Схемы задания режима работы транзистора по постоянному току.

Транзистор в схеме усилителя напряжения должен работать в активном режиме. Для обеспечения активного режима необходимо подать определенные постоянные напряжения для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и коллекторного перехода – в обратном направлении. При этом через транзистор начинают протекать постоянные составляющие токов базы, эмиттера и коллектора. При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала к постоянным составляющим токов добавляются переменные составляющие, повторяющие форму входного сигнала. Чтобы выделить на выходе усиленный сигнал, в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки. Небольшие изменения напряжения сигнала на входе вызывают приращения токов базы, эмиттера и коллектора и значительные изменения переменного напряжения на выходе каскада. В схеме с ОЭ коллекторный ток получит приращение . Поскольку 1, то переменная составляющая приращения тока коллектора намного больше переменной составляющей приращения тока базы. Так как величина сопротивления коллекторной нагрузки составляет единицы килом, то на сопротивлении нагрузки выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход. При этом форма усиленного сигнала в коллекторной цепи должна совпадать с формой сигнала на входе. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость между выходным и входным напряжениями сигнала. Линейную зависимость между ними можно обеспечить выбором уровня постоянного напряжения на эмиттерном переходе. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на эмиттерном и коллекторном переходах при отсутствии сигнала, называется рабочей точкой. Постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный переход для выбора рабочей точки, называется напряжением смещения. Чтобы обеспечить совпадение формы выходного напряжения с формой входного сигнала, рабочую точку необходимо выбирать на середине линейного участка входной характеристики.

Для подачи смещения на эмиттерный переход не нужен отдельный источник напряжения – наиболее экономично использовать для этого источник напряжения коллекторной цепи. Различают два способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением (т.е задать активный режим).

Рассмотрим простейший усилительный каскад на транзисторе p-n-p типа в активном режиме в схеме с общим эмиттером, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Схема задания напряжения смещения фиксированным током

В активном режиме на эмиттерный переход надо подать прямое напряжение смещения, а на коллекторный – обратное. Если принять потенциал базы за нулевой, то для создания активного режима необходимо подать положительное напряжение на эмиттер, и отрицательное - на коллектор. Такой режим может обеспечить схема с фиксированным током базы. Через резистор база подсоединена к отрицательному полюсу коллекторной батареи. При отсутствии напряжения сигнала по цепи земля - эмиттерный переход- сопротивление - минус протекает постоянный ток базы . Величина этого тока выбирается в зависимости от необходимого положения рабочей точки. Рабочая точка на входной характеристике задается соответствующим выбором постоянных напряжений смещения на базе относительно эмиттера и напряжения . Напряжение смещения на базе равно:

. (4.46)

По входной статической характеристике можно выбрать положение рабочей точки на линейном участке и соответствующие рабочей точке напряжения и . При этом можно определить величину резистора в цепи базы:

. (4.47)

Недостатком такого способа задания смещения является нестабильность режима работы при изменении температуры и смене транзисторов.

Смещение на эмиттерный переход можно задать также фиксированным напряжением. Схема задания смещения фиксированным напряжением представлена на рис. 4.21. В этой схеме напряжение смещения на эмиттерный переход задается делителем напряжения + из резисторов , в цепи базы.

Рис. 4.21. Схема задания смещения фиксированным напряжением.

Для устранения влияния тока базы на напряжение смещения необходимо выбрать резисторы делителя так, чтобы ток делителя был в несколько раз больше тока базы при максимальном сигнале. Это условие ограничивает величину резисторов, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы. Величина напряжения смещения на базе относительно эмиттера при этом определяется следующим выражением:

. (4.49)

Существенным недостатком рассмотренных схем задания напряжения смещения является нестабильность положения рабочей точки при изменении температуры. С увеличением температуры концентрация основных и неосновных носителей тока увеличивается, так как большее число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Эти процессы приводят к тому, что с увеличением температуры изменяется положение и крутизна выходных статических характеристик. Для уменьшения влияния температурных изменений применяют специальные методы температурной стабилизации. Так как с увеличением температуры ток коллектора увеличивается, то в схемах температурной стабилизации воздействуют на цепи смещения так, чтобы с увеличением температуры ток коллектора автоматически уменьшался. Один из методов температурной стабилизации рабочей точки реализован в схеме, представленной на рис. 3.22.

 

Рис. 4.22. Схема с температурной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме температурная стабилизация рабочей точки осуществляется за счет падения напряжения на резисторе . Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, равное . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, равно алгебраической сумме напряжений на резисторах и :

. (4.49)

Напряжение, снимаемое с резистора , подается на эмиттерный переход в прямом направлении. Напряжение с резистора подается на эмиттерный переход в обратном направлении.

