Прочие типы

· Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью^[5]

· Биотранзистор

 

15.Биполярные транзисторы. Входная характеристика.

Эти транзисторы имеют в своей структуре два несимметричных p-n перехода: эмиттерный и коллекторный. Их графическое изображение показано на рис.1. а) б) Рис. 1 Графическое изображение транзисторов а) прямой проводимости p - n – p, б) обратной проводимости n – p – n, Б – база, К – коллектор, Э – эмиттер При включении транзистора сделаем базу общим электродом для входа и выхода. Такое включение называется «с общей базой». Два перехода называются эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). В зависимости от их состояния различают режим работы транзистора: - активный, ЭП открыт, КП закрыт (применяется в усилителях); - инверсный, ЭП закрыт, КП открыт (применяется в логических схемах); - насыщения, оба переходы открыты (применяется в логических схемах); - отсечка, оба перехода закрыты (применяется в аналоговых ключах). 1.Принцип работы транзистора Принцип работы транзистора разберем при активном режиме (рис.2). Рис. 2. Принцип работы биполярного транзистора Два источника Еэ и Ек обеспечивают нужное состояние переходов. Переходы несимметричны, имеют различную концентрацию примесей: Nэ>Nк>Nб (N – концентрация примеси 1/cм3). Коллектор перехода закрыт, эмиттер перехода открыт. Через открытый эмиттерный переход начинается движение основных носителей, причем, так как дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, ток обеспечивается в основном дырками. Процесс внедрения неосновных носителей называется инжекцией. Дырки инжектируют в n базу и Iэ = (Iр + Iп) инжектир, Ip. инжектир >> Iп. инжектир. Для оценки эффективности эмиттерного перехода вводится коэффициент инжекции γ=Ip инж/(Ip+In)инж. При несимметрии перехода γ ≈ 1 и дырочный ток, вошедший в базу, Iр = Iэ γ. Таким образом, в n базе за эмиттерным переходом образуется большое количество неравновесных (неосновных) дырочных носителей. В базе у коллекторного перехода количество дырок будет гораздо меньше. Это неосновные носители. За счет разности концентраций дырок возникает градиент дырок dp/dx за счет которого они начнут двигаться по законом диффузии из того места, где их много (у эмиттера) в то место, где их мало (к коллекторному переходу). Это движение идет в области заполненной электронами и существует вероятность встречи отрицательного электрона с положительной дыркой (рекомбинация). Для уменьшения потерь дырочных носителей база должна быть тонкой. Для оценки потерь вводится коэффициент переноса ψ, равный отношению дырочного тока у коллекторного перехода к дырочному току у эмиттерного перехода. При тонкой базе коэффициент переноса ψ <1 и приблизительно ψ ≈ 1. С учетом этого процесса ток дырок у коллекторного перехода равен Iр = Iэ · γ · ψ. Далее дырки попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода, выводятся в область коллектора (экстракция) и создают коллекторный ток. В итоге имеем Iк = Iэ γ ψ. Произведение двух коэффициентов объединяют одним α= γ ψ: α – коэффициент усиления по току в схеме «общая база», это важнейший усилительный параметр транзистора. Благодаря несимметрии эмиттерного перехода и тонкой базе α ≈ 0.99-0.999. После данного разбора докажем способность транзистора усиливать сигнал. Напряжение на входе можно определить так, Uвх = Iэ · Rвх Rвх – сопротивление открытого p-n перехода. Напряжение на выходе Uвых = Ik · Rвых, Rвых – выходное сопротивление соизмеримое по величине с сопротивлением закрытого коллекторного перехода теперь найдем коэффициент усиления по напряжению:. (1) Так как Rвых>> Rвх получим Ku>>1, то – есть транзистор усиливает напряжение. Заметим, что при таком включении усиление тока не происходит, так как по причинам изложенным выше ток коллектора, хотя и не на много но меньше тока эмиттера. Отметим, что хороший транзистор должен иметь: - примесей в эмиттере больше чем в коллекторе и базе, - база должна быть тонкой, чтобы дырки в ней не рекомбинировали, - коллектор должен быть больше по площади для эффективного сбора носителей. Обратите внимание на то, что выходной коллекторный ток управляется небольшим базовым током. Это токовый принцип управления в биполярном транзисторе совершенно отличный от полевого принципа в полевом транзисторе. 2.Токи в транзисторе. Здесь речь пойдет о составляющих компонентах токов, протекающих по электродам транзистора, Iэмиттера, Ikоллектора, Iбазы. Транзистор - это трехполюсник и по закону Кирхгофа между токами следующая связь: Iэ = Iк + Iб. Из принципа действия следует, что самый большой ток идет по выводу эмиттера, самый маленький по выводу базы а ток коллектора немного меньше тока эмиттера. Рассмотрим, какова природа всех токов. 1. Ток эмиттерного вывода состоит из суммы инжекционных токов; дырочного из эмиттера в базу и электронного из базы в эмиттер. Причем дырочный ток намного больше чем электронный. 2. Коллекторный ток состоит из двух составляющих. - Ток экстракции дырочных носителей из n базы в коллектор, это полезная компонента равная Iэγψ. - Ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода Ik0. Полный ток коллектора равен Iк= +Ik0 =αIэ+ Ik0. 