1.13. Ключевые режимы работы ГВВ. 1. Основы теории ламповых генераторов. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие

1.13.1. Ключевые транзисторные генераторы с резистивной нагрузкой

1.13.2. Ключевые транзисторные генераторы с формирующим контуром

Основным условием повышения КПД усилителей мощности является уменьшение остаточного напряжения на открытом электронном приборе. Наилучшие результаты достигаются при использовании ключевого режима работы усилителей мощности (КУМ). В ключевом режиме любой электронный прибор попеременно находится либо в запертом состоянии, то есть в режиме отсечки тока, когда потери в нем практически равны нулю, либо в предельно открытом, когда ток через прибор протекает при минимально возможном напряжении на нем. Последнее достигается при работе прибора в режиме насыщения (граничном режиме), при котором его внутреннее сопротивление минимальное: r_нас =1/S_гр, где S_гр— крутизна линии граничного (критического) режима. Роль активного элемента (АЭ) сводится к переключению тока или напряжения во внешней цепи, а уровень возбуждения АЭ выбирается из условия насыщения прибора при любом из возможных значений тока через него (характерных для выбранного варианта ключевого режима). Амплитуда и форма импульса тока при таком режиме определяются не АЭ, а внешними цепями, в зависимости от вида которых возможны несколько вариантов ключевого режима. Ключевой режим можно использовать только для усиления высокочастотных колебаний с постоянной амплитудой: колебаний с ЧМ и ФМ, с импульсной модуляцией, при телеграфной работе и т.п. Реализация достоинств ключевого режима возможна лишь при использовании АЭ, обладающих хорошими ключевыми свойствами, которые характеризуются отношением остаточного напряжения на открытом приборе к предельному напряжению, допустимому в рабочих условиях в запертом состоянии (U

отп/U_доп). Это отношение определяет относительные потери мощности в режиме насыщения при полном использовании прибора по напряжению. Другим важным показателем является скорость переключения прибора из открытого состояния в закрытое и обратно. Этот показатель, связанный с инерционными свойствами прибора, определяет длительность его работы в активной области и, соответственно, мощность коммутационных потерь.

КУМ классифицируют по типу применяемого AЭ и по принципу их действия. КУМ могут быть построены на лампах, транзисторах и тиристорах. По совокупности ключевых свойств транзисторы превосходят тиристоры, хотя последние позволяют получить большие мощности от одного прибора. Различают два больших класса КУМ: усилители звуковой частоты и модуляторы, принцип действия которых основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (обычно их называют усилителями класса Д), и ключевые радиочастотные генераторы. Кроме того, все виды КУМ могут быть выполнены по однотактным и двухтактным схемам.

1.13.1. Ключевые транзисторные генераторы с резистивной нагрузкой

На рис.1.36а изображена простейшая однотактная схема транзисторного КУМ с резистивной нагрузкой [1]. Для анализа процессов, происходящих в схеме генератора его эквивалентную схему удобно представить рис.1.36б, где транзистор заменен ключом Кл с включенным последовательно с ним сопротивлением насыщения r_нас. В установившемся режиме при достаточно больших величинах элементов L_к и С_р через блокировочный дроссель L_к течет только постоянная составляющая коллекторного тока I_к0, а на разделительном конденсаторе С_р действует почти постоянное напряжение, близкое к напряжению источника питания Е_к (амплитуда переменной составляющей напряжения на С_р много меньше Е_к).

На рис.1.36в изображена эквивалентная схема при замыкании ключа – в режиме насыщения транзистора, на рис 1.36г — эквивалентная схема при разомкнутом ключе, т.е. в режиме отсечки.

При замкнутом ключе постоянный ток I_к0 источника Е_к в точке «А» разветвляется. Большая часть его, (I_к0–I_кC), протекает через коллектор, обладающий малым по сравнению с нагрузкой сопротивлением r_{нас ,} а небольшая часть I_кС идет в ветвь нагрузки, подзаряжая конденсатор С_р. (В дальнейшем предполагается, что внутреннее сопротивление источника питания очень мало). Через сопротивление насыщения r_нас протекает также ток разряда конденсатора С_р:

I_C= (1.23) Полный ток через коллекторную ветвь равен: I_кmax = I_к0 – I_кC + . …(1.24)

Конденсатор теряет в этой стадии заряд ΔQ₍₎ =(I_C — I_кС )τ_нас., где τ_нас — время пребывания транзистора в состоянии насыщения. Напряжение на конденсаторе при этом меняется мало, на ΔЕ =ΔQ_(-)/С₀ << Q_C/С₀ =Е_к, что обусловлено неравенством τ_нас<< R_н С₀, которое и служит количественной мерой исходного предположения о большой величине С₀ .

При разомкнутом ключе ток источника питания I_к0 весь идет через ветвь нагрузки, сообщая конденсатору С₀ заряд ΔQ₍₊₎ =I_к0τ_отс. , где τ_отс. – продолжительность пребывания транзистора в состоянии отсечки. Постоянный ток через конденсатор С₀ не идет: сколько заряда он приобретает в одной части периода Т =τ_отс.+ τ_нас, столько теряет в другой. Следовательно, ΔQ₍₊₎ = ΔQ_(-) . Подставляя сюда выписанные выражения для ΔQ₍₊₎ , ΔQ_(-) и I_C по (1), получим одно из уравнений, связывающих пока неизвестные величины I_к0 и I_кС — уравнение баланса заряда или тока:

I_к0τ_отс.=τ_нас — I_кСτ_нас … (1.25)

То же уравнение получается и из рассмотрения баланса заряда, протекающего через ветвь, которая содержит дроссель L_к. Постоянный ток I_к0, протекающий через эту ветвь, замыкается через коллекторную ветвь, так как через разделительный конденсатор он течь не может. За период Т через дроссель переносится заряд I_к0Т. Он возвращается коллекторным током I_кmax за время τ_нас, когда цепь замкнута (рис.1.30в), значит

I_к0Т = I_кmax τ_нас … (1.26) Подставляя сюда I_max по формуле (1.24), придем к тому же уравнению (1.25), которое, следовательно, эквивалентно (1.26).

