Site Loader

Содержание

Ответы модуль 15 ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ КАСКАДЫ электротехника электроника схемотехника

Автор admin На чтение 3 мин. Просмотров 14 Опубликовано

Ответы на модуль 15 (ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ) по предмету электротехника, электроника и схемотехника.

1) Неуправляемый ток коллектора транзисторного усилителя: увеличивается в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°.

2) Какой из указанных усилителей не классифицируется по диапазону частот усиливаемых электрических сигналов? постоянного тока.

3) Наиболее распространенная схема термостабилизации транзисторного усилителя осуществляется с помощью: параллельного подключения к резистору эмиттерной цепи шунтирующего конденсатора большой емкости.

4) При подаче синусоидального сигнала на вход усилительного каскада, работающего в режиме А, ток в выходной цепи: соответствует синусоидальному сигналу.

5) Какая схема включения полевого транзистора наиболее распространена в усилительных каскадах? 

с общим истоком.

6) Что из нижеперечисленного не относится к основным параметрам и характеристикам транзисторных усилителей? коэффициент согласования.

7) Какая из разновидностей дифференциальных усилителей не входит в классификацию данных приборов по критерию расширения их функциональных возможностей? с низкоомным входом.

8) В каком режиме работы усилительного каскада транзистор может находиться только в двух состояниях: режим отсечки или режим насыщения? режим D.

9) С повышением частоты усилительного каскада на полевых транзисторах: входное сопротивление не изменяется.

10) Что из нижеперечисленного относится к характеристике усилительного каскада динамического типа? выходная характеристика биполярного транзистора.

11) При подаче синусоидального сигнала на вход усилительного каскада, работающего в режиме АВ, ток в выходной цепи: протекает в течение промежутка времени, большего половины периода входного сигнала.

12) В зависимости от соотношения между внутренним сопротивлением источника сигнала и входным сопротивлением усилителя источник сигнала не может работать в следующем режиме: усиления.

13) Двухтактный выходной усилительный каскад наиболее эффективно работает в режиме: В.

14) Отличительной особенностью дифференциального усилителя является выполнение следующего условия: 

значения коллекторных токов левого и правого плеч равны.

15) Межкаскадные соединения усилителей постоянного тока вызывают: появление напряжения положительной обратной связи, глубина которой возрастает от каскада к каскаду.

16) С помощью гальванической связи между каскадами усилителей постоянного тока: входной сигнал, усиленный предыдущим каскадом, непосредственно (прямо) поступает на вход последующего.

17) В токовом зеркале: выходной транзистор является источником выходного тока, значением которого можно управлять с помощью входного тока.

18) В режиме работы усилителя низкой частоты по постоянному току транзистор находится в: 

активном режиме.

19) При подаче синусоидального сигнала на вход усилительного каскада, работающего в режиме В, ток в выходной цепи: протекает лишь в течение половины периода.

20) Усилительный каскад называется дифференциальным, так как: реагирует только на разность входных сигналов.

21) В режиме согласования в усилитель от источника сигнала передается: вся потенциальная мощность источника сигнала.

22) Термостабилизация режима работы транзисторных каскадов осуществляется с помощью: отрицательной обратной связи по переменному току.

23) Дифференциальный усилитель с низкоомным выходом получают, добавляя к дифференциальному каскаду: 

эмиттерный повторитель.

24) В токовом зеркале база входного p-n-p-транзистора соединена с его коллектором, поэтому транзистор находится в диодном включении, причем функцию диода, открытого для напряжения питания, выполняет: p-n-переход эмиттер-база.

25) При подаче синусоидального сигнала на вход усилительного каскада, работающего в режиме С, ток в выходной цепи: протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала.

2.2.4 Методы обеспечения режима работы транзистора в каскадах

УСИЛЕНИЯ

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения во входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.

В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи ис­пользуется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно ре­зисторы), на которые подается напряжение от источника питания в выходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по постоянному току в схеме с ОЭ. Основным требованием при этом является обеспечение постоян­ства выбранного режима покоя при изменении температуры и замене транзи­стора.

НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ

Рассмотрим две основные разновидности нестабилизированных цепей смещения.

Схема усилительного каскада со смещением фиксированным током базы пока­зана на рисунке 3.11. Сопротивление RБ выбирается во много раз большим сопротивления по постоянному току между кол­лектором и базой транзистора, напряже­ние UБЭО « Ек. Поэтому

(3.10)

Рисунок 3.11 – Усилительный каскад со смещением фиксированным током базы

Из (3.10) следует, что ток базы прак­тически не зависит от параметров тран­зистора, имеет фиксированное значение, определяемое лишь напряжением ис­точника питания и сопротивлением RБ. Ток IБ0 и напряжение UБЭ0 являются за­данными и определяются режимом рабо­ты транзистора, связь между ними уста­навливают статические входные характеристики транзистора. Следовательно, для обеспечения требуемого смещения на транзисторе в данном усилителе необ­ходимо правильно выбрать сопротивление резистора R

Б, воспользовавшись при этом формулой (3.10). Покажем цепи протекания постоянных токов в усили­тельном каскаде с фиксированным током базы (рисунок 3.11). Ток эмиттера Iэо про­текает от источника питания +Ек через корпус, эмиттерный переход транзистора, далее он разделяется на токи IБ0 и Iко; ток IБ0 протекает через резистор RБ и ис­точник питания -Ек, а ток Iко — через коллекторный переход транзистора, резистор Rк, источник питания – Ек.

Схема усилительного каскада со сме­щением фиксированным напряжением ба­за-эмиттер показана на рисунке 3.12.

Напряжение смещения UБЭ0 обеспе­чивается с помощью делителя напряже­ния Rl и R2 в цепи базы. Из схемы на рисунке 3.12 следует, что Ек = ImR2 + IдлR1 + IБ0R1, где Iдл — ток делителя.

Отсюда

Поскольку UБЭ0 = IдлR2, имеем

(3.11)

Рисунок 3.12 – Усилительный каскад со смещением фиксированным напряжением UБЭ

Как следует из (9.11), чем больше Iдл по сравнению с IБ0, тем меньше напря­жение смещения UБЭ0 зависит от параметров транзистора.

При Iдл IБО из (9.11) получаем UБЭ0 =, то есть смещение зависит только от напряжения источника питания и от сопротивлений делителя R1, R2. Цепи протекания токов Iэо, I

БО и Iко такие же, как и в усилителе по схеме рисунка 3.11; ток делителя Iдл протекает через источник питания +Ек, корпус, резисторы R1, R2, ис­точник питания — Ек.

На практике нестабилизированные цепи смещения нашли ограниченное при­менение, поскольку они не устраняют произвольные отклонения режима работы транзистора от заданного.

ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ

Статические характеристики транзисторов могут существенно отличаться из-за технологического разброса параметров транзисторов от одного экземпляра к дру­гому, к тому же они имеют сильную зависимость от температуры. Ток коллектора транзистора

Iко  h21Э (IБО + IКБО),(3.12)

где h21Э — низкочастотный коэффициент усиления по току в усилителе с ОЭ; IКБ0 — обратный ток коллектора при отключенном эмиттере транзистора, являю­щийся тепловым током неосновных носителей заряда через pn — переход.

Как следует из (3.12), ток Iко даже при фиксированном токе базы зависит от h21Э и IКБ0. Коэффициент усиления h21Э может меняться от экземпляра к экземп­ляру транзистора в 2-3 раза. Ток IКБ0 резко зависит от температуры. Так, при увеличении температуры на каждые 10°С он увеличивается вдвое у германие­вых и втрое у кремниевых транзисторов. Оба отмеченных фактора могут резко изменить режим работы транзистора. По указанным причинам усилительный каскад со смещением фиксированным током базы практически не применяется.

При смещении фиксированным напряжением база-эмиттер разброс парамет­ров транзистора и изменения температуры значительно меньше влияют на от­клонения от заданного режима работы транзистора. Однако и в этом случае не­стабильность режима может быть существенной.

Изменения температуры и разброс параметров транзисторов приводят к из­менению токов Iко и IБ0. При этом падение напряжения на резисторах R1 и R2 в усилительном каскаде (рисунок 3.12) изменяется. Для некоторого уменьшения этих изменений необходимо, чтобы выполнялось условие Iдл » IБО. Тогда изме­нения IБ0 мало влияют на напряжение смещения UБЭО. В то же время с увеличе­нием Iдл приходится уменьшать сопротивление резисторов Rl и R2, что приводит к увеличению выделяемой на них мощности и уменьшению входного сопротив­ления каскада. Обычно в каскадах предварительного усиления выбирают Iдл = (5-10)IБ0, а в каскадах мощного усиления Iдл = (1-5)IБ0. Задаваясь значени­ем Iдл, определяют сопротивление резистора R1 = UБЭО / Iдл, а сопротивление R2 находится из (9.11).

Следовательно, нестабилизированные цепи смещения могут применяться только в тех случаях, когда усилитель работает при малых колебаниях темпера­туры и при индивидуальном подборе резисторов цепей смещения для применен­ного в усилителе транзистора.

Основные параметры каскада усиления по схеме с общим эмиттером сильно зависят от внешних воздействий.

К ним в первую очередь, как описано выше, следует отнести изменение тем­пературы окружающей среды, вызывающее:

  • изменение обратного тока коллекторного перехода IКБ0.

  • изменение напряжения эмиттерного перехода транзистора.

  • изменение коэффициента передачи тока транзистора h21Э.

  • изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п.

Все эти воздействия приводят к изменению тока коллектора, а следовательно и к изменению выходного напряжения усилительного каскада, но имеется воз­можность их компенсировать специальными схемотехническими решениями.

МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Изменение выходного напряжения или тока усилителя, не связанное с воздейст­вием входного сигнала, а обусловленное изменением режимов работы его эле­ментов вследствие воздействия различных внешних дестабилизирующих факто­ров называется дрейфом нуля.

Если входное напряжение и напряжение источника питания постоянны, то ток базы IБ и ток коллектора Iк будут постоянны. В базовой и коллекторной це­пях транзистора будут протекать токи покоя (IБ0 и Iко).

Рисунок 3.13 – Явление дрейфа нуля усилительного каскада: определение тока и напряжения покоя

Этим токам соответствуют напряжения покоя (UБЭО и UKЭ0), которые можно найти как проекцию точки П на пересечении соответствующих характеристик транзистора на оси напряжения (рисунок 3.13).

Пусть входное напряжение Uвх увеличилось на величину Uвх Тогда точка пересечения нагрузочной прямой с осью напряжений сместится вправо на вели­чину Uвх.

Ток базы IБ и напряжение UБЭ получат положительные приращения (IБ и UБЭ), а поэтому положительные приращения получат коллекторный ток и выходное напряжение каскада (Uвых = IкRк).

Таким образом получим равенство: Uвых = Uкэ. Новый режим в схеме будет характеризоваться точкой покоя П1).

Внешние возмущения, изменяя ток покоя Iко, выводят усилитель из заданно­го режима работы. Это особенно опасно для режима класса А, так как может вы­вести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличе­ние коэффициента нелинейных искажений или вообще приведет к появлению одностороннего ограничения выходного сигнала при заходе рабочей точки в ре­жим насыщения или отсечки.

По этой причине при проектировании транзисторных усилителей вопрос ста­билизации точки покоя является одним из главных.

Существуют три основных метода стабилизации режима работы транзистор­ного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация, введение цепей отрицательной обратной связи.

МЕТОД ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ

Этот метод базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехниче­скими решениями стараются исключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных возмущений. Так, если основным возмущающим фактором явля­ется изменение температуры окружающей среды (изменение температуры при­ведет к изменению тока Iк, а следовательно и к изменению положения точки по­коя, поэтому надо добиться, чтобы ток Iк имел определенную стабильность), то наиболее чувствительные к этим воздействиям каскады усилителя могут быть конструктивно выделены в некоторый самостоятельный узел, в котором прину­дительно (вне зависимости от внешних условий) поддерживается неизменная температура, что и дало название методу.

В эту же группу методов можно отнести: питание наиболее подверженных кас­кадов стабилизированным напряжением, применение элементов со стабильными параметрами и т. п.

Общим для всех этих методов является исключение действия возмущений на каскад, вызывающих недопустимые изменения его параметров.

МЕТОД ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

Базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элемен­тов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать измене­ния параметров каскада. Примером такого элемента может быть терморезистор.

Рисунок 3.14 – Схема термокомпенсаци и точки покоя транзисторного каскада

Терморезистор — это полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. В качестве примера на рисунке 3.14 приведена схема транзи­сторного каскада, в которой для введения на­чального смещения рабочей точки использу­ется внешний делитель на терморезисторах RБ1 и RБ2.

Очевидно, что в данной схеме при измене­нии температуры окружающей среды будет уве­личиваться ток Iко.

Это обусловлено уменьшением напряжения UБЭ вследствие сдвига входной характеристи­ки транзистора влево и увеличением h21Э и Iко. Чтобы сохранить ток Iко на неизменном уров­не, требуется уменьшить начальное смещение. Для этого необходимо либо увеличить RБ1, либо уменьшить RБ2.

Возможно и одновременное изменение сопротивления обоих резисторов. При соответствующем подборе терморезисторов ток Iко остается постоянным.

Рисунок 3.15 – Параметрическая стабилизация режима покоя усилительного каскада с использованием дополнительного транзистора

Во входном делителе могут быть использованы различные элементы – либо терморезисторы, либо полупроводниковые приборы. На рисунке 3.15 показано использование та­кого элемента — эмиттерного перехода до­полнительного транзистора VT2.

Если параметры транзисторов VT2 и VT1 одинаковы, то такое решение позволяет полностью устранить изменение тока по­коя коллектора Iко, вызванное изменени­ем напряжения UБЭ.

Такое решение находит широкое при­менение при разработке аналоговых инте­гральных схем.

Общим для обоих рассмотренных ме­тодов является компенсация только одно­го из дестабилизирующих факторов.

Так, при использовании параметриче­ского метода трудно подобрать элементы, способные в широком диапазоне измене­ния внешних возмущений достаточно точно стабилизировать параметры транзисторного каскада, поэтому рассмотренные выше методы применяются как до­полнительные, то есть совместно с введением в каскад различных цепей обрат­ной связи.

ВЫВОДЫ:

1. Для обеспечения требуемого режима работы усилительных элементов необ­ходимо иметь по крайней мере два напряжения между эмиттирующим и вы­ходным электродами и между эмиттирующим и управляющим электродами (смещение).

2. Создание напряжения смещения, как правило, осуществляется от источника питания.

3. Изменение температуры коллекторного перехода биполярных транзисторов приводит к изменению тока IКБО, что вызывает смещение точки покоя, ко­торое особенно проявляется в каскадах, где транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. Поэтому такие каскады требуют обязательной стабили­зации режима работы.

4. Стабилизация режима работы может осуществляться за счет отрицательной обратной связи.

5. В некоторых случаях применяют термокомпенсацию точки покоя включени­ем термозависимых сопротивлений.

:::Лабораторная работе 2:::

электронные усилители

 

Методическое указания

к лабораторной работе № 2

по курсу “Электротехника и электроника”

Введение

Знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобре­тает особую актуальность с развитием микроэлектроники.

Данное методическое пособие создано на базе курса «Электро­техника и электроника», читаемого авторами на кафедре «Электро­техника, электроника и электрооборудование» для студентов фа­культетов Э, СМ, РК, МТ МГГУ им. Н.Э.Баумана.

