнальными, так как они справедливы лишь для прямолинейных участков характеристик.

Из характеристического треугольника, построенного на семействе статических входных характеристик транзистора в области рабочей точки РТ, можно определить входное сопротивление триода h₁₁ и коэффициент обратной связи h₁₂. Из семейства статических выходных характеристик определяют коэффициент усиления по току h₂₁и выходную проводимость h₂₂

h₁₁ = при U_K = const; h₁₂ = при I_б = const;

h₂₁ = при U_K = const; h₂₂ = при I_б = const.

В усилительной схеме из всех способов включения транзистора в основном используют схему с общим эмиттером, так как она позволяет усиливать не только напряжение, но также ток и мощность. Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером показана на рис. 8.10. Наличие резисторов R₁, R₂и R_Kв схеме обеспечивает необходимые значения постоянных напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах при питании всех цепей транзистора от одного общего источника питания Е_к. Резистор R_э предназначен для обеспечения температурной стабилизации рабочей точки, что для транзисторных усилительных схем весьма существенно.

С ростом температуры постоянная составляющая тока эмиттера Iэо начинает расти. В результате увеличения падения напряжения I_эоR_э на резисторе R_Эпотенциал эмиттера относительно базы снижается, что приводит к уменьшению постоянной составляющей тока базы и к ограничению степени нарастания тока покоя в цепи коллектoра. Для того чтобы устранить подобное воздействие при прохождении по цепям транзистора переменных составляющих, резистор R_Эзашунтирован в схеме конденсатором С_э. Конденсаторы с емкостью С₁ и С_C введены в схему для предотвращения попадания постоянного тока от источни- ка питания и источника входного сигнала на выход и вход усилительного каскада. Емкости конденсаторов C₁, C_C и С_э выбирают так же, как и в ламповых усилителях. Одним из важнейших показателей, характеризующих свойства усилителя, является его комплексный коэффициент усиления, который в общем

Рис. 8.10 Рис. 8.11

случае можно представить как отношение комплексного напряжения на выходе усилителя к комплексному напряжению на его входе:

K = = = K = Ke^jψ,

где К = =U _вых/ U _вх — модуль коэффициента усиления усилителя; Ψ = ψ_ВЫХ – ψ_ВХ- разность начальных фазовых углов сигнала, проходящего через усилитель. Так как любой усилитель всегда содержит комбинации активных и реактивных элементов, то модуль коэффициента усиления и разность фазовых углов на выходе и входе усилителя являются частотно-зависимыми. Зависимость комплексного коэффициента усиления усилителя от частоты, т. е. K(ω), носит название ч а с т о т н о - ф а з о в о й характеристики усилителя. Обычно зависимости модуля коэффициента усиления и фазового угла от частоты рассматриваются отдельно.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты получила название амплитудно - частотной характеристики усилителя. Частотная характеристика усилительного каскада представлена на рис. 8.11. Как видно из рисунка, при изменении частоты усиливаемых колебаний значение модуля коэффициента усилителя Кне остается постоянным. Диапазон частот, в пределах которого изменения коэффициента усиления не превышают заданного значения, называется полосой пропускания или рабочим диапазоном частот усилителя.

Полоса пропускания ограничивается нижней ω_н и верхней ω_вграничными частотами, при которых коэффициент усиления отличается от наибольшего на заданную величину. В радиоэлектронике принято считать, что граничная частота соответствует уменьшению коэффициента усиления по сравнению с наибольшим его значением до уровня К₀/√2 ≈ 0,7K₀по напряжению или току и до уровня 0,5K₀по мощности. Частотную характеристику можно рассматривать как совокупность трех областей. Области частотной характеристики в диапазоне частот от 0 до ω_н и от ω_в до ∞ характеризуются значительным изменением коэффициента усиления при изменении частоты входного сигнала. Область частотной характеристики в диапазоне частот от ω_н до ω_в (полоса пропускания) характеризуется незначительным изменением коэффициента усиления от частоты. Особенность работы усилителя в областях низких, средних и высоких частот частотной характеристики может быть установлена в процессе анализа частотной характеристики полупроводникового усилителя с использованием схемы замещения (рис. 8.12, а)усилительного каскада с общим эмиттером (см. рис. 8.10). Транзистор при определенных допущениях можно рассматривать как линейный активный четырехполюсник, для которого справедливы зависимости:

u_б = h₁₁i_б + h₁₂i_k,

i_k = h₂₁i_б + h₂₂u_k.