При отсутствии входного переменного сигнала в схеме устанавливаются определенные постоянные напряжения на базе, эмиттере и коллекторе и протекают постоянные токи , и . Повышение температуры вызывает увеличение тока эмиттера на величину , тока коллектора на величину и тока базы на величину . Приращения токов вызовут соответствующие изменения напряжений на базе, эмиттере и коллекторе транзистора. Поскольку ток базы получает очень малое приращение по сравнению с приращением тока эмиттера, то изменение тока базы мало скажется на величине напряжения на базе. В то же время изменение тока эмиттера приведет к увеличению падения напряжения на резисторе . Поскольку это напряжение к эмиттерному переходу приложено в обратном направлении, то его увеличение вызовет уменьшение напряжения смещения и уменьшение эмиттерного тока, что вернет рабочую точку в исходное положение. Чтобы не ухудшать усилительные свойства каскада

для переменного сигнала резистор зашунтировали конденсатором ,величинакоторого выбирается из условия:

, (4.50)

где - самая низкая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Цепочка - называется цепочкой температурной стабилизации. Стабилизирующее действие этой цепочки увеличивается с увеличением и уменьшением резисторов и в цепи базы. Эта схема является наиболее эффективной стабилизирующей схемой.

13

Схема с общим эмиттером.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим отдельно каждую из трех схем включения транзистора, когда к входу подключен генератор гармонического сигнала. Схема с общим эмиттером на транзисторе типа представлена на рис. 4.23. Напряжение на коллекторе каскада по постоянному току равно:

. (4.51)

При подключении к входу каскада генератора сигналов к постоянным составляющим токов добавляются соответствующие переменные составляющие токов.

 

 

 

 

Рис. 4.23. Схема с ОЭ в динамическом режиме

Направление переменных составляющих токов по отношению к направлению постоянных составляющих будет зависеть от полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного сигнала эмиттерный и коллекторный токи увеличиваются, так как входной сигнал смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом они будут совпадать по направлению с постоянными составляющими токов. При отрицательной полярности входного сигнала переменные составляющие токов будут противоположны направлению постоянных составляющих и токи транзистора будут уменьшаться. С учетом этого переменное напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе по отношению к входному сигналу. Таким образом, схема с ОЭ поворачивает фазу входного сигнала на 180 .

Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току и по напряжению. Коэффициент усиления тока базы для разных транзисторов составляет десятки-сотни раз. Такого же порядка и коэффициент усиления переменного напряжения сигнала. Коэффициент усиления входного сигнала по мощности может составлять десятки тысяч раз.

В динамическом режиме изменение переменного напряжения на эмиттерном переходе вызывает соответствующее изменение переменного напряжения на коллекторном переходе. Для снятия динамической характеристики в цепь коллектора включается соответствующее сопротивление нагрузки. Из уравнения (3.49) найдем зависимость :

. (4.52)

Это уравнение прямой с угловым коэффициентом

Выходную динамическую характеристику строят на семействе выходных статических характеристик, исходя из заданных значений и , как показано на рис.4.24.

Рис. 4.24. Динамическая характеристика каскада по схеме с ОЭ

По оси напряжений откладывают отрезок, равный , а по оси токов - отрезок, равный , и через эти точки проводят прямую, которая представляет динамическую характеристику каскада. Динамическая характеристика называется нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в процессе изменения уровня входного сигнала.

Схема с общей базой.

На рис. 4.25 представлена схема с общей базой.

Рис. 4.25. Каскад по схеме с общей базой

 

В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки . Смещение на эмиттерный переход подается фиксированным напряжением от источника коллекторной батареи с помощью резисторного делителя , . Конденсатор обеспечивает нулевой потенциал базы по переменному току. Величина конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление удовлетворяло условию:

, (4.53)

где - самая низкая частота в спектре усиливаемых сигналов.

Если к входу каскада подключить генератор гармонического сигнал, то при положительной полуволне сигнала ток через транзистор будет увеличиваться, так как эмиттерный переход смещается при этом в прямом направлении, а при отрицательной полуволне – уменьшаться, так как переменная составляющая тока будет противоположна по направлению постоянной составляющей тока. Напряжение на коллекторной нагрузке в схеме с ОБ будет совпадать по фазе с напряжением входного сигнала.

Коэффициент усиления по току схемы сОБ меньше 1, так как входным током является ток эмиттера, а выходным током – ток коллектора. Коэффициент усиления по напряжению может составлять сотни - тысячи раз.