В пособии основное внимание уделено изучению характеристик и параметров усилительных каскадов на транзисторах и операцион­ных усилителях. Практические знания, приобретенные студентами в процессе выполнения данной работы, будут способствовать лучшему усвоению теоретического материала, излагаемого в курсе «Электротехника и электроника».

Цель работы — изучить свойства транзисторного усилительно­го каскада на дискретных элементах, исследовать влияние обрат­ных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

усилители постоянного тока (ЖЕ),

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункцио­нальных, или универсальных, так как с их помощью можно реализо­вать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усили­тельного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор — дословно «преобразователь сопротивления»). Это свойство транзистора мо­жет быть использовано для различных преобразований электри­ческих сигналов (усиление, генерирование, преобразователей фор­мы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойст­вами и другими признаками.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п,  и имеющий два р- п- перехода. На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 1б изображена схема подключе­ния внешних элементов, генератора усиливаемого входного напря­жения UВХ и  источника питания +Un к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзи­сторов, так как в ней наилучшим образом используются усилитель­ные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые использу­ются реже.

 

Рис. 1

Цепь «коллектор-эмиттер» транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь «база-эмиттер» называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му  закону Кирхгофа для транзистора (см. рис. 16) мож­но записать

,

т.е. ток коллектора Iк меньше тока эмиттера IЭ на величину тока базы IБ. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина  всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов  = 0,900…0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной явяется ток базы, а выходной — ток коллектора. Испоьзуя соотноше­ния (1) и (2), получаем

.

Коэффициент  называют статическим коэффициентом усиле­ния тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

  Рис. 2 Рис. 3         

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзис- тора в схеме с ОЭ являются:

                  а) входные характеристики (рис. 2)

                            при 

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 3)

                            при

Входные характеристики при UKЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые — для UKЭ = 0 В  и UКЭ=3 В, либо UKЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с IБ=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения IБнас. При Iв= IБнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыще-ния и отсечки (см. линии со штриховкой на рис.3).В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор — линейным элементом.

На входные и выходные характеристики транзистора (см. рис.2 и 3) сущест- венно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквива-лентно поднимаются вверх (см. рис.3).

В справочниках [I] приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока  (или ) в схеме с ОЭ; граничное напряжение UKЭ; обратный ток коллектора IК0; граничная частота fгр коэффициента , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент   (или ) уменьшается в  раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 4). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяе­мые между базой и эмиттером транзистора, а также источник вход­ного сигнала UBХ.

                                                   Рис. 4

Выходная цепь каскада включает источник питания Un, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока iK , управляемого током ба­зы ig , создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исклю­чить протекание постоянного тока через источник входного сигна­ла по цепи + Un— Rl— внутреннее сопротивление источника  ив (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источ­ника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 — пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллек-торной цепи Г (см. рис3) задается соответствующей величиной тока базы покоя rgn (см. рис.2), протекающего о сточника питания Un через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения пита­ния   , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению Uбп  (см. рис.2). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вно­симых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняет­ся, если точка покоя П (см. рис.2 и 3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2…5 раз больше необходимого тока покоя базы   IБП.

Резистор RЭ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор СЭ шунтирует рези­стор Р по переменному току, исключая тем самым проявление от­рицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие СЭ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада [2] .

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение, например, по синусоидальному закону: 

При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток iб в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относитель­но точки покоя П (см. рис.2, 3). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллекто­ра г, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоанали- тический метод расче­та нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.

Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:

       (4)

Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение

       (5)

Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах Iк и Uкэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах IK и Uкэ, на­зывается линией нагрузки каскада по постоянному току (см. пря­мую линию на рис.3). Точка пересечения этой линии с характе­ристикой, соответствующей I6п, т.е. точка П, определяет ре­жим работы каcкада по постоянному току.

В режиме усиления, когда Uвх=Uвхsinωt, рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллекто­ра iк и напряжения UКЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения UКЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх  находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основ­ных свойств такого каскада.

Основным показателем любого усилителя является его коэффи­циент усиления — это величина, равная отношению выходного сиг­нала к входному. В зависимости от назначения усилителя различа­ют коэффициенты усиления по напряжению

Ввиду наличия в схеме каскада элементов, параметры которых зависят от частоты, в общем случае коэффициент усиления являет­ся комплексной величиной К=Ке , где К — модуль коэффи­циента усиления, а у — аргумент, показывающий угол сдвига по фазе между выходным и входным сигналами.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относитель­но точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рис. 2). При Uвх>Uвх2  линейность амплитудной характе- ристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзи­стора.

    Рис. 5     

             Это приводит к появлению искажений формы выходного сиг­нала относительно формы входно­го, т.е. так называемых, нели­нейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды вход­ного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя пред­ставляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рис. 6.

  Рис. 6

                                                

Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элемен­тов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры кото­рых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных иска­жениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различны­ми коэффициентами усиления. Анализируя рис.6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом КV0.

Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500…1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые «завалы» АЧХ).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называ­ют полосой пропускания, которая определяет нижнюю fH и верхнюю fa граничные частоты усиления при заданном уровне частот­ных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет KVo /√2. «Завал» АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обуслов­лен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсато­ра Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление хС=1/ωС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления хс возрастают, что приводит к увели­чению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора Сэ при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя­зи по переменному току и снижению коэффициента усиления кас­када.

«Завал» АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтирова­нии соответствующих р- п- переходов тем большем, чем выше ча­стота усиливаемого сигнала.

На практике ни один усилитель не используется без обрат­ной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

На рис. 7 показана структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиле­ния К через звено ОС с коэффициентом передачи γ поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут вхо­дить линейные, нелинейные, ча­стотно-зависимые и другие эле­менты или даже целые устройст­ва.

    Рис. 7

                                        

Существует целый ряд ква­лификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то ис­пользуется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во вто­ром — отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складыва­ются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается после­довательно с напряжением источника входного сигнала (рис.8а), а во втором — параллельно (рис.86).

Рис. 8

                                         

В усилителях в основном используется отрицательная обрат­ная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рис. 8а показан усилитель, охва­ченный последовательной отрицательной обратной связью по на­пряжению. Оценим свойства такого усилителя.

Уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входной цепи усилителя имеет вид

Разделим обе части (6) на

 

Введём обозначения:

       — коэффициент усиления усилителя без ОС.

        — коэффициент передачи звена ОС.

   — коэффициент усиления усилителя с ОС.

После преобразований получаем

Выражение (7) показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практи­чески это единственное негативное свойство ООС. Однако если γК>>1, а этого достичь очень просто, то КOC =1 /γ, т.е. результирующий коэффициент усиления КOC  не зависит от К, а следовательно, и от всех факторов, влияющих на его величину, т.е. существенно повышается стабильность КOC. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания (рис.9) и линейный участок ампли­тудной характеристики (рис.10), что приводит к уменьшению ис­кажений как линейных, так и нелинейных.

 

Рис. 9      Рис. 10

                                                                     

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис.4) применена ООС по току эмиттера, а резистор £ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется ввдением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера IЭП.

В режиме покоя, когда UВХ=0 , с учетом IД>>IБП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирх­гофа можно записать

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора IКП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера IЭП (например, возра­стут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на вы­ходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может приве­сти к увеличению IБП и UБЭП, на входных характеристиках (см. рис.2). Так как  IД>>IБП, можно полагать IДR2= const.

Из (8) очевидно уменьшение UБЭП, а, следовательно, уменьшение IБП, что приводит к снижению  IКП и к неизменности ре­жима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффи­циент усиления параллельно   Rэ включен конденсатор СЭ, ем­кость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактив­ное сопротивление в полосе пропускания  Х << RЭ /10.

Если же СЭ отсутствует, то переменная составляющая тока эмит­тера Iэ      создает на резисторе R падение напряжения 

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с входным дифференциальным каскадом, с очень высоким и стабильным коэф­фициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропус­кания (от 0 до 10…100 МГц), высоким входным сопротивлением ( RВых>10 кОм) и малым выходным сопротивлением ( Rвых<100 Ом).

Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назна­чения (различные типы усилителей — УПТ, УШ, УВЧ и др., гене­раторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных уст­ройств). СУ в настоящее время выпускаются только в микро­электронном (интегральном) исполнении и считаются базовым эле­ментом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой на­дежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

   Рис. 11    Рис. 12

                                                       

В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис. II показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.12 — типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.II), а второй — неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При по­даче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Усилитель­ные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом — эмиттерный повторитель тока [3]. Применение двух разнополярных источни­ков электропитания с общей точкой — Un для ОУ позволяет полу­чать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как пра­вило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ — это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивле­ние R, выходное сопротивление Uвых. Идеальным ОУ назы­вают такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в пред­положении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охвачен­ного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

  (см. рис. 12).

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ;, т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

      

Знак «-» физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых  находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

   Рис. 13

                                                

Амплитудно-частотная характеристика реального операцион­ного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 13. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффицинта усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд содержит однокаскадный усилитель переменного напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис.14а), а инвертирующий усилитель, собранный на базе 07 (рис. 146).

        Рис. 14

                                       

В схеме усилителя с ОЭ усиливаемый сигнал подается через разделительный конденсатор СТ. Нагрузкой каскада является рези­стор R. Предусмотрена возможность изменять с помощью переклю­чателя S5 величину емкости разделительного конденсатора между цепью коллектора транзистора и нагрузкой R. Введение ООС по переменному току осуществляется с помощью переключателя S4. При отключении конденсатора Сэ, шунтирующего резистор Rэ, в цепи эмиттера транзистора вводится ООС по переменному току. Усилитель на базе ОУ состоит из собственно операционного усилителя DА , входной цепи, содержащей резистор Ri , выходной цепи — цепи нагрузки Rн, цепи ООС, реализуемой с помощью сопро­тивления Roc=Roc1+Roc2. Значение сопротивления  Roc может регулироваться изменением величины переменного резистора Roc2

Для включения лабораторного стенда служит выключатель S1, а для включения каждой из исследуемых схем — переключатель S2, имеющий два положения.

На входы схем усилителей усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов. Выходные напряжения на резисторах нагрузки RH усилителей измеряют цифровым вольтмет­ром. Наблюдение формы напряжения на нагрузке производится с по­мощью электронного осциллографа. Правила пользования приборами необходимо изучить в лаборатории.

ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА.

1.Работы следует выполнять строго в соответствии с зада­нием.

2.Необходимо знать функциональное назначение всех элемен­тов коммутации (выключателей, кнопок, переключателей и т.п.) и, прежде чем включать стенд, убедиться, что все исследуемые  в работе устройства отключены от источника электропитания.

3.Студент обязан знать и строго соблюдать правила поль­зования применяемыми в работе электронными приборами: генера­тором, осциллографом, вольтметром. В случае необходимости за консультацией обращаться к преподавателю.

4.При выполнении работы запрещается: включать схемы без разрешения преподавателя; использовать измерительные приборы, которые не указаны в методических указаниях к данной работе; пользоваться неисправными приборами, и устройствами.

5.После выполнения работы необходимо выключить электро­питание всех исследованных устройств.

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением экспериментальной части обязательно со­беседование студентов с преподавателем для усвоения ими после­довательности всех этапов работы и получения разрешения на про­ведение эксперимента.

Исследование усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе (ОЭ)

Задание 1. Исследовать влияние величины входного напряже­ния Uвх на величину и форму напряжения на нагрузке усилите­ля Uн при постоянной частоте fг входного сигнала для двух случаев:

а) без обратной связи по переменному току;

б) с отрицательной обратной связью по переменному току.
            Для этого необходимо:

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 100 мВ, ручку «Регулировка выхода»  в крайнее  левое  положение,  частоту f =1000 Гц.

2.Подсоединить генератор синусоидальных сигналов к входу усилителя, а измерительные щупы цифрового вольтметра и элект­ронного осциллографа — к нагрузке усилителя. При этом во избе­жание наводок, искажающих выходной сигнал усилителя, необходи­мо клеммы «Земля» генератора, вольтметра и осциллографа под­ключить к общей точке входа и выхода усилителя

3. Подключить лабораторный стенд и схему усилителя ОЭ.
            4. Установить емкость СЗ =10 мкФ.

5. Изменяя значение входного сигнала от 0 до 100 мВ, про­извести необходимые измерения при двух положениях переключа­теля S4 , соответствующих отсутствию ОС и наличию ООС по пере­менному току. Результаты измерений занести в табл. I и постро­ить графики амплитудных характеристик в единой системе коорди­нат.

Таблица 1

 мВ

 В

 мВ

 В

Без ОС

С ООС

Без ОС

С ООС

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

 

 

 

 

 

 

 

 

6.    Определить и сравнить коэффициенты усилителя по напряжению Ки на линейных участках амплитудных характе­ристик.

7.    Наблюдая форму выходного сигнала UН (1) на экране осциллографа, найти значение входного напряжения UВХ, при котором наступают заметные искажения выходного напряжения при отсутствии ОС и наличии ООС. Нарисовать форму искаженного сиг­нала и отметить на амплитудных характеристиках соответствующие этому значения XI.

Задание 2. Построить амплитудно-частотную характеристику усилителя без обратной связи. Для этого необходимо:

1.    Установить ручкой «Регулировка выхода» напряжение UВХ=100 мВ и в дальнейшем поддерживать его постоянным.

2.    Установить переключатель S4 в положение отсутствия ОС, оставив СЗ=10 мкФ.

3.    Изменяя дискретно частоту сигнала в диапазоне от 0 до 200 кГц и устанавливая ее значения в соответствии с табл. 2, измерить напряжение на нагрузке усилителя RH. Результаты за­нести в табл. 2.

4.    Вычислить значения коэффициента усиления по напряжению и построить амплитудно-частотную характеристику. Значения ча­стот по оси абсцисс откладываются в логарифмическом масштабе по основанию 2, т.е. 210°; 2101; 2102;….Гц, что соответст­вует значениям, указанным в табл. 2.

5. Определить по полученной характеристике полосу пропускания усилителя, отметив на характеристике граничные частоты.

Таблица 2

 

 Гц

Без ОС

 Гц

Без ОС

 В

 В

20

40

80

160

320

640

1280

2560

5120

10240

40960

81920

163840

 

Задание 3. Исследовать влияние на полосу пропускания уси­лителя значения ёмкости разделительных конденсаторов и ООС. Для этого необходимо:

1.Установить конденсатор С2=1 мкФ, переключатель S4 в положение, соответствующее отсутствию ОС по переменному току.

2.Установив UВХ=10 мВ и fг=1000 Гц, найти коэффици­ент усиления усилителя Кu0 на средних частотах (примерно 1000 Гц).  

3.Изменяя частоту генератора синусоидальных сигналов в пределах от 20 до 200 Гц, определить полосу пропускания уси­лителя.

Занести значения Кu0 нижней fн и верхней fв граничных частот в табл. 3.

Таблица 3

Режим

 Гц

 Гц

Без ОС

мкФ

мкФ

С ООС

мкФ

мкФ

4. Аналогично определить полосу пропускания усилителя с ОOC по переменному току при С2 =1 мкФ и СЗ =10 мкФ.

Результаты измерений (fH, fв) и расчетов (Кu0) зане­сти в табл. 3.

