Дослідження характеристик біполярних і польових транзисторів та одиночних підсилюючих каскадів

1. МЕТА РОБОТИ

1) Дослідження статичних характеристик біполярного транзистора n-р-n типу.

2) Дослідження статичних характеристик польового транзистора з керуючим р-n переходом з каналом n -типу.

3) Дослідження властивостей одиночних підсилюючих каскадів зі спільним емітером (з СЕ) та зі спільним витоком (з СВ) і зі спільним колектором (з СК) та зі спільним стоком (з СС).

2. УСТАТКУВАННЯ

1) Стенд лабораторний № 1, 3.

2) Вольтметр цифровий В7-27.

3) Мультиметр ВР11.

4) Осцилограф С1-93 (С1-83).

3. ЗМІСТ РОБОТИ

1) Зняти і побудувати статичні вхідні і вихідні вольт-амперні характеристики (ВАХ) біполярного і польового транзисторів.

2) Дослідити роботу одиночних підсилюючих каскадів за різних значень напруги вхідного сигналу і опору навантаження.

4. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1. Ознайомитись з робочим місцем, устаткуванням і приладами.

4.2. Ввімкнути вимірювальні прилади та живлення стенда лабораторного. Тумблер у середній частині лицьової панелі стенда (між мнемосхемами) встановити у ліве положення.

4.3. Зняття статичних вольт-амперних характеристик (ВАХ)

біполярного транзистора n-р-n типу

4.3.1. Зняття статичних ВАХ біполярного і польового транзисторів проводити за допомогою схеми, що наведена на рис. 1.1 (верхня мнемосхема на лівій половині лицьової панелі стенда лабораторного). Міліамперметр РА1, вольтметр РV1 і мікроамперметр РА2 встановлені на лицьовій панелі стенда. Елементи комутації і регулювання вмонтовані в мнемосхему.

Рис. 1.1 – Схема для зняття ВАХ біполярного і польового транзисторів

Для зняття ВАХ біполярного транзистора у схемі з СЕ перемикач SА встановити у ненатиснуте положення (світиться сигнальна лампа поруч із транзистором VT1, що підмикається до джерела живлення, вимірювальних приладів і елементів регулювання). До клем Х і „ ” підімкнути мультиметр (або цифровий вольтметр), межу вимірювання якого встановити орієнтовно 2 В і задати режим вимірювання напруги постійного струму.

Зібрану у такий спосіб схему досліду наведено на рис. 1.2.

4.3.2. Зняти сімейство вхідних ВАХ I_Б = f(U_БЕ) при значеннях U_КЕ рівних 0; 5 і 10 В.

Рис. 1.2 – Схема досліду зняття ВАХ біполярного транзистора n-p-n типу

Фіксовані значення U_КЕ задавати обертанням ручки резистора R₃ за годинниковою стрілкою, починаючи з крайнього лівого положення, і контролюючи за вольтметром РV1.

Обертаючи ручку резистора R₂ за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення I_Б за мікроамперметром РА2 і фіксувати відповідні значення U_БЕ за вольтметром РV2.

Результати вимірів занести у табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Результати вимірів вхідних ВАХ біполярного транзистора

IБ, мкА									UКЕ, В
UБЕ, В

Примітка. У табл. 1.1 позиції, що відповідають значенням І_Б, що не можуть бути

встановлені за допомогою резистора R₂,не заповнювати.

4.3.3. Зняти сімейство вихідних ВАХ I_К = f(U_КЕ) при фіксованих значеннях струму I_Б рівних 0; 10; 30; 50 і 60 мкА, що задаються резистором R₂ за мікроамперметром РА2.

Для кожного фіксованого значення I_Б, обертаючи ручку резистора R₃ за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення U_КЕ за вольтметром РV1 й фіксувати за міліамперметром РА1 відповідні значення струму колектора I_К. Результати вимірів занести у табл. 1.2.

Таблиця 1.2 - Результати вимірів вихідних ВАХ біполярного транзистора

UКЕ, В		0,25	0,5	1,0	2,0	5,0	10,0	IБ, мкА
IК, мА

4.4. Зняття статичних вольт-амперних характеристик (ВАХ)

польового транзистора з керуючим р-n переходом

4.4.1. Для одержання схеми досліду зняття статичних ВАХ польового транзистора з СВ, наведеної на рис. 1.3, перемикач SА встановити у натиснуте положення (світиться сигнальна лампа поруч з транзистором VТ2).