Учитывая, что безразмерный параметр h₁₂для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (см. рис. 8.7), незначителен, на практике его принимают равным нулю. В соответствии с приведенными ранее уравнениями схема замещения данного транзистора приводится к виду рис. 8.12, б, а h - параметры определяются по семейству входных и выходных характеристик. При этом коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности

a) б)

Рис. 8.12

определяются через h - параметры транзистора и параметры элементов цепи:

K_U = = = = ,

где i_к = i_вых; i_б =i_вх; R_вх = h₁₁; R_вых = R_к(1 + h₂₂.R_к). K_i = i_вых/i_вх = i_к/i_б= h₂₁ и

K_P= k_Uk_i = (h₂₁)²R_K/[h_ll(l+h₂₂.R_K)].

Схема замещения усилительного каскада на транзисторе (см. рис. 8.10) приведена на рис. 8.12, a. Она составлена на основе схемы замещения транзистора с введением в нее параметров резистивных элементов R'₁= R₁R₂/(R₁+ R2),R_Ни емкостных элементов С₁,С_с, С₀= С_вых + С_м, где С_вых - емкость участка транзистора коллектор - эмиттер; С_м - монтажная емкость электрической цепи. При этом коэффициент усиления по напряжению каскада

K = ,

где K₀-наибольший коэффициент усиления по напряжению каскада на средних частотах, в рассматриваемом случае при допущении R'₁» h₁₁равен

K₀= h₂₁R_KR_Н/(R_K + R_Н+h₂₂R_НR_K); τ_B - постоянная времени усилительного каскада на верхних частотах (τ_B = С₀ R_ВЫХ = С₀R_KR_Н/(R_K + R_Н+ h₂₂R_KR_Н), τ_Н - постоянная времени усилительного каскада на нижних частотах без учета влияния емкости С₁ (τ_Н = С_CR_вых = C_CR_KR_Н/(R_K + R_Н+ h₂₂R_KR_H).

При анализе частотной характеристики усилительного каскада в области средних частот ω_н<ω<ω_B в эквивалентной схеме можно не учитывать внешние С₁, С_C и внутренние С_K емкости каскада, а следовательно, можно рассматривать эквивалентную схему усилительного каскада как частотно-независимую.

В области низких частот ω <ω_н наличие спада частотной характеристики можно объяснить изменением реактивных сопротивлений внешних емкостей, обусловленных наличием конденсаторов С₁и С_C, реактивные сопротивления которых с уменьшением частоты возрастают. Как результат этого, уменьшаются входной и выходной токи в цепи нагрузочного резистора, а, следовательно, напряжение на выходе.

Спад частотной характеристики в области высоких частот ω > ω_B можно объяснить наличием в эквивалентной схеме суммарной емкости С₀, равной емкости коллектор - эмиттер и монтажной емкости С_M, шунтирующей активное сопротивление коллекторного перехода. Зависимость коэффициентов усиления тока и напряжения от частоты в точном аналитическом выражении описывается гиперболическими функциями комплексного аргумента.

Для получения широкополосной частотной характеристики усилителя в его схему вводятся цепи коррекции по низкой и высокой частотам или цепи обратной связи.

Задание по работе

1. Снять семейство статических входных и выходных характеристик транзистора типа р-п-р, включенного по схеме с общим эмиттером, и определить по ним характеристические h - параметры.

2. Исследовать влияние параметров элементов усилительного каскада, выполненного на транзисторе по схеме с общим эмиттером, на его амплитудно-частотную характеристику.

3. Составить краткие выводы по работе.

12 3 4 Следующая ⇒