Исследование инвертирующего усилителя напряжения низкой частоты на базе ОУ

Задание 4. Исследовать зависимость коэффициента усиления усилителя от параметров цепи обратной связи и частоты входного сигнала.

Для этого необходимо:                                                   

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 10 мВ, ручку «Регулировка выхода» в крайнее левое положение, частоту, равную fг=1000 Гц.

2.Подсоединить измерительные приборы к операционному усилителю аналогично п.2 задания 1.

3.Подключить схему СУ.

4.    Подав напряжение на вход усилителя Uвх=5 мВ, изме­рять значение выходного напряжения UH при двух крайних положе­ниях ручки переменного резистора Roc2 в цепи 00С. По резуль­татам эксперимента вычислить для двух случаев коэффициент уси­ления по напряжению Кu и сравнить с расчетной величиной Кuрас = Roc/R1. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.   

Таблица 4

Установлено

Измерено

Вычислено

 мВ

 кОм

 В

Эксперимент.

Расчёт.

5.Наблюдая форму выходного сигнала UН(t) на экране осциллографа, определить значение входного напряжения Uвх, при котором наступают заметные искажения при двух крайних положениях ручки переменного резистора R0C2. Нарисовать форму иска­женного сигнала и указать соответствующие значения Uвх2.

6.Установить напряжение Uвх=5 мВ; изменяя частоту в пределах от 20 Гц до 200 кГц, проследить, как зависит коэффи­циент усиления усилителя от частоты входного сигнала при двух крайних положениях ручки резистора.

Определить полосу пропускания ОУ, записать значения Кu0, fн и fв при двух крайних положениях ручки резистора  Roc2,  в таб­лицу, аналогичную табл. 3.

7. После окончания экспериментов выключить лабораторный стенд.

С0ДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.    Титульный лист с названием работы, указанием индекса группы, фамилии студента и даты исполнения.

2.    Краткое описание принципа работы и назначения исследуе­мого устройства.

3.    Электрические схемы исследуемых устройств, вычерченных с помощью чертежных инструментов с соблюдением условных графи­ческих обозначений элементов по ГОСТ.

4.    Графики и осциллограммы, выполненные на миллиметровой бумаге.

5.    Таблицы, графики, осциллограммы и выводы в соответст­вии с заданием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.    Что называется электронным усилителем? Объяснить прин­цип действия усилителя.

2.    Перечислить основные параметры и характеристики усили­теля.

3.    Объяснить назначение элементов, входящих в схему уси­лительного каскада на транзисторе.

4.Объяснить характер экспериментальных зависимостей и осциллограмм, полученных в работе.

5.Что такое обратная связь? Как она влияет на параметры и характеристики усилителя?

6.Как осуществляется температурная стабилизация в усили­теле?

7.Что такое полоса пропускания усилителя? Как ее опреде­лить?

8.Что называется операционным усилителем? Каково его условное обозначение?

9.Что представляет собой операционный усилитель в интег­ральном исполнении?

10.Назовите возможные области применения электронных усилителей.

11.Назовите назначение используемых в работе электронных приборов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник. /Под ред. Н.Н.Горюнова. М.; Высш. шк., 1986.

2.Основы промышленной электроники. /Под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высш. шк., 1986.

3.Справочное пособие по основам электротехники и электро­ники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: Энергоатомиздат, 1995.

4.Электротехника и основы электроники. /Под ред. О.П.Глудкина, Б.П.Соколова. М.: Высш. шк., 1993.

Обеспечение устойчивости рабочей точки: Метод параметрической стабилизации

 

Как уже говорилось, метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада.

В качестве примера рассмотрим схему с эмиттерно-базовой стабилизацией, приведенную на рис. 3.15. В этой схеме при правильном выборе терморезисторов можно добиться хорошей компенсации температурных колебаний параметров транзистора. Но применение терморезисторов не всегда удобно, да и понятие «правильный выбор» часто требует уточнения. Поэтому для начала проясним, что же происходит с биполярным транзистором при колебаниях температуры.

 

Рис. 3.15. Схема с эмиттерно-базовой стабилизацией с терморезисторами в делителе напряжения

 

При росте температуры из-за уменьшения падения напряжения на \(p\)-\(n\)-переходах транзистора также растут и токи через эти переходы. Особенно сильно увеличиваются токи \({I_К}_0\) и \({I_Э}_0\), определяющие режим работы каскада по постоянному току. На рис. 3.16 представлены графики, отражающие влияние температуры на статические характеристики каскадов с ОЭ и ОБ.

 

Рис. 3.16. Влияние температуры на статические характеристики транзистора

 

Из представленных характеристик видно, что для сохранения неизменным выходного тока \({I_К}_0\) необходимо по мере роста температуры снижать напряжение начального смещения \({U_{ЭБ}}_0\). В схеме на рис. 3.15 для этого служат терморезисторы, но очевидной является возможность использования других полупроводниковых приборов с температурной зависимостью падения напряжения на них. Например, в схеме на рис. 3.17 в цепь делителя включен прямосмещенный эмиттерный переход транзистора \(VT2\) со свойствами, аналогичными свойствам транзистора \(VT1\). Т.е., когда температура растет и требуется снижение напряжения смещения \({U_{ЭБ 1}}_0\), это осуществляется за счет уменьшения падения напряжения \({U_{ЭБ 2}}_0\) на эмиттерном переходе транзистора \(VT2\).

 

Рис. 3.17. Термокомпенсация с помощью дополнительного транзистора

 

Вместо транзистора \(VT2\) можно использовать и обычный диод в прямом включении, как показано на рис. 3.18.

 

Рис. 3.18. Термокомпенсация с помощью прямосмещенного диода

 

При желании метод параметрической стабилизации применим и для нейтрализации других (нетемпературных) внешних влияний. Например, известно, что при низких температурах падают напряжения практически любых широко распространенных химических источников питания. Поэтому в носимой аппаратуре приходится учитывать влияние данного фактора, если мы хотим обеспечить ее работоспособность в широком диапазоне погодных условий.

Рассмотрим схему на рис. 3.18. При падении напряжения питания уменьшается значение тока \({I_К}_0\) транзистора, а также незначительно снижается его начальное смещение \({U_{БЭ}}_0\) (здесь следует учитывать, что прямосмещенный диод \(VD1\) работает как стабилитрон, т.е. напряжение на нем слабо зависит от величины протекающего тока). Поскольку снижается напряжение \({U_{КЭ}}_0\) транзистора, снижаются и его усилительные способности как усилителя слабых переменных сигналов. Для компенсации всех этих факторов можно в цепь смещения транзистора включить еще один диод, как показано на рис. 3.19. Теперь при снижении температуры напряжение \({U_{БЭ}}_0\) будет расти быстрее, чем это необходимо только для температурной компенсации изменений напряжений и токов в самом транзисторе. Будет компенсироваться также и падение напряжения питания, и коэффициент усиления каскада в целом останется неизменным. Очевидно, что падение напряжения на двух диодах может превысить предел, необходимый для напряжения \({U_{БЭ}}_0\) используемого транзистора. Поэтому в цепь эмиттера обязательно включается резистор \(R_Э\), создающий также и ООС по току нагрузки, дополнительно стабилизирующую рабочую точку каскада.

 

Рис. 3.19. Термокомпенсация двумя диодами

 

На рис. 3.20 приведены еще некоторые возможные варианты включения термокомпенсирующих элементов в транзисторные каскады. Параметрическая стабилизация может использоваться не только в схемах с ОЭ. Никто не мешает нам применять нелинейные элементы и в любых других цепях смещения.

 

Рис. 3.20. Различные способы включения термостабилизирующих элементов в цепи смещения транзисторных каскадов

 

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Режимы работы транзистора: схемы, стабилизация, формулы, классы

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (Uкэн, Iкн), где Uкэн и Iкн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

  • с фиксированным током базы;
  • с коллекторной стабилизацией;
  • с эмиттерной стабилизацией.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Ек обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа iк· Rк + uкэ− Ек = 0
Отсюда находим ток коллектора iк: iк= − ( 1 / Rк ) · uкэ+ ( 1 / Rк ) · Ек что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа iб · Rб + uбэ − Ек = 0

Отсюда находим ток базы iб:
iб = − uбэ / Rб + Ек / Rб

Будем пренебрегать напряжением uбэ так как обычно uбэ << Ек. Тогда iб = Ек / Rб

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами Ек и Rб (ток «фиксирован»). При этом iк= βст · iб + Íко

Пусть iб = iб2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, iб > iб4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

  • при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины βст и Íко, что изменяет ток Iкн и положение начальной рабочей точки.
  • для каждого значения βст необходимо подбирать соответствующее значение Rб, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

(рис. 2.16).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помощью сопротивления Rб.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере.

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток iк начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u, уменьшению напряжения uкэ и уменьшению тока iб ( iб = uкэ/ Rб), что будет препятствовать значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией


В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это ток iк ( iк = iэ ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение u. При этом оказывается, что iэ= uRэ/ Rэ= const. Для создания требуемого напряжения uиспользуют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Сопротивления R1и R2 выбирают настолько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом uR2= Eк · [ R2/ ( R1+ R2)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ= uR2– uб

При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

  1. В режиме «А» ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.
  2. В режиме «В» Iкн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.
  3. Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.
  4. В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.
  5. Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

Что можно сделать с помощью транзистора. Как работает транзистор? Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

На этом занятии Школы начинающего радиолюбителя мы продолжим изучение полупроводников . На прошлом занятии мы рассматривали диоды , а на этом занятии рассмотрим более сложный полупроводниковый элемент – транзисторы .

Транзистор является более сложной полупроводниковой структурой, чем диод . Он состоит из трех слоев кремния (бывают еще и германиевые транзисторы) с разной проводимостью. Это могут быть структуры типа n-p-n или p-n-p. Функционирование транзисторов, также как и диодов, основывается на свойствах p-n переходов.

Центральный, или средний слой, называют базой (Б), а два других соответственно – эмиттер (Э) и коллектор (К). Следует отметить, что существенной разницы между двумя типами транзисторов нет, и многие схемы могут быть собраны с тем или другим типом, при соблюдении соответствующей полярности источника питания. На рисунке ниже приведено схемное изображение транзисторов, транзистор p-n-p отличается от транзистора n-p-n направлением стрелки эмиттера:

Выделяют два основных типа транзисторов : биполярные и униполярные , которые различаются по конструктивным особенностям. В рамках каждого типа существует много разновидностей. Главное различие этих двух типов транзисторов заключается в том, что управление процессами, происходящими в ходе работы прибора, в биполярном транзисторе осуществляется входным током, а в униполярном транзисторе – входным напряжением.

Биполярные транзисторы , как уже говорилось выше, представляют собой слоенный пирог из трех слоев. В упрощенном виде транзистор можно представить как два встречно включенных диодов:

(при этом, следует отметить, что переход база – эмиттер представляет собой обычный стабилитрон, напряжение стабилизации которого 7…10 вольт). Исправность транзистора можно проверить также как и исправность диода, обычным омметром, измеряя сопротивление между его выводами. Переходы, аналогичные имеющимся в диоде, существуют в транзисторе между базой и коллектором, а также между базой и эмиттером. На практике такой способ для проверки транзисторов используется очень часто. Если омметр подключить между коллекторным и эмиттерным выводами, прибор покажет разрыв цепи (при исправном транзисторе), что естественно так как диоды включены встречно. А это означает, что при любой полярности приложенного напряжения один из диодов включен в прямом направлении, а второй в обратном, поэтому ток проходить не будет.

Объединение двух пар переходов приводит к проявлению чрезвычайно интересного свойства, именуемого транзисторным эффектом . Если к транзистору между коллектором и эмиттером приложить напряжение, тока практически не будет (о чем и говорилось чуть выше). Если же произвести подключение в соответствии со схемой (как на рисунке ниже), где на базу через ограничивающее сопротивление (чтобы не повредить транзистор) подается напряжение, то через коллектор будет проходить ток более сильный чем ток базы. При повышении тока базы ток коллектора тоже будет увеличиваться.

С помощью измерительного прибора можно определить соотношение токов базы, коллектора и эмиттера. Это можно проверить простым способом. Если сохранить напряжение питания, к примеру на уровне 4,5 В, изменив значение сопротивления в цепи базы с R до R/2, ток базы удвоится, пропорционально увеличится и ток коллектора, к примеру:

Следовательно, при любом напряжение на сопротивление R, ток коллектора будет в 99 раз больше тока базы, то есть транзистор имеет коэффициент усиления по току равный 99. Другими словами, транзистор усиливает ток базы в 99 раз. Этот коэффициент обозначают буквой ? . Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы :

? = Iк/Iб

На базу транзистора можно подать и переменное напряжение. Но, необходимо, чтобы транзистор работал в линейном режиме . Для нормального функционирования в линейном режиме транзистору следует подать на базу постоянное напряжение смещения и подвести переменное напряжение, которое он будет усиливать. Таким образом транзисторы усиливают слабые напряжения, поступающие к примеру с микрофона, до уровня, который способен привести в действие громкоговоритель. Если коэффициент усиления не достаточен, можно использовать несколько транзисторов или их последовательных каскадов. Чтобы при соединении каскадов не нарушать режимов работы каждого из них по постоянному току (при которых обеспечивается линейность), используют разделительные конденсаторы. Биполярные транзисторы обладают электрическими характеристиками, обеспечивающими им определенные преимущества по сравнению с другими усилительными компонентами.

Как мы уже знаем, существуют еще (кроме биполярных) и униполярные транзисторы . Коротко рассмотрим два их них – полевые и однопереходные транзисторы. Как и биполярные они бывают двух типов и имеют по три вывода:

Электродами полевых транзисторов являются: затвор – З, сток – С, соответствующий коллектору и исток – И, отождествляемый с эмиттером. Полевые транзисторы с n- и p- каналом различаются по направлению стрелки затвора. Однопереходные транзисторы, которые иногда называют двухбазовыми диодами, в основном используются в схемах генераторов импульсных периодических сигналов.

Имеется три фундаментальных схемы включения транзисторов в усилительном каскаде:

?

с общим эмиттером (а)

?

с общим коллектором (б)

?

с общей базой (в)

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером , в зависимости от выходного сопротивления источника питания R1 и сопротивления нагрузки Rн усиливает входной сигнал и по напряжению, и по току. Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как h31э (читается: аш-два-один-э, где э – схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный. Величина коэффициента h31э (его полное название – статический коэффициент передачи тока базы h31э ) зависит только от толщины базы транзистора (ее изменить нельзя) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при небольшом напряжении (менее 20 В) его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически неизменен и незначительно увеличивается при увеличении напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току – Кус.i и коэффициент усиления по напряжению – Кус.u биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от отношения сопротивления нагрузки (на схеме обозначено как Rн) и источника сигнала (на схеме обозначено как R1). Если сопротивление источника сигнала в h31э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен h31э. Когда сопротивление источника сигнала более чем в h31э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным h31э ), а коэффициент усиления по напряжению уменьшается. Если же, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току, при ограничении протекающего через переход база-эмиттер транзистора тока, не изменяется. Схема с общим эмиттером – единственная схема включения биполярного транзистора, которая требует ограничения входного (управляющего) тока. Можно сделать несколько выводов: – базовый ток транзистора нужно ограничивать, иначе сгорит или транзистор, или управляющая им схема; – с помощью транзистора, включенного по схеме ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой низковольтным источником сигнала. Через базовый, а следовательно и коллекторный переходы протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) больше этого значения – нужно поставить между базой транзистора и выходом управляющей схемы токоограничивающий резистор (R1). Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

Ir1=Irн/h31э R1=Uупр/Ir1 где:

Irн – ток через нагрузку, А; Uупр – напряжение источника сигнала, В; R1 – сопротивление резистора, Ом.