3. Базовый ток состоит из трех составляющих. Iб1 – рекомбинационная составляющая, это электронный ток для восполнения электронов потерянных при рекомбинации дырок в базе. Его величина определяется через коэффициенты инжекции и переноса, Iб2= Iэγ(1-ψ). Iб2- обратный ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода. Его можно найти в справочниках по транзисторам с обозначением Ik0. Обратите внимание на то, что он имеет противоположное направление с Iб1. Iб3 – это электронный ток инжекции из базы в эмиттер, совпадающий по направлению с Iб1. Его величина определяется коэффициентом инжекции, Iб3= Iэ(1-γ). Определим суммарный базовый ток: Iб= Iб1+ Iб3- Iб2= Iэ(1-γ)+ Iэ(1-ψ)γ- Ik0= Iэ- Iк; (2) это основное соотношение токов в транзисторе. 3. Вольт – Амперные характеристики транзистора. Существует три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой его вывод является общим для входа и выхода (Рис. 3). а) б) в) Рис. 3 Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером (ОЭ), б) с общей базой (ОБ), в) с общим коллектором (ОК). Входные и выходные выводы в этих схемах разные, разными будут и характеристики. В общем случае они представлены двумя семействами: входные характеристики, Iвх=f(Uвх, Uвых), и выходные Iвых=f(Iвх, Uвых). Наиболее распространенной схемой включения является ОЭ. Установим для этой схемы зависимость тока коллектора (выходного): Ik = α · Iэ + Ik0=α · (Ik + Iб) + Ik0, отсюда (3), Выражение - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ,>>1. Такое включение дает усиление по току в отличии от схемы ОБ. Выражение, которое так же намного больше единицы, свидетельствует о том, что доля неуправляемого тока в коллекторе () больше, чем в схеме ОБ. Это серьезный недостаток с которым приходится считаться в схемотехнике. Построим входные характеристики. Это семейство Iб=f(Uб-э) при Uк-э=const. Их вид показан на рис. 4. Рис.4 Входные характеристики транзистора ОЭ. Объяснить их вид можно следующими причинами. Напряжение Uбэ или Uэб прямое напряжение открывающее эмиттерный переход и не может быть большим. Его величина лежит в пределах 0 -0.8В. пороговое напряжение это то, при котором появляется базовый ток. Для германиевых транзисторов небольшой мощности Uпор≈0.3-0.5В., для кремниевых - Uпор≈0.4-0.7В. Базовый ток это одна из составляющих эмиттерного тока, тока открытого эмиттерного перехода. Поэтому его изменение напоминает поведение тока открытого перехода, но величина на несколько порядков меньше и составляет единицы и десятки микроампер. При отсутствии напряжения на базе ток базы не равен нулю (на характеристиках не показан). Это ток неосновных носителей коллекторного перехода Iк0. На семействе характеристик проявляется эффект модуляции ширины базы (эффект Эрли). База транзистору тонкая и образует p-n переход с областью коллектора. При подаче обратного напряжения на коллектор происходит расширение перехода в область базы (рис. 5),Δ`> Δ. Рис. 5 Эффект модуляции ширины базы Напомним, что физическая толщина Δ определяется так: (4). В результате этого база становится еще тоньше. В тонкой базе уменьшается вероятность рекомбинации носителей и стало быть уменьшается рекомбиционная составляющая базового тока. Следовательно, при увеличении напряжения на коллекторе ток базы должен уменьшаться, что и показано на рис. 4. Это очень принципиальное и важное обстоятельство. Оказывается, в транзисторе в принципе существует паразитная обратная связь; изменение выходного напряжения приводит к изменению входного тока (а, следовательно, и входного напряжения). Это обстоятельство приводит к неустойчивой работе транзисторных усилителей. Проектируя усилитель, мы можем получить генератор. Поэтому в структуре транзистора приняты меры по уменьшению модуляции ширины базы и для транзисторов приведенных в справочниках показана, как правило, одна входная характеристика при Uкэ≠0, которая справедлива для всей рабочей области, и другая при Uкэ=0, которая не рабочая. Выходные характеристики транзистора показаны на рис. 6. это семейство Iк=f(Uкэ) при Iб=const. Рис. 6. Выходные характеристики транзистора Будем исходить из основного уравнения токов для включения транзистора ОЭ:. - Очевидно, чем больше базовый ток, тем больше и коллекторный. При отсутствии базового тока по коллектору протекает неуправляемый ток (β+1)∙Ik0. Наличие его ведет к отрицательным последствиям. При изменении температуры кристалла транзистора увеличивается ток Iк0, его значение усиливается (β+1) раз и характеристики смещаются вверх, работа схемы ухудшается. Заметим, что неуправляемая составляющая тока коллектора при включении ОЭ в (β+1) раза больше, чем в схеме ОБ. Таким образом, схема ОБ обладает большей температурной стабильностью. - При больших напряжениях на коллекторе может наступить явление пробоя и эта область не рабочая. Не рабочая область так же и при малых коллекторных напряжениях. Здесь характеристики как бы сливаются, база теряет свои управляющие свойства. Маленькое обратное напряжение на коллекторе приводит к открыванию коллекторного перехода, это режим насыщения при котором оба перехода транзистора