Рис. 1.3 – Схема досліду зняття ВАХ польового транзистора з керуючим р-n переходом

Зверніть увагу на те, що полярність напруги U_ЗВ негативна (необхідно відповідно підімкнути мультиметр РV2).

4.4.2. Зняти сімейство стік-затворних ВАХ I_С = f(U_ЗВ) при фіксованих значеннях напруги U_СВ рівних 1; 5 і 10 В, що задаються резистором R₃ за вольтметром РV1.

Для кожного фіксованого значення U_СВ, обертанням ручки резистора R₂ за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення U_ЗВ за вольтметром РV2 і фіксувати за міліамперметром РА1 відповідні значення струму стоку I_С.

Результати вимірів занести у табл. 1.3.

Таблиця 1.3 - Результати вимірів стік-затворних ВАХ польового транзистора

UЗВ,B		-0,2	-0,4	-0,6	-0,8	-1,0	-1,2	-1,4	-1,8	UCВ, B
IС, мА

4.4.3. Зняти сімейство вихідних (стокових) характеристик I_С = f(U_ЗВ) при фіксованих значеннях напруг на затворі U_ЗВ, що задаються резистором R₂ за цифровим вольтметром РV2.

Для кожного фіксованого значення U_ЗВ, обертаючи ручку резистора R₃ за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення U_С за вольтметром РV1 і фіксувати за міліамперметром РА1 відповідні значення струму I_С.

Результати вимірів занести у табл. 1.4.

Таблиця 1.4 - Результати вимірів вихідних ВАХ польового транзистора

UСВ, B		0,25	0,5	1,0	2,0	5,0	10,0	UЗВ, B
IС,, мА
							-0,25
							-0,5
							-0,75
							-1,0
							-1,25

4.5. Дослідження властивостей одиночних підсилюючих

каскадів з СЕ (СВ) і з СК (СС)

4.5.1. Дослідження властивостей одиночних підсилюючих каскадів на біполярному і польовому транзисторах виконувати за допомогою схеми, наведеної на рис. 1.4 (нижня мнемосхема на лівій половині лицьової панелі стенда лабораторного).

Рис. 1.4 – Схема для дослідження властивостей одиночних підсилюючих каскадів

4.5.1.1. Підімкнути каскад на біполярному транзисторі VT1 до джерела живлення G1 і джерела вхідного сигналу е, встановивши перемикач SA1 у ненатиснуте положення.

Зібрати схему підсилюючого каскаду з СЕ, встановивши перемикач SA2 у ненатиснуте положення.

Підімкнути кабель першого каналу осцилографа сигнальним провідником до клеми Х1, а нульовим до клеми „ ”. Кабель другого каналу – до клем Х2 і „ ” відповідно.

Встановити ручку резистора R у середнє положення, а органи керування осцилографа у положення, що забезпечують спостереження стійкого, зручного для вимірів зображення. Переконатися у працездатності каскаду: синусоїдний сигнал на виході (клема Х2) знаходиться у протифазі до вхідного сигналу (клема Х1) і має більшу амплітуду (підсилений).

Зарисувати осцилограми вхідного і вихідного сигналів каскаду для двох рівнів вхідного сигналу (задаються резистором R):

1) за відсутності помітних нелінійних викривлень вихідного сигналу;

2) за наявності помітних нелінійних викривлень вихідного сигналу.

4.5.1.2. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) каскаду з СЕ для двох значень опору навантаження, що задаються перемикачем SA4 (R_н1 = 2,2 кОм і R_н2 = 12 кОм).

До входу каскаду (клеми Х1 і „ ”) підімкнути цифровий вольтметр (вхід „~ 300 V”, межу вимірювання встановити орієнтовно „~ 1 V”), а до виходу, (клеми Х2 і “ ”) – мультиметр (межа вимірювання „~ 20 V”).

Обертаючи ручку резистора R за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення вхідної напруги U_вх за цифровим вольтметром і фіксувати відповідні значення вихідної напруги U_вих за мультиметром.

Виміри провести для двох значень опору навантаження:

1) R_н1 = R₈ = 2,2 кОм (перемикач SА4 – у ненатиснутому положенні);

2) R_н2 = R₁₀ = 12 кОм (перемикач SА4 – у натиснутому положенні).

Результати вимірів занести у табл. 1.5.

Таблиця 1.5 - Результати вимірів амплітудної характеристики

для підсилюючого каскаду з СЕ

Uвх, В		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	Rн, кОм
Uвих, В							2,2

4.5.1.3. Зібрати схему підсилюючого каскаду з СК (емітерний повторювач), установивши перемикач SА2 у натиснуте положення.

