2020-06-12
185
В схеме, приведенной на рис. 7.3.3, электрическая цепь, образованная источником UЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником UКБ, коллектором и базой этого же транзистора, — выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».
На рис. 7.3.4 изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер.
| Рис. 7.3.4. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером. | Рис. 7.3.5. Включение транзистора по схеме с общим коллектором |
Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ». В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера IЭ, а входным — ток базы IБ, значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами IБ и IК в схеме ОЭ определяется уравнением:
IК= h21ЕIБ+ IКЭО.
Коэффициент пропорциональности h21Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h21Б:
|
|
|
Если h21Б находится в пределах 0,9... 0,998, соответствующие значении h21Е будут в пределах 9…499.
Составляющая IКЭО называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h21Е раз больше, чем IКБО, т. е.
IКЭО=(1- h21Е)IКБО.
Обратные токи IКБО и IКЭО не зависят от входных напряжений UЭБ и UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока IКБО удваивается при повышении температуры на 10°С для германиевых и на 8°С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока IКЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока IКБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор (рис. 7.3.5). Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК».
Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов:
IЭ=IК+ IБ
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
|
|
|
Эти характеристики используются для получения ряда параметров транзистора, необходимых для проведения расчетов различных транзисторных схем. Наибольшее применение получили статические входные и выходные характеристики.
Входные статические характеристики для схем ОБ и ОЭ германиевого транзистора типа р-n-р приведены на рис. 7.3.6.
Рис. 7.3.6. Входные характеристики германиевого транзистора типа р-п-р в схемах с ОБ (а) и ОЭ (б)
Так как эмиттерный переход включен (смещен) в прямом направлении, повышение напряжения на этом переходе (UЭБ или UБЭ) приводит к увеличению тока эмиттера и, следовательно, тока базы. Благодаря наличию обратной связи в транзисторе, осуществляемой через базу, коллекторное напряжение также влияет на входной ток IЭ или IБ. Однако это влияние сказывается при небольших напряжениях UКБ и UКЭ. При дальнейшем росте коллекторного напряжения входной ток почти не изменяется. Поэтому входные характеристики обычно представляются всего лишь двумя кривыми, снятыми при напряжениям UКБ и UКЭ, равных нулю, и небольшом отрицательном (для транзисторов р-n-р) или положительном (для транзисторов n-р-n ) напряжениях.
Выходные статические характеристики в схеме ОБ приведены на рис. 7.3.7, а. При IЭ = 0 в выходной (коллекторной) цепи протекает только обратный неуправляемый ток IКБО. С появлением тока эмиттера возникает и управляемая составляющая коллекторного тока h21БIЭ. Так как в схеме ОБ IК= h21БIЭ+ IКБО, увеличение тока IЭ приводит к увеличению тока IК.
Выходные статические характеристики для схемы ОЭ даны на рис. 7.3.7, б.
(Стр. с рис. 7.3.7, 7.3.8, 7.3.9.)
Рис. 7.3.7. Выходные характеристики германиевого транзистора типа р-п-р в схемах с ОБ (а) и ОЭ (6)
Крутой участок характеристик при малых напряжениях UКЭ соответствует режиму насыщения, при котором эмиттерный и коллекторный р-n -переходы смещены (включены) в прямом направлении. При увеличении напряжений UКБ или UКЭ коллекторный переход закрывается, и характеристики становятся более пологими, но все же они круче, чем в схеме ОБ. Так как в схеме IК= h21ЕIБ+(1+h21Е)IКБО, с ростом тока базы (повышением напряжения UБЭ) увеличивается и ток коллектора.
Увеличение температуры вызывает возрастание токов транзистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ (рис. 7.3.8).
Рис. 7.3.8. Зависимость выходных статических характеристик транзистора от температуры: а – в схеме ОБ; б – в схеме с ОЭ
ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Все описанное выше касалось работы транзистора при постоянных напряжениях и токах его электродов. При работе транзисторов в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.
На практике наибольшее применение получили h -параметры, которые называют также гибридными, или смешанными. Это название они получили вследствие того, что одни из них имеют размерность проводимости, другие — сопротивления, а третьи — вообще безразмерные.
