А.В. Журавлёв, Ю.И. Кузнецов, А.Г. Ржанов - Усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе

Московский государственный университетим М.В. ЛомоносоваФизический факультетА.В. Журавлев, Ю.И. Кузнецов, А.Г. РжановУСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА БИПОЛЯРНОМТРАНЗИСТОРЕМетодическая разработка для "Практикума по радиофизике"Москва 2016 г.УДК 621.375.123:621.382.333Печатается по решению кафедры физики колебанийфизического факультета МГУА.В.

Журавлев, Ю.И. Кузнецов, А.Г. РжановУсилитель низкой частоты на биполярном транзисторе. Методическая разработка для "Практикума по радиофизике". – М., изд. физического факультета МГУ, 2016, с. 23Методическая разработка предназначена для студентов 3 курса физического факультета МГУ, выполняющих задачи в "Практикуме по радиофизике". В разработке изучается работа усилителя напряжения низкой частоты на биполярном транзисторе. Проводится расчет усилителяпо заданным параметрам, монтаж схемы и снятие характеристик усилителя.Объем 1.39 п.л.Тираж 50 экз.Заказ №Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова21. ВведениеВ широком спектре радиоэлектронных устройств важной составнойчастью являются усилители сигналов.

В усилителях осуществляется увеличение мощности сигналов за счет энергии сторонних источников, которые в большинстве случаев представляют собой источники постоянногонапряжения. Именно способность увеличивать мощность сигнала отличает усилители от других устройств, повышающих амплитуду тока илинапряжения, например, трансформаторов, в которых мощность сигналане увеличивается.В настоящей работе рассматривается схема, которая носит названиеусилитель низкой частоты (УНЧ).

Слово "низкая" является относительным: в начале становления радиотехники оно было синонимом частотзвуковых колебаний (до 20 кГц), однако в настоящее время подобнаясхема с использованием быстродействующих транзисторов применяется для частот до сотен мегагерц. То, что усиливаются низкие частоты,вовсе не означает, что будет усиливаться постоянная составляющая.

Внастоящем пособии рассмотрена схема, для корректной работы которойтребуется ее отсекать на входе. При этом на выходе рассмотренной схемытакже появляется постоянная составляющая, которую либо оставляют,либо отсекают конденсатором в зависимости от потребностей.Усилители часто делают как на основе транзисторов, так и с использованием специализированных микросхем. В последнем случае, если навыходе требуется больша́я мощность сигнала, к выходу микросхемы подключают дополнительный усилитель на транзисторе. Таким образом,усилитель на транзисторе является очень важным и широко распространенным элементом. В лабораторной работе предполагается изучение усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

В этом типе транзисторов есть пара p-n переходов, физика которых должны быть читателю3известна, но основные моменты напомнить полезно.2. Полупроводники, типы проводимостей, p-n переход.Современные полупроводниковые усилители, как правило, изготавливаются из кремния или арсенида галлия. Кремниевые электронныеприборы получили широкое распространение в усилителях с частотами до сотен мегагерц, с другой стороны, арсенид галлия имеет большеебыстродействие и используется на частотах от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Для определенности будем рассматривать свойства кремниевой структуры. Химически чистый кремний обладает очень малойсобственной проводимостью, но если внести легирующие примеси можно создать проводимости различных типов.Проводимость n-типа (от сл. negative). При ней основные носителизаряда – электроны. Данные частицы атомам собственного полупроводника отдают донорные примеси.

Например, если в четырехвалентныйкремний добавить пятивалентный фосфор, то четыре электрона примесного атома образуют химическую связь с четырьмя соседними атомами кремния в решётке, а пятый электрон оказывается слабо связанным.Этот электрон может свободно перемещаться между атомами кремнияи, таким образом, переносит заряд.Проводимость p-типа (от сл. positive). Здесь основными носителями заряда являются дырки – квазичастицы, носители положительногозаряда, равного элементарному. В формировании данных квазичастицучаствуют атомы кремния, в которых не хватает одного электрона дляэлектрической нейтральности.

Электрон у них забирают акцепторныепримеси. Например, если в четырехвалентный кремний добавить трехвалентный индий, то три электрона его внешней электронной оболочки образуют химическую связь с тремя соседними атомами кремния,а электрона для образования четвёртой связи недостает, и примесный4атом этот недостающий электрон захватывает у атома кремния. Последний при этом оказывается положительно заряженным, образуется дырка, которая может перемещаться от атома к атому и, таким образом,переносить заряд.Контакт полупроводников p- и n-типа называют p-n-переходом, ониспользуется не только в транзисторах, но и в диодах.–+–+Рис.

1. Виды подключения p-n-перехода, энергетические диаграммы. Закрашеными кружками показаны электроны, пустыми – дырки.В отсутствии напряжения на p-n-переходе внутри в результате дифузионного движения электронов и дырок возникают контактная разность потенциалов и область обедненная носителями заряда.

В результате этого электрон для перехода из n-области в p-область должен двигаться против внутреннего электрического поля, то есть должен поднятьсяна потенциальный барьер (см рис. 1.б, на нем ось энергии электроновнаправлена вверх, а дырок вниз). На аналогичный барьер должна "забраться" дырка для перехода из p-области в n-область. Существует двевозможности подключения внешней ЭДС.1. Прямое включение: при подключении положительного потенциала5(+) к полупроводнику p-типа и отрицательного (−) к n-типа потенциальный барьер уменьшается, сопротивление p-n-перехода значительноуменьшается и через него протекает ток.2.

Обратное включение: при подключении (+) к полупроводникуn-типа, а (−) к p-типа потенциальный барьер увеличивается, область,обедненная носителями заряда уширяется, заряды внешним полем будут расстаскиваться из перехода, таким образом, он будет закрыт, и токчерез него не потечет.3. Биполярные транзисторы. Принцип работы n-p-n транзистра в активном режиме.Полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создаетсяпутем перемещения как электронов, так и дырок, называется биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех слоев с чередующимися типами проводимости (рис. 2) n-p-n- или p-n-p-типа.

В обоих типахтранзисторов для правильной работы центральный слой должен бытьтонким. Этот слой называется базой, а два оставшихся – эмиттером иколлектором. На первый взгляд в качестве эмиттера и коллектора можно взять любой из внешних слоев, но на практике большинство биполярных транзисторов несимметричны по конструкции. В них эмиттерный слой сильно легирован, а коллекторный легируется слабо. Крометого коллекторный р-n-переход значительно превосходит эмиттерный поплощади для лучшего улавливания носителей заряда. Таким образом,важно соблюдать полярность выводов эмиттера и коллектора согласноописанию производителя.Схемотехническое изображение биполярных транзисторов изображено на рис.

2 внизу. Стрелочка обозначает эммитерный вывод. Схема, вкоторой она направлена от базы, обозначает n-p-n транзистор, а если кбазе, то – p-n-p.6––++++––Рис. 2. Схемы подключения биполярных транзисторов: а) n-p-n и б) p-n-pтипов, – и их условные обозначения.Рассмотрим, например, активный режим работы n-p-n транзистора.Для случая p-n-p транзистора все рассуждения повторяются абсолютноаналогично с заменой слов «электроны» на «дырки», и наоборот, и всехнапряжений – на противоположные по знаку.Полярность подключения выводов транзисторов показана на рис. 2.Эмиттерный переход смещен немного в прямом направлении (менеевольта).

При этом сопротивление перехода мало (∼ 10 Ом), и через базупротекает небольшой ток [1]. Транзистор изготавливают таким образом,чтобы концентрация примесей в эмиттере значительно превышала соответствующую в базе, а базовый слой делают тонким (порядка 1 мкм).Вследствие двух этих факторов рекомбинация дырок и электронов в базебудет мала по сравнению количеством электронов прошедших эмиттерный переход. Следовательно бо́льшая часть электронов будет проходитьчерез базу (как правило более 95%) и попадать на коллекторный переход. Коллекторный переход сильно смещен в обратном направлении (наединицы или десятки вольт). Обратное смещение является ускоряющим7для инжектированных эмиттером электронов.

Все электроны, попавшиена коллекторный переход, затягиваются полем в коллектор, где они являются основными носителями заряда, и далее переносят коллекторныйток. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттераIк = αIэ ,(1)где α варьируется в пределах 0,9 – 0,999 [1]. Параметр α является однимиз основных параметров транзистора.Часть инжектированных эмиттером электронов (менее 5%) все жерекомбинирует с дырками в области базы, образуя тем самым ток базыIб . Причем для узла токов Iэ , Iк , Iб выполняется соотношение Iэ = Iк +Iб .С учетом соотношения (1) отсюда следует, чтоIк = βIб .(2)Величину β = α/(1 − α) называют коэффициентом передачи по току,его численное значение варьируется в пределах 10 – 1000.4.