Підключити осцилограф аналогічно пп. 4.5.1.1 і переконатися у працездатності каскаду: синусоїдний сигнал на виході за амплітудою майже такий як і вхідний (дещо менший), відсутня інверсія (вихідна напруга синфазна вхідній) за будь-яких положень ручки резистора R.

Зарисувати осцилограми вхідного і вихідного сигналів каскаду для середнього положення ручки резистора R.

4.5.1.4. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) каскаду з СК за методикою, викладеною в пп. 4.5.1.2. Результати вимірів занести у таблицю, аналогічну табл. 1.5.

4.5.2. Для дослідження підсилюючих каскадів на польовому транзисторі перемикач SА1 встановити у натиснуте положення.

4.5.2.1. Зібрати схему підсилюючого каскаду з СВ, встановивши перемикач SА3 у ненатиснуте положення.

4.5.2.2. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) каскаду з СВ для двох значень опору навантаження (R_н1 = 10 кОм і R_н2 = 100 кОм).

Методика вимірів аналогічна наведеній у пп. 4.5.1.2, тільки вихідною клемою, до якої підмикається мультиметр, є Х3, а завдання значення опору навантаження виконується перемикачем SА5:

1) R_н1 = R₉ = 10 кОм (SА5 у ненатиснутому положенні);

2) R_н2 = R₁₁ = 100 кОм (SА5 у натиснутому положенні).

Результати вимірів занести у табл. 1.6.

Таблиця 1.6 - Результати вимірів амплітудної характеристики

для підсилюючого каскаду з СВ

Uвх, В		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	Rн, кОм
Uвих, В

4.5.2.3. Зібрати схему підсилюючого каскаду з СС, встановивши перемикач SА3 у натиснуте положення.

4.5.2.4. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) каскаду з СС за методикою, викладеною в пп. 4.5.2.2.

Результати вимірів занести у таблицю, аналогічну табл. 1.6.

4.6. Вимкнути прилади і живлення стенда лабораторного.

Навести порядок на робочому місці.

4.7. Обробка результатів експериментів

4.7.1. за даними табл. 1.1 побудувати сім’ю вхідних ВАХ біполярного транзистора. Зробити висновок про вплив значення колекторної напруги U_КЕ на положення вхідної характеристики.

4.7.2. За даними табл. 1.2 побудувати сім’ю вихідних ВАХ біполярного транзистора, зробити висновок про вплив значення струму бази I_Б на положення вихідної характеристики.

4.7.3. За даними табл. 1.3 побудувати сім’ю стік-затворних ВАХ польового транзистора. Зробити висновок про вплив значення напруги U_СВ на положення стік-затворної характеристики.

4.7.4. За даними табл. 1.4 побудувати сім’ю стокових (вихідних) ВАХ польового транзистора. Зробити висновок про вплив значення напруги на затворі U_ЗВ на положення стокової характеристики. Порівняти вид стокових характеристик польового транзистора і вихідних характеристик біполярного транзистора.

4.7.5. За вихідними характеристиками біполярного транзистора визначити його коефіцієнт підсилення струму

.

4.7.6. За стік-затворними характеристиками польового транзистора визначити крутизну характеристики керування

п ри U_СВ=5 В,

а за стоковими характеристиками – внутрішній опір транзистора

при U_ЗВ = – 0,5 В.

4.7.7. За осцилограмами, знятими при виконанні завдання пп. 4.5.1.1, зробити висновок про правильність завдання режиму спокою підсилюючого каскаду, що працює у режимі класу А.

4.7.8. За даними пп. 4.5.1.2 (табл. 1.5), пп. 4.5.1.4, пп. 4.5.2.2 (табл. 1.6) та пп. 4.5.2.4 побудувати амплітудні характеристики підсилюючих каскадів і зробити висновок про вплив значення опору навантаження на положення характеристик для каскаду з СЕ (СВ) і каскаду з СК (СС).

5. ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ

5.1. Будова і принцип дії біполярних транзисторів

Біполярний транзистор являє собою електронний напівпровідниковий прилад, що має два взаємодіючих електронно-діркових переходи і складається з трьох областей: емітера, бази і колектора. р-n перехід, що утворюється на межі областей емітер-база, називається емітерним, а на межі база-колектор – колекторним. Провідність бази може бути як електронною (n -типу), так і дірковою (р -типу). Відповідно розрізняють транзистори р-n-р та n-р-n типу.