Второе независимое уравнение получим, рассматривая падение потенциала от точки «А» до точки «В» (рис.1.36в), когда коллекторная ветвь замкнута. С одной стороны, оно равняется I_кmaxr_нас – падению напряжения на сопротивлении r_нас. С другой – сумме напряжений на конденсаторе Е_к и на нагрузке R_н, через которую течет ток (I_кС I_C) (ток и падение потенциала положительны, если направлены вниз от точки «А» к точке «В»). Приравнивая падения напряжения на параллельных ветвях, найдем:

I_кmaxr_нас = Е_к + ( I_кС – I_C )R_н … (1. 27)

Подставляя сюда выражения (1.23) для I_C и (1.26) для I_кmax, получим второе уравнение, связывающее I_к0 и I_кС – уравнение баланса потенциалов:

I_к0 ·r_нас = Е_к – + I_кСR_н … (1.28)

Исключая I_кС из уравнений (1.25) и (1.28), найдем основную величину, через которую удобно выражать все характеристики процесса – постоянный ток источника питания I_к0:

I_к0= … (1.29)

Формула (1.29) может быть представлена так, как она приведена в [3]:

I_к0= , …( 1.29’)

Получим формулы для других представляющих интерес характеристик процесса. Когда ключ замкнут ток источника питания I_к0 в точке «А» разветвляется: через коллекторную ветвь идет ток (I_r0I_кс), через нагрузочную ветвь — ток I_кс. Эти токи определяются из уравнений (1.25) и (1.28) после исключения из них Е_к.:

… (1.30) … (1.31)

Таким образом, ток I_к0 распределяется между указанными параллельными ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям R_н, и r_нас.

Максимальный ток через коллектор, согласно (1.26), равен I_кmax = I_к0 ,

где по смыслу этой формулы I_к0 является средним за период током через коллектор. Величины максимального и среднего коллекторного токов транзистора в ключевом режиме определяются напряжением Е_к, сопротивлением нагрузки R_н, а также соотношением между временем насыщения и временем отсечки, и не зависят ни от амплитуды возбуждения, ни от параметров транзистора.

При разомкнутом ключе через нагрузку течет ток I_к0. Напряжение на нагрузке равно:

U_н= I_к0R_н ≈ … (1. 32) Подставляя в (1.32) выражение I_к0 из (1.29) и учитывая (для упрощения), что r_нас<<R_н., получим, что напряжение на коллекторе приближенно равно (рис.1.36в): U_к= Е_к + I_к0R_н ≈ Е_к/(1-) ,…(1.33) При замкнутом ключе ток через нагрузку, (I_кС – I_C), согласно (1.23) и (1.31) равен: I_н= –+= –+I_к0 ≈ – …(1.34)

Напряжение на нагрузке:

U_н= –+I_к0 ≈ – Е_к(1– ·) ≈ – Е_к …(1.35)

Оно компенсирует напряжение на конденсаторе Е_к с точностью до малого напряжения на коллекторе:

U_к= I_кmax r_нас << Е_к …(1.36)

На рис.1.37 показаны эпюры токов и напряжений для трех случаев: при τ_нас < τ_отс, τ_нас = τ_отс и τ_нас> τ_отс соответственно. При τ_нас = τ_отс эпюры симметричны. Принимая импульсы коллекторного тока прямоугольными, можно последовательность этих импульсов разложить в ряд Фурье. Уровень гармонических составляющих тока коллектора зависит от относительного времени нахождения транзистора в состоянии насыщения . На рис.1.38 приведены кривые зависимостей коэффициентов a, характеризующих отношение гармонической составляющей I_кn к амплитуде прямоугольного импульса I_кmax, т.е. a_n=f(). Можно показать, что оптимальным является режим, когда = , при этом угол отсечки коллекторного тока q = . Из рисунка видно,что амплитуда первой гармоники здесь максимальна, т.е. в этом режиме мощность в нагрузке генератора наибольшая, а суммарная мощность высших гармоник в нагрузке – наименьшая. Кроме того, в таком режиме пик-факторы тока и напряжения на коллекторе не больше двух ( П_т= и П_н= ).

Эффективность работы транзистора в ключевом режиме оценивают специальным параметром — электронным КПД h_Э

При использовании ключевого режима в передатчиках необходимо, чтобы колебания в нагрузке были гармоническими, а нагрузка — одинаковой для всех гармоник коллекторного тока. В качестве такой нагрузки используют систему фильтров (рис.1.39) , основная особенность этой схемы — практически постоянное активное входное сопротивление нагрузки во всем диапазоне рабочих частот. Мощность первой гармоники выделяется в основной нагрузке R_н на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ), а мощность высших гармоник – в нагрузке

Рис.1.39

R_б на выходе фильтра верхних частот (ФВЧ). Таким образом, уровень мощности высших гармоник в основной нагрузке R_н невелик.

КПД по первой гармонике h_к1 не равняется электронному КПД h_э, он определятся формулой:

h_к1 = Р_~1/Р₀ .

Можно показать, что h_к1 @ 0,81h_Э, и хотя он не выше КПД усилителей мощности с резонансной нагрузкой, мощность рассеиваемая на транзисторе, работающем в ключевом режиме, намного меньше. Диапазонные свойства ключевых генераторов рис. 1.39 определяются частотными характеристиками фильтров. Для расширения частотного диапазона используют коммутацию фильтров.

На практике приведенные выше значения КПД h_э и h_к1 могут иметь место лишь на низких частотах. На высоких частотах работа транзистора в ключевом режиме осложняется изза инерционности транзистора и из-за наличия в схеме паразитных реактивностей L_п и С_п, которая на рис.1.36а показана пунктиром. И то, и другое является причиной появления дополнительных потерь мощности.

Потери из-за инерционности транзистора обусловлены тем, что переход транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения занимает некоторое время: t_ф — для фронта и t_сп — для спада (рис.40в) [1]. В течение этих интервалов времени транзистор находится в активной области, где потери, т.е. мощность рассеяния на коллекторе, больше, чем в режиме насыщения. На рис.1.40д всплески потерь из-за инерционности транзистора отмечены цифрой 1. Среднее значение этих потерь пропорционально времени t=t_ф+t_сп, когда они имеют место (рис.1.40в). Длительность активных периодов определяется инерционностью транзистора, параметрами схемы и условиями возбуждения. Максимальная частота, при которой их относительная величина не превышает 3% , равна f_max£.

Коммутатовные потери возникают из-за паразитных реактивностей С_п и L_п (рис.1.36а и 1.36б). В интервале отсечки (при разомкнутом ключе (рис.1.40а) емкость С_п заряжается до напряжения е_max » 2Е_к, а после перехода транзистора в состояние насыщения — разряжается на сопротивление r_нас, при этом импульс тока разряда I_c вызывает искажение формы коллекторного тока: в начале каждого импульса возникает узкий разрядный импульс (рис.1.40г-2) и дополнительный всплеск мощности потерь (рис.1.40д-2), он равен Р_потС»2fС_п.

Распределенная индуктивность L_п, которая запасает энергию во время пребывания транзистора в состоянии насыщения (ключ замкнут–рис.1.40б)), проявляется при переходе транзистора из состояния насыщения в состояние отсечки, при этом в импульсе напряжения е_к(t) появляется выброс (рис.1.40в -3) и, как следствие, всплеск мощности потерь (рис.1.40д-3), который пропорционален величине индуктивности L_п, квадрату протекающего через нее тока и рабочей частоте: P_потL»0,5fL_пI²_кmax.