Всего h -параметров четыре: h11, h12, h21 и h22, и определяются они по следующим выражениям:
| h11=DUвх/DIвх | Uвых=const | - входное сопротивление, измеряется в омах (Ом); |
| h12=DUвх/DUвых | Iвх=const | - коэффициент обратной связи по напряжению, безразмерная величина; |
| h21=DIвых/DIвх | Uвых=const | - коэффициент прямой передачи по току, безразмерная величина; |
| h22=DIвых/DUвых | Iвх=const | - выходная проводимость, измеряется в сименсах (См). |
Знак D означает небольшое изменение напряжения U или тока I относительно их значений в статическом режиме.
Все h -параметры можно определить по статическим характеристикам. При этом параметры h11 и h12 определяются по входным, а h21, h22 — по выходным характеристикам. Необходимо только иметь в виду, что значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора. Для указания схемы включения к цифровым индексам h -параметра добавляется буквенный индекс; б — если транзистор включен по схеме ОБ, или э — если транзистор включен по схеме ОЭ. Кроме того, приращения входных и выходных токов и напряжений нужно заменить приращениями напряжений и токов соответствующих электродов транзистора с учетом конкретной схемы включения (рис. 7.3.9.).
|
|
|
Рис. 7.3.9. Токи и напряжения транзистора в схемах с ОЭ (а) и ОБ (б)
Значения h -параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от напряжений и токов его электродов. Режим работы транзистора определяется на характеристиках положением рабочей точки, которую будем обозначать в дальнейшем буквой А. Если указано положение рабочей точки А на семействе статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 7.3.10, а, б), параметры h11э и h12э определяются следующим образом (в Ом):
Рис. 7.3.10. Определение статических параметров транзистора по его характеристикам
h11э=DUБЭ/DIБ | Uкэ=const =U’’’БЭ-UБЭ/I’Б-I’’Б;
h12э=DUБЭ/DUКЭ | Iе=const = UБЭ-U’БЭ /5-0.
Параметры h21э и h22э определяются в рабочей точке А по выходным характеристикам в соответствии с формулами:
h21э=DIК/DIБ | Uкэ=const =DI’К -DI’’/I’Б-I’’Б;
h22э=DI’К /DUКЭ | Iб=const =IК(Е)-IК(D) / U’’KЭ- U’KЭ.
Аналогично рассчитываются h -параметры для схемы ОБ.
При расчете параметров h12 и h21 надо токи и напряжения подставлять в формулы в одинаковых единицах измерения.
Параметр h21б называют коэффициентом передачи тока в схеме ОБ, а h21э — коэффициентом передачи тока в схеме ОЭ. В отличие от статических коэффициентов передачи h21Б и h21Е рассчитываемых как отношение выходного тока к входному в схемах ОБ и ОЭ, параметры h21б и h21э определяются как отношения изменений выходных токов к вызвавшим их изменениям входных токов. Иными словами, параметры h21б и h21э характеризуют усилительные свойства транзистора по току для переменных сигналов.
|
|
|
ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Параметры транзистора зависят от режима работы и от частоты усиливаемых сигналов. Так, с увеличением частоты уменьшается абсолютная величина, или модуль, коэффициента передачи тока базы h21э. Модуль коэффициента h21э обозначают |h21э|. Частота, на которой |h21э| уменьшается в 0,707 раз по сравнению с его значением на низкой частоте, называется предельной частотой передачи тока базы fh21э. Частота, на которой |h21э| уменьшается до 1, называется граничной fгр (или f т). Частоты fh21э и fгр связаны между собой соотношением fгр = fh21э|h21э|.
При работе транзистора на частотах, превышающих fh21э, его усилительные свойства уменьшаются вплоть до fгр. На частотах, превышающих fгр, транзистор вообще не усиливает. Поэтому величины fh21э и fгр позволяют судить о возможности работы транзистора в заданном диапазоне частот. По значению граничной частоты все транзисторы подразделяются на низкочастотные (fгр <=3 МГц), средней частоты (3 МГц<fгр<=30 МГц) и высокочастотные (fгр>30 МГц). Транзисторы, у которых fгр >=300 МГц, называют сверхвысокочастотными.
В справочниках по полупроводниковым приборам для транзисторов обычно указываются модуль коэффициента передачи тока базы |h21э| и частота f, на которой определено его значение. По этим данным легко установить граничную частоту; fгр = f|h21э|. Например, для транзистора типа ГТ320Б |h21э|=6 на частоте f=20 МГц. Следовательно, граничная частота этого транзистора fгр = 20*6 = 120 МГц.
Полевые транзисторы
В последние годы в радиолюбительской практике широкое распространение получили полевые транзисторы (ПТ). В них в отличие от биполярных транзисторов управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением.
