- •С.Н. Гринфельд физические основы электроники
- •1. Электропроводность полупроводников
- •1.1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел
- •1.2. Электропроводность собственных полупроводников
- •1.3. Электропроводность примесных полупроводников
- •1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
- •2. Электронно-дырочный переход
- •2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
- •2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
- •2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
- •2.4. Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода
- •Полупроводниковые диоды
- •3.1. Общие характеристики диодов
- •3.2. Виды диодов
- •4. Полупроводниковые транзисторы
- •4.1. Биполярные транзисторы
- •4.1.1. Общая характеристика
- •4.1.2. Принцип действия транзистора
- •4.1.3. Схемы включения транзисторов
- •4.1.5. Влияние температуры на статические характеристики бт
- •4.16. Составной транзистор
- •4.2. Полевые транзисторы
- •4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Структура и принцип действия пт
- •Характеристики птуп
- •Параметры птуп
- •Эквивалентная схема птуп
- •Схемы включения полевого транзистора
- •Температурная зависимость параметров птуп
- •4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Структуры пт с изолированным затвором
- •Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом
- •Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)
- •Статические характеристики мдп-транзистора со встроенным каналом
- •Максимально допустимые параметры полевых транзисторов
- •5. Тиристоры
- •5.1. Классификация тиристоров
- •5.2. Диодные тиристоры (динисторы)
- •5.3. Триодные тиристоры
- •5.4. Симметричные тиристоры (симисторы)
- •5.5. Зависимость работы тиристора от температуры
- •6. Усилители
- •6.1. Классификация, основные характеристики и параметры усилителей
- •6.2. Искажения в усилителях
- •6.3. Обратные связи в усилителях
- •6.3.1. Виды обратных связей
- •6.3.2. Влияние последовательной отрицательной ос по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя
- •6.3.3. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения и помехи
- •6.3.4. Влияние отрицательной ос на частотные искажения
- •6.3.5. Паразитные ос и способы их устранения
- •6.4. Усилители низкой частоты
- •6.5. Каскады предварительного усиления
- •6.5.1. Каскад с оэ
- •6 Рис. 6.21. График разрешенной области надежной работы транзистора.5.2. Стабилизация режима покоя каскада с оэ
- •6.5.3. Работа каскада с оэ по переменному току
- •6.5.4. Каскад с ок
- •6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе
- •6.5.6. Схема с ос (истоковый повторитель)
- •7. Усилители постоянного тока
- •7.1. Определение усилителя постоянного тока. Дрейф нуля
- •7.2. Однотактные усилители прямого усиления
- •7.3. Дифференциальные усилители
- •7.3.1. Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов
- •7.3.2. Схемы включения дифференциального усилителя
- •7.3.3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
- •7.3.4. Разновидности дифференциальных усилителей
- •8. Определение и основные характеристики операционных услителей
- •8.1. Устройство операционных усилителей
- •8.2. Характеристики операционных усилителей
- •Усилительные характеристики
- •Дрейфовые характеристики
- •Входные характеристики
- •Выходные характеристики
- •Энергетические характеристики
- •Частотные характеристики
- •Скоростные характеристики
- •8.3. Классификация оу
- •8.4. Применение операционных усилителей
- •Неинвертирующий усилитель на оу
- •Повторитель напряжения
- •И Рис. 8.12. Схема инвертирующего усилителянвертирующий усилитель
- •Инвертирующий сумматор
- •У Рис. 8.14. Схема усредняющего усилителясредняющий усилитель
- •Внешняя компенсация сдвига
- •Дифференциальный усилитель
- •Неинвертирующий сумматор
- •Интегратор
- •Дифференциатор
- •Логарифмический усилитель
- •Усилители переменного напряжения
- •9. Устройства сравнения аналоговых сигналов
- •9.1. Компараторы
- •9.2. Мультивибратор
- •10. Микроэлектроника
- •10.1. Основные определения
- •10.2. Типы Интегральных схем
- •10.2.1. Классификация ис
- •10.2.2. Полупроводниковые ис
- •10.2.3. Гибридные ис
- •10.3. Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов
- •ЛабораторНые рабоТы Лабораторная работа 1 исследование статистических характеристик биполярного транзистора
- •О Рис. 1. Схема исследования характеристик транзистора по схеме с оЭписание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работ
- •Лабораторная работа 2 исследование однокаскадного усилителя с общим эмиттером
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа 3 дифференциального усилителя постоянного тока
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольная работа
- •Задание
- •Последовательность расчета усилителя
- •Последовательность Расчета усилителя в области низких частот
- •Экзаменационные вопросы
- •Литература
- •Содержание
- •Софья наумовна гринфельд физические основы электроники Учебное пособие
- •681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.
4.1.3. Схемы включения транзисторов
При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора (рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).
