С.П. Вятчанин - Конспект лекций по Радиофизике 2005 (1119806), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Вкачестве примера рассмотрим схему на рис. 66. ПустьUвх (t) = Um (t) cos(ωt + φ(t)),g(t) = g0 + g1 cos(ωt + θ),R,11iωCgПримем для простоты, что проводимость g(t) достаточно мала, так что большая часть входного напряжения падает на ней. Тогда ток определяется формулойI(t) ' g(t)Uвх (t) = g0 Um (t) cos(ωt + φ(t)) +g1 Um (t)cos(2ωt + φ(t) + θ) +29 ТРАНЗИСТОРЫ65g1 Um (t)cos(φ(t) − θ),{z}| 2н.ч. составляющаяg1 Um (t)πsin φ(t), при θ =22+Iнч=Мы видим, что ток содержит медленную составляющую, что и означает детектирование. (Эта медленная составляющая отделяется от высоко-частотных составляющих с помощью простейшего RC-фильтра.).9ТранзисторыНеотъемлемой частью радиофизики являются нелинейные элементы, позволяющие усиливать электрический сигнал.
Такие элементы иногда называются вентильными. Исторически первым таким элементомбыл вакуумный триод (затем тетрод, пентод), который сейчас используется довольно редко. Полупроводниковые транзисторы (биполярный, полевой) используются значительно чаще.Основным назначением вентильного элемента является управление большим током с помошью малогонапряжения или тока (отсюда и название — управляющее напряжение или ток подобны ручке в вентиле,регулирующей основной поток, например, воды в трубе).
Принципиальным в работе вентильного элемента является то, что затрачивая малую энергию на управление (движение "заслонки"), можно сильноизменять энергию основного потока.В этом разделе мы рассмотрим принципы работы биполярного и полевого транзистора.9.1Биполярный транзисторЭмитерEэpБазаКоллекторnpEкφreplacementsRкIэIкIбEэEкРис. 67: Биполярный транзистор.Биполярный транзистор состоит из последовательно соединенных p, n, p (или n, p, n) полупроводников.
Мы рассмотрим первый вариант. У транзистора есть три электрода, к которым можно прикладывать напряжение, которые называются эмитер (от английского emit — испускать), база и коллектор (отанглийского collect — собирать), на рис. 67а они обозначены буквами Э, Б и К соответственно.
На границах соединения полупроводников образуются контактные разности потенциалов (см. раздел 7.1), которые9 ТРАНЗИСТОРЫ66образуют потенциальный барьер, изображенный на рис. 67б пунктиром. При приложении напряжениямежду эмитером и коллектором этот барьер является основным препятствием для движения дырок отэмитера к коллектору. Толщину базы стараются делать небольшой (меньше диффузионной длины) так,чтобы при прохождении через нее дырки не успевали бы рекомбинировать с электронами.
Поэтому тольковысота потенциального барьера будет определять величину тока между эмитером и коллектором. Поэтому изменяя высоту этого барьера, можно управлять током. Потенциальный барьер является своеобразной“заслонкой”, перекрывающей или открывающей ток в таком вентильном элементе.Высота потенциального барьера зависит от скоростей рекомбинации дырок и электронов, которая всвою очередь зависит от концентрации основных носителей.
Поэтому немного меняя ток базы (впрыскиваяили отсасывая электроны из базы) можно изменять скорость рекомбинации, а следовательно, и высотупотенциального барьера.Iк (mA)replacementsIб = 0.3 mAIб (mA)Iб = 0.15 mAIб = 02−10Uэк (B)0, 1 Uэб (B)Рис. 68: Пример характеристик биполярного транзистораЕстественно, что ток Iб через базу должен быть много меньше эмитерного и коллекторного токов I э ,Iк так, чтобы приближенно выполнялось условие Iэ ' Iк . В этом случае малый ток Iб через базу управляет большим током Iэ ' Iк от эмиттера к коллектору.
На рисунке 68 приведен пример характеристикreplacementsбиполярного транзистора.9.2Полевой транзистор (FET)ЗатворСтокИстокUЗ = 0IC mApn0, 4UЗ = 1 ВЗ0, 2С−15И−10−5UCИ ВРис. 69: Схема устройства и пример характеристик полевого транзистора.Полевой транзистор представляет собой проводящий канал из полупроводника n- или p-типа (на рисунке 69 — n-тип). Два контакта, подходящие к разным концам полупроводника, называются истоком истоком. Проводимость канала регулируется приложением напряжения к сильно легированной области (нарисунке 69 — р-типа). Получившийся p-n переход смещен в обратном направлении и, следовательно, приувеличении напряжения обедненный слой под затвором распространяется в сторону слабо легированного9 ТРАНЗИСТОРЫ67n-канала и таким образом уменьшает эффективное сечение канала.
Этот механизм изменения эффективного сечения канала используется в так называемом канальном транзисторе. Проводимость между стокоми истоком может также регулироваться за счет изменения концентрации носителей. Этот способ используется в МДП (металл-диэлектрик-проводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторах,которые мы здесь не рассматриваем.Рассмотрим работу полевого транзистора с точки зрения потребителя. Пример характеристик полевоготранзистора приведен на рис. 69 справа. Основным параметром, характеризующим вентильные свойстватранзистора, является зависимость тока IСИ от напряжения UЗИ на затворе. Обычно пользуются понятиемдифференциальной крутизны∂IСИSдифф = −,∂UЗИХарактерная величина крутизны составляет, например, Sдифф ' 0, 2 mA/B.Другими важными параметрами транзистора являются сопротивление между истоком и затвором R ЗИи между стоком и истоком RСИ , которые тоже определяются дифференциальным образом:RЗИ=∂UЗИ' 108 .
. . 1012 Ом,∂IЗИRСИ =∂UСИ' 104 Ом.∂IСИНетрудно заметить, что усиление по току в полярном транзисторе велико:∂IСИ∂IЗИ=∂IСИ∂UЗИ×= SRЗИ ' 10−4 × 1012 = 108 (!)∂UЗИ∂IЗИОбласть рабочих частот полевого транзистора довольна широка: f = 0 . . . 2 · 10 11 Гц.Надо подчеркнуть, что все перечисленные параметры Sдифф , RЗИ и RСИ зависят от среднего напряжения UЗИ на затворе и от напряжения UСИ исток-сток.
Меняя средние величины этих напряжений, можноварьировать дифференциальные параметры транзистора. При фиксированных средних значениях U ЗИ иUСИ (т.е., как говорят, при заданной рабочей точке) параметры Sдифф , RЗИ и RСИ можно считать постоянными для малых изменений токов. При анализе работы усилителей условие малости сигнала обычновыполняется. Тогда транзистор может быть рассмотрен как линейный четырехполюсник.9.3Транзистор как четырехполюсникreplacementsU 2 , I2U 1 , I1IЗИRСИЗСUЗИUСИRЗИSRЗИ ∆IЗИИРис. 70: Схема четырехполюсника и полевого транзистора (слева). Эквивалентная схема полевого транзистора, описываемого Н-параметрами в соответствии с системой уравнений (97, 98) (справа)Четырехполюсник представляет собой устройство, имеющее 4 выходных контакта. Линейный четырехполюсник полностью характеризуется соотношениями между токами и напряжениями на его входе ивыходе.
Вид этих соотношений зависит от выбора исходных величин, мы будем пользоваться так называемыми H-параметрами (обозначения см. на рис. 70):U1I2= H11 I1 + H12 U2 ,= H21 I1 + H22 U2 ,10 УСИЛИТЕЛИ68Для описания нелинейного четырехполюсника можно использовать линейное приближение, но вводядифференциальные параметры. Например:∂U1 ∂U1 ∆U1 =∆I+∆U2 ,1∂I1 ∆U2 =0∂U2 ∆I1 =0∂I2 ∂I2 ∆I1 +∆U2 ,∆I2 =∂I1 ∆U2 =0∂U2 ∆I1 =0Таким же способом можно описать полевой транзистор.
Например, для H - параметров полевого транзистора имеем∂UЗИ ∂UЗИ ∆UЗИ =∆I+∆UСИ ,(97)ЗИ∂IЗИ ∆UСИ =0∂UСИ ∆IЗИ =0||{z}{z}'0RЗИ '108 ...1012 Ω∆IСИ=∂IСИ ∂IСИ ∆UСИ .∆IЗИ +∂IЗИ ∆UСИ =0∂UСИ ∆IЗИ =0||{z}{z}(98)1/RCИ '1/104 СмSRЗИ '109После того, как выписаны уравнения (97, 98), транзистор можно описывать эквивалентной схемой,приведенной на рис.70 справа). Еще раз подчеркнем, что такое представление справедливо лишь в линейном приближении, т.е. когда изменения токов и напряжений достаточно малы и дифференциальныеН-параметры в (97, 98) можно считать постоянными.10УсилителиУсилители представляют собой устройства для усиления сигнала с использованием вентильных элементов. Усилители бывают разные в зависимости от той задачи, для решения который они предназначены.Перечислим некоторые из них:1.
Постоянного тока (напряжения).2. Переменного тока (напряжения).3. Узкополосные.4. Широкополосные.5. Импульсные.6. Операционные.7. Сверхвысокочастотные.Усилитель характеризуется коэффициентом усиления (в общем случае комплексным)K̃(ω) =Uвых (ω),Uвх (ω)который показывает, как усиливается сигнал на частоте ω. Величину |K̃(ω)| называют амплитудночастотной характеристикой, а arg(K̃(ω)) — фазово-частотной характеристикой. Для учета нелинейныхискажений используют зависимость коэффициента усиления от величины входного сигнала K(U вх ) (амплитудная характеристика).Часто коэффициент усиления измеряют в децибеллах, который, как известно, рассчитывается по формулам:N = 10 lgUвыхWвых= 20 lg,WвхUвх10 УСИЛИТЕЛИ69UвыхUвхK =где Wвых , Wвх — мощности на выходе и входе.
Например:⇒K = 100,N = 40 Дб.Если в устройстве используется каскад усилителей (несколько усилителей, включенных друг за другом),то их суммарный коэффициент усиления определится по формулам:KΣNΣ= K1 × K2 × K3 ,= N1 + N2 + N3 ,Наше рассмотрение работы усилителей начнем с более наглядного графического расчета коэффициента усиления.10.1Графический расчет статического коэффициента усиленияСначала рассмотрим вспомогательную задачу расчета цепи, изображенной на рис. 71, с нелинейным сопротивлением Rнелин. Пусть нелинейная характеристика Iнелин(U) известна. Тогда проводя на графикеI0 = U0 /RIreplacementsIнелин (U)RU0aURнелинbUabURU0Рис. 71: Пример расчета цепи с нелинейным сопротивлениемIнелин(U) вольт-амперную зависимость для линейного сопротивления, как показано на рис. 71, мы получим точку (U1 , I1 ) пересечения графиков, координаты которой соответствуют искомым напряжению нанелинейном сопротивлении и текущему в цепи току.Транзистор — нелинейное сопротивление, управляемое напряжением на затворе.
Поэтому для цепипростейшего усилителя, изображенного на рис. 72 слева, можно применить такой же прием. Нелинейнаявольт-амперная характеристика транзистора зависит от напряжения на затворе, поэтому на графике нарис. 72 справа приведено семейство зависимостей IСИ (UСИ )для разных значений напряжения на затворе.Тогда вольт-амперная характеристика линейного сопротивления нагрузки R н будет пересекать несколькокривых этого семейства.Выберем постоянное напряжение на затворе UЗИ = −2 В и графически определим,на сколько изменится напряжение между стоком и истоком при изменении напряжения на затворе на 0, 5 В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