Устройство одного из типов ПТ показано на рис. 7.5.1. Его основу составляет полупроводник n -типа, с противоположной стороны которого методом диффузии образована область р -типа. На границе р - и n -областей образуется р - n -переход, обладающий большим сопротивлением. Слой полупроводника n -типа, лежащий справа от р-n -перехода, называется каналом. Если между р - и n -областями включить источник напряжения Uзи так, как показано на рис. 7.5.1, а,
Рис. 7.5.1. Структура полевого транзистора с управляющим р-n- переходом и каналом n -типа
то р-n -переход окажется включенным в обратном направлении и его толщина увеличится, что приведет к уменьшению толщины канала. Значит, изменяя величину напряжения Uзи можно управлять толщиной канала. Поэтому р -область называют управляющим электродом, или затвором полевого транзистора. Если к каналу подключить второй источник напряжения Uси (рис. 7.5.1, б), то через канал потечет ток, созданный движением электронов от нижней к верхней части n -области. Участок n -области, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а участок этой области, к которому они движутся,— стоком.
Ток, протекающий через канал полевого транзистора, зависит от его сопротивления, которое в свою очередь определяется толщиной канала. Следовательно, при изменении напряжения затвора Uзи изменяется и ток, протекающий через канал. Транзистор, структура которого представлена на рис. 7.5.1, называется полевым транзистором с управляющим р-n -переходом и каналом n -типа. Если в качестве исходного материала взять полупроводник р -типа, получим полевой транзистор с управляющим р-n -переходом и каналом р -типа. У такого транзистора затвор будет образован n -областью, а полярности источников питания Uзи и Uси должны быть противоположны тем, которые показаны на рис. 7.5.1.
Основными характеристиками полевого транзистора с управляющим p-n -переходом являются сток - затворные и стоковые (или выходные) характеристики (рис. 7.5.2).
(Стр. с рис. 7.5.2, 7.5.3, 7.5.4.)
При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается, и ток, протекающий через него, становится близким к нулю. Это напряжение затвора называют напряжением отсечки Uзи.отс ..
Рис. 7.5.2. Статические стоковые (а) и сток-затворные (б) характеристики полевого транзистора с управляющим р-n -переходом
Структура МДП - транзистора с индуцированным каналом показана на рис.7.5.3, а.
Рис. 7.5.3. Структура и схема подключения МДП-транзистора с индуцированным каналом
В нем р -области стока и истока отделены друг от друга n -областью подложки и образуют с ней два встречно включенных р-n -перехода. Поэтому независимо от полярности напряжения Uси один из р-n -переходов всегда оказывается закрытым, т. е. смещенным в обратном направлении, и ток в цепи сток—исток практически равен нулю. Для того чтобы в этой цепи стал протекать ток, необходимо на затвор подать отрицательное напряжение. Под действием электрического поля, возникшего в подложке у поверхности под затвором, свободные электроны начинают двигаться в глубь подложки. При некоторой величине отрицательного напряжения Uзи уповерхности подложки дырок будет больше, чем оставшихся электронов. Произойдет инверсия типа электропроводности приповерхностного слоя под затвором, т. е. в приповерхностном слое образуется область с электропроводностью р -типа, называемая каналом (рис. 7.5.3, б), соединяющая сток и исток. Толщина канала зависит от величины напряжения Uзи. Изменяя Uзи, приложенное к затвору, можно регулировать толщину канала, т. е. сопротивление участка между стоком и истоком, и ток в цепи источника Uси.
Сток-затворные и стоковые характеристики МДП -транзистора с индуцированным каналом р-типа даны на рис. 7.5.4.
Рис. 7.5.4. Статические стоковые (а) и сток-затворные (б) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом
Напряжение затвора, при котором возникает инверсия электропроводности в приповерхностном слое подложки (появляется канал между стоком и истоком), называют пороговым Uзи.пор .. Стоковые (выходные) характеристики МДП - транзистора с индуцированным каналом существуют только при Uзи> Uзи.пор ..
МДП -транзистор со встроенным каналом в отличие от МДП -транзистора с индуцированным каналом имеет тонкий канал, соединяющий области стока и истока при Uзи=0. Подавая на затвор напряжение той или иной полярности, можно увеличивать или уменьшать толщину этого канала, регулируя тем самым силу тока, протекающего через канал (ток стока). Сток-затворные и стоковые (выходные) характеристики МДП -транзистора со встроенным каналом n-типа приведены на рис. 7.5.5.
(Стр. с рис. 7.5.5, 7.5.6.)
Рис. 7.5.5. Статические стоковые (а) а сток-затворные (б) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом
Усилительные свойства полевых транзисторов зависят от его малосигнальных параметров, к которым относятся:
крутизна S, определяемая как отношение изменения тока стока к изменению напряжении на затворе при постоянном напряжении сток — исток (в мА/В): S=DIc/DUзи | Ucи=const;
внутреннее (дифференциальное) сопротивление переменному току, определяемое как отношение изменения напряжения сток — исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвора (в Ом):
ri=DUси/DIc | Uзи=const;
статический коэффициент усиления, рассчитываемый по формуле: m=Sr1.
Условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 7.5.6.
Рис. 7.5.6. Условные графические обозначения полевых транзисторов:
а - с управляющим переходом р- типа; б - с управляющим переходом и каналом n -типа; в - с индуцированным каналом р -типа; г -с индуцированным каналом n -типа; д - со встроенным каналом р -типа; е – со встроенным каналом n -тип
Тиристоры
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ТИРИСТОРЫ — ДИНИСТОРЫ
Особую группу составляют полупроводниковые приборы с тремя и более р-n -переходами, используемые а качестве электронных переключателей. В зависимости от числа наружных выводов различают двухэлектродный прибор — динистор и трехэлектродный — тринистор.
Структура и условное графическое обозначение динистора приведены на рис. 7.4.1, а. Крайняя р -область называется анодом, а крайняя n -область — катодом.
(Стр. с рис. 7.3.10, 7.4.1, 7.4.2.)
Рис. 7.4.1. Структура, условное обозначение (а) и вольтамперная характеристика (б) динистора.
Если динистор подключен к источнику напряжения так, что «минус» подается на анод, а «плюс» — на катод, то крайние р-n -переходы оказываются включенными в обратном направлении и через динистор протекает небольшой обратный ток (участок ОГ) — рис. 7.4.1, б.
При изменении полярности источника внешнего напряжения переходы 1 и 3 включаются в прямом направлении, а средний переход 2 — в обратном. Сопротивление между анодом и катодом динистора в этом случае также велико (сотни килоом), и через него протекает небольшой ток Iзкр, измеряемый при напряжении Uпр.зкр.макс, которое называют максимально допустимым постоянным прямым напряжением на закрытом тиристоре.
При дальнейшем увеличении прямого напряжения обратное напряжение на среднем р-n -переходе уменьшается, и прямой ток, проходящий через динистор, увеличивается. При некотором значении прямого напряжения, называемого напряжением включения Uвкл ., средний переход открывается, сопротивление между анодом и катодом уменьшается до десятых долей ома. Такое состояние динистора называют открытым. Падение напряжения на открытом динисторе составляет всего 1... 2 В (участок БВ) и мало зависит от величины тока, протекающего через динистор. В справочных данных обычно указывается значение напряжения открытого транзистора Uоткр . при максимально допустимом постоянном токе Iоткр. макс.
Напряжение включения для динисторов составляет, как правило, сотни вольт. В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока через него протекает ток, не меньший, чем ток удержания Iуд. Для перевода динистора из открытого состояния в закрытое следует уменьшить напряжение внешнего источника примерно до 1 В или вовсе отключить его.
ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ ТИРИСТОРЫ — ТРИНИСТОРЫ
Тринистор отличается от динистора наличием третьего вывода от одной из средних областей. Благодаря третьему — управляющему — электроду тринистор можно открывать при напряжениях, меньших, чем Uвкл и даже Uпр.зкр.макс. Для этого нужно через управляющий электрод тринистора пропустить открывающий ток Iу.от .. Чем больше этот ток, тем меньше напряжение Uвкл, при котором отпирается тринистор (рис. 7.4.2.).
Рис. 7.4.2. Структура, условные обозначения (а, б) и вольтамперные характеристики (в) тринистора.
При включении в анодную цепь тринистора нагрузки с активным сопротивлением (резистора, лампы накаливания, паяльника и т. п.) основной ток, протекающий от анода к катоду, нарастает практически мгновенно, и для отпирания тринистора на управляющий электрод надо подать короткий (длительностью в несколько микросекунд) управляющий импульс положительной (если управляющий вывод электрода сделан от р -базы) или отрицательной (при выводе от n -базы) полярности.
Для перевода тринистора из открытого состояния в закрытое необходимо уменьшить основной ток до значения, меньшего, чем Iуд. В цепях постоянного тока это осуществляется путем пропускания через открытый тринистор короткого импульса обратного тока, превышающего прямой. Для этой цели используется специальное коммутирующее устройство.
Тринистор, работающий в цепях переменного тока, запирается автоматически в момент окончания положительной полуволны основного тока. Этим объясняется широкое применение тринисторов в устройствах переменного тока — для управления электродвигателями переменного тока, в выпрямителях и инверторах, импульсных схемах, устройствах автоматики и др.
Ток и напряжение цепи управления небольшие, а основной ток может составлять единицы, десятки и сотни ампер при анодных напряжениях от десятков-сотен вольт до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиления по мощности у тринисторов достигает 104…105.
В радиолюбительской практике чаще всего применяются тринисторы малой (типа КУ101) и средней мощности (КУ201, КУ202) с различными буквенными индексами. Эквивалентами тринисторов КУ201 и КУ202 являются ранее выпускаемые Д235 и Д238.
Основные электрические параметры тринисторов КУ101 и КУ201 приведены в табл. 3., а их внешний вид и расположение выводов — на рис. 7.4.3.
(Стр. с рис. 7.4.3, 7.4.4, 7.5.1.)
Таблица 3
Основные электрические параметры тринисторов
| Тип прибора | Iоткр.макс, мА | Uпр.зкр.макс., В | Iзкр, мА | Iобр, мА | Iу.от., мА | Uоткр, В | Iуд, мА | Uобр.макс, В | Pср.макс, Вт |
| КУ101А | 75 | 50 | 0,3 | — | 0,05..7,5 | 2,5 | 0,5..25 | 10 | 0,15 |
| КУ101Б | 75 | 50 | 0,3 | 0,3 | 0,05..7,5 | 2,5 | 0,5..25 | 50 | 0,15 |
| КУ101Г | 75 | 80 | 0,3 | 0,3 | 0,05..7,5 | 2,5 | 0,5..25 | 80 | 0,15 |
| КУ201А | 2000 | 25 | 5 | — | 80 | 2 | 100 | — | 4 |
| КУ201Б | 2000 | 25 | 5 | 5 | 80 | 2 | 100 | 25 | 4 |
| КУ201В | 2000 | 50 | 5 | — | 80 | 2 | 100 | — | 4 |
| КУ201Г | 2000 | 50 | 5 | 5 | 80 | 2 | 100 | 50 | 4 |
| КУ201 Д | 2000 | 100 | 5 | — | 80 | 2 | 100 | 4 | |
| КУ201Е | 2000 | 100 | 5 | 5 | 80 | 2 | 100 | 100 | 4 |
| КУ201Ж | 2000 | 200 | 5 | — | 80 | 2 | 100 | — | 4 |
| КУ201И | 2000 | 200 | 5 | 5 | 80 | 2 | 100 | 200 | 4 |
| КУ201 К | 2000 | 300 | 5 | — | 80 | 2 | 100 | — | 4 |
| КУ201 Л | 2000 | 300 | 5 | 5 | 80 | 2 | 100 | 300 | 4 |
| КУ208А | 5000 | 100 | 5 | — | 160 | 2 | 150 | — | 10 |
| КУ208Б | 5000 | 200 | 5 | — | 160 | 2 | 150 | — | 10 |
| КУ208В | 5000 | 300 | 5 | — | 160 | 2 | 150 | — | 10 |
| КУ208Г | 5000 | 400 | 5 | — | 160 | 2 | 150 | — | 10 |
Рис. 7.4.3. Внешний вид тринисторов малой (а) и средней (б) мощности
СИММЕТРИЧНЫЕ ТИРИСТОРЫ
Динисторы и тринисторы пропускают рабочий основной ток только в одном направлении. Для того чтобы основной ток протекал в обоих направлениях, можно использовать встречно-параллельное включение двух тиристоров. Эту же задачу можно решить и более простым способом, если применить двухсторонние полупроводниковые ключи типа р-n-р-n-р. Такой прибор называют симметричным тиристором, симистором или триаком. Его структура и условное графическое обозначение см. на рис. 7.4.4, а, а вольтамперную характеристику - на рис. 7.4.4, б.
Параметры одного из симисторов (типа КУ208), выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 3., а его внешний вид и расположение выводов показаны на рис. 7.4.4, б.
Рис. 7.4.4. Структура, условное обозначение (а) и вольтамперные характеристики (б) симистора