 

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рис. 4.26. К входу подключен генератор гармонического сигнала. Сопротивление нагрузки в этой схеме включено в цепь эмиттера. Потенциал коллектора по переменной составляющей равен нулю.

Рис. 4.26. Схема с общим коллектором

Выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки , оказывается подключенным к эмиттерному переходу последовательно с напряжением сигнала, поданным на вход. При положительной полуволне сигнала на входе (плюс на базе, а минус на эмиттере), выходное напряжение приложено так, что плюс его на эмиттере, а минус - на базе. Это значит, что напряжение сигнала на входе и выходное напряжение включены навстречу друг другу и результирующее напряжение равно разности этих напряжений. Чтобы подать необходимое напряжение сигнала на эмиттерный переход, необходимо скомпенсировать выходное напряжение. Поэтому входное напряжение должно быть больше выходного напряжения. Напряжение на входе схемы с ОК равно:

. (4.54)

Так как , то коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по току в этой схеме равен:

(4.55)

Схема с ОК дает незначительное увеличение коэффициента усиления по току по сравнению со схемой с ОЭ. Коэффициент усиления по мощности немного меньше коэффициента усиления по току.

Выясним фазовые соотношения между входным и выходным сигналом. Положительная полуволна сигнала на входе вызывает увеличение тока через транзистор и увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, а отрицательная полуволна – уменьшение тока и уменьшение напряжения на выходе. В этой схеме потенциал эмиттера с небольшой разницей отслеживает потенциал базы. Схема с ОК не инвертирует фазу входного сигнала. Схему с ОК называют еще эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе повторяет входное напряжение по величине и по фазе.

Особенностью схемы с ОК является большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Входное напряжение больше выходного напряжения, а входной ток значительно меньше выходного тока. Поэтому:

(4.56)

Величина может составлять сотни ом единицы килоом, поэтому входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки – сотни килоом.

Выходное напряжение приложено к эмиттерному переходу и небольшое изменение выходного напряжения вызывает большие изменения тока эмиттера. Поэтому может составлять десятки- сотни Ом. Большое значение входного сопротивления и малое значение выходного сопротивления обусловлены в схеме с ОК тем, что часть энергии выходного сигнала в виде переменного напряжения с выхода схемы поступает обратно на вход схемы в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе. Выходное напряжение последовательно включено по отношению к напряжению на входе. Это соответствует наличию в этой схеме 100% последовательной отрицательной обратной связи по напряжению. Как будет показано дальше, отрицательная последовательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление каскада.

Большое значение и малое значение позволяют использовать схему с ОК в качестве согласующего звена между одним каскадом с высоким выходным сопротивлением и другим каскадом с малым входным сопротивлением.

 

14

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Наряду с биполярными транзисторами, в которых в создании тока принимают участие два типа носителей – основные и неосновные, существуют униполярные транзисторы - с носителями тока одного знака (только электроны или только дырки), использующие эффект влияния электрического поля на проводимость полупроводника, получившие название полевых транзисторов. Если биполярные транзисторы управляются током, то полевые транзисторы управляются изменением электрического напряжения на управляющем электроде.

Полевой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором имеются следующие области: исток, затвор, канал и сток. Управление выходным током осуществляется за счет изменения толщины проводящего полупроводникового слоя.

Существует два типа полевых транзисторов:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n – переходом.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим – переходом показано на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Устройство полевого транзистора с управляющим переходом

Основным элементом такого транзистора является подложка – тонкая пластинка полупроводника или - типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника с противоположным типом проводимости.

Возьмем за основу пластинку полупроводника - типа. К торцам пластинки и к двум областям - типа припаяны омические контакты и подключены внешние постоянные напряжения, полярность которых показана на рисунке. Два слоя - типа соединены между собой, образуя один электрод. Этот электрод называется затвором. Один из электродов полупроводника - типа, от которого движутся электроны подложки, называется истоком, а электрод, к которому движутся электроны, называется стоком. Между полупроводниками с разными типами проводимости образуются два перехода. Тонкий слой полупроводника -типа, расположенный между двумя переходами, называется каналом.

Работа полевого транзистора основана на изменении толщины проводящего слоя канала за счет внешнего напряжения, прикладываемого между затвором и истоком.

