Предельные эксплуатационные характеристики

Предельные эксплуатационные характеристики определяют значения токов и напряжений, превышение которых не гарантирует безотказную работу транзистора. Это I_Кmax, U_КЭmax, P_Кmax

Полевые транзисторы – это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании электрического поля для изменения сопротивления полупроводникового канала. Такие транзисторы называют униполярными, так как управляемый ток в них создаётся основными носителями заряда (р или n), движущимися в канале с одним типом проводимости. Различают транзисторы с управляющим p-n переходом и транзисторы с изолированным затвором (МОП). Рассмотрим полевой транзистор с управляющим р-n переходом и р-каналом. На затвор транзистора подают обратное напряжение , следовательно ток I₃ (обратный ток р-n перехода) будет мал. Под действием E_си через канал будет протекать ток I_С, величина которого определяется сопротивлением в канале «сток – исток», а сопротивление этого канала от ширины р-n перехода «канал-затвор». При увеличении Е_зи (запирающего) ширина р-n перехода увеличивается, сопротивление канала возрастает и ток I_с уменьшается. Таким образом, изменяя потенциал затвора можно управлять током истока. При этом токи затвора очень малы и на управление тратится малая мощность. Следовательно, в каскадах с полевыми транзисторами можно получить большое увеличение по мощности.

Полевые транзисторы с изолированным затвором также изготавливаются с каналами р и n типов. Металлический затвор З надёжно изолирован от канала диэлектриком D. В качестве диэлектрика используются окись кремния. В этом случае транзистор называют МОП-транзистор. Сток С и исток И изготовлены из полупроводника типа n. От основного полупроводника р-типа сделан дополнительный отвод, называемый подложкой.

Пусть напряжение питания Е_си > 0. При нулевом потенциале на затворе, ток между стоком и истоком практически равен нулю, т.к. при данной полярности переход между стоком и каналом (подложкой) будет закрыт. При подаче на затвор небольшого положительного потенциала Е_зи из канала к затвору начинают дрейфовать не основные носители – электроны. В приповерхностном слое над затвором образуется n-область, которая хорошо пропускает ток от стока к истоку. Такие транзисторы называются МОП-транзистор с индуцированным каналом.

Если область n под затвором создана при изготовлении транзистора. То он называется МОП-транзистором со встроенным каналом. Встроенный канал пропускает ток при нулевом напряжении на затворе, а ток стока управляется и + и –.

У МОП-транзистора выходные ВАХ аналогичны характеристикам транзистора с управляющим р-n переходом, но, как правило, у них больше крутизна S , а также более чем на порядок больше входное сопротивление R_зи.

Транзисторные усилители.

Процесс усиления заключается в том, что маломощный сигнал управляет потоком энергии от более мощного источника к нагрузке (потребителю).

<<

Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы различных исполнительных устройств и т.д.

― По усиливаемой величине различают усилители U, I, P

― По диапазону частот УПТ, УНЧ, СВЧ

― По используемым активным элементам транзисторные, ламповые и т.д.

Основные показатели усилителей:

― коэффициент усиления , , ;

― входное Z_вх, выходное Z_вых сопротивление;

― коэффициент нелинейных искажений, коэффициент частотных искажений;

― К.П.Д. и др.

При всем многообразии схемотехники транзисторных усилителей существуют три основных: ОЭ, ОК, ОБ.

Рассмотрим схему с ОЭ. Через дроссель с большой индуктивностью на базу транзистора подается напряжение смещения Е_бэ ≈ 0,5-0,8 В. Оно предназначено, чтобы открыть эмитторный переход (сместить переход в прямом направлении) и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме транзистора. Вместе с Е_н , ток коллектора I_к, и напряжение смещения Е_бэ определяют режим по постоянному току. Этот режим ― обязательное условие линейного режима усилителя, т.к. в противном случае, без начального смещения, рабочая точка P будет находится в области почти нулевых начальных базовых токов, что не может обеспечить соответствие входных и выходных сигналов. (Выходной сигнал станет однополярным, импульсным.) Кроме вышеописанного способа задания тока покоя, существуют и другие, например: способ постоянным током базы через резистор или постоянным напряжением базы с помощью делителя в цепи базы. Это делается из экономических соображений, т.к. стоимость Др. существенно выше резистора.

Схема с ОБ отличается тем, что через Др. на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение, т.к. только при такой полярности транзистор будет приоткрыт и через него начнет протекать постоянный ток покоя, позволяющий осуществлять усиление малых сигналов.

Схема с ОК отличается от ранее рассматриваемых тем, что нагрузка Z_н включена в цепь эмиттера.

Сх. ОЭ ― усиление по току и напряжению (К_р― max)

R_вх ~ кОм , R_вых ~ Ом ÷ кОм

Сх. ОБ ― усиление по напряжению, К_I < 1, стабильность, R_вх ~ Омы, R_вых ~ кОм, K_гарм меньше, чем ОЭ, ОК

Сх. ОК (эмит. повторитель), наибольшее R_вх (сотни кОм), R_вых десятые доли Ома,

K_U < 1,

K_I ― большой

На практике наибольшее распространение имеет линейный каскад с ОЭ. Рассмотрим его более подробно.

В эквивалентной схеме содержится идеальные элементы: резисторы, комплексные сопротивления и источник тока I_к=SU_вх, здесь

― крутизна транзистора, I_к протекает по r_кэ , _k и _н , суммарная проводимость нагрузки равна , а суммарное сопротивление . С учетом инвертирующих свойств каскада с ОЭ можно записать

_вых= – I_{k нс} или _вых= – SU_вх ,

тогда _u= = – S _нс

Откуда следует, что усиление каскада увеличивается с увеличением S, _k, _нс, на практике выбирают > > в этом случае можно использовать упрощенное выражение

Сх. ОЭ

аналогично величины можно получить для сх. ОБ, ОК

	ОЭ	ОБ	ОК
Zвых

Усилители на полевых транзисторах строятся с использованием трех основных схем (ОИ, ОЭ, ОС). Свойства этих усилителей аналогичны выше рассмотренным, на биполярных транзисторах.

Более подробно расчет каскада с ОЭ рассмотрен в лабораторной работе.

Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях будем понимать передачу части выходного сигнала обратно на вход усилителя.

Внутренняя ОС обусловлена, как правило, паразитными влияниями в устройстве. Это может б сопротивление потерь и утечек, различные поля рассеивания. Такая ОС образуется при изготовлении устройства и её невозможно полностью исключить. Может привести к самовозбуждению устройства.

Внешняя ОС создается специально внешними 4-х полюсниками. Её параметрами можно варьировать. В зависимости от способа подсоединения 4-х полюсника ОС различают;

последовательно

по напряжению

параллельно

по напряжению

параллельно

по току

последовательно

по току

На практике чаще используют последовательную по напряжению ОС. В этом случае выходное напряжение U_c поступает на вход 4-х полюсника ОС, а напряжение с его выхода вводится последовательно входным напряжением. Рассмотрим этот вид ОС более подробно. Пусть К – коэф. передачи усилителя, а - четырехполюсника ОС. Тогда

_вых = К _вх , _ос = _вых , _ус = _вх + _ос = _вх + _вых или _вых = ( _вх + _вых), поделив на _вх, получим =

Различают отрицательную и положительную ОС. Примером усилителя со стопроцентной ООС является каскад с ОК (эмитторный повторитель). Для него =1, K ