17.5. Коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора в схеме с об

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и β_n были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где I_Kр — дырочный ток коллектора, I_Э — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

(17.9)

(17.10)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока

, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по I_Э, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то α_ст ≠ α_диф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, а выходным — ток коллектора I_K. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения I

К = α_стI_Э + I_Ко, если подставить в него I_Э=I_Б+I_К. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение β_ст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с α_диф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβ_cт/dI_Б) = 0, то β_диф = β_ст. В дальнейшем будем считать β_ст = β_диф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R

K, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_K велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI

K = ΔU_Э, а напряжение на нагрузке изменится на ΔU_K = R_KΔI_K ≈ R_KΔI_Э. Если подставить в ΔU_К значение ΔI_Э, то ΔU_K = R_KΔU_Э/R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_K больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_K/R_Э раз. А так как R_K >> R_Э, то ΔU_К >> ΔU_Э.

Приращение входной мощности ΔР_ВХ = R_ЭΔI_Э², а приращение выходной мощности ΔР_вых = R_KΔI_K² ≈ R

KΔI_Э² = R_K*ΔP_вх/R_Э, т. е. оно больше ΔР_вх в R_K/R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых >> ΔP_вх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_K, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор R_K

с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

Урок-8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Вот мы и подошли к уроку, с которого начинается старт во «взрослую жизнь» т. к. именно с этого урока вы сможете полноценно и с пониманием предметной области начинать паять простейшие конструкции. И для успешной сборки и наладки этих конструкций, очень важно четко понимать какую функцию в этой схеме выполняет тот, или иной радиоэлемент, какие параметры нужно проконтролировать и т. д. Практическая работа в этом уроке будет не менее интересна, и сводится к выполнению предложенных опытов с биполярным транзистором. Думаю что после этой практической работы, вопросы по поводу принципов работы транзистора отпадут сами собой. Если все — таки, вопросы будут, это говорит только о вашей целеустремленности и желании познать глубже суть происходящего.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов:

transfer — преобразователь и resistor — сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот

, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в транзисторе структуры p — n — р) или электроны (в транзисторе структуры n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n транзисторах — от базы. Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — э миттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный. Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах транзистора данной серии. Существуют другие способы изготовления транзисторов, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора структуры p — n — p.

Рис. 3 Устройство и конструкция диффузионно — сплавного транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения транзисторов, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

• Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
• Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
• Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
• Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений транзисторов по этой системе : ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А; ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г; КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения транзисторов, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д. Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты. Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения. КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

• Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭпоказано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения транзистора по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

  Рис. 5 Схемы включения транзисторов.

• Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
• Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

• Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
• Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор.
• Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э транзистора уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры транзисторов, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора транзистора Рк.max — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Коротко о полевом транзисторе

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных. Полевым транзисторам посвящены целые учебники, поэтому для более детального изучения их свойств и области применения, нужно будет самостоятельно разыскать литературу и детально изучить.

Опыты с транзистором

В этого урока я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р — n — р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 — МП42 (коих сейчас великое множество в старых бросовых телевизорах, транзисторных радиоприемниках и т.д., т.е. покупать как правило ничего не нужно, а если и прийдется, то за копейки). Между коллектором и базой транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л или другой источник питания на 4,5 В и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 1). Если положительный полюс батареи (GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный — с базой (рис. 1, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 1, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления?

Рис. 1 Опыты с биполярным транзистором.

Сначала на коллекторный р — n переход вы подавали прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р — n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора Iкбо У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела. Проведите аналогичный опыт с эмиттерным р — n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводите по схеме, показанной на (рис. 2). Между эмиттером и коллектором транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедините про — волочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удалите перемычку, а вместо нее подключите к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200-300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа миниатюрной пальчиковой батарейки от китайского карманного приемника, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяйте местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повторите несколько раз этот опыт и вы убедитесь в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение. Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда вы, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнули накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, вы восстановили эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером вы подали на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер — база — коллектор пошел коллекторный ток транзистора Iк, который во много раз больше тока цепи эмиттер — база. Он — то и накалил нить лампочки. Когда же вы изменили полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (присутствовал только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

Рис. 2 Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения.

Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя (по аналогии со стабилитроном, этим резистором можно задавать режимы работы транзистора, выводя его на линейный участок ВАХ, но об этом позже). Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы, При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 — 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 — 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока. В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе Uб. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на (рис. 2), называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис.3). В коллекторную цепь транзистора V включим электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) — резистор Rб сопротивлением 200 — 250 кОм. Второй телефон В2 подключим к участку база — эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв. емкостью 0,1 — 0,5 мкФ. У вас получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если ваш приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор вы будете слышать в телефоне В1, включенном на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно подать любой другой слабый электрический сигнал. Тогда в телефоне В1 он будет хорошо и достаточно громко прослушиваться. В качестве В1, В2, можно использовать телефоны от старых телефонных аппаратов, с маркировкой (ТОН-1, ТОН-2 и др.). Для наших опытов желательно парочку разыскать, чтобы они были в вашем арсенале. Каковы здесь функции резистора Rб и конденсатора Ссв.? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подается небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р — n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв. выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен (этот конденсатор так и называют конденсатором связи, среди радиолюбителей можно еще услышать такое понятие как проходной).

Рис. 3 Опыт иллюстрирующий транзистор в режиме усиления.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 3 — график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер — база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания с помощью мембраны. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 3 — левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 — 50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры n — p — n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у p — n — р транзиторов, а обратной поэтому n — p — n транзисторы еще называют обратными. Нужно запомнить: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька, к этому типу искажений сигнала мы еще вернемся. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

 

Переходим к следующему уроку !

Определить коэффициент передачи тока биполярного транзистора

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и β_n были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где I_Kр – дырочный ток коллектора, I_Э — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по I_Э, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то α_ст ≠ α_диф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, а выходным — ток коллектора I_K. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения I_К = α_стI_Э + I_Ко, если подставить в него I_Э=I_Б+I_К. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение β_ст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с α_диф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβ_cт/dI_Б) = 0, то β_диф = β_ст. В дальнейшем будем считать β_ст = β_диф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_K, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_K велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_K = ΔU_Э, а напряжение на нагрузке изменится на ΔU_K = R_KΔI_K ≈ R_KΔI_Э. Если подставить в ΔU_К значение ΔI_Э, то ΔU_K = R_KΔU_Э/R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_K больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_K/R_Э раз. А так как R_K >> R_Э, то ΔU_К >> ΔU_Э.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_K, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор R_K с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

Общие вопросы. Устройство, режимы работы транзисторов

Биполярный транзистор — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов. Термин «биполярный» в названии этих транзисторов отражает тот факт, что процессы в них определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция через р—п-переход неосновных носителей, заряд которых компенсируется основными носителями.

Рис. 4.1

Принципиальная структура биполярного транзистора включает три полупроводниковых области л—р—л- (рис. 4.1, а) или р—л—р типа (рис. 4.1, б), которые соответственно называются эмиттером, базой и коллектором. Так, р—л-переход между эмиттером и базой (/) называется эмиттерным, а между базой и коллектором (2) — коллекторным (см. рис. 4.1, а, б). Помимо структуры транзисторов, на рис. 4.1 (внизу) приведены и их условные обозначения в схемах, где стрелка указывает направление тока при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного р—л перехода.