открыты. - Наклон любой характеристики транзистора больше, чем у отдельно взятого диода. Объяснение этому следующее. За счет эффекта Эрли, уменьшается рекомбинация, большее количество носителей доходит до коллектора и ток коллектора растет быстрее, чем в отдельно взятом диоде. - На характеристиках имеется рабочая область, область эффективного управления током коллектора. Слева она ограничена областью насыщения, справа пробоем, снизу неуправляемым током коллектора, а сверху одним из паспортных параметров транзистора - допустимой мощностью рассеиваемой коллектором транзистора Pк. Сложные, нелинейные вольтамперные характеристики транзистора заставили ввести простые параметры, которые не столь строго и универсально отражают его свойства, но удобны для оценки его работы. Таких систем параметров несколько. При малых сигналах можно не учитывать нелинейность характеристик, при таком допущении связи между всеми токами и напряжениями будут линейными и транзистор можно заменить линейным четырехполюсником (рис. 7). Рис.7 Транзистор как четырехполюсник Его описание – система алгебраических уравнений, в которой два зависимых параметра (функции) и два независимых (аргументы). Если принять зависимыми входное напряжение Uвх и выходной ток Iвых, то вводится система малосигнальных h параметров и система уравнений будет следующая: Uвх = h11∙ Iвх+ h12∙Uвых Iвых = h21∙Iвх+ h22∙Uвых (5). Здесь под токами и напряжениями следует понимать довольно малые приращения ΔUвх, ΔUвых, ΔIвх, ΔIвых, малые настолько, что нелинейность характеристик не проявляется. Смысл h – параметров следующий., входное сопротивление, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ для маломощных транзисторов имеет величину 50 – 5000 Ом. В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше. Коэффициент обратной связи, безразмерный параметр, свидетельствующий об обратной связи в транзисторе за счет эффекта Эрли. Его величина в схеме ОЭ 10-4 – 10-6, определяется при разомкнутой цепи по входу (холостой ход). В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше, поэтому транзистор работает более устойчиво и такое включение часто применяют на высоких частотах. Коэффициент усиления по току, важнейший параметр, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ это β=50 – 500, в схеме ОБ α= 0.99 – 0.999. Выходная проводимость, измеряется в Сименсах. В схеме ОЭ 10-3 – 10-4, в ОБ – 10-5 – 10-6. Определяется при разомкнутом входе. -Схемы ОБ, ОЭ, ОК имеют различные значения h параметров. - Указанные параметры завися от токов и напряжений поданных на транзистор, от температуры и от рабочей частоты. В последнем случае они комплексные. Необходимые приращения тока и напряжения для определения h параметров можно определить по входным и выходным характеристикам. Рис. 8. Определение h параметров по характеристикам. Все необходимые приращения тока показаны на рис. 8 и тогда для включения ОЭ имеем. По входным характеристикам. Следует иметь в виду, что при слившихся характеристиках параметр h12=0. По выходным характеристикам. Линейная схема замещения транзистора при малых сигналах посредством h параметров приведена на рис. 9. Рис. 9. Эквивалентная схема транзистора в h параметрах Система h параметров не единственная. Существует в принципе шесть вариантов определения задания зависимых и независимых переменных и столько же систем параметров, но не все они получили практическое применение. На высоких частотах трудно получить режим холостого хода, то есть режим чисто разомкнутого электрода; мешает монтажная емкость, емкость самого вывода относительно общего электрода. Поэтому в этом случае параметры желательно определять только в режиме короткого замыкания, для этого применяют систему «y»-параметров; Uвх=y11Iвх+y12Iвых, Uвых=y21Iвх+y22Iвых. Все параметры имеют размерность проводимости и следующий смысл; y11 – входная проводимость, y12 – проводимость обратной связи, y21 – крутизна, y22 – выходная проводимость. Находит применение и физическая система параметров. Её название объясняется тем, что в основе лежит физическая структура транзистора – его три области, эмиттер, коллектор и база. Приведем физические параметры при включении транзистора по схеме ОБ. Начнем сначала. Область эмиттера – самая низкоомная область, так как насыщена примесями. За ней по пути тока идет открытый эмиттерный переход так же обладающий низким сопротивлением. Таким образом, эти области можно отразить довольно малым сопротивление rэ (для маломощных транзисторов rэ 5 -50 Ом). Далее по пути тока расположена область тонкой базы, в которой примесей мало и, следовательно, ее сопротивление заметнее. Это rб, величина которого 100 – 1000 Ом. И, наконец, ток входит в коллектор, по пути носители проходят закрытый коллекторный переход, да и сама коллекторная область достаточно высокоомная. Отразим это сопротивлением rк 10000 – 100000 Ом. Получилась схема состоящая из пассивных элементов и не способная усиливать сигнал. Чтобы не потерялась суть транзистора ее необходимо дополнить генератором тока αIэ. Схема замещения транзистора показана на рис. 10. Рис. 10 Схема замещения транзистора в физических параметрах

16. Биполярные транзисторы. Передаточная характеристика.

Ранее были рассмотрены устройство и принцип действия биполярного транзистора, где было установлено, что небольшой ток базы транзистора позволяет управлять большим током коллектора. Далее рассмотрим принцип этого управления и основные характеристики биполярного транзистора (рисунок 1). Структура переходов транзистора (n-p-n или p-n-p) в данном вопросе не имеет значения, поэтому за основу примем n-p-n транзистор.

 

 

Рисунок 1.

К основным характеристикам транзистора относятся:

1. Входная характеристика транзистора (рисунок 2). Напряжение на переходе база-эмиттер (эмиттерный переход) для транзисторов малой мощности не превышает 0,2…0,7В, а ток базы составляет несколько десятков микроампер. Эти два параметра определяют вид входной характеристики транзистора – зависимости между током базы и напряжением базы при постоянном напряжении коллектора (для маломощных транзисторов – 5…10В).

 

 

Рисунок 2.

2. Передаточная характеристика транзистора (рисунок 3), определяющая зависимость токов коллектора и базы транзистора. По передаточной характеристике транзистора можно определить коэффициент усиления по току (h21э). Для приведенной характеристики этот коэффициент будет равен 50 (соотношение токов между точками А и Б). Для биполярных транзисторов коэффициент усиления может составлять от единиц до нескольких тысяч.