Еще одна особенность схемы с ОЭ – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно практически уменьшить до нуля. Но для этого надо значительно увеличивать базовый ток, что не очень выгодно. Поэтому такой режим работы транзисторов используют только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор , работающий в схеме усилителя аналогового сигнала , должен обеспечивать примерно одинаковое усиление сигналов с разной амплитудой относительно некоторого “среднего” напряжения. Для этого его нужно немножко “приоткрыть”, постаравшись не “переборщить”. Как видно из рисунка ниже (левый):

ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы вначале изменяются почти линейно , и лишь потом, с наступлением насыщения транзистора, прижимаются к осям графика. Нас интересуют только прямые части линий (до насыщения) – очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, то есть, при изменении управляющего тока в несколько раз во столько же раз изменится и ток коллектора (напряжение в нагрузке).

Форма аналогового сигнала показана на рисунке выше (справа) . Как видно из графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоего среднего напряжения Uср, причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Но биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (вернее тока). Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был немножко приоткрыт. При средней амплитуде Uср он откроется чуть сильнее, а при максимальной Umax откроется максимально. Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см.рис. выше) – в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного, в следствии чего происходит сильное искажение сигнала.

Обратимся снова к форме аналогового сигнала. Так как и максимальная и минимальная амплитуды входного сигнала относительно средней примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), то нам нужно подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения – Iсм), чтобы при “среднем” напряжении на входе транзистор был открыт ровно наполовину. Тогда при уменьшении входного тока транзистор будет закрываться и ток коллектора будет уменьшатся, а при увеличении входного тока он будет открываться еще сильнее.

Приведены несколько схем простых устройств и узлов, которые могут быть изготовлены начинающими радиолюбителями.

Однокаскадный усилитель ЗЧ

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик — он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена.

Тем не менее его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда X1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В — четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда ХЗ, Х4.

Делитель R1R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усили теля.

Рис. 1. Схема однокаскадного усилителя ЗЧ на транзисторе.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллекто ра транзистора Соответственно увеличится падение напряжения на резисто ре R3. В итоге уменьшится ток эмитте ра, а значит, и ток коллектора — он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада — головной телефон сопротивлением 60.. 100 Ом. Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1 например, пинцетом в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки пере менного тока. Ток коллектора транзис тора составляет около 3 мА.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах разной структуры

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации — резистор R4, работаю щий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции

Усилитель более «чувствительный” по сравнению с однокаскадным — коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 — в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов например, от микрофона. И конечно он позволит значительно усилить сигнал 34, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах одинаковой структуры

Здесь также использована непосредственная связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций.

Допустим, что ток коллектора транзистора VТ1 уменьшился Падение напряжения на этом транзисторе увеличится что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, включенном в цепи эмиттера транзис тора VТ2.

Благодаря связи транзисторов через резистор R2, увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его тока коллектора. В итоге первоначальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.

Рис. 3. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах одинаковой структуры.

Чувствительность усилителя весьма высока — коэффициент усиления достигает 100. Усиление в сильной степени зависит от емкости конденсатора С2 — если его отключить, усиление снизится. Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.

Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, с электретным микрофоном и другими источниками слабого сигнала. Ток, потребляемый усилителем — около 2 мА.

Он выполнен на транзисторах разной структуры и обладает усилением по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может быть 0,1 В.

Усилитель двухкаскадный первый собран на транзисторе VТ1 второй — на VТ2 и VТЗ разной структуры. Первый ка скад усиливает сигнал 34 по напряжению причем обе полуволны одинаково. Второй — усиливает сигнал по току но каскад на транзисторе VТ2 “работает” при положительных полуволнах, а на транзисторе VТЗ — при отрицательных.

Рис. 4. Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах.

Режим по постоянному току выбран таким что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада равно примерно половине напряжения источника питания.

Это достигается включением резистора R2 обратной связи Ток коллектора входного транзистора, протекая через диод VD1, приводит к падению на нем напряжения. которое является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров), — оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.

Нагрузка (несколько параллельно включенных головных телефонов либо динамическая головка) подключена к усилителю через оксидный конденсатор С2.

Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8 -.10 Ом), емкость этого конденсатора должна бы ь минимум вдвое больше Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада — резистора R4 Его верхний по схеме вывод соединен не с плюсом питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.

Это так называемая цепь вольтодобавки, при которой в базовую цепь выходных транзисторов поступает небольшое на пряжение ЗЧ положительной обратной связи, выравнивающее условия работы транзисторов.

Двухуровневый индикатор напряжения

Такое устройство можно использовать. например, для индикации “истощения” батареи питания либо индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора позволит продемонстрировать принцип его работы.

Рис. 5. Схема двухуровневого индикатора напряжения.

В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 погашены. При перемещении движкарезистора вверх, напряжение на нем увеличивается. Когда оно достигнет напряжения открывания транзистора VТ1 вспыхнет светодиод HL1

Если продолжать перемещать движок. наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VТ2. Вспыхнет и светодиод HL2. Иными словами, малое напряжение на входе индикатора вызывает свечение только светодиода HL1 а большее обоих светодиодов.

Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, заметим что вначале гаснет светодиод HL2, а затем — HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6 при увеличении их сопротивлений яркость падает.

Чтобы подключить индикатор к реальному устройству, нужно отсоединить верхний по схеме вывод переменного резистора от плюсового провода источника питания и подать контролируемое напряжение на крайние выводы этого резистора. Перемещением его движка подбирают порог срабатывания индикатора.

При контроле только напряжения источника питания допустимо установить на месте HL2 светодиод зеленого свечения АЛ307Г.

Он выдает световые сигналы по принципу меньше нормы — норма — больше нормы. Для этого в индикаторе использованы два светодиода красно го свечения и один — зеленого.

Рис. 6. Трехуровневый индикатор напряжения.

При некотором напряжении на движке переменного резистора R1 (напряжение в норме) оба транзистора закрыты и (работает) только зеленый светодиод HL3. Перемещение движка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения (больше нормы) на нем открывается транзистор VТ1.

Светодиод HL3 гаснет, а HL1 зажигается. Если движок перемещать вниз и уменьшать таким образом напряжение на нем (‘меньше нормы”) транзистор VТ1 закроется, а VТ2 откроется. Будет наблюдаться такая картина: вначале погаснет светодиод HL1, затем зажжется и вскоре погаснет HL3 и в заключение вспыхнет HL2.

Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от погасания одного светодиода к зажиганию другого еще не погас полностью например, HL1, а уже зажигается HL3.

Триггер Шмитта

Как известно это устройство ис пользуется обычно для преобразования медленно изменяющегося напряжения в сигнал прямоугольной формыКогда движок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении транзистор VТ1 закрыт.

Напряжение на его коллекторе высокое, в результате транзистор VТ2 оказывается открытым а значит, светодиод HL1 зажжен На резисторе R3 образуется падение напряжения.

Рис. 7. Простой триггер Шмитта на двух транзисторах.

Медленно перемещая движок переменного резистора вверх по схеме, удастся достичь момента когда произойдет скачкообразное открывание транзистора VТ1 и закрывание VТ2 Это случится при превышении напряжения на базе VТ1 падения напряжения на резисторе R3.

Светодиод погаснет. Если после этого перемещать движок вниз триггер возвратится в первоначальное положение — вспыхнет светодиод Это произойдет при напряжении на движке меньшем чем напряжение выключения светодиода.

Ждущий мультивибратор

Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала При этом мультивибратор формирует импульс своей длительности независимо от длительности входного. Убедимся в этом проведя эксперимент с макетом предлагаемого устройства.

Рис. 8. Принципиальная схема ждущего мультивибратора.

В исходном состоянии транзистор VТ2 открыт, светодиод HL1 светится. Достаточно теперь кратковременно замкнуть гнезда Х1 и Х2 чтобы импульс тока через конденсатор С1 открыл транзистор VТ1. Напряжение на его коллекторе снизится и конденсатор С2 окажется подключенным к базе транзистора VТ2 в такой полярности, что тот закроется. Светодиод погаснет.

Конденсатор начнет разряжаться ток разрядки потечет через резистор R5, удерживая транзистор VТ2 в закрытом состоянии Как только конденсатор разрядится, транзистор VТ2 вновь откроется и мультивибратор перейдет снова в режим ожидания.

Длительность формируемого мультивибратором импульса (продолжительность нахождения в неустойчивом состоянии) не зависит от длительности запускающего, а определяется сопротивлением резистора R5 и емкостью конденсатора С2.

Если подключить параллельно С2 конденсатор такой же емкости, светодиод вдвое дольше будет оставаться в погашенном состоянии.

И. Бокомчев. Р-06-2000.

Мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются .

Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов , включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала .

Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый , с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL . Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора . Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.

Основные носители заряда в базе электроны , преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками . Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами .

На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов , пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы .

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора . И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.

Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL . В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.

А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.

Электроны, находящиеся в области базы , переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора , также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится , отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?

Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.

Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки , отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами . В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами , поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.

Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.

Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо .

А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток , во много раз больший тока цепи эмиттер-база . И благодаря этому току лампочка загорелась.

Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.

Резистор ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы , создавая небольшой прямой базовый ток .

Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой , а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе , поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB .

В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток во много раз превышающий базовый ток цепи эмиттер-база .

Чем больше больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.

При открытом же транзисторе ток базы составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока .

В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе . Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым . Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.

На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены .

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные — 3…30 МГц, высокочастотные — свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, — усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, и , если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих схем, следует познакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно упростить понимание в режиме усиления. В известном смысле ключевую схему можно рассматривать как разновидность схемы с ОЭ.

Работа транзистора в ключевом режиме

Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в режиме ключа». Автор статьи предлагал изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОУ). Теперь подобный способ регулирования называется ШИМ и применяется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Но ключевой режим используется не только в системах ШИМ. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подали входной сигнал — реле включилось, нет — сигнала реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: лампочка либо светит, либо погашена. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также применяются для работы со светодиодами или с оптронами.

Рисунок 4.

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя вместо него может быть цифровая микросхема или . Лампочка автомобильная, такая применяется для подсветки приборной доски в «Жигулях». Следует обратить внимание на тот факт, что для управления используется напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.

Ничего странного в этом нет, поскольку напряжения в данной схеме никакой роли не играют, значение имеют только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор предназначен для работы на таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью подобных каскадов выполняется подключение нагрузки к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который, за счет энергии источника питания, больше в несколько десятков, а то и сотен раз (зависит от коллекторной нагрузки), чем ток базы. Нетрудно заметить, что происходит усиление по току. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала», — в справочниках обозначается буквой β. Это есть отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит вот так: β = Iк/Iб.

Для большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10. Даже, если ток базы и получится больше расчетного, то транзистор от этого сильнее не откроется, на то он и ключевой режим.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это как минимум. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке Б-Э останется 5В — 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора получится: 4,4В / 10мА = 440 Ом. Из стандартного ряда выбирается резистор с сопротивлением 430 Ом. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б-Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Для того, чтобы база транзистора при размыкании управляющего контакта не осталась «висеть в воздухе», переход Б-Э обычно шунтируется резистором Rбэ, который надежно закрывает транзистор. Об этом резисторе не следует забывать, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, все про этот резистор знали, но почему-то забыли, и лишний раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказалось бы меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как будто участок Б-Э просто замкнули накоротко. Практически резистор Rбэ ставят номиналом примерно в десять раз больше, нежели Rб. Но даже если номинал Rб составит 10Ком, схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрыванию транзистора.

Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, или выключить совсем. В этом случае транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Тут же, сам собой, напрашивается вывод, что между этими «граничными» состояниями существует такое, когда лампочка светит вполнакала. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан, наполовину налитый, в то время, как пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная аппаратура состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто подобрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить требуемый коэффициент усиления или полосу пропускания. Но, несмотря на это, достаточно часто применяются каскады на дискретных («рассыпных») транзисторах, и поэтому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала β , то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h31э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.

Коэффициент h31э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h31э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это просто небольшой кусочек из рисунка 2, показанного во второй части статьи. Такая схема называется схемой с фиксированным током базы.

Рисунок 5.

Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, — защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h31э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.

Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, — с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи — ООС.

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.

Схемы с термостабилизацией

Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7.

В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.

Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, — при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (ОК) Показана на рисунке 8. Эта схема является кусочком рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.

В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?

Схема ОК усиливает сигнал по току в h31э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h31э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.

Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, — «радио играть не будет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх — Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх — Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь — сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31э. Как это сделать, показано на рисунке 10.

Рисунок 10.

Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком 10б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31э ≈ Iн/Iб.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Такая схема дает только усиление по напряжению, но обладает лучшими частотными свойствами по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОБ это антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые . Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры… Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во «включенном» и «выключенном». Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора — это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN — положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда — электроны, а в PNP — дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб

К биполярным транзисторам могут быть отнесены однопереходные транзисторы, таковым является например КТ117. Такой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Однопереходный транзистор состоит из двух баз и эмиттера.

В последнее время в схемах часто стали применять составные транзисторы, называют их парой или транзисторами Дарлингтона, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока, состоят они из двух или более биполярных транзисторов, но выпускаются и готовые транзисторы в одном корпусе, таким является например TIP140. Включаются они с общим коллектором, если соединить два транзистора, то они будут работать как один, включение показано на рисунке ниже. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора.

Некоторые недостатки составного транзистора: низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Ну и само собой, потребуется больше места на плате.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора «+» присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом «-» к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G — затвор, D — сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток.

Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ.

Плюсы у данных транзисторов следующие:
Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току
Лучшие характеристики, например большая скорость переключения.
Устойчивость к большим импульсам напряжения.
Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые.

Минусы:
Стоят дороже, чем биполярные транзисторы.
Боятся статического электричества.
Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления — это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Входное сопротивление — усилительный каскад

Входное сопротивление — усилительный каскад

Cтраница 2

При невыполнении этих условий необходимо провести одно из следующих изменений в схеме: увеличить сопротивление нагрузки, которым обычно является входное сопротивление усилительного каскада; заменить используемый фоторезистор другим, имеющим большее значение кратности изменения сопротивления Ят / Ясв, или заменить используемый источник света другим, который способен создать более высокую освещенность светочувствительного элемента фоторезистора.  [16]

Практическая схема генератора отличается от упрощенной тем, что параллельно зарядной емкости подключаются импе-дансы коммутирующего устройства в разомкнутом состоянии и нагрузки, являющейся входным сопротивлением усилительного каскада.  [18]

При расчете усилительного каскада с емкостной связью необходимо выбрать разделительную емкость Са достаточно большой ( до нескольких десятков микрофарад), чтобы скомпенсировать ухудшение пропускания нижних частот, вносимое небольшим входным сопротивлением последующего усилительного каскада.  [19]

В усилительных каскадах рабочая точка, характеризующая режим работы по постоянному току, т.е. совокупность напряжений и токов в отсутствие сигналов, устанавливается посредством выбора напряжений питания и сопротивлений резисторов в цепи питания и входных цепях. Выбор рабочей точки транзисторов определяет входное сопротивление усилительного каскада. Согласование каскадов осуществляется путем применения схем сдвига потенциальных уровней.  [20]

Параллельно-последовательное соединение четырехполюсника / и четырехполюсника В ( см. рис. 2.4, г) в современных одиночных усилительных каскадах встречается редко. Это связано с тем, что параллельная ОС по входу способствует уменьшению входного сопротивления усилительного каскада, а последовательная ОС по выходу — увеличению выходного сопротивления каскада. Такая трансформация входного и выходного сопротивлений усилительного каскада с помощью параллельно-последовательной ОС усложняет согласование каскадов в усилителе, что является одной из причин ее редкого использования в одиночных каскадах. В усилителях параллельно-последовательная ОС находит применение.  [21]

В тех случаях, когда температурная стабилизация обеспечивается подачей термозависимого смещения на базу транзистора с делителя на терморезисторе с отрицательным ТКС, некоторые параметры усилительного каскада ухудшаются. Так как терморезисторы включаются во входную цепь транзистора, то при повышении температуры входное сопротивление усилительного каскада значительно уменьшается, что в ряде случаев является нежелательным.  [23]

При подключении-источника сигналов между двумя входами каскада входное сопротивление последнего складывается из входных сопротивлений двух усилительных каскадов ( с ОЭ или ОИ), поэтому оно оказывается в 2 раза большего значения. Когда источник сигнала подключается к одному из входов, а другой вход закорачивается, входное сопротивление дифференциального каскада также равно удвоенному значению входного сопротивления соответствующего усилительного каскада. Удвоение входного сопротивления, а также его увеличение на значение симметрирующего сопротивления Rr2 Rr есть результат действия обратной связи, которая свойственна дифференциальным каскадам. Из-за этой связи входы дифференциального каскада взаимодействуют между собой.  [24]

Автоматическое смещение в усилительных каскадах на полевых МДП-транзисторах, у которых полярность напряжения на стоке и затворе одинакова, осуществить невозможно. В этом случае напряжение смещения U подается на затвор от источника стокового питания Ес через делитель RiR2 ( рис. 7.18 6), аналогичный делителю в усилительных каскадах на биполярных транзисторах. При этом делитель должен быть высокоомным, чтобы не снижать существенно входное сопротивление усилительного каскада.  [25]

Напряжение видеосигнала, снимаемого с эмиттерного повторителя ( первого каскада видеоусилителя), составляет 0 2 — 0 5 В. Поэтому перед амплитудным селектором установлен дополнительный каскад усиления видеосигнала. Резистор Rr / включен для уменьшения шунтирования выходного сопротивления эмиттерного повторителя входным сопротивлением усилительного каскада. Каскад работает с очень малым током коллектора. Сделано это для того, чтобы он усиливал в основном синхроимпульсы и частично подавлял видеосигнал при малом его уровне на входе. При большом же уровне сигнала этот каскад полностью отделяет синхроимпульсы от видеосигнала.  [26]

Однако это явление можно ослабить или нейтрализовать, подключив дополнительный резистор R, который изображен на рис. 4.34 штриховыми линиями. При наличии резистора R в цепи эмиттера первого транзистора его эмиттерный ток не ограничивается током базы второго транзистора, а следовательно, коэффициент усиления тока первого транзистора может быть большим. Следует заметить, что голодный режим первого транзистора в составной схеме транзисторов способствует увеличению входного сопротивления составного транзистора, но при подключении делителя R ] Rz входное сопротивление усилительного каскада все равно становится сравнительно небольшим.  [28]

Напряжение видеосигнала, снимаемого с эмиттерного повторителя ( первого каскада видеоусилителя), составляет 0 2 — 0 5 В. Поэтому перед амплитудным селектором установлен дополнительный каскад усиления видеосигнала. Видеосигнал отрицательной полярности с эмиттера транзистора 7 8 ( см. рис. 7) поступает на базу транзистора Т через цепочку С89Л77 — Резистор RTI включен для уменьшения шунтирования выходного сопротивления эмит-терного повторителя входным сопротивлением усилительного каскада. Каскад работает с очень малым током коллекюра. Сделано это для того, чтобы он усиливал в основном синхроимпульсы и частично подавлял видеосигнал при малом его уровне на входе. При большом же уровне сигнала этот каскад полностью отделяет синхроимпульсы от видеосигнала.  [29]

Страницы:      1    2

Биполярный транзистор

— обзор

12.3 Биполярный транзистор с гетеропереходом

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) — это тип биполярного транзистора, который использует другой тип полупроводникового материала для областей эмиттера и базы, создавая гетеропереход . Основное преимущество HBT — более высокие частотные характеристики, которые зависят от типа используемого полупроводникового материала и геометрии устройства [22]. Например, HBT, изготовленные с использованием составного полупроводникового материала GaAs / арсенид алюминия-галлия (GaAs / AlGaAs), могут иметь f T вплоть до сотен ГГц.Еще более высокие частоты могут быть получены с устройствами с двойным гетеропереходом InP / арсенид галлия индия (InGaAs) [9,23]. HBT находят применение либо в качестве генераторов, либо в качестве малошумящих усилителей [6,24]. Еще одним преимуществом HBT является высокий КПД и высокая плотность мощности, что делает их очень подходящими для применения в усилителях мощности СВЧ [25].

Существует две версии HBT, биполярный транзистор с одинарным гетеропереходом (SHBT) и биполярный транзистор с двойным гетеропереходом (DHBT), как показано на рисунке 12.5 [26].

Рисунок 12.5. Упрощенное концептуальное сечение HBT с материалами.

В обоих случаях структура HBT обычно формируется путем создания эмиттера из материала с широкой запрещенной зоной, такого как AlInAs (1,45 эВ) или InP (1,35 эВ), и базы из соединения с более узкой запрещенной зоной, GaInAs (0,75 эВ). , например. В случае SHBT один и тот же материал используется как для коллектора, так и для основания, тогда как третий материал используется в качестве коллектора в случае DHBT.

Такое сочетание материалов имеет несколько преимуществ.Во-первых, ширина запрещенной зоны GaInAs, более узкая, чем у кремния и GaAs, дает InP HBT, которые имеют очень низкое напряжение включения и поэтому идеально подходят для низковольтных приложений. Во-вторых, смещение валентной зоны, которое блокирует поток дырок базового эмиттера, позволяет базовому легированию быть на один-два порядка выше в HBT, чем в устройстве с одним материалом (гомопереход). В результате снижается базовое сопротивление, увеличивается максимальная рабочая частота (fmax) и разрешаются устройства меньших размеров.

Причуды BJT | Биполярные переходные транзисторы

Идеальный транзистор должен показывать 0% искажений при усилении сигнала. Его усиление распространяется на все частоты. Он мог бы контролировать ток в сотни ампер при сотнях градусов C. На практике доступные устройства показывают искажения. Усиление ограничено в высокочастотном конце спектра. Настоящие детали выдерживают только десятки ампер с осторожностью. Следует соблюдать осторожность при параллельном подключении транзисторов для получения более высокого тока. Работа при повышенных температурах может привести к выходу из строя транзисторов, если не будут приняты меры предосторожности.

Нелинейность

Усилитель с общим эмиттером класса A (аналогичный показанному на предыдущем рисунке) почти полностью ограничен на рисунке ниже. Обратите внимание, что положительный пик более плоский, чем отрицательный. Это искажение недопустимо во многих приложениях, таких как высококачественный звук.

Искажения в усилителе с общим эмиттером больших сигналов.

Усилители малых сигналов относительно линейны, потому что они используют небольшой линейный участок характеристик транзистора.Усилители больших сигналов не на 100% линейны, потому что характеристики транзисторов, такие как β, не являются постоянными, а изменяются в зависимости от тока коллектора. β высокое при низком токе коллектора и низкое при очень низком или высоком токе. Однако в первую очередь мы сталкиваемся с уменьшением β с увеличением тока коллектора.

усилитель с общим эмиттером
Vbias 4 0 0,74
Всиг 5 4 син (0 125м 2000 0 0)
rbias 6 5 2k
q1 2 6 0 q2n2222
г 3 2 1000
v1 3 0 постоянного тока 10
.model q2n2222 npn (is = 19f bf = 150
+ vaf = 100 ikf = 0,18 ise = 50p ne = 2.5 комн = 7,5
+ var = 6.4 ikr = 12m isc = 8.7p nc = 1.2 rb = 50
+ re = 0,4 rc = 0,3 cje = 26p tf = 0,5n
+ cjc = 11p tr = 7n xtb = 1,5 kf ​​= 0,032f af = 1)
.fourier 2000 v (2)
.tran 0,02 м 0,74 м
.конец
 
 
специя -b ce.cir;
Фурье-анализ v (2):
THD: 10,4688%

 
Хар Частота Norm Mag
0 0 0
1 2000 1
2 4000 0.0979929
3 6000 0,0365461
4 8000 0,00438709
5 10000 0,00115878
6 12000 0,00089388
7 14000 0,00021169
8 16000 3.8158e-05
9 18000 3.3726e-05

Список цепей SPICE: для анализа переходных процессов и анализа Фурье. Анализ Фурье показывает 10% общих гармонических искажений (THD).

Перечень SPICE в таблице выше показывает, как количественно оценить величину искажения. Команда «.fourier 2000 v (2)» указывает SPICE выполнить анализ Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v (2). В командной строке «spice -b имя_цепи.cir» выводит результат анализа Фурье, указанный в таблице выше. Он показывает THD (полное гармоническое искажение) более 10% и вклад отдельных гармоник.

Частичное решение этого искажения состоит в том, чтобы уменьшить ток коллектора или задействовать усилитель на меньшей части линии нагрузки. Окончательное решение — использовать отрицательную обратную связь. См. Обратную связь.

Температурный дрейф

Температура влияет на характеристики транзисторов переменного и постоянного тока. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагревание. Некоторые приложения, такие как военные и автомобильные, требуют работы в расширенном температурном диапазоне.Цепи в благоприятных условиях подвержены самонагреву, особенно в цепях большой мощности.

Ток утечки I CO и β увеличиваются с температурой. Постоянный ток β (h FE ) растет экспоненциально. AC β (h fe ) увеличивается, но не так быстро. Он удваивается в диапазоне от -55 ° до 85 ° C. По мере увеличения температуры увеличение h fe приведет к большему выходу с общим эмиттером, который в крайних случаях может быть ограничен. Увеличение hFE сдвигает точку смещения, возможно, срезая один пик.Сдвиг точки смещения усиливается в многокаскадных усилителях с прямой связью. Решением является некоторая форма отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует усиление переменного тока.

Повышение температуры на рисунке ниже (а) снизит напряжение V BE от номинального 0,7 В для кремниевых транзисторов. Уменьшение VBE увеличивает ток коллектора в усилителе с общим эмиттером, дополнительно смещая точку смещения. Лекарство от переключения VBE — это пара транзисторов, сконфигурированных как дифференциальный усилитель.Если оба транзистора на рисунке ниже (b) имеют одинаковую температуру, VBE будет отслеживать изменение температуры и отменить.

(a) несимметричный CE-усилитель против (b) дифференциального усилителя с компенсацией VBE.

Максимальная рекомендуемая температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125 ° C. Однако для большей надежности ее следует снизить. Действие транзистора прекращается при температуре выше 150 ° C. Транзисторы из карбида кремния и алмаза будут работать на значительно более высоких температурах.

Термический разгон

Проблема с повышением температуры, вызывающим увеличение тока коллектора, заключается в том, что увеличение тока увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как тепловой пробег , который может разрушить транзистор. Опять же, решением является схема смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.

Емкость перехода

Емкость существует между выводами транзистора .Емкость коллектор-база C CB и емкость эмиттер-база C EB уменьшают усиление схемы с общим эмиттером на более высоких частотах. В усилителе с общим эмиттером емкостная обратная связь от коллектора к базе эффективно умножает C CB на β. Величина отрицательной обратной связи, снижающей усиление, связана как с усилением по току, так и с величиной емкости коллектор-база. Это известно как эффект Миллера.

Шум

Максимальная чувствительность усилителей малых сигналов ограничена шумом из-за случайных изменений тока.Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум из-за текущего протекания несущих в базе и тепловой шум . Источником теплового шума является сопротивление устройства, которое увеличивается с температурой:

Шум в транзисторном усилителе определяется в терминах избыточного шума , генерируемого усилителем, не того шума, который усиливается от входа к выходу, а генерируется внутри усилителя.Это определяется путем измерения отношения сигнал / шум (S / N) на входе и выходе усилителя. Выходное напряжение переменного тока усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сигнал плюс шум. Напряжение переменного тока без сигнала соответствует шуму N. Коэффициент шума обозначается как «F» определяется в терминах S / N входа и выхода усилителя:

Коэффициент шума F для ВЧ (радиочастотных) транзисторов обычно указывается в технических паспортах транзисторов в децибелах, F дБ .Хороший коэффициент шума УКВ (очень высокая частота, от 30 МГц до 300 МГц) составляет <1 дБ. Коэффициент шума выше ОВЧ значительно увеличивается, на 20 дБ за декаду, как показано на рисунке ниже.

Зависимость коэффициента шума малосигнального транзистора от частоты. После Тиле, рисунок 11.147 [AGT]

На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах увеличивается на 10 дБ за декаду с уменьшением частоты. Этот шум известен как 1 / f noise .

Коэффициент шума зависит от типа транзистора (номера детали).РЧ-транзисторы с малым сигналом, используемые на антенном входе радиоприемника, специально разработаны с учетом низкого коэффициента шума. Коэффициент шума зависит от тока смещения и согласования импеданса. Наилучший коэффициент шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при несовпадении импеданса.

Температурное рассогласование (проблема с параллельным включением транзисторов)

Если бы два идентичных силовых транзистора были подключены параллельно для получения более высокого тока, можно было бы ожидать, что они будут делить ток поровну.Из-за различий в характеристиках транзисторы распределяют ток неравномерно.

Для транзисторов, включенных параллельно для увеличения мощности, требуются эмиттерные балластные резисторы

Выбирать одинаковые транзисторы непрактично. Β для малосигнальных транзисторов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов: 20–50. Если бы каждый из них мог быть подобран, один все равно мог бы работать горячее, чем другой из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгоне.Решением при параллельном подключении биполярных транзисторов является установка эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы , с сопротивлением менее 1 Ом. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивается — отрицательная обратная связь. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также помогает уравнять ток.

Высокочастотные эффекты

Характеристики транзисторного усилителя относительно постоянны до определенного момента, как показано на рисунке ниже по коэффициенту усиления по току с общим эмиттером слабого сигнала при увеличении частоты.За пределами этой точки характеристики транзистора ухудшаются с увеличением частоты.

Бета-частота среза , fT — это частота, на которой коэффициент усиления по току малого сигнала с общим эмиттером (h fe ) падает до единицы. Практический усилитель должен иметь коэффициент усиления> 1. Таким образом, транзистор не может быть использован в практическом усилителе на fT. Более приемлемый предел для транзистора — 0,1 · фТл. Рассмотрим иллюстрацию.

Зависимость коэффициента усиления по току (hfe) слабого сигнала с общим эмиттером от частоты.

Некоторые кремниевые биполярные транзисторы RF могут использоваться в качестве усилителей до нескольких ГГц. Кремний-германиевые устройства расширяют верхний диапазон до 10 ГГц.

