Выходные характеристики

Iс = f(Uси); Uзи = const

Рис. 9.7

При росте Uси до Uнас наблюдается почти линейный рост тока через канал Iс. При Uси = Uнас рост тока прекращается и характеристики переходят в режим насыщения, где они практически горизонтальны. Это происходит потому, что при большом напряжении Uси канал в области стока сужается и наступает динамическое равновесие: рост Uси вызывает увеличение Iс и уменьшение ширины канала Y, а следовательно и уменьшение Iс.

При Uси > Uпроб наступает пробой области канала и ток через канал лавинообразно нарастает.

При подаче на затвор отрицательных смещений Uзи < 0, насыщение наступает при меньших Uси, так как толщина канала сужается по всей длине. Вследствие этого снижается и ток насыщения в канале.

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Iс = f(Uзи) при Uси = const

Рис. 9.8

При Uзи = 0 толщина канала максимальна и ток стока Iс максимален. С ростом смещения Uзи толщина канала уменьшается и ток через канал падает. При Uзи = Uотс канала перекрывается и ток практически прекращается. При Uзи > Uотс ток через канал определяется концентрацией неосновных носителей и составляет единицы микроампер.

9.8. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

В 1962 году созданы первые полевые транзисторы, у которых затвор изолируется пленкой диэлектрика, а роль канала играет тонкий поверхностный слой полупроводника. Эти транзисторы называют МОП или МДП-транзисторы. Перенос тока в них обеспечивается только основными носителями канала.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

Для обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором приняты обозначения (рис. 9.9).

Рис. 9.9

Аналогично транзистору с управляющим p-n переходом используют три схемы включения: ОИ, ОС, ОЗ.

9.9. МДП-ТРАНЗИСТОРЫ С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

Это наиболее распространенный вид МДП-транзисторов.

9.9.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Устройство транзистора показано на рисунке 9.10.

Рис. 9.10 Устройство МДП-транзистора

Методами диффузии в полупроводниках n-типа создаются две сильнолегированные области p⁺-типа, образующие исток и сток. Область поверхности между ними изолируется с помощью диэлектрика (SiO2), а на поверхность диэлектрика наносят металлический электрод-затвор. Образуется система Металл-диэлектрик-полупроводник.

При напряжении на затворе Uзи = 0 ток между стоком и истоком ничтожно мал, так как он определяется только токами через встречно включенные p-n переходы. При подаче отрицательного смещения на затвор Uзи < 0 из приповерхностного слоя полупроводника n-типа происходит вытеснение основных носителей – электронов и при некотором напряжении Uзи = Uзипор < 0 происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя – образуется или индуцируется канал p-типа. Этот канал соединяет области стока и истока. При дальнейшем увеличении напряжения Uзи происходит втягивание в канал дырок из р⁺ областей, то есть возрастает концентрация носителей в канале, и увеличивается толщина канала, что ведет к снижению сопротивления канала.

Протекание тока в канале обеспечивается напряжением, приложенным между стоком и истоком, и носит дрейфовый характер.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять сопротивлением канала и величиной тока в канале.

Поскольку затвор изолирован от канала, ток в цепи затвора ничтожно мал, следовательно, ничтожно мала и мощность, необходимая для управления током в цепи исток-сток-Rн. Поэтому транзистор с изолированным затвором способен усиливать мощность сигнала.

9.9.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП ТРАНЗИСОРА С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

Выходная характеристика: I_з= f(U_зи); U_си= const.

Вследствие изоляции затвора I_з» 0 при любых напряжениях на электродах.

Выходные характеристики: I_с= f(U_си); U_зи= const.

Рис. 9.11

Характеристики подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим переходом при U_си < U_{си нас}, ток I_с изменяется почти линейно. При U_си > U_{си нас} наступает насыщение тока вследствие сужения канала. При увеличении U_зи снижается сопротивление канала. Поэтому ток насыщения растет.

Передаточные характеристики: I_с= f(U_зи); U_си= const.

Рис. 9.12

При напряжении на затворе, превышающим U_{зи пор} индуцированный канал, проводимость которого растет с ростом напряжения U_зи. Поэтому наблюдается тока канала I_с. Напряжение влияет слабо, так как при U_си > U_{си нас} канал находится в режиме насыщения.

U_{зи пор} = 0,5-10 В (2П301 – 2П304).