 

 

Рисунок 3.

Рассмотрим семейство передаточных характеристик транзистора при включении по схеме с общим эмиттером и постоянном напряжении на переходе коллектор-эмиттер (рисунок 4).

 

 

Рисунок 4.

По приведенным характеристикам можно сделать следующие выводы:
- передаточная характеристика транзистора нелинейна (рабочая точка транзистора должна находиться на линейном участке кривой);
- коэффициент усиления по току не зависит от напряжения на переходе коллектор-эмиттер, а определяется наклоном характеристики к оси координат;
- при токе базы равном нулю имеется небольшой ток коллектора, величина которого зависит от напряжения на коллекторе.

Для снятия передаточной характеристики транзистора необходимо собрать схему, изображенную на рисунке 5. Изменяя ток базы при помощи потенциометра R можно отслеживать изменения тока коллектора транзистора.

 

 

17.Биполярные транзисторы. Выходная характеристика

Входные статические характеристики представляют собой вольт-амперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода. Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера Iэ от напряжения на эмиттерном переходе UэБ. При отсутствии коллекторного напряжения (U_КБ = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП, такой же, как ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.
При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристикой будет графическая зависимость тока базы I_Б ОТ напряжения на эмиттерном переходе U_БЭ. Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП.
Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно
от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП.

 

Если транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и Iэ = 0, то есть цепь эмиттера оборвана, то эмиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и базой U_КБ, будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое напряжение
, то появится ток эмиттера Iэ, который создаст почти такой же коллекторный ток Iк. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и коллекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика.
Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы I_Б, и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ.
При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя. Для большинства транзисторов напряжение пробоя коллекторного перехода лежит в пределах от 20 до 30 В. Это важно знать при выборе транзистора для заданного напряжения источника питания или при определении необходимого напряжения источника питания для имеющихся транзисторов.
Увеличение температуры вызывает возрастание токов транзистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ.

 

 

18. Режимы работы транзисторов.

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 (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. 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.

Наряду с транзисторами n-p-n- структуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов, используемые в электрических схемах, приведены на рис.3.2. Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзистора, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, не используется. Принцип работы n-p-n- и p-n-p-транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В современной электронике наибольшее распространение получили транзисторы n-p-n-структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента диффузии электронов по сравнению с дырками (m _n> m _p; D_n>D_p), обладают большим усилением и меньшей инерционностью, чем транзисторы p-n-p- структуры. Поэтому ниже рассматриваются именно n-p-n- транзисторы.

 

19.Униполярные транзисторы. Полупроводниковая структура. Особенности.

 

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в котоҏыҳ регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, ᴨȇрᴨȇндикулярного направлению тока. Оба на-звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле-ние током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят-ся на две группы: с управляющим р-л-ᴨȇреходом и с изолированным затвором.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли-рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiOi. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежи-мо мал даже при повышенных темᴨȇратурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале элек-трическое поле затвора повышает его проводимость, в связи с этим канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется я-каналом. Каналы с дыроч-ной проводимостью называются ^-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом п- или р-ттов, каждый из котоҏыҳ может иметь индуцированный или встроенный канал.

Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная -- встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак-ты, в связи с этим изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка-нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К -- кремний, А -- арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к групᴨȇ полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер раз-работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На-пример, транзистор КП302А -- кремниевый, полевой, малой мощности, высоко-частотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим р-н-треходам приведено на рис. 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-ᴨȇрехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро-вать ток в канале. На рис. 5.1 б приведен полевой транзистор с каналом /»-типа и затвором, выполненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводи-мости канала, в связи с этим полевые транзис-торы с управляющим ^-п-ᴨȇреходом рабо-тают только на обеднение канала носите-лями зарядов.

Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображениисплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. На-правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Итак, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имею-щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на-правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов сегодня не выпускают-ся только ПТИЗ со встроенным каналом ^-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графи-ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно-му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом ^-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица-тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке.

Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /„„«ч- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про-исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1/пор. Увеличе-ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря-жений. На этих вольт-амᴨȇрных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амᴨȇрные характеристики вплоть до точки ᴨȇре-гиба представляют собой прямые линии, наклон котоҏыҳ зависит от напряже-ния на затворе. В области насыщения вольт-амᴨȇрные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто-ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных ᴨȇн-тодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро-тивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения -- как усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора опре-деляется уравнением

I_c= 2k (U_n- U_зн) U_сн- - U_сн/2. (5.1)

где k -- постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, U„ ---пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мди -- напряжение между затво-ром и истоком, йен -- напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до ᴨȇрегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, пола-гая В (5.1) Уа.^0:

i_c 2k(U_n- U_зн)U_сн (5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об-ласти

R_c= U_сн / i_c= 1/ 2k(U_n- U_зн) (5.3)

Из выражения (5.3) следует, что при Иэм=0 сопротивление канала будет мини-мальным Rmm= \f(2kUn). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна-чению Мзн--t/in то сопротивление канала возрастает до бесконечности: Re-*⁰⁰. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат-воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке ᴨȇрегиба вольт-амᴨȇрных характеристик сопротив-ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже-нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

^^с= И» ^{= lk}(^u»~ ^п-Усн), откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

r_c.диф=1/ 2k(U_зн- U_n- U_сн) 5.4

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке t/сн нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Итак, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран-зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5... 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб-ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговом) значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи-мостью.

Итак, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать доста-точно большой ток (до 10 А и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей.

Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

I_с=k(U_n- U_зн)², (5.5)

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практи-чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при условии, что Мзи=0:

i_{c пог}= kU ² _n (5.6)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента k, введенного в фор-муле (5.1), можно установить эксᴨȇриментально, измерив начальный ток стока г'снач и пороговое напряжение (/„ (или напряжение отсечки t/отс), так как, _ is нач fc T\

k= i_{c пог}/ U ²_n (5.7)

Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основ-ном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амᴨȇрной характеристики:

S= d_ic/ d_изн = 2k(U_n- U_зн) (5.8)

Из уравнения (5.8) следует, что максимальное значение крутизна имеет при Мзи=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при

Um^^n становится равной нулю. Используя максимальное значение крутизны Sm^'2-kUn, уравнение (5.8) можно записать в виде

S=S_max(1- U_зн / U_n) (5.9)

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред-ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе t/зи. При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма-лого сигнала, используя (5.8), получим

i_c = SU_зн (5.10)

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 я. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе-мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по-левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при-веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

U_n= -i_cR_n= -U_зиSR_n

U_зн=U_c

Откуда

K_y= U_n/ U_c= SR_n

Рис 5.7. Простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (6), эквивалентная схема (в) и схема замещения в ^-параметрах (г)

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транзис-тора усложняют введением других параметров, которые учитывают неидеаль-ность транзистора. Уточненная схема замещения долевого транзистора для малых сигналов приведена на рис. 5.7 г. Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в ^-параметрах (параметрах прово-димости):

I_з=y₁₁U_з + y₁₂U₀

I_c= y₂₁U_з + y₂₂U_c 5.11

Физический смысл параметров, используемых в уравнениях (5.11), можно ус-тановить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выхо-де схемы замещения. При коротком замыкании на выходе (Uc=0) находим два параметра,

y₁₁= i₃ / U₃ и y₂₂= i_c / U₃. (5.12)

Аналогично при коротком замыкании на входе (uj=o) находим два других параметра

y₁₂= i_{3 /} U₃ и y₂₂=i_{c /} U_c (5.13)

Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что ^ц является проводимостью утечки затвора полевого транзистора, а у^ -- его выходной проводимостью, у^ называ-ется проводимостью обратной ᴨȇредачи и учитывает влияние напряжения на сто-ке на ток затвора, a y^=S -- это крутизна полевого транзистора (или проводи-мость прямой ᴨȇредачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло-жить Уп=Уп=у-а=0.

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S, вместо входной проводимости иногда приводятся ток утеч-ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной ᴨȇредачи в боль-шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работаю-щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе-ристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы. В усилительном режиме транзистор обычно работает при малом уровне сигнала и, соответственно, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависи-мости токов и напряжений. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его комму-тации и искажения фронтов импульсов.