Рис. 1.5 - Будова і умовні позначення транзисторів n-p-n (а) та p-n-p (б) типів

На рис. 1.5 схематично наведено будову і умовні графічні позначення транзисторів n-р-n та р-n-р типу.

Для забезпечення ефективного впливу емітерного переходу на колекторний, а отже забезпечення підсилюючих властивостей транзистора, необхідне виконання наступних основних вимог (реалізуються технологічно при виробництві):

1) база повинна бути багато тоншою за довжину дифузійного пробігу інжектованих до неї з емітера носіїв електричного заряду;

2) концентрація основних носіїв у базі повинна бути значно меншою за концентрацію основних носіїв в емітері, а концентрація основних носіїв у колекторі повинна бути багато меншою, ніж в емітері;

3) площа колекторного переходу повинна бути у декілька разів більшою за площу емітерного переходу.

Принцип дії транзисторів обох типів однаковий. розходження полягає лише у тому, що в транзисторі р-n-р типу основний струм, що тече через структуру, створюється дірками, інжектованими з емітера, а у транзисторі n-р-n типу – електронами (напрямок протікання струму через транзистор вказує стрілка на його умовному позначенні).

Розглянемо принцип дії біполярного транзистора на прикладі транзистора структури n-р-n типу.

Якщо до приладу не прикладена зовнішня напруга, через обидва р-n переходи протікають струми дифузії і дрейфу, як і в звичайному діоді. Оскільки вони врівноважують один одного, сумарний струм через кожен р-n перехід, а значить і через весь прилад дорівнює нулю.

Рис. 1.6 - Спрощена схема вмикання транзистора

Підмикання джерела Е_К, як показано на рис. 1.6, а, зміщує колекторний перехід у зворотному напрямку і, у результаті, через нього протікає невеликий струм, зумовлений дрейфом через перехід неосновних носіїв, що виникають з-за термогенерації (у даному разі, електронів) – струм I_К0.

Якщо підімкнути до транзистора також джерело Е_Е (між базою і емітером), як показано на рис. 1.6, б, емітерний перехід зміщується у прямому напрямку, і через нього до бази з емітера інжектується велика кількість носіїв (електронів) – струм I _Е.

Через те, що у базі основних носіїв (дірок) набагато менше, ніж у емітері (електронів) і товщина бази незначна, тільки невелика частина електронів, що надходять з емітера в базу, буде встигати рекомбінувати з дірками і створювати струм бази I_Б. Електрони, що залишилися, починають дифундувати у базі за всіма напрямками, у тому числі і до колекторного переходу. Потрапляючи в область колектора, вони підпадають під дію поля джерела Е_К і спрямовуються до його позитивного електроду (вони тут є потоком основних носіїв заряду), створюючи струм колектора I_К.

Оскільки виходить, що струм бази (керуючого електрода) набагато менший струму колектора (струму силового кола), транзистор має підсилюючі властивості.

Струми електродів транзистора зв’язані співвідношенням:

, (1.1)

де I_К – струм емітера;

I_Б – струм бази;

I_К – струм колектора.

Відношення струму колектора до струму емітера називається коефіцієнтом передачі струму емітера

(1.2)

Відношення колекторного струму до базового називається коефіцієнтом підсилення струму

(1.3)

У сучасних транзисторів a знаходиться у межах від 0,9 до 0,99, а b –від 10 до 100 і більше.

Зв’язок струмів електродів біполярного транзистора і прикладених між його електродами напругами виражається статичними вольт-ампер-ними характеристиками (ВАХ): вхідними і вихідними. Вид цих характеристик залежить від схеми вмикання транзистора.

Залежно від того, який з електродів транзистора є спільною точкою за змінним струмом для вхідного і вихідного кіл, можливі три способи вмикання: зі спільною базою (з СБ) – рис. 1.7, а; зі спільним емітером (з СЕ) – рис. 1.7, б; зі спільним колектором (з СК) – рис. 1.7, в.

а) б) в) Рис. 1.7 - Схеми вмикання транзистора: а) з СБ; б) з СЕ; в) з СК

Найбільше поширення у підсилюючих каскадах та імпульсних пристроях одержала схема з СЕ як така, що дає найбільше підсилення за потужністю, забезпечуючи підсилення і за напругою, і за струмом.

а) б) Рис. 1.8 – ВАХ транзи­с­тора, увімкненого за схемою з СЕ: а) вхідні; б) вихідні

Вхідні і вихідні ВАХ транзистора, ввімкненого за схемою з СЕ, наведені на рис. 1.8.

