ВСЕРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ

.

Выбираем электролитический конденсатор типа с рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000 мкФ.

 

6.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два p - n перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. В зависимости от чередования p и n областей различают транзисторы с p - n - p и n - p - n структурой, рис.6.14. Средний слой биполярного транзистора называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в электрическую цепь. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков – свободных дырок и электронов.

Рис. 6.14. Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов
p - n - p типа (а) и n - p - n типа (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.6.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.6.15, б, в.

Рис. 6.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой,
б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Толщина базы выбирается достаточно малой, чтобы дырки, двигаясь через базу, не успели рекомбинировать с электронами в области базы. Таким образом, основная часть дырок пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются электрическим полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в цепи коллектора ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I _Э:

I _К ≈ α I _Э.

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U _ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

Входные характеристики устанавливают зависимость тока базы I _Б от напряжения эмиттер - база U _ЭБ при неизменном напряжении коллектор - эмиттер U _КЭ. Входные (базовые) статические характеристики для схемы ОЭ германиевого транзистора p - n - p типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, повышение напряжения на нем приводит к увеличению тока, подобно характеристики полупроводникового диода.

Выходные (коллекторные) статические характеристики устанавливают связь между коллекторным током I _К и напряжением коллектор – эмиттер U _КЭ при постоянном токе базы I _Б. Выходные характеристики транзистора ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены на рис.6.17.

В электронных устройствах широко используется схема усилителя с общим эмиттером, представленная на рис.6.18. В качестве усилительного элемента в данном случае используется транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки усилительного каскада R _К включено в коллекторную цепь транзистора. Входное усиливаемое напряжение U _ВХ подается на базу транзистора. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения Е _К.

Рис. 6.16. Входные статические характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.17. Выходные характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.18. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U _КЭ = U _ВЫХ при наличии нагрузки R _К в его цепи, как следует из рис. 6.18, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U _КЭ = Е _К – R _К ·I _К.

на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U _КЭ и I _К в уравнении нагрузки. При U _КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I _К = Е _К / R _К, точку 2 получаем при I _К = 0, U _КЭ = Е _К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R _К = 100 Ом, Е _К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

6.5. Пример расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на рис. 6.18, определить основные параметры усилителя при следующих значениях номиналов элементов схемы: транзистор ГТ320А, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 6.16, 6.17; резисторы в цепи базы транзистора R₁ = 500 Ом, R ₂ = 300 Ом; резистор в коллекторной цепи R _K = 100 Ом; источник питания усилительного каскада E _K = 10 В; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты, подлежащего усилению U _m = 0,1 В.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:

1. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.

3. Входное сопротивление усилительного каскада, R _ВХ.

4. Выходное сопротивление усилительного каскада, R _ВЫХ.

5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K _U.

6. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

Режим покоя усилительного каскада, при котором U _ВХ = 0, определяет положение рабочей точки на семействе выходных характеристик на рис. 6.17. Положение рабочей точки (точка А) определяется значениями сопротивлений базовых резисторов R₁, R ₂, коллекторного резистора R _K при заданном значении напряжения питания Е _К. Резисторы R₁, R ₂ создают на входе усилительного каскада в режиме покоя эквивалентную ЭДС, равную

Эквивалентное базовое сопротивление каскада равно

По второму закону Кирхгофа для входной цепи в режиме покоя имеем:

E_ЭКВ = I_БR_Б + U_БЭ,

где U _БЭ - напряжение между базой и эмиттером в режиме покоя.

Данное уравнение изображается на входной характеристике транзистора в виде прямой линии (линии нагрузки), построение которой проходит путем нахождения двух характерных точек: в режиме холостого хода, когда I _Б = 0, имеем U _БЭ = E _ЭКВ= 0,56 В; и в режиме короткого замыкания - U _БЭ = 0, имеем I _Б = E _ЭКВ/ R _Б = 0,56/283 = 0,00198 А = 1,98 mА. В результате пересечения линии нагрузки с входной характеристикой I _Б = f (U _БЭ), при U _КЭ = - 5 В находим положение точки покоя (рабочей точки) I _Б0 = 0,48 мА, U _БЭ0 = 0,43 В.

Положение рабочей точки на коллекторных характеристиках получается при пересечении линии нагрузки с характеристикой I _K = f (U _КЭ), при I _Б0 = 0,48 mА. Построение данной характеристики проводим приближенно, она лежит между характеристиками при I _Б = 0,4 mА и I _Б = 0,6 mА. Таким образом, в коллекторной цепи рабочая точка будет соответствовать значениям I _K0 = 35 mА и U _КЭ0 = 6,6 В.

При работе транзисторов в качестве усилителей малых электрических сигналов, свойства транзисторов определяются с помощью, так называемых, h – параметров. Всего h – параметров четыре: h ₁₁, h ₁₂, h ₂₁ и h ₂₂. Они связывают входные и выходные токи и напряжения транзистора и определяются для схемы ОЭ, рис.6.15, б, по следующим выражениям:

h₁₁ = ∆U_ВХ/∆I_ВХ = ∆U_БЭ/∆I_Б при неизменном напряжении. U_ВЫХ = U_КЭ = const.