9.10. МДП-ТРАНЗИСТОР СО ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ

9.10.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Устройство транзистора показано на рис. 9.13.

Рис. 9.13

В кристалле n-типа путем диффузии образуются две сильнолегированные области – сток и исток. Эти области соединяются тонким поверхностным слаболегированным слоем – встроенным каналом р-типа. Над каналом располагается металлический затвор, отделенный от канала слоем диэлектрика – образуется система металл-диэлектрик-полупроводник.

Изоляцию транзистора выполняют с помощью запирающего обедненного слоя р-n перехода. Для этого на подложку подают обратное напряжение смещения или соединяют подложку с истоком.

При отсутствии напряжения на затворе в канале имеется некоторое количество дырок, которые обеспечивают прохождение тока между стоком и истоком.

При подаче отрицательного напряжения на затвор, электрические поля затвора втягивают в канал дополнительное количество дырок, обогащая его основными носителями и снижая его сопротивление.

При положительном напряжении на затворе дырки вытесняются из канала. Проходит объединение канала основными носителями, сопротивление канала увеличивается. При некотором напряжении

U_зи= U_{зи отс} > 0 практически все основные носители вытесняются из канала и ток в канале падает до нуля.

Протекание тока в канале I_с обеспечивается напряжением, приложенным между истоком и стоком и носит дрейфовый характер.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе можно управлять сопротивлением канала и величиной тока в канале.

Возможность управления током с помощью изолированного затвора определяет способность МДП-транзистора со встроенным каналом усиливать мощность сигнала.

Особенностью МДП-транзистора со встроенным каналом является возможность управления током канала как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе.

9.10.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-ТРАНЗИСТОРА СО ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ

Выходная характеристика: I_з= f(U_зи); U_си= const.

Вследствие изоляции затвора I_з» 0.

Выходные характеристики: I_с= f(U_си); U_зи= const.

Рис. 9.14

Выходные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом аналогичны выходным характеристикам МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Передаточные характеристики: I_с= f(U_зи); U_си= const.

Рис. 9.15

При U_зи < 0 р-канал обогащаются дырками, и ток в канале растет.

При U_зи> 0 происходит вытеснение дырок из канала и ток в канале падает, прекращаясь при U_зи= U_отс.

Повышение U_зилишь незначительно увеличивает ток стока, так как канал находится в режиме насыщения.

9.11. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

С ростом температуры подвижность носителей в канале падает вследствие рассеяния носителей фононах. Это ведет к росту сопротивления канала и уменьшению тока стока.

С другой стороны, при повышении температуры потенциальный барьер U_к = уменьшается, так как n_i растет экспоненциально. Поэтому толщина запирающих слоев р-n переходов снижается, канал расширяется и ток стока возрастает.

Действие этих противоположных процессов обеспечивает более высокую температурную стабильность полевых транзисторов в сравнении с биполярными. Температурный коэффициент у полевых транзисторов < 0,2% на 1К.

9.12. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Вследствие большого входного и выходного сопротивлений полевых транзисторов в уравнениях эквивалентного четырехполюсника используют систему Y-параметров. Для схемы и ОИ они имеют вид:

| | U_си=const

| | U_зи=const

| | U_си=const

| | U_зи=const

Эти параметры описывают проводимости и в общем случае являются комплексными. Приближенные равенства справедливы для области низких частот и позволяют определить Y-параметры в заданной рабочей точке транзистора после линеаризации его характеристик, то есть по характеристикам транзистора.

Наряду с Y-параметрами широкое распространение нашли специальные параметры.

Крутизна – характеризует управляющее действие затвора на ток стока

S = Y₂₁_n.

В современных транзисторах составляет 3 и более мА/В.

Для оценки влияния подложки вводят крутизну по подложке.

| U_зи= const, U_си= const

Обычно S_П< S. При соединении затвора с подложкой суммарная крутизна S’ = S + S_П.

Выходное дифференциальное сопротивление.

составляет сотни МОм.

Коэффициент усиления.

Для сравнения воздействия напряжения стока и напряжения затвора на ток стока вводят параметр m.

|_I_c_{= const} = SR_вых_диф = SR_i

9.13. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

С помощью системы Y-параметров нетрудно получить формальную эквивалентную схему полевого транзистора в заданной рабочей точке в режиме малого сигнала в схеме с ОИ.