Вхідні характеристики показують зв’язок між струмом бази I_Б і напругою, прикладеною між емітером і базою U_БЕ.

Вхідна характеристика (рис. 1.8, а) при U_КЕ = 0 подібна до прямої гілки ВАХ діода. При U_КЕ > 0 вхідні характеристики дещо зміщуються вправо. Зменшення струму бази при цьому пояснюється зменшенням рекомбінацій у базі при її звуженні за рахунок розширення запираючого шару (зворотно зміщеного колекторного р-n переходу).

Вихідні статичні характеристики (рис. 1.8, б) показують зв’язок між струмом колектора I_К та напругою між колектором і емітером U_КЕ залежно від значення струму бази I_Б. При І_Б = 0 маємо ВАХ зворотно зміщеного колекторного р-n переходу. Зі збільшенням І_Б струм колектора збільшується. При цьому його значення залежить від значення І_Б і (десь при U_КЕ > 1 В) майже не залежить від значення U_КЕ, бо визначається тільки кількістю носіїв, що після інжекції із емітера в базу дифундували із бази в колектор.

На рис. 1.9, а показано лінію навантаження за постійним струмом (динамічну характеристику) і зони, що відповідають трьом характерним режимам роботи транзистора. Рівняння лінії навантаження має вигляд:

,

де Е_К – напруга живлення;

R_К – навантаження транзистора за постійним струмом.

Рис. 1.9 – Побудова динамічної характеристики транзистора за постійним струмом і режими роботи транзистора

Лінія навантаження за постійним струмом проводиться через точки:

Е_К, що відповідає I_К = 0 (режиму холостого ходу);

I_К = Е_К / R_К, що відповідає U_КЕ = 0 (режиму короткого замикання).

Точка а відповідає режиму відтинання транзистора, при якому струм у колі навантаження дуже малий, внаслідок чого майже вся напруга джерела живлення прикладається до транзистора.

Точка б відповідає режиму насичення транзистора. У цьому режимі на транзисторі падає незначна напруга (до 0,1 - 0,3 В), що практично не залежить від зміни керуючого струму бази. Відповідно напруга і струм у колі навантаження залишаються незмінними.

проміжок між точками а і б відповідає активному режиму.

Режими насичення і відтинання використовуються в ключових (імпульсних) схемах, а активний режим – у лінійних підсилювачах.

Так для підсилюючого каскаду, що працює у режимі класу А, перетин лінії навантаження з характеристикою, яка відповідає струмові бази I_0Б (робоча точка Р), визначає струм спокою I_0К. Цей струм протікає у колі колектора за відсутності сигналу змінної напруги у вхідному колі і відповідає напрузі спокою за постійним струмом U_0К. Забезпечується режим спокою поданням у вхідне коло транзистора напруги зміщення U_0Б з-за чого протікає струм спокою бази I_{0 Б}, як це показано на рис. 1.9, б.

5.2. Підсилюючі каскади на біполярних транзисторах

Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для підсилення потужності електричних сигналів без спотворення їхньої форми і частоти (для лінійного підсилювача).

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє потужне джерело живлення і підсилюючий елемент. Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід підсилюючого елементу і, змінюючи провідність останнього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. У результаті в навантаженні виділяється необхідна потужність за рахунок енергії джерела живлення.

Рис. 1.10 – Узагальнена схема підсилення

Таким чином, у самому загальному вигляді, для підсилення необхідна схема, наведена на рис. 1.10.

Вона складається з навантаження R_н, джерела живлення Е_дж та деякого гіпотетичного підсилюючого елемента ПЕ.

Малопотужна вхідна дія (Вх. дія) змінює параметри ПЕ так, що пропорційно їй змінюється потужність, яка виділяється в R_н за рахунок Е_дж.

Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричних сигналів, називається підсилюючим каскадом.

Схема одиночного транзисторного підсилюючого каскаду зі спільним емітером (схема з СЕ), що забезпечує підсилення сигналів напруги змінного струму як за напругою, так і за струмом, наведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11 - Підсилюючий каскад на біполярному транзисторі з СЕ

Силове коло каскаду складають джерело живлення E_К, резистор колекторного навантаження R_К і підсилюючий елемент – транзистор VT1.

Джерело підсилюваного сигналу підмикається до вхідного кола каскаду через конденсатор С₁ – точки (1) і (2).