Если последовательно с каналом в цепь стока включить резистор нагрузки и подключить между затвором и истоком генератор переменного управляющего сигнала, то при изменении напряжения на затворе будет изменяться проводимость канала и будет соответственно меняться и падение напряжения на резисторе нагрузки. Так как переходы смещены в обратном направлении, то их сопротивление будет большим, а входной ток затвора будет очень малым по сравнению с током канала. Следовательно, входная мощность, затрачиваемая на управление транзистором, будет небольшой, а выходная мощность сигнала на нагрузке, которая определяется величинами тока канала и резистором нагрузки, может значительно превышать входную. Таким образом, полевой транзистор является усилительным прибором.

По числу электродов, каждый из которых может быть общим для входной и выходной цепи каскада, возможны три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком.Наиболее полно работа полевого транзистора характеризуется семейством его статических вольтамперных характеристик. Сток-затворные характеристики для схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке относительно истока:

при . (4.57)

Такие характеристики называются передаточными характеристиками.

Рис. 4.28. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом - типа.

Такое напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрыт и ток в канале равен нулю, называется напряжением отсечки. Для полевых транзисторов напряжение отсечки составляет единицы Вольт.

Выходные статические характеристики схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на стоке относительно истока при постоянном напряжении на затворе относительно истока:

при . (4.58)

Выходные характеристики называются сток-стоковыми характеристиками. На рис. 4.29 приведены выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом -типа.

Рис. 4.29. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом n-типа.

 

Кроме рассмотренного способа управления проводимостью канала возможен и другой способ, когда сопротивление канала меняется при изменении потенциала электрода, изолированного тонким слоем диэлектрика от объема полупроводника. Транзисторы, работа которых основана на этом принципе, называются полевыми транзисторами с изолированным затвором. Так как в большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел SiO ₂, то такие транзисторы называются также МОП-транзисторами (металл–окисел– полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик- полупроводник).

Работа МДП-транзистора основана на том, что при создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным металлическим электродом, у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника. За счет этого можно создать тонкий слой с повышенной концентрацией носителей заряда – канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на изолированном электроде.

На рис. 4.30 представлена структура МДП-транзистора. В полупроводниковой пластинке - типа путем легирования созданы две области с - проводимостью (“карманы”), между которыми электрическим полем затвора индуцируется узкая область с проводимостью -типа – канал. Если между стоком и истоком подключить напряжение с полярностью, показанной на рисунке, то через канал начнет протекать постоянный ток, которым можно управлять, изменением напряжения на затворе.

Рис. 4.30. Структура МДП-транзистора с каналом -типа.

МДП – транзисторы делятся на две группы:

1. МДП – транзисторы с индуцированным каналом.

2. МДП – транзисторы с встроенным каналом.

В первых канал между истоком и стоком наводится (индуцируется) только при наличии соответствующего напряжения между затвором и истоком. Когда же разность потенциалов между затвором и истоком равна нулю, ток в канале практически отсутствует.

В МДП–транзисторах со встроенным каналом канал создается технологическим путем. При отсутствии напряжения между затвором и истоком проводимость канала не равна нулю, причем ее можно увеличить или уменьшить изменением напряжения на затворе.

В качестве исходной полупроводниковой пластинки (подложки) могут быть использованы полупроводники или -типа. Поэтому различают полевые транзисторы и -типов. Обозначения полевых транзисторов на электрических схемах приведено в таблице 4.1.

Типы полевых транзисторов Таблица 4.1

Тип транзистора	n- типа	р - типа
С управляющим p-n – переходом
МДП с индуцированным каналом
МДП со встроенным каналом

 

Выходные статические характеристики МДП ­– транзистора с индуцированным каналом – типа представлены на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Выходные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом -типа

В МДП-транзисторах с встроенным каналом проводимость канала не равна нулю, когда напряжение на затворе относительно истока равна нулю. МДП-транзистор с встроенным каналом может работать в режиме обогащения канала носителями тока и в режиме обеднения канала носителями тока в зависимости от полярности напряжения на затворе. Выходные статические характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом приведены на рис. 4.32.

Рис. 4.32. Выходные статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом -типа

Поскольку входной ток в цепи затвора ничтожно мал, то на управление проводимостью канала в цепи затвор-исток необходима намного меньшая мощность, чем мощность сигнала, получаемая на выходе в цепи сток-исток. Полевые транзисторы с изолированным затвором являются усилительными приборами. Так как затвор изолирован от канала слоем диэлектрика, они отличаются очень большим значением входного сопротивления – до . Высокое значение входного сопротивления позволяет использовать МДП-транзисторы в качестве входных каскадов усиления электронных вольтметров, осциллографов, а также электрометрических усилителей для измерения сверхслабых постоянных токов.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: