lection 4 (2009) (1128552), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Наличие относительно большого тока утечки является той причиной,по которой германиевые транзисторы почти не используются, за исключениемспециальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-nпереходе, смещенном в прямом направлении.5РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БП ТРАНЗИСТОРОВ.Режимы работыКаждый из p-n переходов может быть включен как в прямом, так и в обратномнаправлении. В связи с этим различают три режима работы.Активный режим - один p-n-переход включен в прямом, а другой – в обратномнаправлении.В рассмотренных выше случаях транзистор работает в активном режиме.
Если вцепь эмиттера подать входной сигнал, а в цепь коллектора включить сопротивлениенагрузки, то транзистор будет работать как усилитель сигналов.Режим насыщения – оба перехода включены в прямом направлении. Происходитвстречная инжекция в базу неосновных (по отношению к базе) носителей из эмиттера иколлектора. Сопротивление транзистора уменьшается, течет большой ток.Режим отсечки - оба перехода подключены в обратном направлении.
Происходитобеднениеприконтактныхобластейнеосновныминосителями(экстракция).Сопротивление базовой области становится большим, что соответствует закрытомусостоянию транзистора.Напомним, что процессы инжекции и экстракции неосновных носителей в областиp-n-перехода описываются выражениями:np = np0 eeUkBT, или pn = pn0 eeUkBTОсновные схемы включенияРазличают три возможные схемы включения: с общей базой, общим эмиттером,общим коллектором. На рисунке они показаны для активного режима работы.6Усиление тока и напряжения в схемах на биполярных транзисторах.При сопоставлении схем с общей базой, общим эмиттером и общим коллекторомбудем анализировать их усилительные свойства:Iкоэффициент усиления по току: K I = вых ,I вхUкоэффициент усиления по напряжению: KU = вых ,U вха также величину так называемого входного усиления.
Каждая электронная схемахарактеризуется входным сопротивлением Rвх . Это очень существенная характеристика,поскольку при соединении электронных каскадов необходимо согласовать выходноесопротивление генератора (или предыдущего каскада) с входным сопротивлениемследующего каскада. Выходной ток предыдущего каскада служит входным токомследующего и падение напряжения должно перераспределиться таким образом, чтобыосновная мощность выделялась на входе последующего каскада. Для этого необходимо,чтобы выполнялись следующие условия (см.
рис):Rвых .ген Rвх 1 , Rвых .1 Rвх 2 и т.д.Схема с общей базой.В этом случае для токов:I Вх = I ЭI Вых = I К7I Вх ≈ I ВыхI Вых≈ 1,I ВхДля напряжений:KI =KU =то есть, отсутствует усиление по току.U ВыхI К RК + I Б rБRК=≈U Вх I Э (rЭ + rБЭдиф ) + I Б rБ rЭ + rБЭдифТо есть, усиление по напряжению может быть достаточно большим.По определениюU Вх I Э (rЭ + rБЭдиф ) + I Б rБ=≈ rЭ + rБЭдиф ,I ВхIЭДифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (составляет в зависимости отрежима включения от десятков Ом до десятков кОм, при номальном режиме работы этобудут десятки Ом, т.е. это очень маленькое сопротивление). Сопротивление Э близко к 0потому, что концентрация носителей высокая.Схема с общей Б не дает усиления по току и имеет малое входное сопротивление.RВх =Схема с общим эмитеромKI =I Вых I Э==β.I ВхIБKU =U ВыхI К RК + U КЭR=≈ КU ВхI Б rБ + I Э (rЭ + rБЭдиф ) rБЭдифНапомним, что β ~ 10 2 ...10 3Если в цепи эмиттера поставить дополнительный резистор RЭ >> rЭ , rБЭдиф , тополучим8RК,RЭто есть, имеем возможность в определенной степени определять требуемуювеличину усиления по напряжению.KU ≈Для входного сопротивления получим:RВх =U Вх I Б rБ + I Э (rЭ + rБЭдиф )=≈ β (rЭ + rБЭдиф ) ,I ВхIБили, при наличии RЭ ,RВх ≈ βRЭТаким образом, схема с ОЭ обеспечивает возможность усиления и по току, и понапряжению, то есть, она может использоваться для усиления мощности.
К тому же, этасхема характеризуется достаточно высоким входным сопротивлением.Схема с общим коллекторомВ данном случае входной сигнал подается на базу транзистора, а выходная нагрузканаходится в цепи эмиттера.I Вх = I Б , I Вых = I Э ,(β − 1)I Б ≈ βKI =IБНапряжение на открытом p-n-переходе Б – Э очень маленькое. ПоэтомуU Вх = U БЭ + U Вых ≈ U Вых ,То есть, усиления по напряжению в схеме с ОК нет.Такое включение называется эмиттерным повторителем.Найдем входное сопротивление:I R + I ( β + 1) RБЭдиф + IБ ( β + 1) RНURВх = Вх ≈ Б Б Б≈ β RЭ ,I ВхIБс учетом того, что сопротивление нагрузки RЭ может быть довольно большим.9Схема с общим К характеризуется отсутствием усиления по напряжению и оченьбольшим входным сопротивлением.
По этой причине ее очень часто используют длясогласования каскадов между собой. Если у какого-то каскада маленькое входноесопротивление перед ним ставится эмиттерный повторитель. Он не меняет напряжение, авходное сопротивление увеличивает значительно.Усилитель мощности (графический анализ работы).Вернемся к схеме с общим эмиттером.10Для выходного напряжения можно написать:U Вых = E − RК I К .где Е – напряжение источника питания. Это уравнение так называемой нагрузочнойпрямой для данных параметров схемы, которая налагает ограничения на выбор выходныхзначений тока и напряжения из всех возможных значений.Нужно выбрать условия так, чтобы рабочая точка (то есть величина сигнала на выходе принулевом уровне входного сигнала) приходилась примерно на середину рабочейнагрузочной прямой.
Когда на вход ничего не подается, должно быть:EU Вых = E − RК I К 0 =2Здесь I К 0 - величина коллекторного тока при отсутствии сигнала на входе схемы. То есть,переход Э–Б при этом должен быть открыт путем подачи на переход Э–Б начальногосмещения определенного уровня,а ток через переход будет иметь величину,определяемую напряжением источника питания и сопротивления нагрузки RК в цепиколлектора. Чтобы правильно выбрать рабочую точку, нужно подобрать правильноесоотношение напряжения питания и сопротивления нагрузки:1 ERК =2 IК0I К 0 – средний коллекторный ток, оптимальный для данного транзистора (можно найти всправочнике) и обеспечивающий требуемые характеристики схемы.
Для обычныхмаломощных транзисторов это порядка 0,1 мА. Если течет такой ток, то сопротивлениеперехода Э–Б довольно мало.Если мы добились того, что рабочая точка попадает в середину нагрузочнойпрямой, мы подаем на вход схемы определенное напряжение сравнительно небольшойамплитуды. Этому входному сигналу соответствует на характеристике конкретныйдиапазон токов. Входной сигнал небольшой амплитуды соответствует большой амплитудеизменения тока.
Большая амплитуда изменения тока соответствует довольно большомудиапазону изменения напряжения на выходе. Т.е. с помощью маленького сигнала мыуправляем большим сигналом.Коэффициент усиления по напряжению:KU =U ВыхI К RКRК≈≈U ВхI Б rБ + I Э (rЭ + rЭБдиф + RЭ ) rЭБдиф + RЭНапример: Е = 5 В, I К 0 порядка 1 мА. Получается RK примерно 2,5 кОм, rЭБдиф –25 Ом. Такая схема будет усиливать по напряжению в тысячу раз.Реальная схема должна быть несколько сложней этой упрощенной схемы.11В цепь эмиттера ставится сопротивление обратной связи RЭRKU ≈ КRЭДопустим в К стоит 2,5кОм, а в Э 250 Ом. Коэффициент усиления будет равен 10. Онбудет меньше, но зато он будет определяться только номиналами этих сопротивлений,которые можно задавать достаточно точно.ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧОсобенности ключевого режима работы транзистораТранзисторный ключ – устройство на транзисторе, обеспечивающее переключениетока в нагрузке при подаче на базу транзистора напряжения определенной полярности иуровня.
Транзисторный ключ позволяет преобразовать входной сигнал впоследовательность импульсов с достаточно крутыми фронтами. Транзистор в ключевойсхеме попеременно находится в режиме отсечки и в режиме насыщения.Простейший транзисторный ключ:При подаче на вход прямоугольного сигнала на выходе тоже получаем прямоугольныйсигнал.12Параметры транзисторного ключаОсновное требование:U Вых ≥ U H , если U Вх ≤ U LU Вых ≤ U L , если U Вх ≥ U HПусть у нас Si-транзистор: β = 100 , U БЭнас = 0.6 В . Коллекторный ток в открытомсостоянии I Кнас не должен быть слишком большим, чтобы не ухудшать быстродействие,например, 10-3А.Надо выбрать разумные значения U H и U L , а также значения RК и RБ .! Выбор U L : кремниевый транзистор полностью открывается при U БЭ = 0.6 В иостается надежно запертым при U БЭ = 0.4 В .
Из этих соображений выбираем U L = 0.4 В! Выбор U H : Минимальное разумное значение сопротивления внешней нагрузкиERНERН = R К . В этом случае на выходе закрытого ключа U == , что должноRН + R К2восприниматься последующей схемой как 1. Для уверенности зададим U H ≥ 1.5 В .Область 0.4….1.5В – область неопределенных значений.5В= 5кОмI Кнас 10 − 3 А! Выбор RБ : сопротивление в базе ограничивает максимальный ток. Оно должнобыть выбрано так, чтобы транзистор надежно открывался при поступлении на входсигнала с минимально допустимой для высокого уровня величины.
Ток базы должен бытьI Б = I Кнас β = 10 мкА . Для надежности потребуем, чтобы RБ был еще меньше, так чтобыI Б = 100 мкА . Для этого необходимо! Выбор RК : в открытом состоянии RК ≈RБ ≈U H − U БЭнас 1.5 В − 0.6 В=≈ 9кОмI Бмин10 −4 А13E=Быстродействие ключевой схемыТранзистор находится либо в закрытом состоянии (отсечка), либо в открытом(насыщение). Качество работы электронного ключа определяется скоростью работы, тоесть временем перехода из одного состояния вдругое.До t0 - транзистор в режиме отсечки;t0 ...t1 - время задержки включения (пока электроныдолетят до коллектора, разряд барьерной емкости);t1 - отпирание;t2 - переход в режим насыщения, заряддиффузионной емкости;t3 - конец входного импульса;t4 - время рассасывания заряда (разряддиффузионной емкости)t4 ...t5 - время спадаЧем больше насыщение транзистора, тем меньше его быстродействие. Насыщенные ключиприменяются в устройствах автоматики, где быстродействие не требуется.Транзистор с барьером ШотткиДля повышения быстродействия используются ненасыщенные ключи на основетранзисторов с диодом Шоттки (транзистор Шоттки), у которых коллекторный переходзашунтирован быстродействующим ДШ (время восстановления 0.1нс и менее, напряжениеотпирания около 0.25В).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
