КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Биполярные транзисторы
Транзнсторы являются важнейшими полупроводниковыми цриборами. Их основная особенность заключается в усилении слабых электрических сигналов, при этом, разумеется, энергия передается от источника питния. Поэтому они используются везде, rде нeoходнмо усиление сиrналов, например, в радиоприемниках, телевнзорах, маrни- тофонах, электронной аппаратуре, автоматических устройствах и т. д. Все транзисторы могут быть разделены на две большие группы: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы имеют большее распространение, и мы рассмотрим, в основном, их свойства. Биполярные транзисторы можно классифицировать следующим образом. 1.В зависимости от используемого полупроводника они бывают кремниевые и германиевые. 2.В зависимости от технологии производства они бывают эпитаксиально-планарные, сплавные, меза-транзисторы, конверсионные и пр. 3.В зависимости от механизма движения носителей зарядов бывают диффузионные и дрейфовые. 4.В зависимости от мощности бывают маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (более 3 Вт). 5.В зависимости от граничной частоты бывают низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные(выше 300 МГц). Как показано на рис. 18.1, основную часть транзистора представляет маленький кристаллик, называемый базой (Б), на котором сделаны две спайки, называемые эмиттер (Э) и коллектор (К). При образовании этих спаек между эмиттером и базой и между коллектором и базой образуются два p-n перехода. Это получается, когда проводимость эмиттера и коллектора избирается противоположной проводимости базы. Важно отметить, что оба перехода находятся очень близко друг к другу, т.е. база очень тонкая, примерно 1 – 20 мкм.
Рис. 18.1 В зависимости от проводимости эмиттера, базы и коллектора производится два типа транзисторов: n-p - n и p-n-p. Это показано на рис.18.2 вместе с их схемными обозначениями. Эти оба основных типа транзисторов имеют один и тот же принцип действия и одинаковые усилительные свойства. Однако они отличаются полярностью цепей питания. Поскольку каждый p-n переход, в сущности, представляет собой диод, на верхнем рисунке транзистор представлен как совокупность двух диодов. И действительно, цепи база-эмиттер н база-коллектор, взятые отдельно, имеют одностороннюю проводимость. Однако, если мы возьмем два диода и соединим их так, как показано на нижнем рис. 18.2, то усилительного прибора не получим. Разница в том, что в транзисторах оба перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимодействие называется еще транзисторным эффектом, и ему обязаны усилительными свойствами биполярные транзисторы. Для предохранения от внешних влияний транзистор герметически закрыт в металлическом или пластмассовом корпусе. Рис.18.2
Как усиливает биполярный транзистор Чтобы понять, как усиливает транзистор, рассмотрим рис. 18.3 а, где показана цепь, содержащая микрофон, батарею и громкоговоритель. Если на микрофон не подается звук, то в цепи будет протекать только постоянный ток, и громкоговоритель молчит (участок A). Если на микрофон подается звук, то ток в цепи будет содержать не только постоянную, но и переменную составляющую (участок Б), и в громкоговорителе услышим слабый звук.
Рис. 18. 3 Используя транзистор, мы можем усилить этот звук, Это показано на рис. 18.3б, где использованы две батареи питания. Если проделаем соответствующие измерения, то увидим, что ток и напряжение на выходе транзистора значительно больше тока и напряжения на входе.
Важнейшей особенностью каждого усилительного элемента является значительное увеличение мощности на выходе (на нагрузке) по сравнению с мощностью, поданной на вход. И поскольку мощность — это произведение тока на напряжение (см. гл. 4), возможны следующие варианты усилителей:
1.Схема усиливает по напряжению и по току. В транзисторных усилителях этот случай наиболее желателен. 2. Схема усиливает только по напряжению, а ток на выходе почти один и тот же. 3. Схема усиливает только по току, а напряжение на выходе почти одно и то же.
Рис.18.4.
Биполярный транзистор проявляет усилительные свойства в трех видах схем. которые отличаются способом включения транзисюра: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (OK).