Максимальные рабочие частоты, при которых величина мощности потерь из-за паразитных реактивностей схемы не превышают 3% определяются формулами: f_maxC£, т.е. , и f_maxL £ , т.е. w_maxLL_п£0,1R_н. Возбуждение транзисторов, работающих в ключевом режиме, произвоводится гармоническим током большой амплитуды, поэтому мощность возбуждения, потребляемая от предыдущего каскада, велика и коэффициент усиления по мощности в ключевом режиме ниже, чем в критическом, что является недостатком ключевого режима. Другой недостаток работающего в ключевом режиме генератора с резистивной нагрузкой – рост потерь с увеличением рабочей частоты. Эти недостатки ограничивают область их применения. Ключевые генераторы с резистивной нагрузкой используют на частотах до 30-40МГц в передатчиках ДВ, СВ и КВ диапазонов. На высокихчастотах, где коммутативные потери значительны, ключевые генераторы строят по cхемам c формирующим контуром.

Рис.1.40

1.13.2. Ключевые транзисторные генераторы с формирующим контуром

В схемах КГ с формирующим контуром нагрузкой транзистора является колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к рабочей. Паразитные реактивности здесь являются составной частью элементов контура, благодаря этому такие схемы работают на более высоких частотах, чем схемы с резистивной нагрузкой: до 100150 МГц.

Однако, использование колебательного контура с заданной настройкой ухудшает диапазонные свойства генератора — f_max/f_min=1. 051.1, что ограничивает область их применения. Одна из схем ключевого генератора с формирующим контуром приведена на рис.1.41а, где паразитные реактивности С_п и L_п входят в состав контура L_кС_к, настроенного на частоту, близкую к рабочей. Работу схемы поясняет рис.1.41.

Транзистор находится в одном из двух состояний — отсечки или насыщения. Он закрывается, когда напряжение на коллекторе е_к (на емкости С_к) становится равным нулю (на рис.1.41б) ключ разомкнут). Ток возбуждения и его частота выбраны так, что в момент времени t₁ (рис.1.41в) транзистор открывается (ключ на рис.1.41б) теперь замыкается на последующую половину периода). При этом конденсатор С_к шунтируется малым сопротивлением насыщения транзистора r_нас, и колебания в контуре прекращаются. В схеме происходят следующие процессы. В интервале времени t₁ £t< t₂ (рис.1.41в, эпюра 1) транзистор находится в состоянии насыщения (ключ на рис. 1.41б замкнут). Предполагается, что в течение предыдущего полупериода конденсатор С_к к моменту времени t = t₁ разрядился полностью, т.е. при t = t₁ заряд конденсатора С_к равен нулю. Сопротивление насыщения r_нас очень мало, его можно принять равным нулю. В этом предполож_ении, при котором напряжения на коллекторе и на конденсаторе С_к совпадают, построены все эпюры на рис.1.41в. Тогда в течение всего интервала времени t₁— t₂ напряжение на коллекторе е_к=0.

Процессы в этом интервале описываются уравнениями:

Е_аб = Е_к— L_к =0,

Е_аб = + i_нR_н=0, … (1.37)

i_к= i_L+i_н ,

где q_р – заряд на разделительной емкости С_р.

Ток i_L через индуктивность определяется в результате интегрирования первого уравнения с начальным условием i_L1 =- i_н. Последнее следует из того, что в момент замыкания ключа коллекторный ток отсутствует, i_к(t₁)=0. Тогда:

i_L= (t-t₁) + i_L1 = (t-t₁) — i_н(t₁) , …(1.38)

Дифференцируя второе из уравнений (1.37), получим:

=0,

Рис.1.41

откуда, с учетом того, что R_нС_р>>Т/2 (t₂ — t₁ = Т/2) имеем:

i_н = i_н1 » i_н1,

Таким образом, ток i_н(t) через нагрузку R_н в течение полупериода t₁ £t< t₂ практически не меняется, он близок к начальному значению i_н(t₁) (рис.1.41в, эпюра 6). Поскольку разделительная емкость С_р фактически заряжена до напряжения источника Е_к, ток i_н(t) равен

i_н ≈ i_н1=Е_к/R_н ,

Из третьего соотношения (1. 37) и равенства (1.38) определяется ток i_к через транзистор:

i_к= i_L+ i_н = (t-t₁) + i_L1+ i_н1 = (t-t₁),

В момент времени t=t₂ транзистор переходит из состояния насыщения в состояние отсечки (рис.1.41в, эпюра 1) (на эквивалентной схеме рис.1.41б ключ разомкнут). Здесь ток i_к(t) исчезает (рис.1.41в, эпюра 3), и начинается заряд емкости С_к от источника питания Е_к через катушку индуктивности L_к током i_L, который при t=t₂ максимален. Ток i_с при t=t₂ также максимальный, он равен приблизительно току i_L(t₂) (рис.1.41в, эпюры 5 и 4). По мере заряда емкости С_к напряжение на ней растет, а ток i_с уменьшается (рис.1.41в, эпюра 4). Ток i_L через катушку индуктивности L_к тоже уменьшается, но медленнее, чем i_c – в соответствии с равенством i_н+ i_L= i_с и отрицательным знаком тока i_н в течение почти всего полупериода t₂< t< t₅ (рис. 1.41в, эпюры 4,5 и 6). Ток i_с обращается в нуль в момент t=t₃, когда напряжение е_к на емкости С_к максимально, после чего он меняет направление, становясь отрицательным. Ток i_L при t>t₃ продолжает уменьшаться, но при t=t₃ он еще не меняет направления (рис.1.41в, эпюры 2,4,5 и 6).

Баланс напряжений в цепи L_к-С_к-E_к описывается уравнением:

Е_к=L_ке_к

В интервале времени (t₃ -t₅) конденсатор С_к разряжается. Ток i_L через индуктивность достигает минимума (=0), когда напряжение на емкости С_к становится равным напряжению источника питания Е_к (это происходит при t=t₄) (рис.1.41в, эпюры 2,4 и 5). Потом ток i_L начинает расти, достигая значения -i_н(t₁) в момент окончания цикла при t=t₅, когда напряжение на конденсаторе и ток через конденсатор обращаются в нуль (рис. 1.41в, эпюры 4-6). Ток i_с через конденсатор достигает минимума в момент времени t, которому соответствует точка перегиба кривой напряжения на нем е_к(t) (=0) (рис.1.41в, эпюры 2 и 4).