Параметр h ₁₁ численно равен входному сопротивления схемы ОЭ. Знак ∆ обозначает приращение соответствующей величины тока или напряжения.

h₁₂ = ∆U_ВХ/∆U_ВЫХ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h ₁₂ равен коэффициенту обратной связи по напряжению.

h₂₁ = ∆I_ВЫХ/∆I_ВХ = ∆I_К/∆I_Б при U_КЭ = const.

Параметр h ₂₁ равен коэффициенту прямой передачи по току.

h₂₂ = ∆I_ВЫХ/ ∆U_ВЫХ = ∆I_К/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h ₂₂ равен выходной проводимости транзистора.

Значения h – параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик транзистора. Параметры входной цепи h ₁₁ и h ₁₂ определяют по входным характеристикам транзистора, рис.6.16. Рабочая точка А определяется при пересечении линии нагрузки с входной характеристикой транзистора при U _КЭ = - 5 В. В результате чего имеем U _КЭ0 = 0,43 В, I _Б0 = 0,48 mА. В данной рабочей точке задаем приращение тока базы ∆ I _Б при постоянном напряжении коллектора U _КЭ = - 5 В и находим получающееся при этом приращение напряжения базы ∆ U _БЭ. Тогда входное сопротивление транзистора равно

h₁₁ = ∆U_БЭ/∆I_Б = 0,1 В/ 0,3 mА = 333 Ом.

Затем при постоянном токе базы I _Б = 0,48 mА задаем приращение напряжения коллектора ∆ U _КЭ = 5 В и определяем получающееся при этом приращение напряжения базы ∆ U _БЭ= 0,25 В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению равен

h₁₂ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ= 0,25 /5 = 0,05.

Параметры h ₂₁ и h ₂₂ определяют по выходным характеристикам транзистора, рис.6.17. В районе рабочей точки А (I _Б = 0,48 mА, U _КЭ = - 5 В) при постоянном токе базы I _Б = 5 mА задаем приращение коллекторного напряжения ∆ U _КЭ = 5 В и находим при этом приращение тока коллектора ∆ I _К2 = 5 mА. Тогда выходная проводимость транзистора равна

h₂₂ = ∆I_К2/∆U_КЭ = 5 mА /5 В = 1,0 мСм.

Далее при постоянном напряжении коллектора U_КЭ= 5 В задаем приращение тока базы ∆ I _Б = 0,2 mА и определяем получающееся при этом приращение тока коллектора ∆ I _К1 = 20 mА. Тогда коэффициент передачи по току равен

h₂₁ = ∆I_К1/∆I_Б = 20 mА / 0,2 mА = 100.

Входное сопротивление усилительного каскада равно:

Выходное сопротивление усилительного каскада равно:

Коэффициент усиления по напряжению

Величина выходного напряжения усилительного каскада

U _ВЫХ = К _U U _ВХ = 27,3·0,1 = 2,73 В.

Контрольные вопросы к зачету (экзамену) по разделу " Основы электроники".

 

1. Зонная структура собственного полупроводника. Что такое валентная зона? Что такое зона проводимости? Что такое запрещенная зона? Проводимость собственного полупроводника.

2. Зонная структура и проводимость акцепторного полупроводника..

3. Зонная структура и проводимость донорного полупроводника Что такое основные носители? Что такое не основные носители? Механизм генерации неосновных носителей заряда.

4. Технология изготовления p-n - перехода. Образование p-n - перехода. Основные параметры p-n - перехода.

5. P-n- переход в равновесном состоянии. Потенциальный барьер?

Токи через п-р переход?

6. P-n переход смещенный в прямом направлении? Потенциальный барьер? Токи через p-n - переход.

7.. P-n - переход смещенный в обратном направлении? Потенциальный барьер? Токи через п-р переход?

8. Идеальная характеристика p-n - перехода.

9. Диод. Типы диода. Условные обозначения. Рабочая схема диода. Вольт – амперная характеристика диода. Ее отличия от идеальной вольт – амперной характеристики.

10. Лавинный пробой. Механизм развития. Тепловой пробой. Емкости п-р – перехода.

11. Параметры и маркировка диода.

12. Биполярный транзистор.Типы транзистора. Схемы включения.

13. Принцип действия, токи транзистора.

14. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

15. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

16. Предельно-допустимые параметры транзисторов. Маркировка.

17. Полевые транзисторы. Типы транзисторов. Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка

18. Тиристоры. Типы тиристоров. Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка.

19. Оптоэлектронные приборы. Фотоприемники.

20. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие приборы

19. Микросхемы. Классификация, маркировка назначение.

20. Вторичные источники тока. Блок-схема, назначение.

21. Полупроводниковые выпрямители. Электрические схемы и принцип работы выпрямителя. Электрические фильтры.

22. Стабилизаторы напряжения и тока.

23. Тиристорные преобразователи.

24. Классификация и принцип действия усилителей переменного тока.

25. Анализ работы однокаскадного усилителя.

26. Обратные связи. Их влияние на параметры усиления.

27. Многокаскадные усилители.

28. Усилители постоянного тока. Операционный усилитель.

29. Автогенераторы, LC - типа и генераторы RC- типа.

30. Транзисторный ключ.

31. Логические операции и способы их аппаратной реализации.

32. Логические схемы.

33. Микропроцессор.

34. Электрические измерения.

35. Электрические приборы.

 

ВСЕРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