Рис. 9.16

Более содержательна физическая эквивалентная схема, которая составляется исходя из структуры полевого транзистора.

Рис. 9.17

Поскольку транзистор является активным элементом эквивалентная схема содержит источник тока SU_зи. Из физической эквивалентной схемы легко получить выражения для Y-параметров. Полагая r_зс = r_зи» ¥ и r_с» 0, получим:

величины С_зи и С_зс составляют единицы, десятые доли пФ.

Все эти параметры зависят от выбранной рабочей точки, то есть постоянных напряжений на электродах.

В расчетах статического состояния электронных схем, то есть постоянных токов и напряжений в схеме, должны учитываться нелинейные свойства транзисторов. При этом также можно воспользоваться эквивалентной физической схемой транзистора, положив С_зи= С_зс= 0 (так как w = 0). Однако, необходимо учесть зависимости

S = S(U_зи,U_си) и R = R(U_зи,U_си), которые легко получить, дифференцируя теоретические выражения ВАХ полевых транзисторов Iс = f(U_зи,U_си),

и .

Основные параметры полевых транзисторов:

1) U_отс, или U_пор,

2) I_с_max,

3) U_си_max,

4) частотные параметры (w_s и f_max),

5) крутизна передаточной характеристики.

9.14. РАБОТА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Частотные свойства биполярных транзисторов определялись процессами инжекции носителей и их диффузионного распространения в базе транзистора.

В полевых транзисторах явления инжекции отсутствуют. Поэтому их частотные свойства определяются только процессами перезаряда межэлектродных емкостей. В частности, вследствие шунтирующего действия емкостей С_зи,С_зс на высоких частотах полевой транзистор по цепи затвора может потреблять от источника сигнала значительную мощность. При этом падает крутизна характеристики:

, где

- предельная частота проводимости прямой передачи; что свидетельствует ухудшении усилительных свойств транзистора с повышением частоты.

В целом, частотные свойства полевых транзисторов значительно лучше, чем у биполярных. Лучше частотные свойства имеют транзисторы с изолированными затворами. Они могут усиливать колебания на частотах в десятки гигагерц.

9.15. РАБОТА ТРАНЗИСТОРОВ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

В импульсном или ключевом режиме используются в основном транзисторы с индуцированным каналом, что объясняется наличием у них порогового напряжения. При U_зи < U_пор транзистор закрыт, а при U_зи > U_пор транзистор открыт.

Временные диаграммы прохождения управляющего импульса U_вх показаны на рис. 9.18.

Рис. 9.18

В течение времени tвкл происходит перезаряд емкостей транзистора и формируются проводящее состояние канала. За время tвыкл транзистор переходит в исходное состояние. Эти величины являются импульсными параметрами полевых транзисторов.

10. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – это полупроводниковый прибор, имеющий три или более выпрямляющих переходов, и два устойчивых состояния – открытое и закрытое.

Тиристоры подразделяют:

1. Диодные тиристоры – динисторы.

2. Триодные тиристоры – тринисторы.

с управлением по аноду с управлением по катоду

3. Симметричные тиристоры – симисторы.

10.1. ДИНИСТОРЫ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Структура динистора состоит из 4 полупроводниковых областей

(рис. 10.1).

Рис. 10.1 Структура динистора

Крайняя n-область называется катодом, крайняя p-область – анодом. При нормальном прямом включении динистора на анод подключают Å, на катод y источника питания.

В этом случае крайние p-n-переходы смещены в прямом направлении – их называют эмиттерными. Средний p-n-переход смещен в обратном направлении – его называют коллекторным. Между эмиттерными и коллекторными переходами расположены базовые области p и n-типа.

При малых прямых смещениях эмиттерные переходы открыты, а коллекторный – закрыт. Поэтому через переход П₁ инжектируются электроны в p-базу. Диффундируярррh к переходу П₂, электроны подхватываются контактным полем П₂ и перебрасываются в n-базу. Дальнейшему движению электронов препятствует потенциальный барьер перехода П₃. Поэтому в области n-базы накапливаются электроны. Аналогично процессы происходят с дырками, инжектированными через переход П₃.

Противоположные по знаку заряды, накапливаются в p- и n-базах находятся в состоянии динамического равновесия – количество поступающих зарядов равно количеству рекомбинирующих зарядов.