В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (Uэб) и коллекторе (Uкб) отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔUкв> ΔUзв), но не обеспечивает усиления тока (ΔIk≈ΔIз) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).
Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (Uбэ) и коллекторе (Uкэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как
Iб=Iэ–Iк <<Iк(Ik≈Iэ),
то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк>>ΔIб) и напряжения (ΔUкэ>ΔUэб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.
В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (Uбэ) и эмиттере (Uкэ) отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так какIб<<Iэ, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIк>>ΔIб), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.
В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).
Входнойназываетсяхарактеристика
I1 = f(U1) при U2 = const,
показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.
Выходнойназывается характеристика
I2 = f(U2) при I1 = const,
показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.
Характеристики
I2 = f(I1) или I2 = f(U1) при U2 = const
называются характеристиками прямой передачи, а характеристики
U1 = f(U2) при I1 = const
называются характеристиками обратной передачи.
Всправочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже – характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ иOБ.
Семейство входных характеристик схемы с ОБ (рис. 4.4, а) представляет собой зависимость
IЭ=f(Uэб)
при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (Uкб).
При Uкб = 0 характеристика подобна ВАХp-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряженияUкбвследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх:Iэрастет при выбранном значенииUЭБ.Если поддерживается постоянным ток эмиттера (Iэ=const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжениеUЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что приUкб < 0 иUэб= 0 существует небольшой ток эмиттераIэо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.
Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости
Iк =f(Uкб)
при заданных значениях параметра Iэ(рис.4.4, б).
Выходная характеристика транзистора при Iэ = 0 и обратном напряжении (Uкб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом Iк = Iкбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор – база».
При Iэ> 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже приUкб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный токIэ, тем большее прямое напряжениеUкб требуется для полученияIк= 0.
Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где Uкб < 0 (обратное) и параметрIэ> 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжениеUэб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:
Iк =αIэ+Iкбо.
Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра Iэ.
В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (α) можно считать постоянным, не зависящим от значения |Uкб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (Iк=const). Реально же эффект Эрли при росте |Uкб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.
Семейство входных характеристик схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимостиIб =f(Uбэ), напряжениеUкэявляется параметром. НапряжениеUбэ>0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этомUкэ= 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:
Uкб =Uэб> 0.
Поэтому входная характеристика при Uкэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения Uэб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (Uкб = Uэб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристикиp-n-перехода.
Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжениеUкэдолжно быть вp-n-р-транзисторе отрицательным (Uкэ < 0) и по модулю превышать напряжениеUбэВ этом случае
Uкб=Uкэ–Uбэ< 0.
Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:
Iб= (1 – α)Iэ–Iкбо.
Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток Iкбо
При малом напряжении Uбэинжекция носителей практически отсутствует (Iэ= 0) и ток базы равен:Iб= -Iкбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает ростIэи величины (1 – α)Iэ. Когда
(
Рис.
4.6. Схема замещения транзистора
(rб
– сопротивление базового слоя)
ток базы равен нулю:
Iб= 0.
При дальнейшем росте напряжения Uбэ величина
(1 – α) Iэ> Iкбо
и ток базы (Iб) меняет направление, становится положительным (Iб> 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.
Влияние Uкэ наIбв НAPможно объяснить тем, что ростUкэозначает рост |Uкб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).
Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимостиIк=f(Uкэ) при заданном параметреIб(см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |Uкэ|, превышающих |Uбэ|. Для увеличенияIбнеобходимо увеличивать |Uбэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.
Если параметр Iб= 0 («обрыв» базы), то
Iк=Iкэо= (β + 1)Iкбо.
В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) Iк =Iкбо, если задать отрицательный ток (Iб= -Iкбо).Выходная характеристика с параметромIб = -Iкбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметромIб = 0.
Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h22э~ βh22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряженияUкз коллекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты α и β увеличиваются.
Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.
4.1.4.H-параметры транзистора
Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.
В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i1) и выходное напряжение (u2), а зависимыми являются: входное напряжение (u1) и выходной ток (i2). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:
.
Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:
(4.1)
Тогда физический смысл h-параметров определяется как:
-
–
входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–
коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
–
коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
–
выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.
H
Рис. 4.8. Схема
замещения транзистора на основе
h-параметров
Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов
|
|
|
|
h11э |
h11б | ||
h12э |
h12б | ||
h21э |
h21б | ||
h22э |
h22б |
Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h21эшироко используется обозначение, а в схеме с ОБ – вместо обозначения h21бобозначение. Так как в в схеме с ОБ направление тока iкпротивоположно базовому направлению тока i2исходного четырехполюсника, то h21б < 0.
H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:
U1 = h11I1 + h12U2;
I2 = h21I1 + h22U2.
На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 – по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) – значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.
Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.