Качества любого усилителя зависят не только от того, во сколько раз он усиливает, но и от его входного и выходного сопротивления. В некоторых случаях эти сопротивления даже важнее коэффициента усиления. Поэтому на практике используют все три основные схемы включения транзистора, так каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. В схеме с ОЭ входной сигнал действует между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и эмиттером (рис. 18.4). Эта схема усиливает и по напряжению и по току и поэтому на практике используется наиболее часто. Ее входное и выходное сопротивления не очень велики. В схеме с ОБ входной сигнал действует между эмиттером и базой, а нагрузка включена между коллектором и базой (рис. 18.4). Эта схема усиливает только по напряжению и имеет малое входное сопротивление и большое выходное. В схеме с ОК (ее называют еще эмиттерный повторитель) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер-база, проходя через нагрузку, а сама нагрузка включена между эмиттером и коллектором (рис. 18.4). Это схема усиления по току. Ее входное сопротивление велико, а выходное мало.
Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: независимо от схемы включения (с ОЭ, ОБ, ОК) управляющий переход в транзисторе – эмиттерный, а управляемая цепь, сопротивление которой изменяется, – эмиттер-коллектор (на рис. 18.5 эта цепь изображена толстой линией).
Рис. 18.5.
При этом полярность источников питания такова, что эмиттерный переход включен всегда в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Поэтому во всех схемах (с ОЭ, ОБ, ОК) напряжения, которые действуют на управляющем участке, малы – например 0,1-0,4 В в германиевых и 0,4 - 0,8 В в кремниевых транзисторах (рис. 18.6), в то время как напряжения коллектор-эмиттер могут быть довольно значительными – порядка 6-24 В.
Рис. 18.6. Другая важная особенность транзистора – базовый ток намного меньше эмиттерного и коллекторного токов (последние два практически одинаковы). Таким образом, основное свойство транзистора можно сформулировать так: малый базовый ток управляет намного большим коллекторным током. Эта особенность показана на рис. 18.7, где видна аналогия между транзистором и водно-механическим устройством. И действительно, тонкая струя воды в трубе Б управляет толстой струей воды посредством труб К и Э. При этом струя Э равна сумме струй Б и К. Рис. 18.7.
В импульсной технике транзистор чаще всего используется в качествеключа. В этом случае он или заперт (сопротивление коллектор-эмиттер большое) или открыт (сопротивление коллектор-эмиттер мало). Это запирание и открывание достигается путем соответствующего запирания или пропускания базового тока. Подобный же опыт, который можно легко проделать, показан на рис. 18.8. В первом случае базовый и коллекторный ток равны нулю, а во втором случае 1Б = 2-3 мА, а IК = 200 мА. Следовательно, и здесь посредством небольшого базового тока можно управлять довольно большим током в цепи коллектора.
Особенности биполярных транзисторов Когда коллекторный переход соединен в обратном направлении, а эмиттер свободен (рис. 19.1 а, б), в цепи протекает так называемый обратный коллекторный ток IКБО. Индекс КБО расшифровывается так: ток между коллектором и базой при открытом эмиттере. Этот ток очень мал, но является важным параметром биполярных транзисторов и приводится в справочниках. В маломощных германиевых транзисторах он равен 1-30 мкА, в кремниевых – менее 1 мкА, а в мощных германиевых транзисторах достигает 50-100 мкА.
Обратный коллекторный ток очень мал, однако на него надо обращать внимание, потому что с повышением температуры перехода (во время работы любой транзистор нагревается) обратный коллекторный ток сильно возрастает – на каждые 10С удваивает свое значение (рис. 19) Рис. 19.1 а) схема измерения обратнолго коллекторного тока n-p-n транзистора; б) схема измерения обратного коллекторного тока p-n-p транзистора.