Частота среза альфа-канала ,

f альфа — частота, при которой α падает до 0,707 низкой частоты α. Отсечка альфа и бета почти равны: f alpha ≅fT. Бета-отсечка fT является предпочтительным показателем качества высокочастотных характеристик.

f max — это самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса.Это частота, при которой коэффициент усиления равен единице. Весь выход возвращается на вход для поддержания колебаний. f max — верхний предел частоты работы транзистора как активного устройства. Впрочем, на f max практический усилитель не годится.

Эффект Миллера: Предел высокой частоты для транзистора связан с емкостями перехода. Например, PN2222A имеет входную емкость C obo = 9 пФ и выходную емкость C ibo = 25 пФ от C-B и E-B соответственно.[FAR] Хотя емкость CE 25 пФ кажется большой, она меньше, чем емкость CB (9 пФ) из-за эффекта Миллера , емкость CB влияет на базу, эквивалентную бета, умноженному на емкость усилителя с общим эмиттером. Почему это могло быть? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал от базы к коллектору. Сигнал инвертированного коллектора, подаваемый обратно на базу, противостоит входу на базе. Коллекторный сигнал в бета раз больше входного.Для PN2222A β = 50–300. Таким образом, емкость C-E 9 пФ выглядит как от 9 · 50 = 450 пФ до 9 · 300 = 2700 пФ.

Решением проблемы емкости перехода является выбор высокочастотного транзистора для широкополосных приложений — RF (радиочастотный) или микроволновый транзистор. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования конфигурации с общей базой вместо конфигурации с общим эмиттером. Заземленная база экранирует вход эмиттера от емкостной обратной связи коллектора. Двухтранзисторная каскодная схема даст ту же полосу пропускания, что и схема с общей базой, с более высоким входным сопротивлением по сравнению с общим эмиттером.

ОБЗОР:

  • Транзисторные усилители демонстрируют искажения из-за изменения β в зависимости от тока коллектора.
  • I c , V BE , β и емкость перехода зависят от температуры.
  • Повышение температуры может вызвать увеличение I C , вызывая повышение температуры, порочный круг, известный как тепловой разгоном .
  • Емкость перехода ограничивает высокочастотное усиление транзистора.Эффект Миллера заставляет C cb выглядеть в β раз больше на базе усилителя CE.
  • Транзисторный шум ограничивает возможность усиления слабых сигналов. Уровень шума — это показатель качества, касающийся шума транзисторов.
  • При параллельном подключении силовых транзисторов для увеличения тока, вставьте балластные резисторы последовательно с эмиттерами для выравнивания тока.
  • F T — это абсолютный верхний предел частоты для усилителя CE, коэффициент усиления по току малого сигнала падает до единицы, h fe = 1.
  • Fmax — это верхний предел частоты для генератора в наиболее идеальных условиях.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Усилитель класса A смещения

  • Изучив этот раздел, вы сможете описать:
  • Причины смещения постоянного тока в усилителях.
  • Преимущества и недостатки Смещение класса А.
  • Простой общий эмиттер с фиксированным смещением постоянного тока.
  • • Использование входных характеристик.
  • • Условия покоя.
  • • Предотвращение искажения с помощью правильного смещения.
  • • Выходные характеристики.
  • • Грузовая марка.
  • • Основные расчеты фиксированного смещения.
  • Стабилизация смещения.
  • • Смещение коллектора.
  • • Базовые сети смещения.
  • • Стабилизация излучателя.
  • • Использование эмиттерных байпасных конденсаторов.
  • Смещение полевого транзистора.

Общее соединение усилителя

Транзисторы в усилителях обычно используют один из трех основных режимов подключения. Транзистор имеет три соединения (коллектор, база и эмиттер), в то время как для входа и выхода схемы усилителя требуется по два соединения, всего четыре, поэтому одно из трех соединений транзистора должно быть общим для входа и выхода.Выбор коллектора, базы или эмиттера как общего для входа и выхода оказывает заметное влияние на работу транзисторного усилителя. В этом разделе описывается смещение транзистора в режиме общего эмиттера, наиболее часто используемом из трех режимов подключения усилителей напряжения.

Смещение класса A

Усилители

класса A смещены постоянным напряжением, приложенным к переходу база-эмиттер транзистора, так что их рабочая точка покоя (или отсутствия сигнала) находится на линейной части характеристик транзистора.Кроме того, форма сигнала, подаваемого на базу, не должна приводить транзистор к насыщению или отключению. Если бы это произошло, это привело бы к сглаживанию пиков формы волны, вызывая искажения. При смещении класса A напряжение коллектора поддерживается примерно на уровне половины напряжения питания, однако это означает, что транзистор постоянно пропускает ток коллектора, даже когда сигнал не подается, поэтому мощность тратится впустую, и хотя класс A обеспечивает очень низкий искажения, он также относительно неэффективен в использовании мощности.

Теоретический максимальный КПД усилителя класса A составляет 50%, но на практике этот показатель будет ближе к 25%. Основное применение смещения класса A — это маломощные усилители звукового и радиочастотного напряжения, где потери мощности менее значительны, чем основное преимущество усилителя — низкий уровень искажений. Однако класс A может также использоваться для усилителей мощности с низким уровнем искажений в аудиосистемах Hi-Fi с питанием от сети (от сети), где эффективность менее важна.

Фиксированное смещение общего эмиттера

Рис 1.2.1 Простое смещение общего эмиттера.

Усилители необходимы в большинстве единиц электронного оборудования не только для воспроизведения звука и изображения, но также в системах управления и связи. Конструкция усилителей направлена ​​на создание схемы, которая имеет прогнозируемый коэффициент усиления в определенной полосе частот с минимальными искажениями. Усилитель также должен быть устойчивым и не подверженным колебаниям. Биполярные транзисторы PNP или NPN или полевые транзисторы могут использоваться в самых разных конструкциях в зависимости от их предполагаемого назначения.

Рассмотрим простой биполярный усилитель с общим эмиттером NPN, показанный на рис. 1.2.1, состоящий из транзистора и двух резисторов. Для правильной работы усилитель должен выдавать на своем выходе усиленную версию сигнала на входе без искажений. Для этого сначала должны быть правильными его условия покоя или отсутствия сигнала (DC). Его выход может быть неискаженным, только если его вход неискажен.

Использование входных характеристик.

Рис. 1.2.2 Входные характеристики.

На рис. 1.2.2 показана типичная кривая входных характеристик для транзистора усилителя небольшого сигнала, где изменения базового напряжения V b нанесены на график в зависимости от результирующих изменений базового тока I b .

Если изменения в сигнальном напряжении переменного тока (изменения в V b ), приложенные к базе, должны произвести пропорциональные изменения в базовом переменном токе I b , тогда необходимо использовать некоторое значение постоянного тока V B , чтобы положительное и отрицательные отклонения напряжения сигнала возникают только на линейной части входной кривой (форма сигнала b на рис.1.2.2). Это постоянное напряжение (0,7 В на рис. 1.2.2), приложенное к базе, называется напряжением смещения базы. Из рисунка 1.2.2 видно, что если напряжение смещения недостаточно, то только положительные выводы формы волны входного напряжения будут производить базовый ток, и, следовательно, в форме волны базового тока a будут возникать серьезные искажения.

Также можно увидеть, что для этого транзистора напряжение смещения базы постоянного тока (R B ) 0,7 В создает ток покоя (постоянный ток) в 40 мкА. Эти значения устанавливаются правильным выбором значения сопротивления для R B (рис.1.2.1).

Установка выходных условий покоя

Необходимо также учитывать условия покоя на выходе , поскольку базовый ток покоя I b будет производить ток покоя коллектора I c , который будет зависеть от значения I b и коэффициента усиления по току h fe транзистора. Кроме того, поскольку I c протекает через нагрузочный резистор (R L ), он создает разность потенциалов на R L , которая при вычитании из напряжения питания (V cc ) дает значение коллектора транзистора / напряжение эмиттера ( в.э. В).

Рис. 1.2.3 Неправильные условия смещения.

На рис. 1.2.3 показаны два экстремальных условия для значений I c и V ce . В первом случае (рис. 1.2.3a) видно, что если ток коллектора I C равен нулю, из-за того, что базовое напряжение достаточно низкое, чтобы отсечь базовый ток, на R L возникает напряжение. будет равно нулю, и все V cc будет развиваться через транзистор, поэтому V ce повысится до напряжения питания V cc .

Если сигнал подается в этих условиях (рис. 1.2.3a), положительные полупериоды выходного сигнала (который находится в противофазе к форме волны напряжения на базе) не могут заставить V ce подняться больше, чем V cc , и поэтому положительные полупериоды напряжения коллектора не будут воспроизводиться, вызывая серьезные искажения.

В качестве альтернативы, если I c очень высокое (рис. 1.2.3b) из-за чрезмерного смещения базы, транзистор будет в состоянии насыщения, и V ce упадет почти до нуля.Поскольку напряжение коллектора не может упасть ниже 0 В, отрицательные полупериоды выходного сигнала будут потеряны. Отсюда следует, что для воспроизведения полной формы волны на коллекторе идеальное значение покоя для V ce будет примерно посередине между V cc и нулевым вольт. Это позволит воспроизводить максимальные амплитуды как положительных, так и отрицательных полупериодов выходной волны без искажений.

Использование выходных характеристик

Рис.1.2.4 Выходные характеристики и нагрузка.

В выходных характеристиках, показанных на рис. 1.2.4, изменения I c показаны в зависимости от изменений V ce для различных постоянных базовых токов I b .

«Линия нагрузки» проведена на рис. 1.2.4 между двумя крайними точками, описанными на рис. 1.2.3.

Точка P — это где V CE = V cc (что в данном случае равно 10 В) и I c = ноль, и поскольку ток через коллектор не течет, транзистор называется «отключенным».

Точка R — это максимальное значение I c (где I c = V cc ÷ R L ), а V ce равно нулю (потому что практически весь V cc развивается через R л ). Это называется «насыщением», поскольку дальнейшего увеличения тока коллектора не произойдет.

Если линия нагрузки проведена от P к R, можно увидеть, что значение V ce может быть выбрано на полпути вдоль линии нагрузки в точке Q, которая в этом случае совпадает с кривой для I B .

Вертикальная линия, проецируемая вниз от Q, затем пересекает ось V CE на полпути между V cc и нулем, а горизонтальная линия, проецируемая из Q, пересекает ось I C , давая значение покоя 8 мА.

Из указанных значений V Cce и IC теперь можно рассчитать значение для R L , используя:

R L = (V cc — V ce ) ÷ I c

Итак, используя линию нагрузки в точке Q (или любой другой точке с другими парами значений):

R L = (10-5) ÷ 8 x10 −3 = 625 Ом

Смещение усилителя так, чтобы рабочая точка находилась в центре линейной части характеристических кривых транзистора, называется «смещением класса А».

Пример:

Разработайте условия фиксированного смещения постоянного тока для простого усилителя с общим эмиттером класса A, показанного на рис. 1.2.1, при напряжении питания ( куб.см ) 10 В с использованием транзистора с коэффициентом усиления по току общего эмиттера (h fe ) из 200.

Исходя из входных характеристик (рис. 1.2.3) I b должен быть 40 мкА, что указывает на значение V , равное 0,7 В.

Следовательно:

R b = (V cc — V be ) ÷ I b

= (10-0.7) ÷ 40 мкА = 232,5 кОм

Потому что в практической схеме будет выбрано ближайшее предпочтительное значение для базового резистора R b , чтобы R b = 220 кОм.

Поскольку выбран базовый ток 40 мкА, а транзистор h fe равен 200:

I C = I b x h fe = 40 мкА x 200 = 8 мА

Если ток коллектора (I c ) 8 мА достаточен для падения V ce до 5 В (половина от V cc ), то 16 мА приведет к падению V ce практически до нуля и насыщению транзистора.Следовательно, 16 мА будет точкой R на линии нагрузки.

Поскольку напряжение покоя коллектора должно составлять 5 В (половина от куб.см. В), а напряжение на R L также составляет 5 В, можно рассчитать значение R L для получения правильных условий в точке Вопрос:

R L = V RL ÷ I c = 5 В ÷ 8 мА = 625 Ом

или приблизительно 680 Ом (следующее более высокое предпочтительное значение резистора).

Проблемы с конструкцией с фиксированным смещением.

Хотя конструкция, описанная на рис. 1.2.1, проста и требует минимума компонентов, существуют некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть для практического использования.

Если по какой-либо причине изменится напряжение питания или температура транзистора, изменится и напряжение смещения. Если напряжение смещения увеличивается, то будет протекать больший базовый ток, что приведет к увеличению тока коллектора. Это, в свою очередь, вызовет повышение температуры перехода внутри транзистора и, следовательно, дальнейшее увеличение тока.Тогда транзистор будет пропускать еще больший ток, вызывая дальнейшее повышение температуры и так далее.

Конечным результатом этого процесса, называемого «тепловым разгоном», является то, что транзистор будет становиться все горячее и горячее, пока не будет разрушен. Несмотря на то, что для современных силовых транзисторов тепловой разгон представляет собой гораздо меньшую проблему, для малых типов сигналов он все же представляет собой возможную опасность, которую следует избегать, встроив в конструкцию усилителя некоторую форму стабилизации смещения.

Стабилизация постоянного тока

Рис.1.2.5 Смещение коллектора.

Рис. 1.2.6 Стабилизация излучателя

На рис. 1.2.5 показан простой метод улучшения температурной стабилизации усилителя с общим эмиттером. Вместо подачи тока смещения от V cc он подается с конца коллектора R L .

При таком расположении любое увеличение тока коллектора вызовет увеличение разности потенциалов на R L и, поскольку верхняя часть R L удерживается стабильно с помощью cc V, напряжение коллектора V ce при низ R L должен упасть.Это, в свою очередь, приведет к падению V на и, следовательно, уменьшению тока коллектора. Условия смещения в значительной степени регулируются автоматически и, как говорят, стабилизируются с помощью обратной связи по постоянному току.

Стабилизированное смещение эмиттера

Альтернативная и гораздо более распространенная схема смещения, используемая в большинстве коммерческих схем, использует делитель потенциала, состоящий из двух резисторов (R 1 и R 2 на рис. 1.2.6), чтобы обеспечить стабильное значение V и эмиттерный резистор R e для обеспечения стабилизации с помощью обратной связи по постоянному току.

Если ток коллектора в этой цепи увеличивается, то увеличивается и ток эмиттера, что вызывает повышение напряжения эмиттера V e . Это повышение по сравнению с постоянным напряжением базы вызывает уменьшение напряжения база-эмиттер V до и последующее падение тока коллектора. Обратная связь по постоянному току с использованием стабилизирующего резистора эмиттера поддерживает стабильные условия схемы, когда другие условия (например, температура или температура транзистора h fe ) могут измениться.

Однако резистор эмиттера также вызовет нежелательную обратную связь по переменному току, потому что в условиях сигнала форма волны переменного тока, появляющаяся на эмиттере, будет синфазна с формой волны базы, и две формы волны, изменяющиеся вместе, будут иметь тенденцию уменьшать вариации напряжения база-эмиттер, вызывая существенное снижение прироста.Чтобы избежать этой проблемы, обычно резистор стабилизации эмиттера R e шунтируется (обычно) конденсатором большой емкости, подключенным к R E , который образует путь с очень низким импедансом для любого присутствующего сигнала переменного тока, предотвращая любой переменный ток. появляется на эмиттере, но без изменения каких-либо условий постоянного тока.