Если пре-небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще-ния будут иметь значения

y₁₁= y_вх= j(l_зс + l_зх), y₂₂= y_вых= g_сн + jl_зс, y₁₂= -jl_зс и y₂₁=S - jl_зс (5.14)

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у„ полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор \/уа. В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте.

Следует, однако, отметить, что многие из параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от постоянных напряжений на его электродах. Так, например, крутизна S зависит от напряжения на затворе 1/эи (см. формулу 5.9). Для транзисторов с^-п-ᴨȇреходом емкости затво-ра С,и и Сщ являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются.

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при-мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро-ванным каналом п-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис. 5.8 б. Для ᴨȇреключения транзистора на его затвор подается прямоугольный импульс напряжения t/.x, изображенный на рис. 5.8 в. При рассмотрении ᴨȇреходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведенная на рис. 5.8 а.

При подаче прямоугольного импульса от источника t/„ вначале проис-ходит заряд емкости Сщ через сопротивление источника сигнала 7t„- До тех пор, пока напряжение на емкости Сзд не достигнет порогового напряжения t/nop, ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению источника пита-ния Ее.

Когда емкость Сэм зарядится до t/nop. транзистор некоторое время будет нахо-диться в области насыщения, а его коэффициент усиления, как показано раньше, будет иметь значение Ky^SR». В этом случае входная емкость транзистора резко увеличится и будет равна

С_вх= C_зи + (1+ k_y)C_зс (5.15)

Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается обратно пропорционально увеличению емкости С„. По мере увеличения на-пряжения на С„ будет постеᴨȇнно нарастать ток стока и уменьшаться напря-жение на стоке. Итак, процесс заряда емкости С„ будет продол-жаться до тех пор, пока напряжение на стоке не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свой-ства. При этом входная емкость станет равной Суя и скорость ее заряда резко увеличится. В результате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение Ј/o.

Следует отметить, что в результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на вре-мя /з«я.вкя> а его фронт растягивается на время /,„. Аналогичный процесс происхо-дит при выключении транзистора: имеется время задержки выключения <з№вы«> время выключения /„ж, в течение которого спадает импульс тока стока, и время lye, установления исходного состояния.

20. Униполярный транзистор. Основные электрические параметры.

 

 

21. Униполярный транзистор. Стоко — затворная характеристика

 

22. Униполярный транзистор. Стоковая характеристика.

 

Полевые транзисторы, называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют большое входное сопротивление. Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может быть n или p типа. Канал - это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем. Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком. Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n-типа, или от канала p-типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение прикладывается к p-n переходу затвор-исток в обратном направлении.

Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p-nперехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Проставим полярность подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n типа для схемы включения транзистора с общим истоком (рис. 3.41). Мы знаем определения выводов транзистора и то, что p-n переход затвор-исток смещается в обратном направлении. Следовательно, основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы электроны двигались в таком направлении необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к стоку, минус к истоку. Для смещения p-n перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевоготранзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 3.42а, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.

На рисунке 3.40 б схематично показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. На затвор относительно истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено на рисунке 3.43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно истока положительного напряжения в канал будут приходить электроны из областей стока, истока и кристалла p-типа и ток в цепи сток-исток будет увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей заряда в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом обеднения.

Транзисторы характеризуют рядом параметров. Начальный ток стока - это ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении затвор-исток. Ток утечки затвора - это ток затвора между затвором и остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока - это ток в цепи затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора - это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим p-n переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.

Пороговое напряжение полевого транзистора - это напряжение затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один изp-n переходов оказывается включенным в обратном направлении. При определенном напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.

К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.

23. Усилитель. Структурная схема. Основные электрические параметры.

 

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Принцип действия усилительного каскада удобно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис. 2.1. Основой усилителя являются два элемента: резистор R и управляемый активный элемент (АЭ) – транзистор, сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала U_вх. За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением E_п в цепи резистора R и АЭ. В результате будут меняться падение напряжения на резисторе, а следовательно, и выходное напряжение U_вых. Здесь процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E_п в энергию выходного напряжения.

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис. 2.2. Усилитель представлен как активный четырехполюсник. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения E_r, имеющего внутреннее сопротивление R_r. На выходе усилителя включен резистор нагрузки R_н. Ни генератор E_r, ни нагрузка не являются частями усилительного каскада, но довольно часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2.2 представляется своими входным R_вх и выходным R_вых сопротивлениями.

Рис. 2.1 Схема усилительного каскада

Рис. 2.2 Структурная схема усилительного каскада

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности. Удобно подразделять усилительные каскады по соотношению величин R_вх и R_r. Если в усилителе R_вх >> R_r, то он является усилителем напряжения. В усилителе тока R_вх << R_r, т.е. имеет место токовый вход. В усилителе мощности вход согласован с источником входного сигнала, т.е. R_вх = R_r.

По соотношению между величинами R_вых и R_н усилители также можно разделить на усилители напряжения (R_вых << R_н), тока с токовым выходом (R_вых >> R_н) и мощности, которые работают на согласованную нагрузку (R_вых = R_н).

Как правило, усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис.2.3). Первый каскад называется входным, а последний – выходным, или оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому усилитель напряжения должен иметь большое входное сопротивление. Кроме того, крайне желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Рис. 2.3 Структурная схема усилителя

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и призван работать на низкоомную нагрузку. Поэтому требуется, чтобы выходной каскад имел большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Промежуточные каскады необходимы для обеспечения заданного усиления, т.е. основным их параметром является коэффициент усиления (по напряжению).

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе может быть осуществлено различными способами. Один из широко распространенных способов для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной связью. Схема каскада с такими связями приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Каскад с ёмкостными связями

Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь. Отметим, что непосредственная связь между каскадами широко представлена в интегральных схемах и будет рассмотрена далее, при изучении операционного усилителя.

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению

2) по току

3) по мощности

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать
К_u = K_u1·K_u2 … K_uN.

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

K_u = 20 lg (U_вых /U_вх) = 20 lgK_u.

Аналогично в децибелах можно представить K_i и K_p. Для K_p справедлива следующая запись:

K_p = 10 lg (P_вых / P_вх) = 10 lgK_p.

Выражение коэффициентов усиления в децибелах связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

К_u = K_u1 + K_u2 +…+ K_uN.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K_r:

где U₁, U₂, U₃ – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях общий K_r можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения вносятся выходным (иногда предвыходным) каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5, б) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя:

Рис. 2.5 Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что ?f = f_в - f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот достаточно иметь f_н = 20 Гц и f_в = 20 кГц; в широкополосных усилителях f_в может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях f_н? f_в и для высокочастотных усилителей может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н = 0, а f_в может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной

характеристикой (ФЧХ) усилителя. Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия?:

? = P_н /P_о,

где P_н – мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P_о – мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина? всего усилителя определяется главным образом? выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

24. Усилитель. Амплитудная характеристика.

 

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость

U_ВЫХ = f (U_ВХ). Она имеет вид, показанный на рис. 2.7:

Рис. 2.7. Амплитудная характеристика усилителя

Как видно из рис. 2.7амплитудная характеристика имеет три участка: два нелинейных (I и III) и линейный участок (II). Первый участок обусловлен влиянием собственных помех усилителя, а третий – нелинейностью характеристик усилительных элементов. Рабочим участком является второй. Он позволяет определить минимальное U_{ВХ. min} и максимальное значение входного сигнала. Отношение входных напряжений определяет динамический диапазон усилителя:

;

По амплитудной характеристике можно найти напряжение собственных помех U_{ПОМ.ВЫХ} усилителя при U_ВХ = 0. Это напряжение представляет сумму напряжений собственных шумов усилительных элементов усилителя, напряжение тепловых шумов резисторов, наводок, пульсаций источника питания (питание от сети). Собственные помехи усилителя характеризуют часто коэффициентом шума:

[дБм]

где Р_{ПОМ.ВЫХ.ИД.} – мощность собственных помех на выходе усилителя, элементы которого обладают помехами теплового происхождения.

Угол наклона характеристики α характеризует усилительные свойства усилителя. При большом коэффициенте усиления амплитудная характеристика идёт круче (угол α больше).

25. Усилитель. Амплитудно — частотная характеристика.