Температурная нестабильность
Если говорить о недостатках транзисторной аппаратуры, то прежде всего надо вспомнить о температурной нестабильности транзисторов. Как мы уже видели, основным виновником этого является обратный коллекторный ток. Температурная нестабильность – явление нежелательное, т. к. температура изменяет ряд основных параметров усилительных каскадов, как коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, частота автогенерации и т. д. И поскольку каждый транзистор имеет строго определенный обратный коллекторный ток (он зависит только от конструкции транзистора), то хорошая стабильность достигается следующим образом. 1.Использованием транзисторов с наименьшим током IКБо. В этом отношении кремниевые транзисторы лучше германиевых и это одна из причин их широкого распространения в последнее время. 2. Использованием таких схем, в которых большая часть тока IКБо отклоняется во внешние цепи, а через управляющий переход протекает возможно меньшая часть. 3. Использованием дополнительных средств (отрицательной обратной связи, сбалансированных схем н пр.), которые улучшают температурную стабильность.
Коэффициент усиления Как мы уже видели, схема с ОЭ хороший усилитель тока. В этом можно убедиться с помощью схемы, показанной на рис. 19.2. Здесь через источник тока Е1 (например, регулируемый выпрямитель) можно подавать различный базовый ток и учитывать соответствующий коллекторный ток. Опыты с различными транзисторами показывают, что коллекторный ток всегда во много раз больше базового. Число, покалывающее во сколько раз коллекторный ток больше базового, обозначается буквой и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Следовательно, можем записать Это равенство приблизительное, поскольку не учтены относительно малые неуправляемые токи. Коэффициент является основным параметром транзисторов и приводится в справочниках. Различные виды транзисторов имеют обычно коэффициент = 30 – 300, но есть и такие, которых достигает 1000. На основе вышесказанного, основное свойство биполярного транзистора можно сформулировать так: любой ток, протекающий через управляющий эмиттерный переход, вызывает в раз больший коллекторный ток.
Коэффициент усиления
Свойства схемы с ОБ можно исследовать, собрав схему, показанную на рис. 19.5. Число, показывающее во сколько раз коллекторный ток больше эммиттерного, обозначается буквой и называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОБ. Следовательно, можно записать
Рис. 19.5
Это равенство тоже приблизительное,.т. к. не учтен относительно малый ток IКБо. Опыты с различными транзисторами показывают, что коллекторный ток всегда меньше эмиттерного и поэтому коэффициент всегда меньше единицы. Этот коэффициент является параметром транзисторов и иногда приводится в стравочниках. Обычно = 0,950 – 0,998. На основании вышесказанного может возникнуть вопрос, есть ли польза от такой схемы, если ток на выходе меньше тока на входе? Действительно, здесь ток, вместо того чтобы увеличиваться, уменьшается. Однако схема с ОБ – хороший усилитель по напряжению. Поэтому она часто используется для усиления высоких частот. Коэффициенты и любого транзистора связаны между собой. Если мы знаем один из них, можем легко найти другой, при помощи номограммы, здесь не приведенной.
Полярность напряжений питания
Поскольку имеется два основных типа транзисторов (n-р-n и р-n-р), в схемах с ОЭ и ОБ надо запомнить полярность восьми источников питания (см. рис. 19.2 и 19.5). Это сделать легко, если обратить внимание на само обозначение транзистора. Действительно, эмиттерная стрелка в круге обозначает, что в n-р-n транзисторах эмиттерный ток (имеются в виду постоянные составляющие) „выходящий", а остальные два „входящие"; в р-n-р транзисторах эмиттерный ток „входящий", а остальные два „выходящие". Направлениям этих токов соответствует и полярность напряжения питания. В связи с этим, применив к транзистору первый закон Кирхгофа, получим
I Э = IБ + IК.
Эта формула действительна для всех трех схем включения (ОЭ, ОБ и ЭК). При этом надо помнить, что эмиттерный и коллекторный ток имеют почти одинаковую величину, в то время как базовый во много раз (раз) меньше..
Дата добавления: 2014-01-13; Просмотров: 1127; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |