Режимы работы усилительных элементов. Понятие о проходной динамической характеристике

Понятие о проходной динамической характеристике. Режимы работы усилительных элементов определяются положением рабочей точки на проходной динамической характеристике. Проходной динамической характеристикой называется зависимость выходного тока от входного напряжения. Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, зависимость будет
Iк = f (Uбэ). Проходная динамическая характеристика может быть построена по входной и выходной характеристикам транзистора. Iк = f (Uб).

Режим работы класса А.
В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики. Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя. Рассмотрим рисунок. До момента времени t1 переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием величины Eсм в коллекторной цепи транзистора будет протекать постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя. Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейными искажениями, т. к.усилительный элемент работает на линейном участке характеристики. Недостатком режима класса А является низкий КПД. η = (25 – 30 %). Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей Iо, которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором. Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.

Режим работы класса В.
В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю, т.е. в начале проходной характеристики. Режим работы класса В характеризуется углом отсечки Θ. Углом отсечки называется половина той части периода, за которую в выходной цепи будет протекать ток. Для режима класса В угол отсечки Θ = 90°. Характеризуется режим класса В высоким КПД η =60 ÷ 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения типа “ступенька”. Применяется режим класса В в выходных двухтактных усилителях мощности невысокого качества, где коэффициент нелинейных искожений мщжет быть снижен введением глубокой ООС.

Режим работы класса АВ.
Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики. В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки Θ в режиме класса АВ будет меньше 90°. Режим класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем режим класса В (η = 50 ÷ 60 %) и несколько меньшие нелинейные искажения.
Недостатки: необходимость введения дополнительных цепей для температурной стабилизации в положении рабочей точки из-за саморазогрева транзистора в следствие наличия в нём тепловой положительной обратной связи.
Используется: в усилителях мощности среднего и высокого качества, обязательно с цепями термостабилизации.

Режим работы класса С.
Это режим, при котором величина Eсм имеет отрицательное значение. Рабочая точка находится левее начала проходной характеристики. Режим класса С характеризуется максимальным КПД η = 80 %, но и наибольшими нелинейными искажениями. Используется: в усилителях очень большой мощности, где основным параметром является КПД, а основная гармоническая характеристика выделяется выходными устройствами, а также в устройствах, где форма сигнала не играет роли, важен КПД.

Режим работы класса D.
Режим работы класса D – это ключевой режим работы транзистора.
Достоинство: очень высокий КПД (90-98%).
Недостатки: проблемы получения синусоидального сигнала, сложность такого устройства, наличие дополнительных помех и искожений.
Используется: в импульсных преобразователях и стабилезаторах напряжения, в усилителях мощности гармонических сигналов (крайне редко, только при условии использования шин).
Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные) - п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.

С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).

С точки зрения управления электрическим полем - полевыми.

ПТ содержит 3-и п/п области одного и того же типа проводимости, называемые истоком, каналом, стоком.

Движение носителей заряда начинается от истока в направлении стока по каналу, ширина которого зависит от приложенного напряжения к затвору, соответственно ПТ имеет при электрода Исток, Сток и Затвор.

Несколько определений:

· Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы-

вается истоком.

· Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ-

ется стоком.

· Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение,

создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

· Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-

n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Различают схемы включения:

- с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;

- с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;

- с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.

Отличие биполярных от полевых транзисторов: практически бесконечное входное сопротивление, несколько худшие усилительные свойства, лучшие температурные характеристики, возможность параллельного включения с целью увеличения тока, опасность повреждения статическим напряжением.

По способу создания канала различают ПТ с p-n-переходом (канал p- или n-типа), встроенным каналом (МДП) и индуцированным каналом (МОП).

Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у ко­торого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n -переходом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с л-каналом и управляющим р - n -переходом показаны на рис. 2

В транзисторе с n -каналом основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от ис­тока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I _с. Между затвором и истоком приложено напря­жение, запирающее р - n -переход, образованный n -областью канала и р -областью

Рис. 2 Структура (а) и схема включения полевого транзи­стора

с затвором в виде р —n-перехода (б): 1,2 — области канала и затвора

соответственно; 3, 4, 5 — выводы исто­ка, стока и затвора соответственно

затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п- каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения по­тенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Uси<0,

Uзи>0.

Рис. 3. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п- каналом. Транзисторы с

р -каналом работают аналогично.

На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на

р-n -переход между затво­ром и каналом (рис. 3, а) на границах канала возникает равно­мерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению про­водящей ширины канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3 б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в на­правлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рис. 3, в), то толщина обедненного слоя, а следовательно, и се­чение канала будут определяться действием этих двух напряжений.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзи-стора:

а — выходные; б — передаточная

При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:

Uси+|Uзи|=Uзап

обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора при­ведены на рис. Здесь зависимости тока стока I_с от напряжения при постоянном напряжении за затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 4, а). На начальном участке характеристик Uси+|Uзи|<Uзап ток стока I_свозрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток — исток до Uси=Uзап-|Uзи| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_с прекращается (участок насыщения). От­рицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряже-ния Uси и тока стока I_с. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-п- перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена пере­даточная характеристика I_с=f(Uзи) (рис. 4,6). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Входная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора I₃ от напряжения затвор — исток — обычно не ис­пользуется, так как при Uзи<0 р-n-переход между затвором и ка­налом закрыт и ток затвора очень мал (I₃ = 10^-8 /10^-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектри ка, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП – транзисторы могут быть двух видов:

· Транзисторы со встроенным каналом

· Транзисторы с индуцированным каналом.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изо­лированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время изо­лированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока I_с.

Дата добавления: 2014-01-04