zadachnik (534929), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

(2.2)

где I_к0- тепловой ток коллекторного перехода.

П ренебрегая обратной связь между коллекторной и эмиттерной цепями (эффектом Эрли), а также зависимостью  от I_э, в первом приближении можно считать, что уравнения (2.1) и (2.2) описывают статические характеристики транзистора при включении ОБ. Так, например, связь между током коллектора и напряжением коллектор – база, а также связь между коллекторным и эмиттерным токами может быть установлена при помощи (2.2). Если принять, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении (условно U_бэ >0 или U_эб <0), а коллекторный – в обратном направлении (условно U_бк<0 или U_кб>0 и U_кб>> ), то

(2.3)

т.е. транзистор работает в активном режиме, при котором обеспечивается выполнение основной его функции – усиление электрических сигналов.

На рис.2.2 показан n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. Отмеченные направления токов соответствуют таким приложенным к электродам напряжениям, при которых транзистор работает в активном режиме. После ряда преобразований с использованием закона Кирхгофа для токов

(2.4)

и соотношений (2.1) и (2.2) можно получить выражения для входного и выходного токов схемы на рис.2.2:

(2.5)

(2.6)

где  - коэффициент передачи тока базы.

В активном режиме (2.6) преобразуется к виду

I_к=I_б+I_к0(1+). (2.7)

Соотношения (2.4) – (2.6) в сочетании с законом Кирхгофа для напряжений

(2.8)

позволяют установить связи между токами и напряжениями в цепях транзистора при включении ОЭ с учетом упрощений, указанных для включения ОБ. В процессе преобразований соответствующих выражений для нахождения необходимых зависимостей следует обращать внимание на последовательность индексов при напряжениях (например, U_кб=−U_бк).

Последовательность расчета характеристик транзистора с использованием приведенных выше соотношений зависит от заданных условий. Так, например, при включении в цепь базы источника тока I_б необходимо учитывать, что собственная компонента коллекторного тока I_{p-n кол}, не связанная с инжекцией и протекающая в цепи коллектор - база, при прямых смещениях перехода будет ограничена величиной I_б. При этом

I_б = I_б + I_{p-n кол} , (2.9)

где I_б– ток базы, сопутствующий инжекции носителей из эмиттера,

I_б'=(1-)I_э. ( 2.10)

В том случае, когда необходимо найти координаты рабочей точки транзистора при наличии резисторов в его цепях, следует использовать законы Кирхгофа для напряжений. Например, при наличии резистора R_к в цепи коллектора (рис.2.3)

(2.9)

где E_к- напряжение питания коллекторной цепи.

В случаях, когда точное напряжение на открытом p-n переходе транзистора определить невозможно из-за отсутствия необходимых данных, в первом приближении его можно принять равным 0,7 В.

Типичные схемы включения транзистора, в которых необходимый режим обеспечивается при помощи источника питания в цепи коллектора и резисторов в цепях коллектора и базы, показаны на рис.2.3 (схема с базовым сопротивлением, определяющим ток базы) и рис.2.4 (схема с базовым делителем, определяющим потенциал базы). В последней схеме для минимизации влияния I_б на величину потенциала базы величины сопротивлений резисторов делителя выбирают таким образом, чтобы ток через делитель значительно превосходил ток базы (I_дел=3÷10 I_б). В то же время слишком малые сопротивления резисторов снижают входное сопротивление усилительного каскада.

Дифференциальные параметры транзистора в рабочей точке находятся согласно их определению с использованием дифференцирования соответствующих выражений для токов и напряжений.

2.2.Основные характеристики полевых транзисторов

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет полупроводниковую структуру, содержащую несимметричный переход, вдоль базы которого протекает ток. Транзистор имеет три электрода; два из них (исток и сток) обеспечивают протекание тока при приложении к ним напряжения, на третий электрод (затвор), являющийся эмиттером p-n перехода, подается напряжение, управляющее величиной тока. Управляющее напряжение подается на затвор относительно истока, при этом устанавливается определенное значение ширины p-n перехода, т.е. ширины области пространственного заряда в базе, через которую ток протекать не может из-за отсутствия в ней подвижных носителей заряда. Напряжение затвора, таким образом, определяет величину сопротивления между стоком и истоком (сопротивления канала), что позволяет управлять током стоком при помощи напряжения затвора.