При увеличении прямого смещения динамическое равновесие смещается в сторону увеличения зарядов. Накопленные в базах заряды создают электрическое поле, направленное противоположно контактному полю закрытого перехода П₂. Поэтому при некотором прямом смещении U_вкл. переход П₂ откроется.

При этом все три перехода оказываются открытыми, и напряжения на динисторе падает – динистор открывается.

В открытом состоянии ток через динистор ограничивается только малыми омическими сопротивлениями p-n-p-n областей.

При обратных смещениях на динисторе эмиттерные переходы закрыты, а эмиттерный – открыт. Инжекция носителей отсутствует. Ток через динистор не протекает - динистор закрыт.

Таким образом, при увеличении прямого смещения выше некоторого напряжения U_вкл.динистор переходит из закрытого состояния в открытое.

10.1.1. ВАХ ДИНИСТОРА

ВАХ динистора имеет вид, представленный на рис. 10.2.

Рис. 10.2

На участке через динистор протекает обратный ток коллекторного перехода I_КБО, а также токи инжекции эмиттерных переходов.

где α₁ и α₃ – коэффициенты передачи токов переходов П₁и П₃. Так как

I_К= I_а, то

При малых токах α₁+ α₃<< 1 и I_а≈ I_КБОс увеличением тока α₁+ α₃→1 и в токе ‚ α₁+ α₃≈ 1 – динистор открывается. На участке ƒ динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Однако, этот участок является неустойчивым.

На участке „ ток через открытый динистор ограничен только малым внутренним сопротивлением открытого динистора.

При обратных смещениях, на участке … ток через динистор определяется обратным током через два последовательно включенных эмиттерных перехода.

Динистор остается открытым, пока ток через него I_а> I_уд(ток удержания). Если ток в цепи динистора ограничить до I_а< I_уд, динистор закроется.

Величины U_вкл и I_уд являются параметрами динистора.

10.2. ТРИНИСТОРЫ. УСТРОЙСТВО. ВАХ ТРИНИСТОРА

В тринисторе одна из баз снабжается управляющим выводом (рис. 10.3).

Рис. 10.3

Переход тиристора из закрытого состояния в открытое определяется накоплением зарядов в базовых областях. В тринисторах для управления процессом накопления используется дополнительный, управляющий электрод. При подаче положительного смещения на управляющий электрод эмиттерный переход П₁ вблизи катода открывается сильнее. Поэтому возрастает инжекция электронов через переход П₁ и усиливаются процессы накопления зарядов в p- и n-базах, которые приводят к открыванию тринистора.

Таким образом, прямое смещение на управляющем электроде позволяет переключить тринистор из закрытого в открытое состояние при напряжениях U_ак, меньших U_вкл. Причем, чем больше ток управляющего электрода I_у, тем меньшее напряжение U_ак необходимо для открывания тринистора.

Семейство ВАХ тринистора представлены на рис. 10.4.

Рис. 10.4

При I_у= 0 ВАХ тринистора повторяет ВАХ динистора.

С увеличением тока управляющего электрода I_унапряжение включения тринистора уменьшается.

Выключение тринистора производят по анодной цепи, с помощью снижения анодного тока до I_а< I_уд. При этом накопленные в базах заряды рассасываются, и восстанавливается обратное запирающее смещение на коллекторном переходе.

10.3. СИМИСТОРЫ

Симисторы предназначены для работы в цепях переменного тока. Их ВАХ имеют симметричный вид (рис. 10.5),

Рис. 10.5

т.е. симистор обладает ключевыми свойствами, как при прямых, так и при обратных напряжениях. Симистор можно получить, используя встречно-параллельные включения обычных динисторов.

Рис. 10.6

Однако более удобно использовать специальный прибор со структурой, где встречно-параллельно включенные динисторы обьединены в одном кристалле.

Рис. 10.7 Структура симистора.

10.4. ОДНОПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Однопереходный транзистор – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим p-n переходом и тремя выводами, свойство которого определяются модуляцией сопротивления базы.

Условно-графическое обозначение транзисторов представлено на рис. 10.8.

Транзистор с n-базой. Транзистор с p-базой.

Рис. 10.8 Обозначения однопереходных транзисторов

Структура транзистора с n-базой показана на рис. 10.9.

Рис. 10.9 Структура однопереходного транзистора

Область эмиттера сильнолегирована. При подаче межбазового напряжения U_Б через базу потечет ток, создавая вдоль базы падение напряжения U(x). Если U(l) > U_ЭБ, то p-n переход оказывается смещен в обратном направлении и по цепи эмиттера протекает небольшой обратный ток I_ЭБО.

Входная характеристика. Выходная характеристика.

Рис. 10.10.

При U_ЭБ³U(l) p-n переход открывается и начинается инжекция дырок в область базы. Это приводит к снижению сопротивления тела базы. Поэтому уменьшается и U(l), что увеличивает прямое смещение перехода и инжекцию дырок. В результате на входной характеристике появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а транзистор переходит в открытое состояние.

Таким образом, транзистор может находиться либо в закрытом состоянии, либо в открытом (в режиме насыщения).

Открытое состояние будет поддерживаться до тех пор, пока ток I_Э³ I_выкл. При I_Э< I_выклтранзистор закроется.

Выходная характеристика транзистора при I_Э= 0 – линейная – транзистор работает как обычный резистор. При I_Э> 0 выходная характеристика нелинейная, т.к. смещение на переходе зависит от тока базы I_Б.

Однопереходный транзистор, как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением, может использоваться в качестве генератора, усилителя и переключателя. Однако, вследствие большого объема базы однопереходные транзисторы значительно хуже биполярных транзисторов по частотным свойствам.

11. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

11.1. Основные характеристики и параметры

По функциональному назначению усилители подразделяются: усилители напряжения, тока и мощности, которые характеризуются соответствующими коэффициентами усиления:

В реальных усилителях сигналы разных частот усиливаются по разному. Для характеристики частотных свойств усилителей используются зависимости коэффициентов усиления от частоты и фазового сдвига от частоты.

Первая характеристика называется амплитудно-частотной (АЧХ), вторая – фазо-частотной (ФЧХ). Типовая АЧХ K=f(F) имеет вид

идеальная

Кср

0,707 Кср

Fн Fв F(Гц)

Рис. 11.1

Кср – max коэффициент усиления на средней частоте

Fв – Fн = - частотный диапазон – полоса пропускания усилителя

Fв – верхняя граничная частота, Fн – нижняя граничная частота

Фазо-частотная характеристика имеет вид:

Fн Fо Fв

идеальная

Рис. 11.2

; - коэффициент усиления по постоянному току

Если АЧХ и ФЧХ усилителя отличаются от идеальных, то эти отличия называются частотными или линейными искажениями. В этом случае сложный сигнал будет иметь искажение из-за различного усиления составляющих спектра.

Частотные искажения оцениваются по величине отклонения АЧХ и ФЧХ от идеальных. Для этого используется коэффициент частотных искажений ; где - максимальный коэффициент; - коэффициент усиления на частоте F.

Чувствительность усилителя – характеризуется входным сигналом, при котором на выходе создается выходной номинальный сигнал.

Выходной номинальный сигнал (напряжение) – это наибольшее выходное напряжение, при котором искажения не превышают допустимых значений.

Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного напряжения называется амплитудной характеристикой(АХ)

режим насыщения транзистора ограниченный Еп

линейный

участок

Рис. 11.3

В нижней части изгиб определяется собственными шумами (они соизмеримы с амплитудой Uвх). АВ – рабочий участок. Если амплитуда Uвх такова, что усилитель работает на криволинейных участках АХ, то в выходном сигнале появляются искажения формы.

Такие виды искажений называются нелинейными. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник.

где - мощности гармоник выходного сигнала. Вторая, третья и n-ая гармоники появляются в выходном сигнале из-за искривления формы сигнала.

По полосе пропускания усилители подразделяются на узкополосные и широкополосные. Узкополосный усилитель настроен на частоту первой гармонии и фильтрует в основном все остальные, поэтому Кг 0.

Динамический диапазон – отношение - динамический диапазон входного сигнала.

- динамический диапазон усилителя.

Для нормальной работы усилителя динамический диапазон усилителя должен быть согласован с динамическим диапазоном сигнала, т.е. .