Возможны три схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. На рис. 4.2 показаны две из них. Направления токов и полярности напряжений соответствуют нормальным условиям работы (активному режиму) т. е. прямому смещению эмиттерного р—л-пе- рехода и обратному смещению коллекторного перехода. Кроме этого режима возможна работа транзистора еще в трех режи-

Рис. 4.2

мах: отсечки, двойной инжекции или насыщения и инверсном. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении, в режиме двойной инжекции на оба перехода поданы прямые напряжения; в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный — в обратном направлении.

По конструктивным особенностям и технологии изготовления биполярные транзисторы могут быть эпитаксиально-планарными, планарными, диффузионными, диффузионно-сплавными, сплавными и т. д.

В настоящее время транзисторы изготавливаются преимущественно из кремния. На рис. 4.3, а представлена полупроводниковая структура кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора, характерная для большинства дискретных транзисторов.

На поверхности полупроводниковой пластины формируется тонкий диэлектрический слой вЮ. Сильнолегированная подложка л’ -типа (1) вместе со слаболегированным эпитаксиальным слоем л типа (2) толщиной XV_эп – 10 мкм образуют коллекторную область. Области базы р типа (3) и эмиттера л’ типа (4) (рис._дП — концентрация доноров в эмиттере, акцепторов в базе, доноров в коллекторе и подложке соответственно. Толщина базы XV _Б современных маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,2. 1 мкм.

Рис. 4.3

Физические процессы в нормальном активном режиме.

Коэффициенты передачи тока

В активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Рассмотрим транзистор р—п—р-типа. (Хотя на практике чаще используют п—р—/г транзисторы, дальнейшее рассмотрение будем проводить на основе р—л—р транзисторов, так как для них направление движения дырок совпадает с направлением тока, что облегчает понимание.) В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эмиатерной области, как правило, много больше, чем в базовой. Движение инжектированных носителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана повышением концентрации носителей из-за их инжекции в базу около эмиттерного перехода. В области, примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения в ней примеси. Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение играет значительную роль, называют дрейфовыми.

Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать схемой на рис. 4.4, где представлено распределение доноров в л базе, аналогичное показанному на рис. 4.3, б. Неравномерное распределение примеси в базе, а, следовательно, и основных носителей, поскольку при комнатной температуре вся примесь ионизована, вызывает диффузию электронов в направлении

коллектора. Из-за ухода электронов в базе со стороны эмиттерного перехода образуется избыточный не скомпенсированный заряд ионов доноров, обозначенный на рис._внухр, которое будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем. Часть инжектированных дырок при их движении к коллектору будет рекомбинировать в области базы, образуя базовый ток. Число рекомбинировавших носителей невелико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате токи эмиттера /_э и коллектора /_к различаются незначительно и их разность равна току базы /_Б, т. е. I_Б = /_э – Лс* Коллекторный ток очень слабо зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор. Направление токов можно проследить по схеме на рис. 4.2.

Слабое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода г_к = (Ш_КБ/(П_К очень велико, что характерно для р—п перехода, смещенного в обратном направлении.эрек* Из всех составляющих ток инжекции

дырок 1_Эр из эмиттера в базу определяет выходной коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две составляющие относятся к потерям, и их необходимо по возможности уменьшать. Полный ток коллектора /_к, помимо тока инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе /_Брек и обратный ток коллекторного перехода /_КБ0, который не зависит от тока эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в базе учтем введением коэффициента а — статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой (ОБ). В результате полный ток коллектора можно записать в форме

Из выражения (4.1) следует, что

В выражении (4.2) приближенное соотношение справедливо ДЛЯ рабочих ТОКОВ /_к, которые обычно МНОГО больше /_кво* Физически а определяется коэффициентами инжекции эмиттера у_э = /_э„//_э и переноса носителей через базу Х_Б = /_К//_Эр, т.кво/(1 — °0 ток /_Б = 0. Рабочие токи эмиттера значительно больше /_Кво/(1 ” °0″ тогда ток базы можно вычислить по формуле

В импульсных и цифровых интегральных схемах достаточно широко используется инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняют-

ся местами. В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Входным током в схеме с ОБ будет коллекторный ток, а выходным — эмиттерный. Аналогично (4.1) для инверсного режима

где а₇ — инверсный коэффициент передачи тока, /_:)БО — обратный ток эмиттерного перехода при /_к = 0.

Из (4.5) следует, что

причем аналогично (4.2) а₇ = у_кА._Б7, г Д е 7к — коэффициент инжекции коллектора, Х_Б1 — инверсный коэффициент переноса.

Для большинства транзисторов a_t > а, поскольку коллекторный переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойством односторонней инжекции, так как концентрация примеси в коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см. /_Эбо*

Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависят от всех составляющих токов, протекающих во всех цепях транзистора, поэтому схи(3 будут изменяться как функции тока эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т. д.

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Коэффициент усиления транзистора

Определение и формула коэффициента усиления транзистора

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который используют для усиления, преобразования и генерирования электрических сигналов. Сам по себе транзистор ни чего не усиливает. Свойства усиления его заключены в том, что небольшие изменения сигнала на входе ведут к существенным изменениям тока (напряжения) на выходе транзистора или их совокупности, за счет использования энергии от внешнего источника. Используют три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Если транзистор работает в ключевом режиме, то используют коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала (чаще всего этот коэффициент обозначают буквой ). Это величина, равная отношению тока на коллекторе () (он определяется нагрузкой) к минимальному току базы ():

   

Большинство транзисторов на сегодняшний момент имеет

Коэффициентом усиления транзистора по току при рассмотрении схем с общей базой называют отношение силы тока коллектора () к силе тока эмиттера () при постоянном напряжении в переходе между эмиттером и коллектором. Чаще всего такой коэффициент усиления обозначают или Тогда формула определяющая коэффициент усиления транзистора по току , имеет вид:

   

Этот коэффициент не может быть больше единицы.

Коэффициент усиления транзистора по току для схем с общим эмиттером ( или ) можно определить при помощи выражения:

   

где — сила тока в коллекторе, — сила тока в базе. При этом напряжение на переходе коллектор эмиттер постоянно

Коэффициент усиления зависит не только от тока на входе, но и от температуры.

Коэффициентом усиления транзистора по напряжению () называют величину, равную отношению напряжения на нагрузке (R) вцепи коллектора () к напряжения на входе ():

   

Коэффициент усиления для однотипных транзисторов может лежать в довольно большом диапазоне. — зависит от свойств транзистора и от отношения сопротивлений нагрузки в цепях коллектора и эмиттера:

   

Единицы измерения коэффициента усиления транзистора

Коэффициент усиления — может быть величиной безразмерной. При решении задач следует обратить внимание на то, чтобы величины входных и выходных сигналов были выражены в одних единицах.

Или коэффициент усиления может выражаться в логарифмических единицах — децибелах.

Примеры решения задач

Статический коэффициент — передача — ток

Статический коэффициент — передача — ток

Cтраница 1

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером / 121э при И к Б — 5 В в зависимости от тока эмиттера / э в соответствии со справочными данными [8] приведен ниже.  [1]

Статический коэффициент передачи тока Ь21э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Большая ( заглавная) буква Э в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент Ь21э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера.  [2]

Статический коэффициент передачи тока составного транзис-стора Л21С ориентировочно можно считать равным произведению коэффициентов передачи тока составляющих его транзисторов. Составной транзистор дает большой эффект лишь при включении его с общим коллектором или общим эмиттером; с общей базой его усиление мало отличается от усиления одиночного транзистора ( так как Л21б1) и не используется.  [3]

Зависимость статического коэффициента передачи тока от температуры ког / пуса.  [4]

Зависимость относительного статического коэффициента передачи тока от тока коллек — тора.  [5]

Для измерения статического коэффициента передачи тока необходимо поместить пластину с р — / г-переходами на столик приспособления и опустить иглы зонда на контактные площадки р-п-пе-рехода.  [6]

При измерении статического коэффициента передачи тока п2) Э в цепи базы испытуемого транзистора переменными резисторами R4 и R5 устанавливают определенный ток 1Б: 25, 50 или 100 мкА на пределе 0 1 мА для маломощных и 0 5, 1 мА на пределе 1 мА для мощных транзисторов. Ток в цепи коллектора 1К измеряют на пределе 1К10 мА для маломощных и на пределе 1К100 мА для мощных транзисторов. Максимальные значения статического коэффициента передачи тока будут соответственно равны 400, 200, 100 для маломощных и 200, 100 для мощных транзисторов.  [8]

Что называют статическим коэффициентом передачи тока биполярного транзистора.  [9]

Приняв минимальное значение статического коэффициента передачи тока при большом сигнале Л21Э выбранного типа транзистора, с помощью формулы ( 5) проверяем соответствие транзистора по допустимой величине тока базы.  [10]

При этом значение статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ не нормируется.  [11]

Так как величина статического коэффициента передачи тока эмиттера aN больше статического коэффициента передачи тока коллектора а, величина динамического сопротивления открытого транзистора в нормальном включении оказывается меньше, чем в инверсном.  [13]

Рассмотрим пример расчета статического коэффициента передачи тока дрейфового транзистора.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Коэффициента передачи по току

Модуль коэффициента передачи по току |Н21э|=Iк/Ib и |Н21б|=Iк/Ie рассчитывается по показаниям амперметров.

 

Задание на лабораторную работу

1. С помощью схемы (рисунок 36) получить семейство входных характеристик транзистора при значениях Ukb от 0,5 до 10 В и семейство выходных характеристик при Iе от 1,5 до 10 мА. Для транзисторов n-p-n типа изменить полярность источников тока и напряжения.

2. Сохранить измеренные значения в таблице Excel. Построить характеристики.

3. Проверить справедливость утверждения, что при Ukb=3… 5 В влияние этого напряжения на входную характеристику ничтожно мало.

4. Изменить схему включения транзистора на схему с общим эмиттером и получить семейство выходных характеристик при Iб от 100 до 500 мкА

3. Рассчитать модуль коэффициента пе­редачи тока для двух схем и сравнить полученные значения.

 

 

Таблица 5. Задание на лабораторную работу

№ варианта
Транзистор	2N3702	2N3703	2N4061	2N4062	2N2712	2N2714	2N2923	2N2924	2N5086	2N5087

 

№ варианта
Транзистор	PN2906	PN2907	PN3638	PN3640	2N3711	2N3859	2N3860	2N3903	PN4121	PN4122

 

 

3.13.6. Контрольные вопросы

1. Устройство и работа биполярного транзистора.

2. Схемы включения биполярных транзисторов.

3. Основные характеристики и параметры биполярных транзисторов.

4. Малосигнальные параметры транзисторов и параметры для больших сигналов.

5. Параметры предельных режимов биполярных транзисторов.

 

Лабораторная работа № 6. Исследование транзисторных усилительных схем

 

Базовые усилительные каскады

Основные схемы построения усилителей на биполярных транзисторах опреде­ляются возможными способами их включения: ОБ, ОЭ и ОК. Базовые схемы усилителей со вспомогательными элементами показаны на
рисунке 37.

Рис. 37. Базовые усилительные каскады с ОБ (а, б), ОЭ (в) и ОК (г)

 

Здесь:

· Ucc – напряжение питания;

· Ui – входное напряже­ние;

· Uo – выходное напряжение;

· Us – напряжение источника смещения;

· Rk – сопротивление коллекторной нагрузки;

· С – разделительный конденсатор;

· Сb – блокировочный конденсатор;

· Re – эмиттерное сопротивление;

· R1, R2 – резисторы делителя, задающего режим каскада по постоянному току.

 

Усилительный каскад по схеме с ОБ

Особенностью классической схемы каскада с ОБ (рисунок 37.а) является наличие отдельного источника смещения Us, с помощью которого задается режим транзисто­ра по постоянному току, что достаточно неудобно. Поэтому на практике использует­ся каскад с ОБ по схеме рисунок 37.б, в котором режим по постоянному току задается делителем на резисторах R1, R2, а по переменному току база соединена с «землей» через блокировочный конденсатор Сb.

 

Исследование усилительного каскада по схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рисунок 38) использованы функциональный генератор для моделирования входного сигнала и осциллограф для просмотра входного и выходного сигналов. Удобно использовать индикаторные вольтметры для контроля напря­жений на электродах транзистора в статическом режиме.

 

Параметры усилительных каскадов

Базовые усилительные каскады характеризуются входным Rвх и выходным Rвыx сопротивле­ниями, коэффициентом усиления тока Кi и напряжения Кu. Коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ рассчитывается по приближенной фор­муле Ku=Rk/Re (если Re не зашунтировано емкостью).

 

Задание на лабораторную работу

1. Исследовать схему усиления каскада с ОЭ

1.1. Собрать схему (рисунок 38). Транзистор берется тот же, что и в работе №5. Для транзисторов p-n-p типа изменить полярность источника напряжения. Амплитуда и частота входного сигнала берется из таблицы. Сохранить осциллограммы входных и выходных напряжений в документе Word.

1.2. Рассчитать теоретический и экспериментальный коэффициенты усиления по напряжению.

Рис. 38. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

 

Рис. 39. Осциллограммы входного и выходного напряжений в схеме с ОЭ

 

 

1.3. Добавить в схему амперметры для измерения входного и выходного тока. Определить экспериментальный коэффициент усиления по току.

1.4. Увеличивать амплитуду входного сигнала до появления искажений. Сохранить осциллограммы входных и выходных напряжений в документе Word. Объяснить полученный результат.

1.5. Вернуться к значениям амплитуды входного сигнала из таблицы. Сместить рабочую точку усилительного каскада, изменяя номинал резистора R2 (в сторону увеличения и уменьшения) до появления искажений. Сохранить осциллограммы входных и выходных напряжений в документе Word. Объяснить полученный результат.

1.6. Добавить на график ВАХ транзистора (л/р №5) нагрузочные прямые, соответствующие исходному варианту и экспериментам из 1.4. Отметить на них рабочие точки из экспериментов 1.5.

1.7. Установить параллельно R4 блокировочный конденсатор Сб номиналом 1мкФ и проанализировать, к чему приводит соединение эмиттера по переменному току с «землей» через блокировочный конденсатор Сб.

 

2. Исследовать схему усиления каскада с ОК

2.1. Изменить схему (рисунок 38) так, чтобы получилась схема включения с ОК. Сохранить осциллограммы входных и выходных напряжений в документе Word. Объяснить полученный результат.