В зависимости от величины внесенного в контур сопротивления r_вн=(wL_к)/R_н разряд конденсатора происходит поразному. На рис.1.41в, эпюра 2) кривая разряда 1 соответствует разряду при слишком большом затухании, кривая 2 — при малом, кривая 3 — при оптимальном, когда в момент времени t₁ (и t₅) и напряжение е_к=0, и ток в индуктивности L_к i_L(t₁) = 0. При t =t₅ начинается новый цикл. При оптимальном режиме к моменту замыкания ключа (t=t₁, t=t₅) е_к=0, это означает отсутствие энергии в конденсаторе С_к к моменту переключения, т.е. отсутствие коммутативных потерь. При =0 ток i_к начинает нарастать с нуля без скачка. При r_н ¹0 в состоянии насыщения появляется остаточное напряжение на коллекторе транзистора u_к(t)=r_насi_к(t) (штриховая линия на рис. 1.41в, эпюра 2) и возникают потери, мощность которых определяется формулой Р_пот= . Как показывают расчеты, при относительно малом сопротивлении насыщения (£ 0,01) эти потери малы. Таким образом, суммарные потери при оптимальном режиме малы.

Во втором полупериоде, когда транзистор заперт, ток i_н в нагрузке меняет направление на обратное. К концу этого полупериода он снова меняет знак. Таким образом, в интервале времени t₃-t₄ ток i_н(t) должен иметь минимум (рис.1.41в, эпюра 6).

Из рис.1.41в видно, что напряжение на коллекторе е_к, а значит и на нагрузке, отличается от гармонического, поэтому перед нагрузкой включают фильтр, например, последовательный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту и имеющий добротность Q³3. Режим работы генератора при этом практически не меняется. Известно, что КПД по первой гармонике генератора с формирующим контуром при работе в оптимальном режиме практически равен электронному КПД: h_к1@ h_Э. Показатели КУМ почти не меняются в диапазоне рабочих частот f_р@(0,5-0,85)f_рез, где f_рез — резонансная частота формирующего контура:

f_рез= .

Следует, однако, отметить, что реализация оптимального режима, связанная с определением параметров схемы, — задача достаточно сложная, требующая составления и решения системы дифференциальных уравнений, описывающих работу схемы в каждый момент времени. Без применения ЭВМ решение такой задачи практически невозможно [3]. Изменение сопротивления нагрузки, напряжения возбуждения или рабочей частоты приводят к нарушению условий существования оптимального режима, в результате возрастают коммутационные потери и падает энергетическая эффективность генератора.

Существенным недостатком ключевых генераторов с формирующим конуром является высокое напряжение на транзисторе: U_кmax =(3,3-4)Е_к, в связи с этим приходится понижать напряжение Е_к , что снижает выходную мощность и КПД.

Двухтактные ключевые генераторы по частотным свойствам несколько уступают однотактным. Это объясняется неоптимальными условиями коммутации транзисторов (скачкообразным изменением либо тока, либо напряжения при переключениях) и задержкой их выключения вследствие рассасывания избыточных носителей, накопленных в области базы при насыщении. Преимуществом двухтактных генераторов по сравнению с однотактными является меньшее отношение максимального напряжения на транзисторе к напряжению источника питания, что позволяет увеличить мощность, получаемую от одного прибора. Поэтому там, где инерционность транзисторов и связанные с ней потери при коммутации не имеют значения, предпочтительно применение двухтактных схем.

Апериодические ключевые усилители (КУМ), называемые усилителями класса D, применяют главным образом для усиления колебаний звуковых частот. Принцип их действия состоит в преобразовании усиливаемого сигнала в последовательность модулированных по ширине импульсов (ШИМ) с тактовой частотой F_Т, усилении их ключевыми усилителями и последующим выделении в нагрузке низкочастотной составляющей сигнала с ШИМ фильтром низкой частоты (ФНЧ).

Эффективность КУМ на электронных лампах в диапазоне радиочастот оказывается невысокой из-за больших коммутационных потерь, поэтому ключевой режим в ламповых ВЧ генераторах обычно не используется. При частотах ниже 100 кГц ламповые усилители НЧ класса D, работающие с повышенным КПД, в настоящее время вытесняют двухтактные трансформаторные модуляторы класса В. Одна из возможных схем мощного высоковольтного ключевого лампового модулятора класса D с модуляционным дросселем L_м и диодом Д. При изменении длительности t_и управляющего импульса на сетке лампы Л_м модулятора изменяется среднее значение токадиода и соответственно и среднее значение напряжения на нагрузке U_н=I₀R_H(1- , где I₀ — ток в дросселе L_м. Достоинствами этой схемы являются наличие общей шины источника питания, лампы модулятора Л_м и нагрузки R_Н, возможность использования источника анодного питания с пониженным напряжением Е_а=U_нм/(2…3), а также возможность использования модуляционного дросселя L_м в качестве элемента фильтра высоковольтного источника питания Е_а.

Исследование работы транзистора в ключевом режиме

План-конспект

занятия по дисциплине ОП.04 «Электроника и микропроцессорная техника»

Преподаватель: Федотова Айыына Николаевна

Группа: ТЭПС-18

Время: 1 час 30 мин

Тема раздела: Электронные приборы

Тема занятия: Исследование работы транзистора в ключевом режиме

Методы обучения: Лабораторный метод

Тип занятия: Урок закрепления знаний

Вид занятия: Лабораторная работа

Цель занятия:

Обучающая: ознакомиться с основными свойствами и параметрами транзистора, способом его управления.

Развивающая: развивать умение анализировать, сравнивать, обобщать, делать выводы. Развивать техническое мышление обучающихся, память, точность в расчётах.

Воспитывающая цель: воспитывать дисциплину, аккуратность, добросовестность, ответственность за точность расчётов.

Оборудование к уроку:

— комплект учебно-лабораторного оборудования «ЭЦОЭ-СКМ-2»

Наглядно-дидактические материалы:

1. Методические рекомендации по проведению лабораторных работ

2. М.А.Жаворонков, А.В.Кузин.-4-е изд., испр. – М. : Издательский центр «Академия», 2011.-400 с. – (Сер. Бакалавриат)

3. Немцов М.В. Электротехника и электроника. М.: Издательский центр «Академия», 2012

Ход урока

№	Этап урока	Содержание этапов урока	Время, мин
1	Организационный момент	Сверка присутствующих по списку. Объявление плана занятия.	2-3
2	Подготовительный этап	Фронтальный опрос по теоретической части темы. Повторение правил техники безопасности (приложение 1). Разбивка студентов на подгруппы.	10
3	Выполнения лабораторной работы	Объяснение хода выполнения лабораторной работы (приложение 2). Выполнение лабораторной работы. Наблюдение за деятельностью студентов. Защита лабораторных работ.	70
4	Рефлексия	Самоанализ занятия, обсуждение со студентами.	5
5	Домашнее задание	Раздача домашнего задания	3

Общие правила техники безопасности при выполнении лабораторной работы.

До начала работы на стендах студенты проходят инструктаж по технике безопасности и в последующем строго выполняют установленные правила:

1. Во время сборки электрических схем необходимо следить за тем, чтобы провода были плотно зажаты зажимами. Соединения проводов без зажимов должны быть изолированы. По возможности следует избегать пересечений монтажных проводов.

2. Электропитание к собранной схеме можно подключать только после разрешения преподавателя.

3. Категорически запрещается прикасаться голыми руками к металлическим зажимам, деталям, неизолированным проводам, когда цепь находится под напряжением.

4. Наличие напряжения на зажимах приборов или элементов схем следует проверять измерительным прибором, имеющим соединительные провода со щупами и изолированными ручками.

5. Запрещается производить какие-либо переключения цепи, когда она находится под напряжением. Всякие изменения в схеме производятся только с разрешения преподавателя, и после различных переключений она проверяется преподавателем.

6. Необходимо следить за тем, чтобы во время работы случайно не коснуться вращающихся частей электрических машин.

7. Следует проявлять осторожность при работе с обесточенными цепями, в которых включены конденсаторы и конденсаторные батареи.

8. При возникновении во время работы неисправностей в учебной установке, оборудовании или приборах, следует немедленно выключить напряжение питания и сообщить о неисправности преподавателю.

9. Запрещается оставлять под напряжением учебную схему и приборы.

Несоблюдение правил техники безопасности опасно для жизни и может привести к несчастным случаям.

Пострадавшим от тока должна быть оказана немедленная помощь. Необходимо как можно быстрее освободить пострадавшего от тока, для чего следует отключить установку, дать полный покой, расстегнуть пояс и одежду, обеспечить приток свежего воздуха, дать понюхать нашатырный спирт. Если пострадавший не подает признаков жизни, следует применять приемы искусственного дыхания. Во всех случаях поражения током следует вызвать врача.

Студенты, не выполняющие правила работы, лишаются права пользования лабораторией.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Исследование работы транзистора в ключевом режиме»

1. Цель работы:

• закрепление теоретических знаний о физических процессах, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в ключевом режиме, знакомство с транзисторными элементами логических схем.

Оборудование: мультиметры, источники постоянного напряжения (2 шт. по 12 В), наборное поле; минимодули: резистор 1 кОм – 2шт, 680 Ом, потенциометр 10 кОм; биполярный транзистор КТ817 и КТ315.

Правила техники безопасности: Общие правила техники безопасности при выполнении лабораторной работы.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Работа транзистора в ключевом режиме

Ключ коммутирует (включает и выключает) участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном – весьма большим сопротивлением.

В отличие от усилительных схем транзистор ключа работает в нелинейном режиме: с некоторых их значений базового напряжения U_б ток его коллектора перестает изменяться вслед за U_б.

Ключ устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.

На рисунке 1,а изображена схема параллельного ключа. Когда под действием управляющего напряжения U_упр транзистор запрет (выключен), нагрузка R_Н через резистор R_K подключена к источнику питания E_К. Если управляющим напряжением обеспечивается насыщение (выключение) транзистора, нагрузка оказывается зашунтированной его незначительным сопротивлением и напряжение на ней близко к нулю.

Рис. 1

На рисунке 1,б приведена схема последовательного ключа. При включенном транзисторе нагрузка R_Н подключается к напряжению U_вх, при выключенном – это связь обрывается. Данный ключ будет нормально работать при U_вх 0. Ключевые свойства транзистора не являются идеальными (R_вкл ≠ 0, R_вык ≠ ∞). Поэтому для повышения эффективности коммутации иногда осуществляют одновременно последовательным и параллельным ключами. При этом для подключения нагрузки транзистор последовательного ключа включается, а транзистор параллельного ключа выключается. Для отключение нагрузки состояния транзисторов изменяются на противоположные.

Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, определяемое временем переключения.

Ключи используются не только по прямому назначению, но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.

2.2 Ключи на биполярных транзисторов

В ключевом Каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером. Именно этот вариант имеется в виду при рассмотрении стационарных и переходных режимов ключей на биполярных транзисторах.

Стационарные состояния ключа.

Ключевой каскад, рисунок 2,а, может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном (транзистор заперт).

Режим насыщения возникает при положительном управляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток I_б удовлетворяет условию:

I_б β ≥ I_кн

где β – коэффициент усиления базового тока; I_кн – ток насыщения коллектора.

При насыщении транзистора I_к = I_кн ≈ Е_к/R_к, U_кн = Е_к — I_кн R_н ≈ 0.

Режим отсечки, (транзистор заперт) возникает при отрицательном управляющем напряжении, если он обеспечивает запирание эмиттерного перехода (U_бэ ≤ 0). Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из неё обратный ток коллекторного перехода (I_ко), указанное условие запишем в виде

U_упр + I_{ко max} R_б ≤ 0

где U_упр – абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения; I_{ко max} – значение обратного тока при максимальной рабочей температуре.

В режиме отсечки I_к = I_ко ≈ 0, U_к = Е_к — I_ко R_k ≈ Е_к.

Рис.2

3. Задания и порядок работы

1. На наборном поле с помощью минимодулей соберите цепь согласно схеме (рис.3). для измерений токов и напряжений приборы подключайте поочередно.

2. Медленно увеличивая ток базы I_б резистором R₁ от 0 до состояния насыщения транзистора, измерьте соответствующие значения напряжений и токов: I_б, U_упр, I_k, U_вых и занесите их в таблицу 1.

Рис.3

Таблица 1

Срабатывание ключа	Входные параметры		Выходные параметры
	Iб, мА	Uупр, В	Iк, мА	Uвых, В

1. Зафиксируйте параметры, когда транзистор откроется, и когда войдет в состояние насыщения.

2. Выполните это исследование в обратном порядке и зафиксируйте параметры, когда транзистор закроется.

Примечание: характеристики транзистора изменяются в ходе работы из-за нагрева.

1. Постройте графики U_вых (U_вх), выбрав соответствующие масштабы.

2. Определите величину управляющего сигнала U_вх и I_вх для срабатывания транзисторного ключа, если условно принять за пороги переключения напряжения: 1) верхний – 0,9 U и нижний -0,1 U; 2) верхний – 0,8 U и нижний – 0,2 U. Занесите эти данные в таблицу 1.

4. Контрольные вопросы по лабораторной работе:

1. Как работает транзисторный ключ?

2. Какими основными параметрами характеризуется транзисторный ключ?

3. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?

4. Как зависят параметры переходных процессов от насыщения?

5. Что такое инверсное запирание транзисторного ключа?

6. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры транзисторного ключа?

7. Что такое «динамические потери» транзисторного ключа?

8. Опишите методы снижения динамических потерь.

5. Содержание отчета по лабораторной работе

1. Тема лабораторной работы

2. Цель работы

3. План работы

4. Выполненные расчеты

5. Построенные входные и выходные характеристики

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Вывод (сопоставление данных опытов и расчетов, объяснение полученных расхождений).

Домашнее задание: ответить на контрольные вопросы по лабораторной работе

Введение в транзисторы NMOS и PMOS

В этой статье мы представим основные концепции MOSFET, уделив особое внимание двум его основным формам: транзистору NMOS

и транзистору PMOS . Мы также кратко обсудим производственный процесс, математические модели и два основных применения NMOS и PMOS: усилители и переключатели.

 

 

В статье Полное руководство по электронным схемам представлены концепции пассивных и активных компонентов, а также основы транзисторов. Однако мы остановились на биполярном транзисторе, широко используемом, но далеко не единственном в электронике. В этой статье мы обсудим металлооксидные полевые транзисторы, или сокращенно MOSFET. Эти транзисторы широко применяются в приборах со смешанными сигналами, ASIC и импульсных источниках питания. Понимание транзисторов NMOS и PMOS, а также того, где они применяются и как их реализовать, имеет основополагающее значение, поскольку они стали основным выбором транзистора практически для любого приложения. Они обеспечивают очень большой входной импеданс, возможности быстрого переключения, малое сопротивление в открытом состоянии и очень малую площадь основания, что идеально подходит для конструкций с высокой плотностью размещения.

 

 

 

С точки зрения электроники принцип работы транзистора очень прост: он имеет три основных вывода, и ток, протекающий через один из его выводов, можно контролировать с помощью напряжения между двумя другими выводами. В случае полевого МОП-транзистора напряжение между затвором и портами истока управляет током, протекающим через сток. Соотношение между током стока (I

D ) и напряжением затвор-исток (V _GS ) сильно нелинейна и разделена на три рабочих области. Каждый регион имеет свои собственные условия, свойства и уравнения, как описано в таблице ниже: описывают, как ток стока (I _D ) реагирует на изменение напряжения сток-исток (V _DS ), и являются ключевыми для понимания приложений MOSFET. В отсечка области транзистор действует как разомкнутая цепь между стоком и истоком, в области линейная связь между V _DS и I _D почти омическая, а в режиме насыщения ток равен – в идеале – независимый от V

DS . Эффект модуляции длины канала предотвращает полную независимость тока от V _DS , поэтому член λ описывает, как ток изменяется с V _DS во время насыщения. Константы K _n и K _p зависят от материала MOSFET (емкость оксида и подвижность заряда) и геометрии (ширина канала W и длина L). При разработке схемы микроэлектроники разработчик может использовать значения W и L для управления уравнением тока. В схемотехнике напряжение затвор-исток V _GS используется для управления режимом работы транзистора.

Существует два типа МОП-транзисторов: NMOS и PMOS. Разница между ними заключается в конструкции: в NMOS используются легированные полупроводники N-типа в качестве истока и стока и P-типа в качестве подложки, тогда как в PMOS все наоборот. Это имеет несколько последствий для функциональности транзистора (таблица 1). Наиболее очевидным из них является направление тока стока и полярность напряжений: пороговое напряжение В

TH , V _GS и V _DS отрицательные. Во-вторых, носители заряда не одинаковы: NMOS использует электроны, а PMOS использует дырки в качестве основных носителей. Это сильно влияет на константу K , что приводит к нескольким отличиям:

 

• NMOS быстрее, чем PMOS;
• Сопротивление NMOS во включенном состоянии почти вдвое меньше, чем у PMOS;
• PMOS менее подвержены шуму;
NMOS-транзисторы
• занимают меньше места, чем PMOS, при том же выходном токе;

 

NMOS используется чаще благодаря своим преимуществам, однако во многих приложениях требуются поляризационные характеристики PMOS. Также в аналоговой и цифровой микроэлектронике широко используются как NMOS, так и PMOS. В частности, к одной из самых популярных структур МОП относятся оба: КМОП (комплементарная МОП). Эта структура (рис. 2) действует как цифровой инвертор: когда напряжение V _G

низкое, NMOS отключает от , а PMOS включает от , создавая путь с низким импедансом от выхода к V _CC , а когда V _G имеет высокий уровень, NMOS переключает на , а PMOS выключает на , что приводит к пути с низким импедансом к земле. Это гарантирует, что выходной контакт всегда подключен к стабильному и четко определенному напряжению, что важно для цифровых систем. Конечно, и NMOS, и PMOS должны работать симметрично.

 

Рис. 2. Символ NMOS, символ PMOS и символ CMOS

 

 

Хотя работу транзистора можно описать затвором, стоком и истоком, МОП-транзистор на самом деле является 4-выводным устройством. Четвертый порт называется

корпусом , и он подключен к подложке транзистора. Если напряжение между корпусом и истоком отличается от нуля, транзистор будет страдать от эффекта тела . Эффект тела изменяет пороговое напряжение V _T и может использоваться для динамического изменения свойств транзистора. Однако обычно считается нежелательным эффектом, который возникает, когда узел тела не подключен напрямую к источнику напряжения. Для простоты каждое уравнение в этой статье рассматривает V _BS = 0 В, поэтому эффект тела обнуляется.

 

Рис. 3: NMOS без эффекта тела и с ним.

 

 

МОП-транзисторы построены на кремниевых пластинах. В этом процессе используется легирование полупроводников и выращивание оксидов для создания областей N-типа, P-типа и изолирующих областей послойным образом. Геометрические формы получают с помощью фотолитографии и химического травления. Упрощенную иллюстрацию поперечного сечения NMOS и PMOS можно увидеть на рисунке 4.9.0007

 

Рис. 4. Поперечные сечения NMOS и PMOS

 

Области стока и истока сильно легированы N-примесями (NMOS) или P-примесями (PMOS), а подложка легирована противоположным тип (P-тип для NMOS и N-тип для PMOS). Это чередование приводит к области истощения, которая блокирует любой ток между стоком и истоком, что объясняет область отсечки

. Затвор соединен с тонким слоем диоксида кремния, который изолирует соединение затвора от подложки. При подаче напряжения на затвор электрическое поле притягивает неосновные носители в область под слоем SiO2. Это «FET» (полевой транзистор) часть MOSFET. Когда в этой области накапливается достаточно заряда, неосновные носители становятся основными, образуя канал того же типа, что и сток и исток (рис. 5). Напряжение затвор-исток, которое приводит к инверсии канала, равно пороговому напряжению V _ТХ . Вот почему NMOS требует положительного напряжения (для притяжения электронов), а PMOS требует отрицательного напряжения (для притяжения дырок) для формирования канала.

 

Рис. 5. Формирование канала и отсечка в транзисторе NMOS.

 

Канал представляет омическое сопротивление для фиксированного V _GS (линейный режим работы), пока V _DS остается меньше, чем V _GS – V _TH . После этого концентрация заряда вблизи стока обнуляется, и канал становится «пережатым». это называется канал отсечки, и отмечает разделение между областями насыщения и линейными областями. По мере увеличения V _DS точка защемления перемещается и эффективная длина канала уменьшается, что приводит к эффекту модуляции длины канала , описанному ранее.

Трудно охватить все области применения NMOS и PMOS, поскольку они могут использоваться в качестве активных нагрузок, управляемых напряжением резисторов, трансимпедансных усилителей, токовых зеркал и даже конденсаторов и диодов. Таким образом, мы остановимся на наиболее популярных приложениях: усилителях напряжения и переключателях. Однако те же рассуждения, которые используются здесь, могут быть применены и к другим случаям.

 

Усилитель

 

Как NMOS, так и PMOS можно рассматривать как преобразователи напряжения в ток, поэтому можно разработать усилитель напряжения, просто добавив резистивную нагрузку к выходному току. Однако, чтобы работать как источник тока, ток стока не должен зависеть от напряжения стока (другими словами, выходное сопротивление должно быть очень высоким). Следовательно, для использования в качестве усилителя напряжения полевой МОП-транзистор должен работать в области насыщения. Кроме того, из-за крайне нелинейной природы уравнений тока входной сигнал должен быть небольшим, чтобы предотвратить нелинейные эффекты. Методы линеаризации схемы доступны в литературе.

 

Существует три основных типа усилителей на МОП-транзисторах: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Разница между ними заключается в роли каждого контакта.

 

• Общий-исток: затвор используется как вход, исток подключен к фиксированному напряжению, а сток подключен к резистивной нагрузке для усиления. Общий исток в основном используется для высоких коэффициентов усиления и высокого входного импеданса. Однако коэффициент усиления отрицательный, и схема ограничена по частоте эффект Миллера.

 

• Общий затвор: использует исток в качестве входа и сток в качестве выхода, а затвор подключен к фиксированному напряжению. В этом усилителе входное сопротивление мало, потому что сигнал подключен к источнику. Однако он устраняет эффект Миллера и, следовательно, обеспечивает лучшую пропускную способность. Прибавка тоже положительная. Обычно он используется в высокочастотных приложениях и для преобразования тока в напряжение.

 

• Общий сток: этот усилитель подключает сток к фиксированному напряжению, использует затвор в качестве входа и исток в качестве выхода. Эта топология в основном используется в буферах, так как обеспечивает стабильный и линейный единичный коэффициент усиления по напряжению.

 

Рис. 6. Усилители с общим истоком, общим стоком и общим затвором, использующие NMOS.

 

Проектирование схемы и анализ этих усилителей можно выполнить в три основных этапа:

 

1. Выберите топологию в соответствии с требованиями к усилению и частотными характеристиками проекта.

 

2. Разработайте схему поляризации постоянного тока для обеспечения точки смещения транзистора. Эта точка может быть рассчитана с использованием уравнений из Таблицы 1. Поляризация должна быть выбрана так, чтобы транзистор оставался в точке насыщения, обеспечивая при этом достаточную линейность и запас прочности для выходного сигнала. Точка смещения также будет определять крутизну транзистора.

 

3. Используя линеаризованную модель полевого МОП-транзистора для слабого сигнала, спроектируйте схему, обеспечивающую требуемый коэффициент усиления, частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, шум и т. д.

 

 

 

Переключатель

 

Хороший переключатель можно определить по двум характеристикам: он обеспечивает очень большое сопротивление при Если он не сможет разомкнуть цепь, то пройдут токи утечки, и путь прохождения сигнала станет неуправляемым. Если он не закроется, перепады напряжения ослабят сигнал и увеличатся потери мощности. МОП-транзисторы очень хороши по обоим свойствам, так как они обеспечивают очень большой импеданс в область отсечки и очень маленькое последовательное сопротивление в линейной области. Также командный сигнал изолирован от сигнального тракта, что значительно упрощает схему управления. Низкое сопротивление на и высокое сопротивление затвора чрезвычайно желательны в импульсных преобразователях мощности, поскольку они значительно повышают эффективность. Кроме того, небольшие размеры МОП-переключателей значительно увеличивают плотность логических портов внутри одного чипа, что было основополагающим фактором для цифровой 9-канальной архитектуры.0043 стрела в современной технике.

 

Как NMOS, так и PMOS транзисторы могут использоваться в качестве переключателей, и применение зависит от управляющего сигнала и направления тока. В приложениях микроэлектроники, где размеры MOSFET могут быть изменены, важно спроектировать транзистор так, чтобы получить точку с очень низким сопротивлением в закрытом состоянии, что можно сделать, изменив W и L и технологию. Кроме того, паразитные емкости должны быть сведены к минимуму, чтобы предотвратить перекрестные помехи через транзистор в открытом состоянии. Пиковое напряжение, инжекция заряда, максимальный ток и время переключения являются примерами параметров, которые также следует контролировать. Для приложений, использующих дискретные полевые МОП-транзисторы, что характерно для большинства преобразователей мощности с импульсным режимом, транзисторный ключ следует выбирать с учетом всех вышеперечисленных требований, а также рассеивания тепла и управления затвором. Существует несколько топологий переключателей MOSFET. На рис. 7 показаны три различные реализации: простой NMOS-переключатель, передающий вентиль, допускающий двунаправленный ток, и цифровой КМОП-преобразователь, который можно рассматривать как дополнительный переключатель.

 

Рис. 7. NMOS-переключатель, передающий вентиль для двустороннего переключения и CMOS-инвертор.

 

Хотите узнать цены?

Рассчитайте размер кристалла на пластину (DPW)

Калькулятор стоимости корпуса ИС

Начните проектирование SoC сегодня, нажмите здесь

Устройство, принцип работы, коммутационные схемы и РЕЗИСТОР — преобразователь сопротивления.

Он заменил лампы в начале 1950-е годы. Это трехвыводное устройство, используемое для усиления и коммутации в электронных схемах. Прилагательное «биполярный» (биполярный переходной транзистор) служит для отличия от полевых транзисторов (FET). Принцип работы биполярного транзистора заключается в использовании двух p-n переходов, образующих барьерный слой, что позволяет малым током управлять около с наибольшим током. Биполярный транзистор используется и как управляемое сопротивление, и как ключ. Транзисторы бывают двух типов: pnp и npn.

• P-N соединение
• PNP-транзистор
• NPN-транзистор
• Цепи переключения транзисторов
• Общий эмиттер
• Общий коллектор
• Общая база
• Два основных режима работы
• Другие типы транзисторов

P-N переход

Германий (Ge) и кремний (Si) являются полупроводниками. Сейчас в основном используется кремний. Валентность Si и Ge равна четырем. Поэтому, если мы добавим пятивалентный мышьяк в кристаллическую решетку кремния (As), то получим «лишний» электрон, а если добавим трехвалентный бор (B), то получим вакантное место для электрона. В первом случае говорят о «донорном» материале, отдающем электроны, во втором случае говорят о «акцепторном» материале, принимающем электроны. Также первый тип материала называется Н (негативный), а второй — П (позитивный).