11.2. РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

11.2.1. Принцип работы усилителя. Рабочая точка

C +

U_ОК

Рис. 11.3

В отсутствие напряжения усиливаемого сигнала Ес и при подаче напряжений Еп и EБ в цепях транзистора протекают постоянные токи: во входной цепи IОБ в выходной цепи – IОК (“0” – символ по постоянному току), а на электродах устанавливаются напряжения UОБ – равное напряжению смещения на эмиттерном переходе и UОК определяемое напряжением ЕП и резистором RК:

UОК = ЕК – IОК.

Эти значения токов и напряжений определяют положение рабочей точки на статических характеристиках, которую называют начальной рабочей точкой.

Если на вход усилителя подаётся сигнал, например синусоидальной формы Ес = Usinwt, то он алгебраически суммируется с постоянным напряжением начального смещения на эмиттерном переходе и рабочая точка А перемещается между точками В и С.

IБ

UОБ UЭБ

Ес

Рис. 11.4

В цепи ЕП – коллекторный переход протекает пульсирующий ток, состоящий из постоянной составляющей IОК и переменной iК. Переменная составляющая создаёт на резисторе RК падение напряжения, амплитуда которого равна амплитуде выходного сигнала . При больших значениях сопротивления RК и ЕП амплитуда значительно больше амплитуды сигнала Ес.

11.2.2. РЕЖИМ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Для того чтобы форма сигнала на выходе усилителя совпадала с формой входного сигнала, зависимость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор является нелинейным элементом, возможны искажения сигнала. Наличие искажений зависит как от амплитуды входного сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки. Выбор положения начальной рабочей точки влияет также и на КПД усилителя, т.к. в момент отсутствия сигнала вся энергия источника питания идет на нагрев p-n перехода.

В зависимости от положения начальной рабочей точки на характеристике и амплитуды входного сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В, C.

Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки q - половиной той части периода, в течении которого через выходную цепь транзистора протекает ток.

Режим А

I_К I_К

А i вых m

Uбэ iок t

Uоб q =

Рис. 11.5

Начальная точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики , а амплитуда сигнала такова, что ток в цепи коллектора протекает в течение всего периода. Угол отсечки q = 180.

Транзистор работает в активном режиме. Из-за большого тока покоя КПД в этом режиме меньше 50%.

В режиме А транзисторный усилитель работает почти без искажений. Этот режим обычно используется в каскадах предварительного усиления.

Режим В.

Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики.

Iк i к

Uбэ

Uc q =

Ес

Рис. 11.6

Ток коллектора протекает лишь в течение положительного полупериода входного сигнала. В течение другого полупериода транзистор находится в режиме отсечки. Угол отсечки равен q = 90°. КПД каскада в этом режиме значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал (до 80%). Однако усиливается только один период. Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо работает в положительный полупериод, а другой – в отрицательный. В режиме В работают каскады мощного усиления.(Используются комплементарные транзисторы).

Режим С.

В этом режиме начальная точка А располагается левее начальной точки проходной характеристики. Угол q менее 90°. В отсутствии сигнала ток через транзистор не протекает – элемент полностью “заперт”.

Iк i к

Uоб Uбэ

q <

Рис. 11.7

При подаче сигнала коллекторный ток протекает в течение времени, меньшем положительного полупериода входного сигнала. КПД выше чем в режиме В. Используются в специальных мощных резонансных усилителях.

Режим D – ключевой режим (режим работы инвертора).

Для усилителей такой режим используется только для усиления прямоугольных сигналов.

11.2.3. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на электродах транзистора. Существует две основные схемы, которые позволяют осуществить подачу смещения от источников питания. Такие схемы называются схемами смещения с фиксированным током или с фиксированным напряжением.

Схема смещения с фиксированным током

+Е_П

Rб Rк

Iоб Iок

Ес Iоэ Uок Rн Uвых

Uоб

Рис. 11.8

В данной схеме база соединена с “+” источника Еп через резистор RБ. В режиме покоя напряжение смещения на базе UОБ = ЕП - IОБ RБ, где ток IОБ определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки, которая задаётся постоянными смещениями UОБ и UОК (ЕП), UОК = ЕК - IОК RК.

- гасящее сопротивление

Для приближенных расчетов – Uоб можно убрать, т.к. Uоб << Еп, тогда .

Отсюда следует, что при установленных Еп и Rб, ток базы останется тем же при замене транзистора или при изменение температуры.