Навантаження каскаду у даному випадку таке, що вимагає обов’язкового під’єднання одного з виводів до нульової точки (найчастіше таким навантаженням є наступний підсилюючий каскад). Тому воно підімкнене до виходу каскаду через конденсатор С₂ – точки (3) і (4).

Конденсатори розділяють кола за постійним струмом (постійний струм через конденсатор не протікає) і зв’язують їх за змінним. Вони виключають вплив постійної складової напруги джерела сигналу (якщо вона є) на вхідні кола каскаду і навпаки – напруги постійного струму вхідних кіл каскаду на джерело вхідного сигналу (С₁), а також вплив постійної складової вихідної напруги на навантаження (С₂).

Напруга на базі транзистора у режимі спокою (за відсутності вхідного сигналу змінної напруги) U_0Б визначається дільником напруги R₁, R₂ і резистором R_Е. Вона забезпечує струм бази I_0Б і відповідно струм колектора I_0К – режим за постійним струмом.

Для забезпечення температурної стабілізації режиму спокою каскаду у коло емітера включають резистор R_Е. він забезпечує негативний зворотний зв’язок за струмом дія якого полягає у наступному.

Оскільки напруга спокою бази

U_0Б = U_R2 – I_0ЕR_Е, (1.4)

де U_R2 – напруга на резисторі R₂;

а струм спокою емітера

I_0Е = I_0К + I_0Б,

то, наприклад, при збільшенні I_0Е ≈ b I_0Б, за рахунок зростання коефіцієнта підсилення струму транзистора b під впливом зміни температури навколишнього середовища, збільшується I_0Е. А значить збільшується і падіння напруги на R_Е. За (1.4) це призводить до зменшення U_0Б, що зменшує значення базового струму I_0Б. У результаті цього I_0К наближається до поперед-нього значення.

Для усунення такого ж ефекту за змінним струмом (для виключення негативного зворотного зв’язку за підсилюваним сигналом) R_Е за змінним струмом зашунтовано конденсатором С_Е. Опір цього конденсатора на найнижчій частоті підсилюваного сигналу повинен бути набагато меншим за опір резистора R_Е.

У режимі спокою струми бази і колектора постійні. Напруга спокою на колекторі транзистора

U_0К = E_К – I_0К (R_К + R_Е). (1.5)

При подачі вхідної змінної напруги на постійну складову струму I_0Б накладається змінна складова, і струм бази стає пульсуючим. Відповідно пульсуючими стають струм колектора з амплітудою пульсацій I_Кm і колекторна напруга з амплітудою U_Кm, як показано на графіку рис. 1.12.

Змінна складова колекторної напруги через конденсатор С₂ передається на навантаження. Опір конденсатора С₂ на найнижчій частоті підсилюваного сигналу повинен бути набагато меншим за опори резистора R_К і навантаження R_н.

Оскільки вихідний опір каскаду практично дорівнює опору резистора R_К, то зміни опору навантаження R_н суттєво впливають на діюче значення вихідної напруги.

Рис. 1.12 - Часові діаграми роботи каскаду підсилення з СЕ

З графіка також видно, що, наприклад, зі збільшенням миттєвих значень струму колектора миттєві значення напруги на колекторі зменшуються. При цьому зміни струму колектора пропорційні змінам вхідної напру-ги, а фаза напруги на колекторі зміщена відносно фази вхідної напруги на 180 ° – кажуть, що підсилюючий каскад з СЕ інвертує вхідний сигнал.

Схема транзисторного одиночного підсилюючого каскаду зі спільним колектором (схема з СК), що забезпечує підсилення сигналів напруги змінного струму тільки за струмом, зображена на рис. 1.13.

Рис. 1.13 – Підсилюючий каскад на біполярному транзисторі з СК (емітерний повторювач)

Призначення елементів R₁, R₂ та С₁ і С₂ те ж саме, що і у схемі каскаду з СЕ. Опір R_Е є навантаженням за постійним струмом і визначає положення динамічної характеристики каскаду.

Каскад з СК можна розглядати як каскад з СЕ при R_К = 0 і опором у колі емітера, не зашунтованим конденсатором С_Е. У результаті в схемі діє стопроцентний послідовний негативний зворотний зв’язок за струмом, що знижує коефіцієнт підсилення за напругою до одиниці (реально він становить навіть менше одиниці) і водночас збільшує вхідний опір та зменшує вихідний.