Различают два основных режима работы транзистора – омический (линейный) и насыщения. В первом транзистор функционирует как резистор, величина сопротивления которого управляется напряжением затвора; во втором из-за расширения области пространственного заряда p-n перехода происходит полное перекрытие канала этой областью вблизи стока (отсечка канала), что влечет за собой очень слабую зависимость тока стока от напряжения стока.

Н аиболее часто используемая схема включения с общим истоком для транзистора с каналом n-типа показана на рис.2.5. Резисторы, включенные в цеп9и транзистора, определяют положение рабочей точки: резистор в цепи затвора обеспечивает гальваническую связь затвора с шиной “земля”, падение напряжение на резисторе в цепи истока определяет напряжение затвор – исток. Основное уравнение, связывающее постоянные токи и напряжения в цепях транзистора в режиме насыщения, имеет вид:

I_c=K(U_з-U_{з отс})² , (2.10)

где I_c – ток стока; U_з – напряжение затвора; U_{з отс} – напряжение отсечки, представляющее граничное напряжение затвора, ниже которого I_c=0 независимо от напряжения стока; К – коэффициент пропорциональности, величина которого определяется электрофизическими параметрами и геометрическими размерами структуры.

В первом приближении при решении предлагаемых ниже задач можно считать, что для режима насыщения ток стока не зависит от напряжения стока U_с.

Напряжение стока, при котором наступает режим насыщения, можно определить из условия отсечки канала вблизи стока (U_{c нас}─ напряжение насыщения):

U_{c нас} + U_з=U_{з отс}. (2.11)

Важнейший для схемотехнических расчетов дифференциальный параметр транзистора – крутизна S определяется дифференцированием соотношения (2.10).

Другим распространенным типом полевого транзистора является транзистор со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП или МОП) и индуцированным каналом. Принцип работы такого транзистора состоит в том, что при напряжениях, превышающих пороговое U_пор, в приповерхностном слое полупроводника под затвором, отделенным от полупроводника слоем диэлектрика, возникает слой с типом проводимости, противоположным подложке и совпадающим с типом проводимости для областей стока и истока. В результате возникает канал для прохождения тока между стоком и истоком, который отсутствовал при U_з <U_пор .

Характер основных закономерностей, связывающих токи и напряжения в цепях МОП-транзистора, остается примерно таким же, как и для транзистора с управляющим p-n переходом. Остается справедливым и соотношение (2.10), в котором U_{з отс} заменяется на U_пор. При этом следует иметь ввиду, что условием протекания тока стока для МОП – транзистора является U_з >U_пор, в то время как для транзистора с управляющим p-n переходом U_з <U_отс, в результате чего характеристики управления имеют различную направленность.

2.3.Задачи

1. Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Ток базы равен 100 мкА, ток коллектора при напряжении на коллекторе 5 и 10 В составляет соответственно 3 и 3,1 мА. Оценить входное и выходное дифференциальные сопротивления. Температуру принять равной 300 К, сопротивление базы транзистора считать равным нулю.

2. Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Ток коллектора при напряжении коллектора 2,5 В и токе базы 100 мкА составляет 5 мА, а при увеличении напряжения коллектора до 8 В линейно возрастает и достигает 5,3 мА. Рассчитать напряжение и ток коллектора, если в цепь коллектора включены источник напряжения 8,5 В и резистор номиналом 1 кОм (рис.2.3). Рассчитать величину номинала резистора, включенного между источником коллекторного напряжения и базой, обеспечивающего заданный ток базы. Температуру принять равной 300 К.

3. Решить задачу 2.2. при условии, что в цепь эмиттера включен резистор номиналом 0,25 кОм.

4. Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером . В цепь коллектора включены источник напряжения 6 В и резистор номиналом 1,5 кОм. Ток коллектора при напряжении коллектора 3 В и токе базы 50 мкА равен 2 мА, а при увеличении напряжения коллектора до 7 В линейно возрастает до 2,3 мА. Рассчитать мощность, рассеиваемую коллектором.

5. Кремниевый биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером (рис.2.3). Ток коллектора при напряжении источника питания 10 В и токе базы 75 мкА составляет 8 мА. Рассчитать величину резистора, включенного между источником напряжения и базой транзистора и обеспечивающего указанный режим при температуре 27^о С. Определить, как изменится ток эмиттера при рассчитанном сопротивлении, если температура повысится до 50^о С. Тепловой ток эмиттерного перехода принять равным 10^-10 А при температуре 20^о С. Принять, что коэффициенты передачи тока базы и эмиттера от температуры не зависят.

6. Биполярный транзистор включен в схему усилительного каскада с разделенной нагрузкой и базовым делителем (рис.2.4). Ток базы равен 50 мкА, ток коллектора равен 3,5 мА. Сопротивление резистора в эмиттерной цепи составляет 0,5 кОм. Рассчитать сопротивление базового делителя, обеспечивающее заданный режим транзистора при температуре 20^о С. Напряжение питания коллекторной цепи равно 15 В, тепловой ток эмиттерного перехода равен 10^-9 А, входное сопротивление каскада должно быть максимально возможным.

7. Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Ток коллектора при напряжении коллектора 3 В составляет 4,4 мА и при увеличении напряжения до 8 В линейно возрастает до 5,3 мА. Найти значение сопротивления, включенного в цепь коллектора вместе с источником напряжения 12 В, при котором ток коллектора равен 5 мА. Рассчитать мощность, рассеиваемую коллектором для этого режима.

8. Биполярный транзистор включен по схеме с общей базой. Коэффициент передачи тока эмиттера равен 0,95, тепловой ток коллектора равен 10^{- 7} А при 20^о С, ток эмиттера равен 1 мА. Найти напряжение коллектора, при котором ток коллектора равен нулю. Влиянием коллекторного напряжения на ширину базы и на коэффициент передачи тока эмиттера пренебречь.

9. Биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При напряжении коллектора 10 В и токе базы 100 мкА ток коллектора составляет 5 мА. Тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов при температуре 20^о С равны соответственно 3·10^-8 и 10^-8 А. Определить коллекторное напряжение, при котором ток коллектора снизится по сравнению с указанным на 30. Считать, что коллекторное напряжение не влияет на ширину базы и коэффициент передачи тока базы.

10. При условиях, аналогичных задаче 2.9, определить ток коллектора при напряжении коллектора минус 0,2 В.

11. При условиях, аналогичных задаче 2.8, определить напряжение на коллекторе при токе коллектора, равном 0,4 мА. Ток эмиттера принять равным 0,5 мА.

12. При условиях, аналогичных задаче 2.9, определить ток коллектора, если в цепь коллектора включен резистор номиналом 3 кОм, а напряжение источника питания составляет 10 В.

13. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и n-каналом имеет напряжение отсечки, равное минус 1,5 В. В режиме насыщения при напряжении затвора минус 1,0 В ток стока равен 1 мА. Определить ток стока и крутизну транзистора в режиме насыщения при нулевом напряжении затвора. Выходную дифференциальную проводимость принять равной нулю.

14. В полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и n-каналом, работающем в режиме насыщения, ток стока при нулевом напряжении затвора равен 3 мА, напряжение отсечки равно минус 0,8 В. Определить ток и крутизну транзистора в режиме насыщения при напряжении затвора минус 0,3 В. Выходную дифференциальную проводимость принять равной нулю.

15. В полевом транзисторе с индуцированным n-каналом в режиме насыщения крутизна равна 1,8 мА/В при напряжении затвора 1,5 В, пороговое напряжение равно 0,65 В. Рассчитать ток стока и крутизну в режиме насыщения при напряжении затвора 1,8 В. Выходную дифференциальную проводимость принять равной нулю.

16. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом, работающий в режиме насыщения, имеет напряжение отсечки минус 1,5 В, ток стока при напряжении затвора минус 0,5 В составляет 4 мА. Определить напряжение насыщения стока при напряжении затвора минус 0,2 и минус 0,4 В.

17. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и n-каналом имеет напряжение отсечки минус 0,8 В, ток стока при нулевом напряжении затвора равен 2 мА. В цепь стока включен резистор номиналом 1 кОм. Определить минимальное напряжение источника питания в цепи стока, при котором транзистор продолжает работать в режиме насыщения, если напряжение затвора при этом составляет минус 0,3 В.

18. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и p-каналом имеет напряжение отсечки 0,9 В, ток стока при нулевом напряжении затвора равен 2,1 мА. В цепь стока включен резистор номиналом 2 кОм, в цепь истока включен резистор номиналом 400 Ом, затвор заземлен. Определить, обеспечивается ли режим насыщения транзистора при напряжении источника питания минус 4,5 В. Найти соответствующие этому режиму напряжение затвор-исток и ток стока.

19. Для полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом переход к режиму насыщения при нулевом напряжении затвора наступает при напряжении стока 1,3 В, ток стока равен 1 мА. Найти, при каком напряжении стока наступает режим насыщения, если напряжение затвора равно минус 0,5 В. Рассчитать в этом режиме ток стока и крутизну.

2.4.Вопросы

1. Начертить структуру биполярного транзистора p-n-p при включении с общей базой и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.

2. Начертить структуру биполярного транзистора n-p-n при включении с общей базой и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.

3. Начертить структуру биполярного транзистора n-p-n при включении с общим эмиттером и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.

4. Объяснить, как обеспечивается усиление электрических сигналов по току, напряжению и мощности при помощи биполярного транзистора.

5. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общей базой, объяснить их вид и отметить области, соответствующие активному режиму, режиму отсечки и насыщения.

6. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, объяснить их вид и отметить области, соответствующие активному режиму, режиму отсечки и насыщения.

7. Пояснить, что называется рабочей точкой транзистора. Перечислить, обосновать и показать на графиках основные ограничения, принимаемые во внимание при выборе рабочей точки транзистора.

8. Показать на графиках и объяснить, как изменяются выходные характеристики биполярного транзистора при включениях с общей базой и с общим эмиттером с увеличением температуры.

9. Показать на графиках и объяснить, как изменяются входные характеристики биполярного транзистора при включениях с общей базой и с общим эмиттером с увеличением температуры.

10. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.

11. Начертить семейство входных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.

12. Начертить семейство характеристик прямой передачи тока биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.

13. Начертить структуру полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, показать способ подачи и полярность напряжений на электродах и пояснить принцип работы транзистора.

14. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, отметить участки характеристик, соответствующие различным режимам работы и назвать эти режимы.

15. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и p-каналом, отметить участки характеристик, соответствующие различным режимам работы и назвать эти режимы.

16. Начертить структуру полевого МДП транзистора с индуцированным n-каналом, показать способ подачи напряжений на электроды и объяснить принцип работы транзистора.

17. Начертить семейство характеристик управления для полевых МДП транзисторов с индуцированным n-каналом и p-каналом и объяснить ход характеристик для транзисторов с различными типами канала.

18. Начертить семейство выходных характеристик полевого МДП транзистора с индуцированным каналом, выбрать рабочую точку, соответствующую режиму насыщения, и показать, какие из дифференциальных параметров транзистора и каким образом могут быть определены в этой точке.

19. Начертить семейство характеристик управления полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, выбрать рабочую точку, соответствующую режиму насыщения, и показать, какие из дифференциальных параметров транзистора и каким образом могут быть определены в этой точке.

20. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, показать и объяснить, какие ограничения накладываются при выборе рабочей точки на этих характеристиках.

2.5.Задание на моделирование характеристик транзисторов

2.5.1. Характеристики биполярных транзисторов.

1. Получить и построить на отдельных графиках семейство входных характеристик транзистора заданного типа при включении с общим эмиттером U_бэ=U_бэ(I_б)|U_кэ=const.

Условия

Характеристики

Список файлов книги