2.2. Определить экспериментальные коэффициенты усиления по напряжению и току.

 

Таблица 6. Задание на лабораторную работу

№ варианта
Амплитуда, мВ
Частота, кГц					2,5				2,5

 

№ варианта
Амплитуда, мВ
Частота, кГц		2,5				2,5				2,5

 

 

3.14.6. Контрольные вопросы

1. Режимы работы транзистора в усилительных каскадах.

2. В каких схемах происходит, а в каких нет, усиление по току, напряжению, мощности?

Коэффициент передачи по току оптопары

Коэффициент передачи по току оптопары

1. Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току

Употребляется в документе:

ГОСТ 27299-87

Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров

Телекоммуникационный словарь. 2013.

• Коэффициент передачи между оптическими полюсами
• Коэффициент передачи телефонного аппарата

Смотреть что такое «Коэффициент передачи по току оптопары» в других словарях:

• коэффициент передачи по току оптопары — коэффициент передачи по току KI CTR Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току. [ГОСТ 27299 87] Тематики полупроводниковые приборы Обобщающие термины параметры оптопар, оптоэлектронных… …   Справочник технического переводчика

• Коэффициент передачи по току оптопары — 63. Коэффициент передачи по току оптопары Коэффициент передачи по току Current transfer ratio KI Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ГОСТ 27299-87: Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров — Терминология ГОСТ 27299 87: Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров оригинал документа: 48. Время включения оптопары (оптоэлектронного коммутатора) Время включения Turn on time tвкл… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Оптрон — Различные виды оптронов Оптопара (оптрон) электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно светодиод, в ранних изделиях миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранз …   Википедия

• время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Резисторная оптопара — …   Википедия

• Параметры — 8. Параметры 8.1. Грузоподъемность, Q Масса груза и/или людей, на подъем которой рассчитано грузонесущее устройство и подъемник в целом Источник: ПБ 10 518 02: Правила устройства и безопасной эксплуатации строительных подъемников …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Оптопара

CTR Описание | ЭлектроникаBeliever

Объяснение CTR оптопары

не очень хорошо проработано другими авторами, и до того, как мне было трудно понять, что это такое. Коэффициент передачи тока или обычно известный как CTR — это отношение тока коллектора к прямому току оптопары. Это синоним коэффициента усиления по току биполярного переходного транзистора. Если вы впервые слышите об оптопаре, рекомендуется прочитать, как работает оптопара.

CTR выражается в процентах, как показано ниже:

Где Ic — ток коллектора, а If — прямой ток.

CTR устройства указан в даташите. Пока схема оптрона работает в линейной области, прямой и коллекторный ток всегда связаны друг с другом через компонент CTR. Однако, как только оптопара насыщается, CTR схемы больше не совпадает с CTR устройства, и ток коллектора больше не может быть вычислен с использованием приведенного выше уравнения.

Предположим, что при линейной работе прямой ток составляет 5 мА, а CTR устройства, указанного в техническом описании, составляет 100% (типовое значение), следовательно, ток коллектора также будет 5 мА. Когда операция является насыщением, ток коллектора не может быть вычислен с использованием того же подхода. При насыщении схема больше не набирает обороты, и ток коллектора зависит только от ограничивающего резистора коллектора.

Для дальнейшего пояснения рассмотрим схему на рисунке 1. Если схема работает линейно, ток коллектора Ic является просто произведением прямого тока If и CTR устройства.

Это означает, что значение R2 не имеет ничего общего с током коллектора при линейной работе. Однако значение R2 будет влиять на напряжение коллектор-эмиттер.

При насыщении вы больше не можете использовать уравнение CTR для вычисления тока коллектора Ic. В этом состоянии Ic зависит только от номинала резистора R2.

Рисунок 1

Факторы, влияющие на устройство CTR

Коэффициент передачи тока устройства зависит от силы света источника света, рабочей температуры и продолжительной работы или старения.

Оптопара CTR Пояснение: сила света источника света

Это зависит от прямого тока, приложенного к источнику света, который обычно представляет собой светоизлучающий диод. Чем выше прямой ток, тем ярче свет и выше будет CTR. Однако работа с более высоким прямым током приведет к более быстрому снижению срока службы оптопары, так что лучше подумайте и об этом. На рисунке 2 показан пример графика прямого тока в зависимости от передаточного отношения тока конкретной оптопары.Как вы можете видеть, при 1 мА CTR составляет около 100%, в то время как он увеличивается до более чем 200%, когда прямой ток достигает 10 мА для VCE, равного 5 В. Вы также должны принять к сведению, что не следует работать с гораздо более высоким током, потому что это больше не помогает в вашем дизайне, поскольку CTR начнет уменьшаться в какой-то момент, основанный на графике.

Рисунок 2

Оптопара CTR Пояснение: Зависимость от температуры окружающей среды

Световая отдача светодиода имеет отрицательный температурный коэффициент, а для фототранзистора HFE — положительный (рисунок 3).Это приведет к кривой, показанной на рисунке 4.

Рисунок 3

Если ваш дизайн подвергается воздействию более высокой температуры, скажем 100 ° C, соответствующий CTR снизится до 60% от начального значения.

Рисунок 4

Старение

Непрерывная работа оптрона сокращает срок его службы, поскольку световая отдача источника света со временем ухудшается. Другой фактор заключается в том, что эффективность оптической связи между светодиодом и фототранзистором со временем ухудшается.Для фототранзистора эффективность фотоэлектрического преобразования и коэффициент усиления постоянного тока будут зависеть от непрерывной работы.

На рисунке 5 показан график между временем работы и относительным CTR. Как видите, CTR начинает снижаться через 20 000 часов.

Рисунок 5

Пример расчета CTR устройства

Чтобы завершить обсуждение, я продемонстрирую, как получить CTR устройства с учетом прямого тока, рабочей температуры и старения.

С учетом прямого тока 5 мА, рабочей температуры 50 ° C и срока службы 100 000 часов.

Из рисунка 2 соответствующий CTR составляет 200% с учетом 5V VCE. На Рисунке 4 снижение номинальных характеристик из-за температуры составляет около 90%. Снижение рейтинга CTR после 100 000 часов работы составляет около 85%, как показано на рисунке 5. В результате CTR устройства составляет

.

Связанные

% PDF-1.4 % 781 0 объект > эндобдж xref 781 75 0000000016 00000 н. 0000002541 00000 н. 0000002702 00000 н. 0000002737 00000 н. 0000003360 00000 н. 0000003397 00000 н. 0000003511 00000 н. 0000005287 00000 н. 0000007700 00000 н. 0000010188 00000 п. 0000010838 00000 п. 0000011446 00000 п. 0000011851 00000 п. 0000012404 00000 п. 0000012869 00000 п. 0000013143 00000 п. 0000013490 00000 п. 0000013809 00000 п. 0000013923 00000 п. 0000014068 00000 п. 0000014748 00000 п. 0000014964 00000 п. 0000015598 00000 п. 0000017666 00000 п. 0000018119 00000 п. 0000018508 00000 п. 0000018693 00000 п. 0000019190 00000 п. 0000020979 00000 п. 0000021513 00000 п. 0000021540 00000 п. 0000021683 00000 п. 0000021815 00000 п. 0000022314 00000 п. 0000022479 00000 п. Yrŧ] St ٓ ~ af # B> 9yel> _ [wt7c00qq

Использование оптопары

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите основные области применения оптронов:
• Понимание конструкции схем оптопары
• • Использование текущего коэффициента передачи (CTR).
• • Расчет значений компонентов для оптронов.
• Поймите требования к типичному применению оптопары.
• • Переключение уровня.
• • Изоляция входа / выхода.
• • Управление сильноточными нагрузками.
• • Защита от обратной ЭДС.

Существует множество различных применений для схем оптопары, поэтому существует много различных требований к конструкции, но базовая конструкция оптопары, обеспечивающей изоляцию, например, между двумя цепями, просто включает выбор соответствующих номиналов резисторов для двух резисторов R1 и R2, показанных на Инжир.5.2.1.

В этом примере показана оптопара PC817, изолирующая цепь с помощью логики HCT через затвор инвертора Шмитта 7414. Инвертор Шмитта на выходе выполняет несколько функций; он обеспечивает соответствие выходного сигнала техническим характеристикам напряжения и тока HCT, а также обеспечивает очень быстрое время нарастания и спада для выхода и корректирует инверсию сигнала, вызванную работой фототранзистора в режиме общего эмиттера. Каждое семейство логики (например, типы LSTTL или CMOS) может иметь разные уровни логического напряжения и разные требования к входному и выходному току, а оптопары могут обеспечить удобный способ сопряжения двух схем с разными логическими уровнями.Что необходимо, так это гарантировать, что R1 создает соответствующий уровень тока из входной цепи для правильного управления светодиодной стороной оптопары, а R2 создает соответствующие уровни напряжения и тока для питания выходной цепи через инвертор.

Рис. 5.2.1 Простой интерфейс оптопары для HCT

Проектирование интерфейсов оптопары

Основное назначение интерфейса оптопары — полностью изолировать входную цепь от выходной цепи, что обычно означает наличие двух полностью отдельных источников питания, один для входной цепи и один для выходной.В этом простом примере входные и выходные источники питания, скорее всего, будут одинаковыми по напряжению и току, поэтому интерфейс просто обеспечивает изоляцию без каких-либо значительных сдвигов в уровнях напряжения или тока.

При выборе подходящих значений для R1 значение резистора ограничения тока устанавливается для получения правильного прямого тока (I _F ) через инфракрасный светодиод в оптопаре. R2 — нагрузочный резистор для фототранзистора, и номиналы обоих резисторов будут зависеть от ряда факторов.

Текущий коэффициент передачи

Ток в каждой половине цепи связан с коэффициентом передачи тока или CTR, который представляет собой просто отношение выходного тока к входному (I _C / I _F ), обычно выраженное в процентах. У каждого типа оптопары будет диапазон значений CTR, указанных в таблице данных производителя. Значение CTR также зависит от ряда факторов, в первую очередь от типа оптопары, простые типы могут иметь значение CTR от 20% до 100%, в то время как специальные типы, такие как те, которые используют конфигурацию транзистора Дарлингтона для их выходной фототранзистор может иметь значение CTR в несколько сотен процентов.Кроме того, CTR любого конкретного устройства может значительно отличаться от типичного значения этого устройства на величину до +/- 30%. Производители обычно указывают диапазон значений CTR для различных выходных напряжений коллектора фототранзистора (V _C ) и различных температур окружающей среды (T _A ). CTR также будет меняться с возрастом оптопары, так как эффективность светодиодов уменьшается с возраст (более 1000 часов работы). Поскольку можно ожидать, что CTR оптопары со временем уменьшится, на практике обычно выбирают значение для I _F несколько ниже максимального, чтобы намеченные характеристики могли быть достигнуты в течение предполагаемого срока службы схемы.

Хотя в этом примере описывается конструкция простого интерфейса, соединяющего две логические схемы HCT, разница между достигнутыми здесь результатами и результатами, необходимыми для любого другого оптопара, заключается в том, что аналогичные вычисления могут быть выполнены, просто используя данные, соответствующие другим напряжениям и токам и другим оптопарам. .

Расчет номиналов резистора оптопары

Рис. 5.2.2 Зависимость CTR от прямого тока для PC817

Начало процесса проектирования — определение условий входа и выхода, которые должна соединить оптопара.Типичные оптопары могут выдерживать входные и выходные токи от нескольких микроампер до десятков миллиампер. На рынке имеется множество оптопар, и, чтобы найти наиболее подходящие для конкретной цели, следует изучить каталоги поставщиков и спецификации производителей.

Однако в этом случае популярная оптопара PC817 от Sharp будет использовать напряжения и токи, доступные от логики HCT. Предполагая, что один выход HCT питает только эту оптопару, напряжение логической 1 составляет около 4.Можно предположить 9В.

Выходной ток, доступный от затвора HCT для управления входом оптопары, ограничен до 4 мА, что довольно мало для управления оптопарой. Тогда PC817 должен быть способен выдавать необходимый выходной сигнал при таком низком входном токе.

График на рис. 5.2.2 показывает, что CTR для PC817 с прямым (входным) током I _F 4 мА будет примерно от 80 до 150%, допуская ± 30% для всех переменных, упомянутых выше). В идеале оптопара должна в этом случае действовать так, как если бы она была невидимой, то есть затвор HCT, подключенный к выходу оптопары, должен видеть доступный ток до 4 мА, как если бы он был подключен к выходу другого затвора HCT.Следовательно, выходной ток PC817 также должен быть в идеале около 4 мА, с прямым током (I _F ), управляющим входным светодиодом при 4 мА (при условии 100% CTR).

Найдя приблизительное значение для CTR, которое предполагает, что условия входа и выхода должны быть одинаковыми, при 4 мА следующая задача — вычислить значения R1 и R2.

Используя данные в таблице 5.2.1 и предполагая, что входной сигнал на выходе затвора HCT составляет от 4,9 В до 5 В, можно рассчитать подходящее значение сопротивления для R1 на рис.5.2.3.

Рис. 5.2.3 Оптрон с HCT на HCT

Прямое напряжение через инфракрасный светодиод при прямом токе всего 4 мА должно быть около 1,2 В

5 В — 1,2 В = 3,8 В будет развиваться через R1

Следовательно, R1 = 3,8 В ÷ 4 мА = 950 Ом

Использование следующего более высокого номинала резистора R1 = 1 кОм

График CTR по сравнению с I _F на рис. 5.2.2 показывает, что в идеале CTR для PC817 будет около 115% при прямом токе 4 мА, что предполагает, что выходной ток оптона должен быть около 4 мА x 115. % = 4.6 мА

Для насыщения фототранзистора и создания логического 0 (менее 0,2 В) на выходе R2 должен развивать напряжение от 4,9 до 5 В при прохождении тока 4,6 мА (при условии 115% CTR).

Следовательно,

R2 должен быть не менее 5 В ÷ 4,6 мА = 1087 Ом или R2 = 1,2 кОм (следующее предпочтительное значение).

Рис. 5.2.4a Выход при R2 = 1,2 кОм

Если используется значение, превышающее 1,2 кОм, увеличение этого значения на несколько кОм может обеспечить максимальный размах напряжения на выходе, однако увеличение этого значения снижает скорость, с которой оптопара может реагировать на быстрые изменения напряжения из-за сочетание нагрузки с высоким сопротивлением и высокой емкости перехода фототранзистора, что приводит к округлению формы выходного сигнала, что можно увидеть, сравнив формы сигналов на рис.5.2.4 а и б.

Обе представленные формы сигналов были получены с одним и тем же входом, прямоугольной формы с частотой 2 кГц, но с двумя разными значениями для R2: 1,2 кОм на рис. 5.2.4a и 10 кОм на рис. 5.2.4b.

Эффект округления времени нарастания импульсов хорошо виден на рис. 5.2.4b. Также на более высоких частотах заметно уменьшается амплитуда выходного сигнала. Поэтому для достижения наилучших характеристик значение R2 должно быть как можно ниже, но выше 1 кОм.

Рис.5.2.4b Выход с R2 = 10 кОм

Характеристики схемы оптопары, показывающей результат использования вычисленных значений, показаны на рис. 5.2.4. Также обратите внимание на эффект использования инвертора Шмитта 74HCT14 на выходе; любое округление прямоугольных импульсов исключается, и хотя выход оптопары падает только до 0,18 В, когда фототранзистор насыщается, выход затвора Шмитта фактически изменяется между + 5 В и 0 В.

Добавление инвертора Шмитта также повторно инвертирует форму выходного сигнала, которая была инвертированной версией формы входного сигнала на коллекторе фототранзистора.

Конечно, есть более полезные приложения для оптопары, чем просто изолировать одну логическую ИС от другой. Распространенная проблема — это управление нагрузкой с выходного порта компьютера. Компьютеры дороги и легко повреждаются из-за ошибок, допущенных при подключении их к внешним схемам. Проблема уменьшается, если внешняя цепь полностью изолирована от компьютера, а оптопара, такая как PC817, является дешевым и эффективным (при условии отсутствия серьезных ошибок пользователя) решением.

Рис. 5.2.5 Цепь привода двигателя PC817

Цепь привода двигателя PC817

На рис. 5.2.6 показан типичный пример, в котором требуется управлять двигателем 12 В постоянного тока, требующим тока 40 мА от логической схемы (или типичного порта компьютера), которая может поддерживать только несколько мА тока при 5 В или меньше.

Поскольку ток, доступный через типичные порты ввода / вывода компьютера, может составлять всего несколько мкА, поскольку линии компьютерных портов обычно предназначены для управления логическим входом какого-либо типа, вход в эту схему управления двигателем осуществляется через вентиль инвертора Шмитта HCT, который требуется только входной ток 1 мкА, при этом двигатель 12 В 40 мА управляется транзистором 2N3904.Инфракрасный светодиод оптопары получает ток около 4 мА через резистор 1 кОм с выхода IC1. Поскольку CTR PC817 составляет около 115%, фототранзистор может выдавать около 9 мА, поскольку питание на выходе фототранзистора теперь берется от источника питания двигателя 12 В. Это больше, чем минимум 5 мА, необходимый для перехода 2N3904 в насыщение. Важно, чтобы транзистор был полностью насыщен, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность в 2N3904 до минимума, поэтому, хотя ток транзистора (I _CE ) составляет 40 мА, он будет только около 0.3 В на насыщенном транзисторе, поэтому рассеиваемая мощность на транзисторе будет 0,3 В x 40 мА = 12 мВт, а максимальная рассеиваемая мощность для 2N3904 составляет 1,5 Вт. Хотя этот базовый интерфейс позволяет только включать или выключать двигатель, его можно легко адаптировать, изменив IC1, чтобы включить управление скоростью с широтно-импульсной модуляцией либо с компьютера, либо сгенерированного аппаратным обеспечением, как описано в модуле генераторов 4.6.

Этот простой интерфейс имеет еще одну функцию безопасности; диод D1, подключенный к двигателю, будет эффективно предотвращать любые неприятные всплески обратной ЭДС, генерируемые индуктивной нагрузкой (двигателем), от повреждения интерфейса.

Видео цепи привода двигателя

Начало страницы

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О мире беспроводной связи RF

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Умная парковка на базе Zigbee • Система умной парковки на основе LoRaWAN

---

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, связанные с тестированием и измерениями, по тестированию на соответствие, используемым для тестов на соответствие устройств RF / PHY. СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ УКАЗАТЕЛЬ >>.

---

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

---

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

---

Основы и типы замирания : В этой статье описаны мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Используемые в беспроводной связи. Читать дальше➤

---

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

---

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

---

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

---

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются обучающие материалы по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>

---

Учебное пособие по 5G — В этом руководстве по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

---

В этом учебном пособии GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS-вызовов и восходящая линия связи PS-вызовов.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

---

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide

---

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.УКАЗАТЕЛЬ испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест на соответствие устройства WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

---

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

---

Поставщики, производители радиочастотных беспроводных устройств

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

---

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здравоохранении *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: Не трогай его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

---

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

---

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Учебники

Различные типы датчиков

Поделиться страницей

Перевести страницу

Руководство по выбору оптопар

: типы, характеристики, применение

Оптопары — это электронные компоненты, которые используют световые волны для обеспечения гальванической развязки при передаче электрического сигнала.Иногда их называют оптоизоляторами, оптопарами или оптическими изоляторами.

Основы оптопары

Строительство

Все оптопары состоят из двух элементов: источника света — почти всегда светодиода (LED) — и фотодатчика — обычно фоторезистора, фотодиода, фототранзистора, кремниевого выпрямителя (SCR) или симистора. Оба эти элемента разделены диэлектрическим (непроводящим) барьером. Когда на светодиод подается входной ток, он включается и излучает инфракрасный свет; Затем фотодатчик обнаруживает этот свет и пропускает ток через выходную сторону схемы.И наоборот, когда светодиод выключен, через фотодатчик не будет протекать ток. С помощью этого метода два протекающих тока электрически изолированы.

На изображении ниже описаны основные операции оптопары. На сером изображении слева ток не подается через контакт 1, светодиод не горит, а в цепи, подключенной к контактам 4 и 5, ток не протекает. Когда питание подается на входную цепь, светодиод включается, датчик определяет свет, замыкает переключатель и инициирует прохождение тока в выходной цепи, как показано на изображении справа.

Работа оптопары. Изображение предоставлено: REUK

В качестве полупроводниковых устройств оптопары могут быть изготовлены в одном из нескольких различных форм-факторов.

• Поверхностный монтаж (SMT) Устройства монтируются на верхнюю часть печатной платы (PCB) с помощью коротких проводов или плоских клемм. Эти изделия, как правило, небольшие, легкие и позволяют производить быструю и недорогую автоматизированную сборку.
• Устройства со сквозным отверстием (THT) оснащены длинными выводами, которые продеваются через отверстия на печатной плате и припаяны к другой стороне.В то время как THT постепенно вытесняется производством SMT из-за необходимости в больших компонентах и ​​трудоемкой сборке, сквозные устройства по-прежнему способны к прочному механическому соединению.
• Выводы Компоненты присоединяются к печатным платам с помощью длинных выводов.

(слева направо) Пакет THT (DIP), пакет SMT и корпус с выводами (TO-78).

Изображение предоставлено: Solarbotics | RoboticLab | Digikey

Приложения

Оптопары

могут использоваться для различных целей и приложений, в том числе:

• Переключение входа и выхода, особенно в среде с электронным шумом
• Импульсные источники питания
• Изоляция сигнала
• Регулятор мощности
• Связь с ПК / модемом
• Управляющие транзисторы и симисторы

В то время как подавляющее большинство оптопар выполняет относительно простое управление цепями включения-выключения, недавние разработки позволили более «интеллектуальным» устройствам передавать кодированные сигналы путем изменения яркости источника света.

Оптопары

похожи на реле и развязывающие трансформаторы и часто выполняют связанные функции, но имеют несколько отличий и преимуществ. Оптопары обычно:

• меньше и легче реле
• имеет гораздо более быстрое переключение
• требует гораздо меньшего тока переключения для активации
• обладают минимальной усталостью благодаря своей твердотельной конструкции, особенно по сравнению с электромеханическими реле

По причинам, перечисленным выше, оптопары очень распространены в цифровых или микроэлектронных устройствах, которые требуют быстрого переключения и используют передачи низкого напряжения.

Следующее видео объясняет основную конструкцию оптопар, их основное применение и их сходство с реле.

Видео предоставлено: myvideoisonutube / CC BY-SA 4.0

Типы

Типы оптопар

определяются типом используемого детектора, как описано ниже. Некоторые типы имеют разные характеристики и поэтому лучше подходят для конкретных приложений. Оптопары часто называют их «типом выхода»; например, устройство на фототранзисторе можно назвать оптопарой с выходом на фототранзистор.«

Фотоэлемент

Оптопары с фотоэлементами

, также известные как резистивные оптоизоляторы, представляют собой самую раннюю конструкцию оптопар. В качестве источника света они используют лампу накаливания, неоновую лампу или светодиод, а в качестве детектора — фоторезистор из сульфида кадмия (CS) или селенида кадмия (CSe). Фотоэлементы в значительной степени устарели из-за их очень медленного переключения (от 5 до 200 миллисекунд) и в период своего расцвета использовались в телефонных сетях, копировальных аппаратах и ​​приложениях для промышленной автоматизации.Однако они уникальны среди оптопар в том, что они неполяризованы и поэтому подходят как для работы на переменном, так и на постоянном токе. Оптопары с фотоэлементами по-прежнему производятся в небольших количествах для использования в качестве дешевых регуляторов усиления или компрессоров в нишевых продуктах, таких как гитарные усилители и электронные музыкальные инструменты. Резистивные светодиодные оптоизоляторы иногда называют Vactrols .

Фотодиод

В фотодиодных оптопарах

в качестве источников света используются светодиоды, а в качестве детекторов — фотодиоды.Они способны к чрезвычайно быстрому переключению, но их коэффициент передачи тока — соотношение между выходным током и входным током, вызвавшим его, — обычно очень низкое, часто менее 1%. Фотодиодные оптопары могут быть оснащены встроенными драйверами светодиодов и буферными усилителями для достижения чрезвычайно быстрого переключения, которое компенсирует задержки на выходе светодиода; эти устройства известны как оптопары с полной логикой.

Фотодиодный оптрон в простой схеме. Изображение предоставлено: DAENotes

Фототранзистор

Как и фотодиодные устройства, оптопары на фототранзисторах оснащены светодиодными источниками света.Их выходные цепи управляются биполярным фототранзистором или фототранзистором Дарлингтона. Оба типа фототранзисторов способны проводить ток только в одном направлении, что делает их пригодными только для использования постоянного тока, а также для использования в контроллерах и приложениях для передачи сигналов. Транзисторные оптопары медленнее фотодиодных, но намного быстрее фотоэлементов. В зависимости от смещения отдельного устройства транзисторные устройства могут работать в широком диапазоне коэффициентов передачи тока, и оба типа хорошо подходят для «повышения» входного тока.С этой целью биполярные транзисторные оптопары обычно могут выдавать до 120% своего входного тока, в то время как устройства Дарлингтона могут выдавать до 600%.

Две схемы ниже представляют оптопару на фототранзисторе (слева) и транзисторе Дарлингтона (справа). Обратите внимание, что устройство Дарлингтона состоит из двух установленных друг на друга биполярных транзисторов в конфигурации Дарлингтона.

Изображение предоставлено: Power Topics | Ebay

SCR и симистор

Два других распространенных выхода оптопары — это тиристор и симистор.Оба типа имеют высокие коэффициенты передачи тока и обычно используются для управления цепями переменного тока с более высоким напряжением.

Оптоизолированные устройства SCR используют кремниевый выпрямитель (SCR) в качестве детектора. Эти оптопары обычно используются в качестве повышающих устройств и имеют скорость переключения от низкой до средней.

Схема оптопары SCR. Изображение предоставлено: teacher.en

Оптоизолированный симистор Устройства имеют симисторный выход (триод для переменного тока).Симисторы похожи по конструкции на тиристоры, но в то время как тиристоры позволяют току течь только в одном направлении, симисторы допускают прохождение тока в обоих направлениях. Как и оптоизолированные тиристоры, симисторные оптопары обычно имеют очень высокие коэффициенты передачи тока.

Симисторный оптрон, используемый в базовой цепи. Изображение предоставлено: roysoala

Технические характеристики и параметры выбора

Характеристики ввода / вывода

Оптопары

часто отличаются конфигурациями входных и выходных цепей.Например, входные характеристики состоят из информации об источнике света, такой как прямой ток светодиода, рассеиваемая мощность или длина волны. Спецификации вывода часто включают аналогичную информацию о детекторе устройства. Одна спецификация, общая для обеих цепей, — это напряжение изоляции.

Изоляционное напряжение иногда называют входным и выходным изолирующим напряжением , и это одна из наиболее важных спецификаций оптопары. Напряжение развязки представляет собой максимальное напряжение, которое может быть приложено как к входным, так и к выходным цепям при сохранении гальванической развязки.

Коэффициент передачи тока

Коэффициент передачи тока, или CTR, описывает соотношение между выходным током и входным током, который его вызвал. Это минимальное значение, выраженное в процентах от входного тока. Типичные характеристики CTR составляют около 10-50%; эти устройства работают аналогично понижающим изолирующим трансформаторам. Оптопары, предназначенные для повышения тока в выходной цепи, часто с выходами фотодарлингтона, могут достигать 600% и более. Коэффициент передачи тока достигает максимального значения, когда входной источник света самый яркий.Знание CTR устройства необходимо для его настройки, чтобы эффективно контролировать выходной ток.

Стандарты

Оптопары

могут быть спроектированы и изготовлены в соответствии с одним или несколькими стандартами. В частности, семейство стандартов SMD 5962 включает в себя различные конструкции оптопар, которые соответствуют MIL PRF 38534 (Общие спецификации для микросхем).

Список литературы

Учебники по электронике — Оптрон

Tronix Stuff — Знакомство с оптопарой

Изображение предоставлено:

Avago | REUK

[PDF] Техническое описание Текущий коэффициент передачи (CTR) и отклик

Скачать техническое описание Текущий коэффициент передачи (CTR) и ответ…

Техническое описание Коэффициент передачи по току (CTR) и время отклика оптопары http://www.csd-nec.com/opto/english/photocoupler.html

1. Коэффициент передачи по току (CTR) Зависимость CTR от входного тока светодиода (IF) я. II. Зависимость CTR от температуры iii. Изменение CTR за время работы 2. Время отклика 1. Коэффициент передачи тока (CTR) Коэффициент передачи тока (CTR) является параметром, аналогичным коэффициенту усиления постоянного тока транзистора (hFE), и выражается в процентах, указывающих соотношение выходного тока (IC) к входному току (IF).CTR (%) = (IC / IF) x 100 CTR имеет следующие характеристики и, следовательно, так же важен, как и допуск изоляции среди характеристик оптопары. • • •

Зависит от входного тока светодиода (IF) Зависит от температуры в помещении. Изменяется в зависимости от времени работы (возраста)

Следовательно, при проектировании необходимо соблюдать осторожность с CTR; если проект не выполняется с учетом этих точек, выходная мощность может быть слишком маленькой, что приведет к неисправности.Более того, оптопара с входом переменного тока (переменного тока) имеет два светодиода (светоизлучающих диода) на стороне входа, поэтому для каждого из этих светодиодов также будет существовать CTR. Даже если вводится ПЧ с одним и тем же положительным и отрицательным значением, значение выходного тока IC будет отличаться для каждой полярности ПЧ, поэтому следует проявлять осторожность и в этих точках. я. Зависимость CTR от входного тока светодиода (IF) CTR зависит от входного тока светодиода (IF), поэтому, как показано на рисунке 1, CTR уменьшается от максимальной точки, когда входной ток увеличивается и уменьшается.Рисунок 1. Пример зависимости CTR от IF

Особенно важно, чтобы положительные и отрицательные кривые CTR в зависимости от наклона изменения входного тока различались между небольшой областью тока (около IF = 1 мА) и большой областью тока (около IF = 20 мА). Другими словами, значение IF должно быть больше, чем необходимо, потому что выходной ток IC становится существенно меньше, когда значение IF уменьшается в небольшой области тока. И наоборот, в области большого тока выходной ток IC не становится таким большим, как ожидалось, даже если значение IF увеличивается, поэтому значение IC должно быть меньше вашего ожидания.II. Зависимость CTR от температуры В то время как световая отдача светодиода имеет отрицательный температурный коэффициент, hFE транзистора имеет положительный температурный коэффициент. Следовательно, зависимость CTR от температуры представляет собой комбинацию этих двух параметров. Как показано на рисунке 2, зависимость CTR от температуры обычно реализуется путем синтеза двух вышеуказанных температурных коэффициентов. Рисунок 2. Механизм зависимости CTR от температуры

На рисунке 3 показан пример реального продукта.Рисунок 3. Пример температурных характеристик CTR

iii. Изменение CTR во время эксплуатации. CTR оптопары в основном основывается на следующих факторах. • • •

Световая отдача светодиода (светоизлучающего диода) Оптическая эффективность связи между светодиодом и фототранзистором Эффективность фотоэлектрического преобразования и усиление постоянного тока (hFE) фототранзистора

Изменение CTR за время работы в основном вызвано падением световой отдачи светодиода.Как правило, чем больше входной ток светодиода (IF) и выше температура окружающей среды, тем быстрее уменьшается CTR. На рисунке 4 показан пример расчетной кривой изменения во времени в зависимости от разницы в температуре окружающей среды. Рисунок 4. Пример расчетной кривой изменения CTR с течением времени (типичные значения)

На рисунке 5 показан пример расчетного срока службы оптопары в зависимости от разницы во входном токе светодиода (IF) и температуре окружающей среды (TA). Рисунок 5.Пример расчетного срока службы оптопары на основе CTR

2. Время отклика Время отклика оптопары аналогично времени отклика транзистора и выражается следующим образом. tf // RL X hFE X CCB RL: сопротивление нагрузки, hFE: усиление постоянного тока, CCB: емкость между коллектором и базой По этой формуле tf увеличивается с увеличением сопротивления нагрузки, как показано на рисунке 6, поэтому для высокоскоростной передачи сигнала нагрузка сопротивление должно быть как можно меньшим в пределах допустимого диапазона.Рисунок 6. Время отклика в зависимости от характеристики RL

Однако, когда сопротивление нагрузки минимизировано, транзистор может не включиться полностью и выходной сигнал может быть нестабильным, если входной ток IF и выходной ток IC не определены с достаточным учетом факторов. такие как диапазон спецификации CTR, температурные характеристики и изменение во времени. Некоторые примеры этих характеристик представлены ниже. На рисунке 7 показан пример изменения времени отклика в зависимости от температуры окружающей среды (TA).Рисунок 7. Время отклика в зависимости от характеристик TA

На рисунке 8 показан пример изменения времени отклика в зависимости от входного тока (IF). Рисунок 8. Зависимость времени отклика от характеристик ПЧ

На рисунке 9 показан пример изменения времени отклика в зависимости от тока источника питания (VCC). Рисунок 9. Время отклика в зависимости от характеристик VCC

4n35 Схема выводов оптопары_ каков коэффициент передачи тока оптопары CTR, в чем разница между линейной оптопарой и обычной оптопарой…

Оптопара — это устройство преобразования электричества, оптики и электричества, которое использует свет в качестве среды для передачи электрических сигналов. Он состоит из двух частей: источника света и светоприемника. Источник света и светоприемник собраны в одном герметичном корпусе, отделенном друг от друга прозрачным изолятором. Штырь источника излучения света является входным контактом, контакт светоприемника является выходным контактом, общий источник излучения света представляет собой светоизлучающий диод, а приемник света представляет собой фотодиод, фототранзистор и скоро.

Оптический соединитель обычно состоит из трех частей: светового излучения, приема света и усиления сигнала. Входной электрический сигнал заставляет светоизлучающий диод (LED) излучать свет определенной длины волны, который принимается фотодетектором для генерации фототока, а затем дополнительно усиливается и выводится. Это завершает электрическое-оптико-электрическое преобразование, тем самым играя роль входа, выхода и изоляции.

1. Характеристики оптопары

Поскольку сигнал передается в одном направлении, входной терминал и выходной терминал полностью электрически изолированы, и выходной сигнал не влияет на входной терминал.Таким образом, оптопара обладает такими характеристиками, как сильная защита от помех, стабильная работа, отсутствие контакта, длительный срок службы и высокая эффективность передачи. Он широко используется в электроизоляции, преобразовании уровня, передаче сигнала и других случаях.

В импульсных источниках питания

обычно используются линейные оптопары. Основное отличие от обычных оптопар заключается в том, что их текущая передача отличается от CTR. Это очень важный параметр. Текущее передаточное число — важный параметр оптопар.Он выражается через коэффициент передачи постоянного тока. Когда выходное напряжение остается постоянным, оно равно процентному соотношению выходного постоянного тока IC к входному постоянному току IF, то есть CTR = ΔIC / ΔIF.

На следующем рисунке показана характеристическая кривая CTR-IF. Для линейных оптопар эта кривая приблизительно линейна, в то время как для обычных оптопар эта кривая представляет собой нелинейную зависимость. Кривая характеристики передачи тока линейного оптопара близка к прямой, и производительность лучше, когда сигнал небольшой, и его можно изолировать и контролировать с помощью линейных характеристик

Для линейных оптопар он подходит для передачи аналоговых сигналов напряжения или тока, так что между выходом и входом существует линейная зависимость.Этот тип оптопары подходит для передачи сигналов переключения, но не подходит для передачи аналоговых величин. Оптопара, обычно используемая в импульсных источниках питания, представляет собой линейную оптопару, такую ​​как PC817, которую мы часто используем, и ее коэффициент передачи тока CTR составляет от 80% до 160%.

.