Исходные данные. 3 страница

Режим работы транзистора характеризуется входными и выходными токами, поэтому, первичными, т.е. независимыми переменными являются входной и выходной токи, а вторичными, т.е. функциями- входное и выходное напряжение. Однако, для практических целей удобнее за независимые переменные принять напряжения, а за функции- токи.

Статические характеристики используются для расчета транзисторных схем, по ним определяют параметры транзистора в различных режимах. В транзисторах токи в цепях эмиттера, базы и коллектора взаимно зависимы, поэтому статические характеристики зависят от схем включения приборов. Из трех возможных схем включения рассмотрим характеристики транзисторов типа P-N-P только для схем с ОБ и ОЭ.

Схема с ОБ.

Статические характеристики транзистора по схеме с ОБ снимают по следующей схеме:

Для уменьшения погрешности измерений необходимо правильно выбрать приборы и правильно их включить: милливольтметр PmV в цепи эмиттера должен быть высокоомным и включаться после миллиамперметра PmA1.

Для снятия в начальной области выходных коллекторных характеристик, когда напряжение Uк близко к нулю и сопротивление коллекторного перехода невелико, напряжение на коллекторе следует измерять милливольтметром (включать его вместо вольтметра).

Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора по схеме с ОБ.

Входные характеристики представляют собой зависимость I_Э=f(U_Э) при Uк=const. Для снятия входных характеристик устанавливают потенциометром Rк соответствующее значение. Изменяя потенциометром R_Э напряжение U_Э, находят соответствующие им величины I_Э. Видно (из рис. а), что входные характеристики транзистора типа P-N-P похожи на характеристики полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. Это хорошо иллюстрируется характеристикой при Uк=0, когда у транзистора работает только один P-N- переход, к которому и приложено прямое напряжение U_Э. Сначала характеристика изменяется по экспоненциальному закону, а затем становится линейной. Такой ход характеристики объясняется тем, что при малых значениях напряжения U_Э не происходит достаточного снижения потенциального барьера P-N- перехода. Снижение потенциального барьера происходит с увеличением U_Э как прямого напряжения, приложенного к P-N- переходу, и осуществляется полностью на прямолинейном участке характеристики. При этом, ток I_Э ограничивается сопротивлениями эмиттера и базы, и сила его зависит от концентрации основных носителей тока в области эмиттера и базы, и мало зависит от напряжения на коллекторе; подтверждение этому- характеристики при Uк=-10 В и Uк=-30 В. С увеличением отрицательного напряжения Uк расширяется коллекторный переход и соответственно уменьшается ширина базы, в следствии чего сокращается время прохождения дырок эмиттера через базу в область коллектора. Возрастает возрастает ток коллектора и одновременно уменьшается ток базы (в виду сокращения ширины базы), что ведет к незначительным изменениям тока эмиттера I_Э и сдвигам характеристик влево.

Выходные характеристики представляют зависимость Iк=f(Uк) при I_Э=const. Сила коллекторного тока зависит от того, какое количество дырок, поступивших из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода (рис.б). При I_Э=0 выходная характеристика аналогична характеристике диода для режима обратного напряжения. Сила тока коллектора Iк при I_Э=0 зависит от концентрации неосновных носителей тока в базе (дырок) и в коллекторе (электронов) и при нормальных условиях составляет несколько микроампер. Как видно из характеристик, ток Iк достигает насыщения при небольших значениях Uк, т.е. сила тока Iк зависит от количества основных носителей тока (образующих ток I_Э), поступивших из эмиттера в базу, и в меньшей степени- от ускоряющего поля, созданного напряжением коллектора Uк.

Схема с ОЭ.

Для снятия статических характеристик транзистора используют следующую схему:

Напряжение на эмиттерно- базовую и эмиттерно- коллекторные цепи подаются через потенциометры Rб и Rк. Для измерений напряжений и токов установлены соответствующие приборы и указано, что они измеряют.

Входные характеристики (рис.а) показывают зависимость тока базы от напряжения базы при неизменном напряжении на коллекторе, т.е. Iб=f(Uб) при Uк=const.

По семейству входных характеристик, снятых при различных значениях Uк, видно влияние напряжения на коллекторе на протекание токов в цепи базы. При увеличении Uк ширина коллекторного перехода становится больше и соответственно уменьшается толщина базы. В тонкой базе снижается рекомбинация носителей тока, большее количество носителей тока втягивается в коллектор и уменьшается ток базы, так как Iб=I_Э-Iк. Это приводит к уменьшению наклона входных характеристик. Из этого следует, что увеличение отрицательного напряжения на коллекторе в схеме с ОЭ оказывает обратное воздействие на входные характеристики по сравнению со схемой с ОБ: характеристики располагаются правее и ниже. При малых токах базы зависимости Iб=f(Uб) приближаются к экспоненциальным кривым, а при больших токах имеют линейные участки (по тем же процессам, что и в схеме с ОБ).

Выходные характеристики ( рис.б ) показывают зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при неизменном значении тока базы, т.е. Iк=f(Uк) при Iб=const.

В схеме с ОЭ на базу подается небольшой отрицательный потенциал, поэтому ток коллектора может появится лишь тогда, когда потенциал коллектора будет ниже потенциала базы. Ток коллектора сначала нарастает быстро, а затем, на его изменение влияние отрицательного коллекторного потенциала сказывается меньше. Характеристики имеют наклон к оси абсцисс, что объясняется некоторым воздействием коллекторного напряжения на эмиттерный переход через коллектор и базу.

Характеристики передачи по току (рис. а) показывают зависимость тока коллектора от тока базы при неизменном напряжении на коллекторе, т.е. Iк=f(Iб) при Uк=const.

Эти характеристики имеют линейный вид лишь при больших отрицательных напряжениях на коллекторе. Когда значение Uк небольшое, то сужается коллекторный переход и увеличивается ширина базы, в следствии чего меньше носителей тока базы достигает коллектора, что снижает коэффициент передачи, т.к. нарушается линейная связь между током коллектора и током базы, характеристики искривляются.

Характеристики обратной связи (рис.б) показывают зависимость напряжения базы от напряжения коллектора при неизменном токе базы, т.е. Uб=f(Uк) при Iб=const.

Под обратной связью понимают влияние параметра выходной цепи на параметр входной цепи. В данном случае, Uк относится к выходной цепи, а Uб относится к входной цепи. Когда отрицательное напряжение коллектора больше отрицательного напряжения базы, то открыт коллекторный переход транзистора, и ток в базе обусловлен одновременно работающими эмиттерным и коллекторным P-N- переходами. В этом режиме проявляется сильная связзь между напряжениями базы и коллектора и ему соответствует начальный круто восходящий участок характеристики. Дальнейшее увеличение (-Uк) не приводит к изменениям Uб. При закрытии коллекторного P-N- перхода обратная связь остается, но во много раз меньше, чем при открытом состоянии.

Параметры транзисторов.

Система h- параметров.

Свойства транзисторов оцениваются по их параметрам. При определении этих параметров транзистор рассматривается как активный четырехполюсник, т.е. такой четырехполюсник, у которого мощность электрических колебаний на его выходе превышает мощность колебаний на входе и имеется внутренний источник электрической энергии (см.рис).

Положительные направления переменных напряжений и токов на входе U₁, I₁ и на выходе U₂, I₂, показанные стрелками, приняты условно. В активном четырехполюснике зависимости между переменными составляющими напряжений и токов в цепях выражают тремя системами параметров: Z, Y и h. Наибольшее практическое применение получила система h- параметров, которую называют смешанной из- за наличия в ней размерных и безразмерных величин. Параметры этой системы в отличие от систем Z и Y нетрудно измерить для реального режима работы транзистора.

В системе h- параметров в качестве независимых переменных приняты ток I₁ и напряжение U₂. Тогда, для U₁ и I₂ получим следующие зависимости:

U₁=f(I₁,U₂) и I₂= f(I₁,U₂), (7)

Зависимости (7) для сигналов малых амплитуд позволяют записать связь между напряжением и токами на входе и выходе следующими выражениями:

DU₁=h₁₁DI₁+h₁₂DU₂; (8)

DI₂=h₂₁DI₁+h₂₂DU₂. (9)

Схема для определения h- параметров транзистора:

h₁₁ (a), h₁₂ (б), h₂₁ (в), h₂₂ (г).

Для определения h- параметров создают режим холостого хода на входе (DI₁=0) и режим короткого замыкания на выходе (DU₂=0). Условия DI₁=0 и DU₂=0 означают, что при определении соответствующего h- параметра входной ток I₁ или выходное напряжение U₂ неизменны, т.е. I₁=const или U₂=const.

Параметр h₁₁ - представляет собой входное сопротивление транзистора и измеряется при короткозамкнутом выходе (рис.а) по переменному напряжению. Так как в этом режиме DU₂=0, то из (8) следует:

, (10 )

Параметр h₁₂ - является коэффициентом обратной связи по напряжению и показывает, какая часть напряжения с выхода транзистора поступает на вход, т.е. характеризует глубину обратной связи. Определяется при разомкнутой входной цепи (рис. б), т.е. при DI₁=0, тогда из (8) получим:

, (11)

Параметр h₂₁ - это коэффициент усиления по току, представляющий собой отношение тока на выходе к входному току. Определяется при короткозамкнутом выходе (рис. в). Из (9) при DU₂=0, следует:

, (12)

Для схемы с ОБ h₂₁ соответствует a. Для схемы с ОЭ h₂₁ соответствует b. Коэффициент усиления по току b для схемы с ОЭ может быть выражен через a:

Параметр h₂₂ - является выходной проводимостью и определяется как отношение выходного тока к выходному напряжению при разомкнутых входных зажимах (рис. г) по переменному току. При DI₁=0 из (9) получаем:

. (12)

Определение h- параметров по статическим характеристикам.

В справочниках h- параметры обычно приводятся для схемы с ОБ. Для других схем включения транзисторов их надо либо пересчитывать по формулам, либо определять по статическим характеристикам. Следует отметить, что для схемы с ОБ h- параметры определяют так же по статическим характеристикам. Определение h- параметров выполняют по семейству входных и выходных статических характеристик в соответствии с формулами и определениями, изложенными выше. При этом принимается, что независимые переменные I₁ и U₂ неизменны, т.е. const. Следует иметь в виду, что в схеме с ОБ I₁=I_Э=const, а в схеме с ОЭ I₁=Iк=const. Что касается выходного напряжения, то для обеих схем U₂=Uк=const с той лишь разницей, что в схеме с ОБ Uк=const для характеристик I_Э=f(U_Э), а в схеме с ОЭ Uк=const для характеристик Iб=f(Uб).

Рассмотрим пример:

Определить h- параметры по семействам выходных и входных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Рабочая точка А с I₁=Iб=200 мА и U₂=Uб=-20 В.

Показания на выходной и входной характеристиках.

Переменные величины, по которым необходимо определять h- параметры, будут: DI₁=DIб; DI₂=DIк; DU₁=DUб; DU₂=DUк.

Параметры h₂₁ и h₂₂ находят из семейства выходных характеристик. Для определения параметра h₂₁ (коэффициент усиления по току) берут приращение DIк и DIб между точками А и В при постоянном напряжении DUк=-20 В:

h₂₁= .

Параметр h₂₂ (выходная проводимость) определяют по приращениям тока и напряжения коллектора при I₁=I_б3=const. Для этого на характеристике с I_б3=200 мА берут точки С и В, и строят характеристический треугольник СВК, из которого находят DI₂=DIк' и DU₂=DUк'.

(мА/В)

Параметры h₁₁ (выходное сопротивление) и h₁₂ (коэффициент обратной связи по напряжению) определяют из треугольника АВЕ семейства входных характеристик. Треугольник АВЕ строят на характеристике с Uк=-20 В по базовым токам I_БА=200 мА и I_БВ=400 мА, что соответствует изменению тока базы между точками А и В (рис.а). Между точками А и В (рис. б) находят DIб и DUб при U_К3=const. Приращение DUк определяют по смежным характеристикам, на которые опирается треугольник АВЕ. Таким образом получаем:

Влияние температуры на характеристики и параметры транзисторов.

Повышение температуры транзистора вызывает отрыв электронов от атомов кристалла и переход их в зону проводимости. В следствии этого, в каждом полупроводниковом материале с N- или P- проводимостью транзистора увеличивается как количество, так и подвижность неосновных носителей тока. Количество основных носителей зависит от концентрации примеси, а температура влияет на их подвижность.

При повышении температуры большее число основных носителей поступает в зону проводимости и увеличивается прямой ток через эмиттерный переход, что приводит к сдвигу характеристик относительно характеристик нормального температурного режима (+20⁰С). Особенно заметен рост обратного коллекторного тока Iко*, создаваемого неосновными носителями тока, число которых с повышением температуры увеличивается. Таким образом, коллекторный ток Iк при повышении температуры увеличивается как за счет обратного тока Iко*, так и тока I_Э, поступающего через эмиттерный переход.

Увеличение тока Iк приводит к смещению выходных характеристик в область больших значений тока. При этом, смещение выходных характеристик в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ.

Изменение собственной проводимости при повышении температуры приводит к изменению характеристик и рабочих параметров транзистора. Во избежание этого в транзисторные схемы вводят соответствующие компенсирующие элементы.

Теплостойкость транзистора характеризуется максимальной рассеивающей мощностью Pк.мах, представляющее собой предельно допустимое значение мощности, рассеиваемой на коллекторе, при которой его температура не превосходит допустимых пределов. Эта мощность определяется на коллекторе потому, что сопротивление коллекторного перехода значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Величина Рк.мах зависит от максимально допустимой температуры коллекторного перехода tк.мах, температуры окружающей среды tокр и общего числового сопротивления Rt между коллекторным переходом и окружающей средой.

Рк.мах=(tк.мах-tокр)/Rt

Из этого равенства видно, что для повышения мощности рассеивания необходимо:

* выполнять коллекторный переход из материала с высокой допустимой температурой (например, кремния с tк.мах=150…170⁰С);

* уменьшать Rt за счет применения материалов с высокой теплопроводностью для изготовления корпуса;

* применять радиаторы для увеличения поверхности охлаждения.

Значение Рк.мах дается в справочниках и наносится гиперболической кривой на семейство статических выходных характеристик транзистора.

Динамические характеристики транзистора.

Режим работы транзистора, при котором во входную цепь включен источник напряжения сигнала, а выходную- сопротивление нагрузки, называют динамическим.

Динамическая характеристика транзистора представляет собой график изменения тока коллектора от напряжения коллектора в зависимости от тока во входной цепи.

Динамическая выходная характеристика строится по семейству выходных статических характеристик и служит для определения коэффициента усиления по току.

Для этого в семействе выходных статических характеристик транзистора, согласно уравнению Uк=Ек-IкRн определяют две крайние точки на осях координат, которые соединяют прямой. При Uк=0 ток коллектора Iк=Ек/Rн (точка А), а при Iк=0 имеем Uк=Ек (точка В). Прямая АВ, являющаяся геометрическим местом точек семейства статических выходных характеристик при заданных значениях Ек и Rн, представляет динамическую выходную характеристику. Чтобы обеспечить неискаженное усиление входного сигнала, исходную рабочую точку О (точку покоя), около которой происходят колебания, выбирают примерно в середине рабочего участка динамической характеристики, то есть при Uк_о»0.5Ек, где изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы. Точка покоя характеризуется напряжением на коллекторе Uк₀ и током базы Iб₀, которым соответствует ток покоя коллектора Iк₀. По динамической характеристике определяют амплитудное значение переменного тока Iк_мах и переменного напряжения Uк_мах в зависимости от переменной составляющей тока базы с амплитудой Iб_мах изменяющейся от Iб_мin до Iб_мах в режиме неискаженного сигнала. Мощность отдаваемая транзистором в нагрузку, при синусоидальном напряжении сигнала равна:

Рк=0.5Iк_махUк_мах

Среднее значение динамического коэффициента усиления по току:

Кi=2Iк_мах/(Iб_мах-Iб_мin)

Динамическая входная характеристика транзистора строится по семейству входных характеристик и служит для определения коэффициента усиления по напряжению и мощности.

Построение динамической входной характеристики выполняют следующим образом. В семействе выходных характеристик отмечают точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 пересечения выходной динамической характеристики с характеристиками Iк=f(Uк) при Iб=const и определяют их координаты, которыми являются Uк и Iб. Например, для точки 6 координатами будут Uк_мin и Iб_min=I_{Б 6}. По этим координатам в семействе входных характеристик наносят точки 1’, 2’, 3’, 4’ и т.д. Нанесенные точки соединяют плавной кривой и получают динамическую входную характеристику, которая имеет нелинейный вид. Нелинейность характеристики может служить одной из причин искажения сигнала, если даже по выходным характеристикам режим выбран правильно. Искажения можно снизить уменьшением амплитуды тока базы Iб_мах.

Динамическая характеристика позволяет определить амплитуду переменного напряжения сигнала на входе: Uвх=Uб_мах, по которой определяют входную мощность синусоидального сигнала:

Рвх=0.5Iб_махUб_мах.

Среднее значение коэффициента усиления по напряжению:

Кu=2Uк_мах/(2Uб_мах)=Uк_мах/(Uб_мах).

Коэффициент усиления по мощности:

.

Транзистор обеспечивает надежность работы устройства, если имеется запас по коллекторным токам и напряжениям и мощности рассеивания, которые указаны в паспорте.

Полевые транзисторы.

Полевые транзисторы (ПТ)- это приборы, свойства которых существенно отличаются от свойств ранее рассмотренных биполярных транзисторов.

Общее между ними то, что и те и другие можно определить как приборы, управляемые зарядом и в обоих случаях мы имеем устройства с тремя выводами, в которых проводимость между выводами зависит от наличия носителей заряда, которое, в свою очередь, регулируется напряжением, приложенным к третьему управляющему выводу.

В чем же отличия? В биполярном N-P-N транзисторе переход коллектор- база смещен в обратном направлении и, обычно, ток через него не течет. Подача на переход база- эмиттер напряжения около 0.6 В преодолевает "потенциальный барьер" диода, приводя к поступлению электронов в область базы, где они испытывают сильное притяжение со стороны коллектора. Результатом является коллекторный ток, управляемый (меньшим по величине) током базы. Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока или преобразователь проводимостей.

В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле, создаваемое приложенным к затвору напряжением.

Здесь нет прямосмещенных переходов, так что ток через затвор не течет и это наиболее важное преимущество ПТ перед биполярными транзисторами (БПТ).

Как и БПТ, ПТ бывают двух полярностей: n- канальные (с электронной проводимостью) и p- канальные (с дырочной проводимостью). Но разнообразие ПТ этим не ограничивается. Во- первых, ПТ могут изготавливаться с затворами двух разных типов (ПТ с p-n- переходом и ПТ с изолированным затвором, так называемые МОП- транзисторы), а во- вторых,- двумя типами легирования канала, что дает ПТ обогащенного и обедненного типа.

Как уже говорилось, наиболее важной характеристикой ПТ является отсутствие тока затвора. И получаемое в результате этого высокое входное сопротивление (до 10¹⁴ Ом) во многих случаях упрощает проектирование схем.

Входные характеристики ПТ.

Рассмотрим вначале n- канальный МОП- транзистор обогащенного типа, биполярным аналогом которого является N-P-N- транзистор.

В нормальном режиме сток относительно истока имеет положительный потенциал. Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение.

На рисунке показано, как изменяется ток стока Ic в зависимости от напряжения сток- исток Uси, при нескольких значениях управляющего напряжения затвор- исток Uзи. Можно видеть значительное соответствие характеристик P-N-P- биполярного транзистора. Существенным отличием ПТ является то, что в нем затвор действительно изолирован от канала сток- исток, поэтому в отличие от БПТ, можно подавать на него напряжение положительное (или отрицательное) до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости.

Схема ключа на ПТ проще, чем на БПТ, поскольку здесь не надо заботиться о компромиссе между необходимостью задать соответствующий необходимый для переключения ток базы и исключить избыточное расходование энергии. Вместо этого мы всего лишь подаем на затвор, имеющий высокое полное входное сопротивление, высокое напряжение питания. Мощный МОП- транзистор имеет Rвх<0.2 Ом.

Здесь показана схема аналогового переключателя, которую вообще невозможно выполнить на биполярных транзисторах. Идея этой схемы состоит в том, чтобы переключать проводимость ПТ из разомкнутого состояния в замкнутое, тем самым блокируя и пропуская аналоговый сигнал. Биполярные транзисторы для такой схемы не пригодны, поскольку база проводит ток и образует с коллектором и эмиттером диоды, что приводит к опасному эффекту "защелкивания".

В сравнении с этим ПТ удивительно прост, единственное требование: чтобы на затвор было подано напряжение на несколько вольт выше, чем амплитуда аналогового сигнала.

Еще о типах ПТ: n- канальные и p- канальные транзисторы.

Полевые транзисторы как и биполярные могут выпускаться двух полярностей.

Ток в р- канальном транзисторе будет проходить, если к истоку приложен плюс, к стоку- минус, а к затвору- отрицательное смещение. Р- канальные ПТ имеют обычно более плохие характеристики, более высокое Rвкл и меньший пик насыщения.

МОП- транзисторы, ПТ с р- n- переходом.

У МОП- транзисторов затвор изолирован от проводящего канала тонким слоем SiO₂ (стекло), наращенного на канал. МОП- транзисторы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. Изолирующий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны видимого света и он может выдержать напряжение затвора до + 20 В и более. На затвор можно подавать напряжение любой полярности относительно истока и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Но они легко повреждаются статическим электричеством.

Здесь представлен дополнительный вывод, "подложка", образующий с каналом диодное соединение. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока n- канала (р- канала) МОП- транзистора.

Общая классификация ПТ.

Основные схемы на ПТ.

Рассмотрим схемы, которые проявляют уникальные свойства ПТ по сравнению с БПТ. Их можно объединить по группам.

Схемы с высоким полным сопротивлением.

Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление БПТ ограничивает их характеристики. Обычно, они выполняются в виде микросхем, у которых ПТ используется в качестве высокоомного входного каскада, а вся остальная схема на ПТ или БПТ.

Цифровая логика.

Дата добавления: 2015-05-06