Цей каскад не інвертує вхідний сигнал, бо зі збільшенням миттєвих значень струму колектора миттєві значення напруги на навантаженні, ввімкненому у коло емітера, також збільшуються. При цьому зміни струму колектора пропорційні змінам вхідної напруги, а фази вхідного і вихідного сигналів співпадають.

Через відсутність підсилення і інверсії цей каскад ще називають емітерним повторювачем напруги.

Вхідний опір каскаду з СК значно більший, ніж у схемі з СЕ, і приблизно може бути визначений за формулою

. (1.6)

Вихідний опір каскаду з СК становить

(1.7)

де r_Е – диференційний опір емітерного переходу, що для біполярних транзисторів складає від одиниць до десятків ом.

вказані властивості каскаду з СК дозволяють використовувати його у тих випадках, коли необхідно узгодити джерело сигналу, що має великий внутрішній опір, з низькоомним навантаженням. При цьому забезпечується також підсилення сигналу за потужністю за рахунок підсилення каскадом з СК струму.

5.3. Будова і принцип дії польових транзисторів

Польовим називається транзистор, керований електричною напругою – полем (на відміну від біполярних транзисторів, у яких процес керування обов’язково супроводжується протіканням струму у колі керуючого електрода – бази). Розрізняють польові транзистори з керуючим р-n переходом і з ізольованим затвором.

На рис. 1.14, а наведено конструкцію польового транзистора з керуючим р-n переходом.

а) б) в) Рис. 1.14 – Структура та умовне позначення ПТ з керуючим p-n переходом з каналом n -типу (а і б) та умовне позначення ПТ з каналом p- типу (в)

Цей транзистор являє собою напівпровідникову пластинку з провідністю, наприклад, n -типу, на верхній і нижній гранях якої створюються шари з провідністю р -типу. Ці шари електрично з’єднують між собою, утворюючи єдиний електрод, що назвається затвором (З).

Шар з провідністю n -типу, що розташований між шарами з провідністю р -типу, називається каналом.

Електрична ізоляція між каналом і затвором здійснюється за допомогою р-n переходів, що утворюються на межі напівпровідників з різною провідністю (використовується та властивість зони р-n переходу, що її опір безкінечний з-за відсутності у ній вільних носіїв заряду).

На торці напівпровідникової пластинки (каналу) наносять омічні контакти, що утворюють два інших електроди, до яких підмикається джерело живлення і навантаження. Контакт, до якого підкмикається негативний полюс джерела, називається витоком (В), а контакт, до якого підмикається позитивний полюс, стоком (С).

Основні носії заряду (у даному випадку електрони) рухаються від витоку до стоку (тече струм) через канал, поперечний переріз якого регулюється негативною відносно витоку напругою на затворі U_ЗВ, що зміщує р-n переходи у зворотному напрямку (розширюючи зони непровідності). Звуження каналу веде до збільшення його опору і зменшення значення струму, що тече через канал.

За напруги між стоком і витоком U_СВ = 0 стінки каналу є еквіпотенціальними поверхнями. При деякому U_ЗВ = U_ЗВ0, називаному напругою відтинання, р-n переходи змикаються за всією довжиною каналу. У результаті стік і витік виявляються ізольованими один від одного. Значення напруги відтинання залежить від концентрації домішок у каналі і його розмірів.

У робочому режимі (U_СВ > 0) поверхні каналу не є еквіпотенціальними, бо струм, що протікає через канал, створює падіння напруги, яка змінює ступінь зворотного зміщення р-n переходів за довжиною каналу. Біля витоку напруга зсуву р-n переходів дорівнює U_ЗВ, а біля стоку (U_ЗВ + U_СВ).

Отже, перетин каналу буде змінним (зменшується від витоку до стоку). Опір каналу при цьому носить нелінійний характер, тому і залежність I_С = f(U_СВ) також буде нелінійною. З підвищенням U_СВ напруга на р-n переходах досягає значення напруги відтинання U_ЗВ0 = (U_ЗВ + U_СВ) і вони поблизу стоку майже змикаються. При цьому диференційний опір каналу різко зростає і подальше збільшення напруги U_СВ не призводить до збільшення струму I_С (точка а на рис. 1.15). Тобто відбудеться насичення струму стоку (завдяки дії внутрішньої системи автоматичного регулювання з негативним зворотним зв’язком).

Рис. 1.15 - Стокові ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом і каналом n -типу

Напруга називається напругою насичення. Її значення зі зменшенням напруги U_ЗВ зростає, як видно з стокових (вихідних) ВАХ транзистора, наведених на рис. 1.15.

Рис. 1.16 – Стік-затворна ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом і каналом n -типу

Змінюючи напругу на затворі U_ЗВ за фіксованої напруги U_СВ, також можна керувати шириною каналу, а отже, значенням струму I_С, що видно зі стік-затворних Вах транзистора , наведених на рис. 1.16.

Більш широке застосування, особливо у складі ІМС, знаходять польові транзистори з ізольованим затвором, виконані за структурою метал-діелектрик (окисел)-напівпровідник – МДН (МОН)-транзистори.

Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом n -типу показана на рис. 1.17 а, а умовне зображення – на рис. 1.17, б, в.

При негативній чи рівній нулю напрузі U_ЗВ струм стоку I_С дорівнює нулю, бо обидва р-n переходи транзистора ввімкнені зустрічно.

За позитивної напруги U_ЗВ поверхня шару р -типу на межі напівпровідника і діелектрика збагачується електронами, що притягаються до позитивного електроду з глибини пластинки (знаходяться там за рахунок теплової генерації пар носіїв заряду). Виникає явище інверсії напівпровідника – тонкий шар n -типу утворюється на поверхні напівпровідника p -типу.

Рис. 1.17 – Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом n -типу (а) і умовні позначення таких транзисторів з каналами n -типу (б) та p -типу (в)

Таким чином обидві зони n -типу (витік і стік) виявляються електрично з’єднаними – утворюється наведений полем (індукований) канал, що має під-вищену провідність і через який протікає струм.

Важливим параметрами польових транзисторів є крутизна стокової характеристики S і опір стоку r_С, що визначаються за ВАХ:

(1.8)

(1.9)

Польові транзистори знаходять широке застосування в пристроях промислової електроніки, що зумовлено їхніми високими вхідними опорами (до 10¹⁴ – 10¹⁷ Ом), малим рівнем шумів та ін.

5.4. Підсилюючі каскади на польових транзисторах

Принципи побудови підсилюючих каскадів на польових транзисторах ті самі, що і каскадів на біполярних транзисторах. Особливість полягає у тім, що польовий транзистор керується напругою, а не струмом. З цієї причини завдання режиму спокою в каскадах на польових транзисторах здійснюється подачею у вхідне коло каскаду постійної напруги відповідного значення і полярності.

Рис. 1.18 – Підсилюючий каскад з СВ на польовому транзисторі з керуючим р-n переходом і каналом n -типу

Польові транзистори так само, як і біполярні, мають три схеми вмикання. Відповідно до назв спільних електродів розрізняють каскади зі спільним стоком (СС), спільним витоком (СВ) та спільним затвором (СЗ).

Підсилюючий каскад з СВ на польовому транзисторі з керуючим р-n переходом і каналом n -типузображений на рис. 1.18.

Елементи R₁, R_С, R_В задають режим спокою каскаду.

Зверніть увагу: оскільки польові транзистори з керуючим р-n переходом за відсутності сигналу керування максимально відкриті, то зміщення транзистора забезпечується резистором R_В (необхідне значення напруги U_0ЗВ дорівнює U_зм) – автоматичне зміщення. Резистор R₁ призначений для з’єднання затвору транзистора з нижнім виводом R_В і запобігання при цьому закорочування кола керування транзистора (з’єднання його затвору з нульовою точкою схеми). Опір резистора R₁ вибирають якомога більшим, щоб забезпечити великий вхідний опір каскаду.

Резистор R_В також створює негативний зворотний зв’язок за постійним струмом, що слугує для стабілізації режиму спокою каскаду при зміні температури і розкиді параметрів транзистора. Конденсатор С_В призначений для виключення негативного зворотного зв’язку за змінним струмом (за підсинюваним сигналом).

Розділяючий конденсатор С₁ забезпечує зв’язок каскаду з джерелом вхідного сигналу напруги змінного струму. Навантаження підмикається через розділяючий конденсатор С₂ до стоку транзистора.

Каскад з СВ, так само як і каскад з СЕ на біполярному транзисторі, здійснює зсув фази підсилюваного сигналу на 180° (інвертує вхідний сигнал).

Схема підсилюючого каскаду з СС (витокового повторювача) зображена на рис. 1.19.

Рис. 1.19 - Підсилюючий каскад з СС на польовому транзисторі з керуючим р-n переходом і каналом n -типу

Будова каскадів на польових транзисторах з ізольованим затвором аналогічна будові каскадів на біполярних транзисторах.

Дата добавления: 2015-07-02