Схема смещения с фиксированным напряжением

+Е_П

Rк

Iок

Iоб

Ес

Uоб Iоэ Uок Uвых

Рис. 11.9

Напряжение смещения создаётся делителем напряжения с резисторами и , через которые протекают токи делителя и . Из выражений и = UОБ определяются сопротивления делителя:

и .

При расчетах схемы резисторы и выбирают такими, чтобы токи и протекающие через них были в три – пять раз больше тока IОБ. В этом случае изменение тока базы IОБ не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения базы.

всегда значительно больше .

11.2.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Основные свойства усилительного каскада определяются положением начальной рабочей точки, которое задаёт ток покоя выходной цепи. Поэтому при изменении температуры , замене транзистора, положение начальной рабочей точки не должно изменяться. Если же активным элементом является биполярный транзистор, то изменение температуры или замена активного элемента могут повлиять на значение коэффициента усиления и значение теплового обратного тока. Для обеспечении стабильности усилительного каскада при увеличении температуры в режиме А, используют схемы стабилизации положении рабочей точки.

1. Эмиттерная стабилизация

+Еп

Rк

Iок Iкбо

Iоб Uок

Ес Uвых

I_ОЕ

Рис. 11.10

Стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Напряжение ОС снимается с резистора RЭ. Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу

, ().

С изменением температуры изменится ток покоя коллектора (за счет обратного тока в первую очередь) и, следовательно, ток покоя эмиттера IОЭ. При повышении температуры рабочая точка на характеристике должна подняться вверх, но этого не произойдет, т.к. с увеличением IОЭ увеличивается падение напряжения на RЭ и, следовательно, уменьшается UБЭ, что уменьшает ток через эмиттер, т.е. начальная рабочая точка останется на месте.

Для исключения влияния отрицательной ОС по переменному току на коэффициент усиления параллельно резистору RЭ включен конденсатор СЭ. При отсутствии СЭ переменная составляющая эмиттерного тока создаёт на резисторе падение напряжения UЭ = RЭ iЭ, что снижает усиливаемое напряжение, т.к. UБЭ = UВХ- RЭ iЭ, а следовательно и коэффициент усиления. Чтобы переменная составляющая на всех частотах усиливаемого напряжения не проходила через резистор, ёмкость конденсатора СЭ должна быть большой, при этом ёмкостное сопротивление .

2. Коллекторная стабилизация (для схем с фиксированным током)

Iоб+Iок +Еп

R_Б Rк

С₂U_ВЫХ

Iоб

Е_СС₁

Uоб Uок

Iоэ

Рис. 11.11

R_Б_/₂R_Б_/₂

Рис. 11.12

В схеме реализована параллельная ООС (резистор RБ).

, т.к. UОБ мало, то RБ IОБ ЕП- RК (IОБ + IОК), откуда следует, что с повышением температуры и, следовательно, с увеличением IОК уменьшается RБ IОБ, т.е. уменьшается IОБ, а это вызывает уменьшение IОК. Для исключения ООС по переменному сигналу резистор R_Б цепочкой изображенной на рис. 11.12.

11.3 ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ

Рис. 11.13

В эмиттерном повторителе транзистор включен по схеме с общим коллектором, т.к. учитывается, что коллектор соединен с общей шиной через малое внутреннее сопротивление источника питания по постоянному току и через по переменному.

Выходное напряжение снимается с , оно совпадает по фазе с . Эмиттерный повторитель – это усилитель охваченный глубокой стопроцентной последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

ООС – это подача части выходного напряжения на вход в противофазе, при этом к входной цепи будет приложено напряжение .

Положительная ОС используется в генераторах.

Величина, показывающая какая часть выходного напряжения подаётся на вход каскада называемый коэффициентом передачи цепи ОС:

, при ООС .

При увеличении числового значения ОС становится более глубокой. Эмиттерный повторитель охвачен стопроцентной ООС, всё подаётся на вход каскада (через эмиттерный переход VT1), = -1.

Принцип действия ООС в эмиттерном повторителе заключается в следующем. С повышением U_ВХ, повышается , повышается , транзистор более открывается, повышается инжекция, повышается , повышается падение напряжения на , повышается и, следовательно, понижается и транзистор прикрывается, т.е. за счет того, что через эмиттерный переход поступает на вход каскада, практически обеспечивается стабилизация ( отслеживает все изменения ).