При соприкосновении материалов типа P и N между ними возникнет ток и установится динамическое равновесие с обедненной областью, где концентрация носителей заряда — электронов и вакантных мест («дырок») — небольшой. Этот слой имеет одностороннюю проводимость и служит основой для устройства, называемого диодом. Прямой контакт материалов не создаст качественного перехода; необходимо сплавление (диффузия) или «забивание» ионов примеси в кристалл в вакууме.

Транзистор PNP

Впервые биполярный транзистор был изготовлен путем вплавления капель индия в кристалл германия (материал n-типа). Индий (In) представляет собой трехвалентный металл р-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (легированным), имеющим p-n-p (или pnp) структуру. Биполярный транзистор на рисунке ниже был изготовлен в 1965 году. Для наглядности его корпус разрезан.

Кристалл германия в центре называется основой, а вплавленные в него капельки индия — эмиттером и коллектором. Переходы ЭБ (эмиттер) и КВ (коллектор) можно рассматривать как обычные диоды, но переход СЕ (коллектор-эмиттер) имеет особое свойство. Поэтому изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов невозможно.

Если между коллектором (-) и эмиттером (+) транзистора типа pnp приложить напряжение в несколько вольт, в цепи будет протекать очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) — для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) — то от эмиттера к база. Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (она «теряет» свой излишек электронов, которые уйдут к эмиттеру). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а рекомбинация электронов в слаболегированной базе немного задерживается, то о большая часть тока будет течь от эмиттера к коллектору. Коллектор выполнен крупнее эмиттера и слегка легирован, что позволяет ему иметь на о меньшее напряжение пробоя (U _{Sample CE} > U _{Sample EB} ). нагревается сильнее остальных электродов прибора.

Между токами коллектора и эмиттера существует соотношение:

Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины основания. Это значение называется коэффициентом передачи тока эмиттера. На практике часто используется обратная величина (обозначается также h _21e ):

Это коэффициент передачи тока базы, один из важнейших параметров биполярного транзистора. На практике это чаще всего определяет усиливающие свойства.

Транзистор PNP называется транзистором с прямым проводником. Но есть еще один тип транзистора, структура которого прекрасно дополняет по схемотехнике pnp.

Транзистор NPN

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Затем основу изготавливают из материала П-типа. И в этом случае транзистор npn работает точно так же, как и pnp, за исключением полярности — это транзистор обратной проводимости.

Кремниевые транзисторы подавляют своим количеством все другие типы биполярных транзисторов. Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий «лишний» электрон. Изменилась и технология изготовления транзисторов. Теперь они планарные, что позволяет использовать литографию и делать интегральные схемы. На рисунке ниже показан планарный биполярный транзистор (как часть интегральной схемы при большом увеличении). По планарной технологии изготавливают как pnp, так и npn транзисторы, в том числе и мощные. Сплав уже снят с производства.

Планарный биполярный транзистор в разрезе следующего рисунка (упрощенная схема).

На снимке видно, насколько удачно устроена конструкция планарного транзистора — коллектор эффективно охлаждается кристаллической подложкой. Также изготавливается планарный pnp-транзистор.

Условные графические обозначения биполярного транзистора показаны на следующем рисунке.

Данные УГО являются международными, а также действуют по ГОСТ 2.730-73.

Схемы включения транзисторов

Обычно в прямом включении всегда используется биполярный транзистор — обратная полярность на переходе КЭ ничего интересного не дает. Для схемы прямого включения существует три схемы подключения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже. Объясняют только сам принцип работы — при условии, что рабочая точка каким-то образом установлена ​​с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи. Для открытия кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал между эмиттером и базой ~0,6 В, а для германиевого достаточно ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Ib, ток коллектора Ik равен току базы, умноженному на β. При этом напряжение +Е должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, а значит, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертирован). Это используется в цифровых технологиях как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то подбором тока базы устанавливают напряжение U ₂ равно E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении звуковых сигналов в усилителях высокого класса с малыми искажениями и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления α ~ 1. Поэтому данная схема называется эмиттерным повторителем. Ток в цепи эмиттера в β + 1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкий выходной сигнал и очень высокий входной импеданс. (Настало время вспомнить, что транзистор называется трансформатором сопротивления. )

Характеристики и рабочие параметры эмиттерного повторителя очень подходят для пробников осциллографов. Он использует свой огромный входной импеданс и низкий выходной сигнал, что хорошо подходит для согласования с кабелем с низким импедансом.

Общая база

Эта схема характеризуется наименьшим входным сопротивлением, но ее коэффициент усиления по току равен α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Его особенностью является устранение влияния обратной связи на емкость (эфф. Миллер). Каскады с ОВ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на малые сопротивления 50 и 75 Ом.

Каскады с общей базой очень широко применяются в технике СВЧ и очень распространено их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерных повторителей.

Два основных режима работы

Различают режимы работы с помощью «малого» и «большого» сигнала. В первом случае биполярный транзистор работает в небольшой области своих характеристик и это используется в аналоговой технике. В таких случаях важны линейность усиления сигнала и низкий уровень шума. Это линейный режим.

Во втором случае (ключевой режим) биполярный транзистор работает во всем диапазоне — от насыщения до отсечки, как ключ. Это означает, что если смотреть на ВАХ p-n перехода, то для полного запирания транзистора следует подать небольшое обратное напряжение между базой и эмиттером, а для полного открытия при переходе транзистора в режим насыщения немного увеличить базовый ток по сравнению с режимом слабого сигнала. Тогда транзистор работает как импульсный переключатель. Этот режим используется в коммутационных и силовых устройствах, применяется для коммутации источников питания. В таких случаях стараются добиться малого времени переключения транзисторов.

Цифровая логика характеризуется промежуточным положением между «большими» и «малыми» сигналами. Низкий логический уровень ограничен 10% напряжения питания, а высокий 90%. Задержки и переключения стремятся сократить до предела. Этот режим работы является ключевым, но здесь стремятся минимизировать мощность. Любой логический элемент является ключом.

Другие типы транзисторов

Уже описанные основные типы транзисторов не ограничивают их расположение. Производятся составные транзисторы (схема Дарлингтона). Их β очень велико и равно произведению коэффициентов обоих транзисторов, поэтому их еще называют «супербетовыми» транзисторами.

Электротехника уже освоила IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), с изолированным затвором. Затвор полевого транзистора действительно изолирован от своего канала. Правда, стоит вопрос о подзарядке его входной емкости при коммутации, так что без тока тут не обойтись.

Такие транзисторы используются в мощных силовых ключах: импульсных преобразователях, инверторах и т.д. Входные IGBT очень чувствительны из-за высокого сопротивления затвора полевых транзисторов. На выходе — дают возможность получать огромные токи и могут изготавливаться на высокое напряжение. Например, в США есть новая солнечная электростанция, где такие транзисторы по мостовой схеме нагружены мощными трансформаторами, передающими энергию в промышленную сеть.