Смещение полевого транзистора

Рис. 1.2.7 Смещение полевого транзистора.

Смещение полевых транзисторов проще, чем в биполярных схемах, поскольку ток затвора (входной) не течет.На рис. 1.2.7 показана типичная схема смещения полевого транзистора. (МОП-транзисторы также используют аналогичную схему смещения).

При использовании в режиме истощения затвор полевого транзистора должен быть более отрицательным, чем источник. Это достигается поддержанием нулевого напряжения на затворе, в то время как ток стока / истока через резистор R 3 делает вывод истока положительным. Поскольку ток затвора не протекает в полевых транзисторах, напряжение на R 1 не может развиваться, и затвор остается при нулевом напряжении. Использование очень высокого значения для R 1 поддерживает очень высокий входной импеданс, который является полезным свойством усилителей на полевых транзисторах.

Сигнал переменного тока, приложенный к затвору, вызовет небольшие колебания напряжения затвора выше и ниже нуля, что вызовет изменения переменного тока в токе сток-исток, и, как в биполярном усилителе, они преобразуются в изменения напряжения с помощью R 2 . Истоковый резистор R 3 выполняет стабилизацию по постоянному току так же, как эмиттерный резистор в биполярном усилителе, и также обычно шунтируется, чтобы предотвратить отрицательную обратную связь по переменному току.

Верх страницы

(PDF) Биполярные транзисторы, теория и основные приложения

112

Резюме

На этапах с 1 по 11 этого эксперимента вы наблюдали работу

усилителя с общим эмиттером NPN.RC соединен с общим эмиттерным усилителем

PNP. Этот тип соединения является одним из наиболее широко используемых методов соединения

. Когда транзисторы NPN и PNP используются парами, они имеют номер

, который считается комплементарной парой.

Вы должны были измерить амплитуду синусоидального сигнала

при размахе приблизительно 1,75 В на TP102. Затем вы на мгновение выключили SW101 позицию 8, чтобы изолировать

первую ступень от второй. При разрыве между ступенями выход

первой ступени увеличился примерно до 2 вольт.Это увеличение связано с удалением

нагрузки переменного тока второй ступени. В этой схеме использована емкостная связь

. Нет нагрузки постоянного тока, потому что конденсаторы блокируют постоянный ток.

Вход на второй этап на TP105 примерно такой же, как на выходе

на TP102. Конденсатор C102 передает весь сигнал. Потери переменного тока на конденсаторах связи

очень малы.

Когда вы настраивали потенциометр 100 кОм (R808) во время шага 1,

выходной сигнал искажался при увеличении входного напряжения.Без ввода Q101 — это

, работающий около средней точки своего рабочего диапазона. По мере увеличения входного сигнала

Q102 поочередно переводится в режим насыщения и отсечки. Это вызывает ограничение как положительных, так и отрицательных пиков выходного сигнала

.

Поскольку входная частота была изменена на шаге 11, было небольшое, если вообще было

изменение амплитуды или формы выходного сигнала. Емкостная муфта

может использоваться для широкого диапазона частот.Однако на более низких частотах

требуется конденсатор связи большой емкости. Нижний предел составляет

несколько Гц для этого типа муфты. Верхний предел частоты задается характеристиками

транзистора, используемого в усилителе.

На этапах с 12 по 16 вы исследовали связь трансформатора.

Трансформаторная муфта используется для соединения выхода с высоким импедансом с несколькими входами с импедансом

, в идеале это достигается путем регулировки отношения витков входной и выходной обмоток трансформатора

.Однако точное совпадение практически невозможно из-за допусков компонентов. Трансформаторная муфта имеет преимущество

, заключающееся в возможности повышать или понижать сигнальные напряжения. Кроме того,

обеспечивает изоляцию между ступенями, потому что одинаковый ток не течет в

на обеих ступенях.

На этапе 11 было обнаружено, что выходной сигнал первого каскада составляет около 1,9 В от пика до пика

. Затем вы удалили первый этап из второго и обнаружили небольшое изменение

в выходных данных TP102.Вторая стадия не загружает первую стадию в

в какой-либо степени, как это было в первой части этого эксперимента.

Другие проблемы, возникающие при использовании трансформатора, заключаются в том, что он не может соединять сигналы постоянного тока

и что это относительно дорого по сравнению с резистивным

или RC-соединением.

Когда вы поменяете местами провода (TP810 и TP811), вы измените полярность

выходного сигнала. Таким образом, с трансформаторной связью вы также можете подключить

сигнал в синфазном или противофазном направлении.

Страница не найдена | Институт науки и технологий Сатьябамы (считается университетом)

Состояние

Выберите StateAndaman и NicobarAndhra PradeshArunachal PradeshAssamBiharChandigarhChhattisgarhDadra И Нагар HaveliDaman И DiuDelhiGoaGujaratHaryanaHimachal PradeshJammu и KashmirJharkhandKarnatakaKeralaLakshadweepMadhya PradeshMaharashtraManipurMeghalayaMizoramNagalandOdishaPuducherryPunjabRajasthanSikkimTamil NaduTelanganaTripuraUttar PradeshUttarakhandWest Бенгальский

Курсы

— Select -Undergraduate Courses (UG) Инженерные курсы (B.E. / B.Tech / B.Arch / B.Des) BE — Компьютерные науки и инженерия B.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в области искусственного интеллектаB.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в Интернете вещей B.E — Компьютеры Наука и инженерия со специализацией в области науки о данных B.E — информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и робототехники B.E — информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и машинного обучения B.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в технологии цепочек блоков B.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в области кибербезопасности B.E — Электротехника и электроника B.E — Электроника и коммуникационная техника B.E — Машиностроение B.E — Автомобильная инженерия B.E — Мехатроника B.E — Авиационная инженерия B.E — Гражданское строительство B.Tech — Информационные технологии B.Tech — Химическая инженерия B.Tech — БиотехнологияB.Tech — Биомедицинская инженерия B.Arch — Бакалавр архитектуры B.Des. — Бакалавр дизайна, инженерные курсы (BE / B.Tech) — Неполный рабочий деньB.E — Компьютерные науки и инженерияB.E — Электротехника и электроникаB.E — Электроника и коммуникационная инженерияB.E — МашиностроениеB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Химическая промышленность Инженерное искусство и научные курсыB.BA — Бакалавр делового администрированияB.Com. — Бакалавр коммерцииB.Com. — Финансовый учет — Визуальная коммуникация, бакалавр наук — Медицинские лабораторные технологии, бакалавриат — Клиника, питание и диетология.Sc. — Физика — Химия — Компьютерные науки — Математика — Биохимия, бакалавр наук. — Дизайн одежды — BioTechnologyB.Sc. — MicroBiologyB.Sc. — Психология — Английский — биоинформатика и наука о данных, бакалавр — компьютерные науки, искусственный интеллект. — Бакалавр медсестер — Курсы авиационного права LL.B. (С отличием) B.B.A. LL.B. (С отличием) B.Com.LL.B. (С отличием) Бакалавр фармацевтических курсов, степень бакалавра фармацевтики, степень бакалавра фармацевтики, диплом магистра фармации, Инженерные курсы для аспирантов, M.E. Компьютерные науки и инженерия Прикладная электроника Компьютерный дизайн Структурная инженерия Силовая электроника и промышленные приводы Биотехнология Медицинское оборудование Встраиваемые системы и IoTM.Arch. Устойчивая архитектура Программа управления зданием MBA — Магистр делового администрирования Заочная аспирантура Компьютерные науки и инженерия Прикладная электроника Компьютерный дизайн Структурная инженерияМедицинское оборудование Биотехнология Магистр делового администрированияПрием на курсы PPG Arts & Science MA — английский и наук Бакалавр стоматологической хирургии (BDS) BDS — Бакалавр стоматологической хирургииМастер стоматологической хирургии (MDS) MDS — Ортодонтия и челюстно-лицевая ортопедия М.D.S — Консервативная стоматология и эндодонтияM.D.S — Педодонтия и профилактическая стоматология

Как выбрать < Выбор транзисторов для обеспечения безопасной работы > | Основы электроники

Во время работы транзистор испытывает электрические и тепловые нагрузки. Срок службы транзистора будет коротким, если такие нагрузки превышают максимальные допуски, что может привести к выходу транзистора из строя в худшем случае. Чтобы избежать этого, настоятельно рекомендуется проверить, нет ли каких-либо проблем с управлением транзистором на этапе проектирования.

В этом разделе мы объясним метод определения того, можно ли использовать выбранный транзистор. Пожалуйста, внимательно ознакомьтесь с этим материалом, чтобы избежать потенциальных проблем и узнать, как безопасно использовать транзисторы.

Перед судом: от выбора к установке

Выбор транзистора

Вы можете выполнить поиск транзистора в нашем кратком веб-каталоге.

Получить образцы и спецификации

образца можно приобрести на веб-сайте ROHM.Доступность образцов для чистой покупки постоянно расширяется.

Установите транзистор на оценочную плату или проверьте работоспособность

Контрольно-пропускные пункты:

  • Убедитесь, что выбранный транзистор надежно работает в реальной цепи.
  • Проверить, стабильно ли выбранный транзистор (т.е.работает ли длительное время, обеспечивая надежность)
  • Допустимая погрешность в последней цепи не мешает цепи

Решение: можно использовать или нет

Решение о том, можно ли использовать выбранный транзистор, должно выполняться на основе следующих шагов.


Измерение фактической формы кривой тока и напряжения

Подтверждение тока и напряжения

Сначала проверьте с помощью осциллографа, какие ток и напряжение, приложенные к транзистору. Номинальные значения, указанные в таблицах данных, должны соответствовать измеренным значениям, параметрам, перечисленным ниже, следует уделять приоритетное внимание.

Приоритетные позиции:

Транзистор Тип Напряжение Текущий
Биполярный транзистор Напряжение коллектор-эмиттер: Vce Ток коллектора: Ic
Цифровой транзистор Выходное напряжение: Vo (GND-OUT) Выходной ток : Io
МОП-транзистор Напряжение сток-исток: Vds Дорайн текущий: Id

Пример: форма сигнала при переключении 2SD2673 (100 мкс / дел)


Абсолютный максимальный рейтинг соблюдается все время?

Подтверждение абсолютного максимального рейтинга

Убедитесь, что ток и напряжение (подтверждение тока и напряжения) не превышают абсолютный максимальный номинал, указанный в техническом паспорте.В приведенной выше таблице есть элементы, не отмеченные флажком, но все такие неотмеченные элементы также должны иметь рейтинг ниже абсолютного максимума.

Транзистор не может быть выбран, если пиковый ток или скачок напряжения могут выйти за пределы абсолютного максимального номинального диапазона даже на мгновение. В противном случае существует вероятность ухудшения характеристик и разрушения устройства при превышении абсолютного максимума.

Пример: Технический паспорт 2SD2673 (Описание абсолютного максимального номинала)

Пример: случай, когда абсолютный максимальный рейтинг нарушается на мгновение (NG)


Используется ли транзистор в SOA?

Подтверждение безопасной рабочей зоны (SOA *), часть 1

SOA определяет область, в которой транзистор может безопасно работать.Однако SOA основывается только на одном (одном) импульсе. Следовательно, необходимо также проверить, все ли импульсы остаются в пределах SOA, если транзистор приводится в действие повторяющимися импульсами, а также усредненный приложенный ток, который должен быть вычислен в (Подтверждение безопасности эксплуатации (SOA) — Часть 2), остается в пределах номинальная мощность.

* 1 Также называется ASO (Зона безопасной эксплуатации).

Проверка соответствия SOA

Убедитесь, что форма сигнала, подтвержденная в 1. Подтверждении тока и напряжения, остается в пределах SOA.Решение NG (транзистор не используется) должно быть принято, если пусковой / пиковый ток или скачок напряжения выходят за пределы абсолютного максимального номинала даже на мгновение.
Также дважды проверьте, не нарушена ли SOA, даже если форма волны в Подтверждении абсолютного максимального рейтинга находится в пределах абсолютного максимального рейтинга, лучше перестраховаться, чем сожалеть. (См. Пример ниже.)

Пример: 2SD273 БЕЗОПАСНАЯ РАБОЧАЯ ЗОНА


Снижается ли использование TR в SOA в соответствии с температурой окружающей среды * 1?

* 1 Температура окружающей среды, в которой используется TR, или температура кристалла, когда температура TR повышается за счет его тепла.

Подтверждение зоны безопасности (SOA), часть 2

Обычно SOA определяется комнатной температурой (25 градусов).

Способы отражения снижения характеристик в графике SOA:
・ Биполярный TR / DIgital TR
・ MOSFET
* Температура, требующая снижения номинальных характеристик, в основном соответствует температуре кристалла.


Метод снижения номинальных значений температуры SOA

SOA (безопасная рабочая зона)

SOA (Safe Operating Area) требует понижения температуры, когда температура окружающей среды превышает 25 градусов.или температура кристалла повышается за счет нагрева самого транзистора. Температура снижения характеристик — это температура окружающей среды для первого и температура кристалла для второго. Чтобы быть конкретным, линия SOA должна быть смещена в направлении, где ток меньше. Коэффициент снижения мощности варьируется в зависимости от площади, как показано на Рис.1

Зона ограничения тепла

В этой области линия SOA имеет наклон вниз 45 °. (Линия постоянной мощности) В этой области коэффициент снижения мощности равен 0.8% / град.

Вторичная зона спуска

Для транзисторов существует область вторичного спада из-за перегрева. SOA в этой области имеет наклон более 45 °, а коэффициент снижения мощности составляет 0,5% / град.

Пример Ta = 100 град.

2-1. Снижение номинальных характеристик в зоне ограничения нагрева При температуре окружающей среды 100 град.

Следовательно, суждение должно быть сделано с учетом сдвига линии SOA на 60% в сторону меньшего направления тока.

Снижение номинальных характеристик в области вторичного спуска

Как и выше, расчет выполняется, как показано ниже.

Соответственно, суждение должно быть сделано с учетом сдвига линии SOA на 37,5% в сторону меньшего направления тока.


Непрерывный импульс? Единичный импульс?

одиночный импульс

Внезапный скачок тока (например, из-за подачи питания) называется одиночным импульсом.

Непрерывный импульс

В отличие от одиночного импульса, он называется «непрерывным импульсом», если импульсы загружаются повторно.В этом случае проверьте, работает ли


Является ли средняя потребляемая мощность ниже номинальной мощности при температуре окружающей среды?

Подтверждение при мощности ниже номинальной

Мощность ниже номинальной при температуре окружающей среды = Температура кристалла ниже максимального номинала 150 градусов. Номинальная мощность определяется как мощность, которая нагревает кристалл до 150 градусов.

(Для получения подробной информации, пожалуйста, обратитесь к методу расчета температуры матрицы, подготовленному отдельно.

Метод расчета мощности

В принципе, усредненная мощность — это значение, полученное в результате деления интегрирования тока и напряжения на время. то есть

Теперь подумайте, например, о следующем поведении переключения.

В этом случае расчет следует производить путем деления одного цикла на четыре.

При фактическом расчете интегрирования см. «Формулу интегрирования», подготовленную отдельно.
Давайте произведем расчет для формы волны, наблюдаемой в (1.Подтверждение тока и напряжения) в качестве примера.

Когда ВЫКЛ —> ВКЛ


ON период

Когда ВКЛ —> ВЫКЛ


Когда почти нет тока в выключенном состоянии

В действительности должен существовать ток утечки от нА до 10 нА, а потребление тока равно 0 (нулю) в состоянии ВЫКЛ. Из приведенного выше расчета, если мы разделим весь результат интегрирования для каждой зоны на 400 мкс, что является продолжительностью цикла, среднее потребление тока будет равно

Ранее мы взяли пример биполярного транзистора 2SD2673, чтобы выполнить интегральный расчет тока коллектора Ic и напряжения коллектора-эмиттера Vce.Расчет интегрирования в случае других типов TR может быть таким, как показано ниже, для получения усредненного потребления тока.

  • Цифровой TR: выходной ток Io и выходное напряжение Vo
  • МОП-транзистор: Id тока стока и напряжение сток-исток Vds

После получения усредненного потребления тока, мы должны проверить с помощью Pc (Collector-loss) для цифрового TR (Drain-loss для MOSFET).

Пример: Спецификация 2SD2673

В этом случае усредненная приложенная мощность равна 0.153 Вт, а потери на коллекторе составляют 0,5 Вт (рекомендуемая земля: монтажная плата из эпоксидного стекла), так что использование этого TR при температуре окружающей среды 25 град. в порядке. (Строго говоря, Pc должны различаться в зависимости от разницы в условиях рассеивания тепла, как от типов печатной платы, так и от области схемы заземления. Однако мы предполагаем, что используются рекомендуемые схемы lnd.)

Если температура окружающей среды выше 25 градусов, при проектировании учитывайте температурное снижение номинальных характеристик в соответствии с кривой снижения номинальных характеристик.

Подробнее о расчете температуры матрицы см. В отдельных документах «Метод расчета температуры матрицы».


Формула интеграции для расчета мощности

Расчет мощности между a — b путем интегрирования с током I и напряжением V.

Транзистор Страница продукта

Разница между BJT и MOSFET: преимущества и недостатки

Транзисторы BJT и MOSFET представляют собой электронные полупроводниковые устройства, которые выдают большой изменяющийся электрический сигнал o / p для небольших изменений малых сигналов i / p.Благодаря этой особенности эти транзисторы используются либо как переключатель, либо как усилитель. Первый транзистор был выпущен в 1950 году, и его можно рассматривать как одно из самых важных изобретений 20 века. Устройство быстро развивается, а также внедряются различные типы транзисторов. Первый тип транзистора — это BJT (биполярный переходной транзистор), а MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником) — еще один тип транзистора, представленный позже. Для лучшего понимания этой концепции в этой статье приводится основное различие между BJT и MOSFET.


Что такое BJT?

Транзистор с биполярным переходом — это один из типов полупроводниковых устройств, и в былые времена эти устройства использовались вместо электронных ламп. BJT — это устройство с управлением по току, где o / p базового терминала или терминала эмиттера является функцией тока в базовом терминале. По сути, работа транзистора BJT определяется током на выводе базы. Этот транзистор состоит из трех выводов, а именно эмиттера, базы и коллектора.Фактически, BJT — это кремниевый элемент, который включает в себя три области и два перехода. Эти две области называются P-переходом и N-переходом.

Биполярный транзистор

Существует два типа транзисторов, а именно PNP и NPN. Основное различие между BJT и MOSFET заключается в их носителях заряда. В транзисторе PNP P обозначает положительный заряд, а основные носители заряда — дырки, тогда как в транзисторе NPN N обозначает отрицательный заряд, а основными носителями заряда являются электроны. Принципы работы этих транзисторов практически одинаковы, и основное различие заключается в смещении, а также полярности источника питания для каждого типа.Биполярные транзисторы подходят для слаботочных приложений, например, для коммутации.

BJT Symbol

Принцип работы BJT

Принцип работы BJT включал использование напряжения между двумя выводами, такими как база и эмиттер, для регулирования протекания тока через вывод коллектора. Например, конфигурация общего эмиттера показана на рисунке ниже.

Работа биполярного переходного транзистора

Изменение напряжения влияет на ток, поступающий на клемму базы, и этот ток, в свою очередь, влияет на вызываемый ток включения / выключения.Таким образом, показано, что входной ток управляет потоком переменного тока. Итак, этот транзистор — это устройство, управляемое током. Пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы узнать больше о; Основное различие между BJT и FET.

Что такое MOSFET

MOSFET — это один из видов полевого транзистора (FET), который состоит из трех выводов, а именно затвора, истока и стока. Здесь ток стока регулируется напряжением на выводе затвора. Следовательно, эти транзисторы являются устройствами с регулируемым напряжением.

MOSFET

Эти транзисторы доступны в 4 различных типах, таких как P-канал или N-канал с режимом улучшения или режимом истощения. Клеммы истока и стока изготовлены из полупроводника N-типа для N-канальных полевых МОП-транзисторов и в равной степени для устройств с P-каналом. Клемма затвора сделана из металла и отделяется от клемм истока и стока с помощью оксида металла. Эта изоляция обеспечивает низкое энергопотребление, и это преимущество этого транзистора. Следовательно, этот транзистор используется там, где полевые МОП-транзисторы с p- и n-каналом используются в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления, как цифровая логика CMOS.МОП-транзисторы

подразделяются на два типа, такие как режим улучшения и режим истощения.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме «G» низкое, канал показывает максимальную проводимость. Если напряжение на клемме «G» положительное или отрицательное, проводимость канала будет уменьшена.

Режим улучшения: Когда напряжение на клемме «G» низкое, устройство не проводит ток. Когда на вывод затвора подается большее напряжение, проводимость этого устройства хорошая.

Пожалуйста, перейдите по ссылке ниже, чтобы узнать больше о; Что такое MOSFET с рабочим?

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Работа полевого МОП-транзистора зависит от МОП (металлооксидного конденсатора), который является важной частью полевого МОП-транзистора. Оксидный слой присутствует среди двух выводов, таких как исток и сток. Применяя напряжения затвора + Ve или –Ve, мы можем установить от p-типа до n-типа. Когда на вывод затвора подается напряжение + Ve, то отверстия, существующие под оксидным слоем, с силой отталкивания, и отверстия проталкиваются вниз через подложку.Область отклонения занята связанными зарядами –Ve, которые связаны с атомами акцептора.

Блок-схема MOSFET

Различия между BJT и MOSFET

Разница между BJT и MOSFET в табличной форме обсуждается ниже. Итак, сходство между BJT и MOSFET обсуждается ниже.

Разница между BJT и MOSFET

BJT

МОП-транзистор

BJT — это PNP или NPN MOSFET N-типа или P-типа
BJT — устройство с регулируемым током MOSFET — это устройство, управляемое напряжением
Температурный коэффициент BJT отрицательный Температурный коэффициент MOSFET положительный
Токовый выход BJT можно контролировать через базовый ток i / p. Токовый выход полевого МОП-транзистора можно регулировать через напряжение затвора i / p.
BJT не дорого MOSFET стоит дорого
В BJT электростатический разряд не является проблемой. В MOSFET электростатический разряд является проблемой, поэтому он может вызвать проблему.
Он имеет низкий коэффициент усиления по току и нестабилен. Как только ток коллектора увеличивается, коэффициент усиления может быть уменьшен. Если температура повышается, можно также увеличить коэффициент усиления. Он имеет высокое усиление по току, которое почти стабильно при изменении токов стока.
Входное сопротивление BJT низкое. Входное сопротивление полевого МОП-транзистора высокое.
Входной ток миллиампер / микроампер Входной ток Пикоампер
Когда BJT насыщен, может происходить меньшее рассеивание тепла. Когда полевой МОП-транзистор насыщен, рассеивание тепла может быть меньше.
Скорость переключения BJT ниже Скорость переключения MOSFET выше
АЧХ уступает АЧХ лучше
После насыщения падение потенциала на Vce составляет около 200 мВ. После насыщения падение потенциала между истоком и стоком составляет около 20 мВ.
Базовый ток BJT начинает подавать с использованием входного напряжения +0,7 В. Транзисторы могут работать при больших базовых токах N-канальные полевые МОП-транзисторы используют от +2 до +4 В для их включения, и ток затвора у них примерно равен нулю.
Низкое входное сопротивление Входное сопротивление высокое
Частота переключения BJT низкая Частота переключения MOSFET высокая
Используется для слаботочных приложений Используется для сильноточных приложений

Ключевые различия между BJT и MOSFET

Ключевые различия между BJT и MOSFET транзисторами обсуждаются ниже.

  • BJT — это биполярный переходной транзистор, тогда как MOSFET — это металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор.
  • BJT имеет три клеммы, а именно базу, эмиттер и коллектор, в то время как MOSFET имеет три клеммы, а именно исток, сток и затвор.
  • BJT используются для приложений с низким током, тогда как MOSFET используется для приложений с высокой мощностью.
  • В настоящее время в аналоговых и цифровых схемах полевые МОП-транзисторы считаются более широко используемыми, чем BJTS.
  • Работа BJT зависит от тока на клемме базы, а работа MOSFET зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.
  • BJT — это устройство, управляемое током, а MOSFET — устройство, управляемое напряжением.
    MOSFET используются чаще, чем BJT в большинстве приложений
  • Структура MOSFET сложнее, чем BJT
Какой усилитель лучше BJT или MOSFET?

И BJT, и MOSFET обладают уникальными характеристиками, а также собственными преимуществами и недостатками. Но мы не можем сказать, что хорошо в BJT и MOSFET, поскольку вопрос крайне субъективен. Но перед выбором BJT или MOSFET необходимо учитывать несколько факторов, таких как уровень мощности, эффективность, напряжение привода, цена, скорость переключения и т. Д.

Обычно MOSFET используется в источниках питания более эффективно, потому что MOSFET работает быстрее из-за использования оксида металла, кроме BJT.Здесь BJT зависит от комбинации электрон-дырка. МОП-транзистор
работает с малой мощностью при переключении на высокой частоте, потому что он имеет быструю скорость переключения, поэтому он ведет через управляемый оксидом сетки полевой эффект, но не через рекомбинацию электрона или дырки, как BJT. В MOSFET схема, такая как управление затвором, очень проста
Есть множество причин, которые выделяются

Меньшие потери проводимости

Биполярный переходной транзистор имеет стабильное падение напряжения насыщения, например 0.7 В, тогда как полевой МОП-транзистор имеет сопротивление в открытом состоянии 0,001 Ом, что приводит к меньшим потерям мощности.

Высокое входное сопротивление

Биполярный переходной транзистор использует низкий базовый ток для работы с большим током коллектора. И они работают как усилитель тока. MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, и почти не учитывает ток затвора. Затвор работает как конденсатор номинального значения, и это является значительным преимуществом в приложениях переключения и высокого тока, потому что коэффициент усиления силовых BJT имеет средний или низкий уровень, что требует высоких базовых токов для создания больших токов.

Площадь, занимаемая MOSFET, меньше по сравнению с BJT примерно на 1/5. Работа BJT не так проста по сравнению с MOSFET. Таким образом, полевые транзисторы можно очень легко спроектировать и использовать как пассивные элементы вместо усилителей.

Почему MOSFET лучше чем BJT?

Есть много преимуществ использования MOSFET вместо BJT, как показано ниже.

MOSFET

очень чувствителен по сравнению с BJT, потому что большинство носителей заряда в MOSFET — это ток.Так что это устройство активируется очень быстро по сравнению с BJT. Таким образом, это в основном используется для переключения мощности SMPS.

MOSFET не претерпевает больших изменений, тогда как в BJT ток коллектора будет изменяться из-за изменений температуры, базового напряжения передатчика и усиления по току. Однако этого огромного изменения нет в MOSFET, потому что он является основным носителем заряда.

Входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень велико, как и диапазон мегомов, тогда как входное сопротивление биполярного транзистора находится в пределах килоом.Таким образом, изготовление полевых МОП-транзисторов идеально подходит для схем на основе усилителей.

По сравнению с биполярными транзисторами, полевые МОП-транзисторы имеют меньше шума. Здесь шум можно определить как случайное вторжение в сигнал. Как только транзистор используется для увеличения сигнала, внутренний процесс транзистора инициирует некоторые из этих случайных помех. Как правило, BJT вносят в сигнал огромный шум по сравнению с MOSFET. Таким образом, полевые МОП-транзисторы подходят для обработки сигнала в противном случае усилители напряжения.

Размер MOSFET очень мал по сравнению с BJT. Таким образом, их можно разместить на меньшем пространстве. По этой причине в процессорах компьютеров и микросхем используются полевые МОП-транзисторы. Итак, конструкция MOSFET очень проста по сравнению с BJT.

Температурный коэффициент BJT и FET

Температурный коэффициент полевого МОП-транзистора является положительным для сопротивления, что значительно упрощает параллельную работу полевого МОП-транзистора. В первую очередь, если полевой МОП-транзистор передает усиленный ток, он очень легко нагревается, увеличивает свое сопротивление и заставляет этот поток тока перемещаться к другим устройствам параллельно.

Температурный коэффициент BJT отрицательный, поэтому резисторы необходимы на протяжении всего параллельного процесса биполярного переходного транзистора.

Вторичного пробоя полевого МОП-транзистора не происходит, поскольку его температурный коэффициент положительный. Однако транзисторы с биполярным переходом имеют отрицательный температурный коэффициент, что приводит к вторичному пробою.

Преимущества BJT перед MOSFET

Преимущества BJT перед MOSFET включают следующее.

  • BJT лучше работают в условиях высоких нагрузок и с более высокими частотами по сравнению с MOSFETS
  • BJT имеют более высокую точность воспроизведения и лучшее усиление в линейных областях, как было оценено с помощью полевых МОП-транзисторов.
  • По сравнению с полевыми МОП-транзисторами, BJTS работают намного быстрее из-за низкой емкости управляющего контакта. Но MOSFET более устойчив к нагреву и может имитировать хороший резистор.
  • BJT — очень хороший выбор для приложений с низким напряжением и низким энергопотреблением.

К недостаткам BJT можно отнести следующее.

  • Поражает радиацией
  • Издает больше шума
  • Имеет меньшую термостойкость
  • Базовый контроль BJT очень сложен
  • Частота переключения низкая и высокая сложное управление
  • Время переключения BJT низкое по сравнению с напряжением и током с высокой частотой переменного тока.

Преимущества и недостатки MOSFET

Преимущества MOSFET включают следующее.

  • Меньше
  • Изготовление простое
  • Входное сопротивление высокое по сравнению с JFET
  • Поддерживает высокоскоростную работу
  • Низкое энергопотребление, поэтому для каждого чипа может быть разрешено больше компонентов за пределами области
  • MOSFET с типом расширения используется в цифровых схемах
  • У него нет затворного диода, поэтому можно работать через положительное или отрицательное напряжение затвора.
  • Он широко используется по сравнению с JFET
  • Сопротивление стока полевого МОП-транзистора высокое из-за низкого сопротивления канала

К недостаткам MOSFET можно отнести следующее.

  • К недостаткам MOSFET можно отнести следующее.
  • Срок службы полевого МОП-транзистора низкий
  • Для точного измерения дозы требуется частая калибровка
  • Они очень уязвимы для перегрузки по напряжению; поэтому необходимо особое обращение с установкой

Таким образом, это все о разнице между BJT и MOSFET, которая включает в себя, что такое BJT и MOSFET, принципы работы, типы MOSFET и различия.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.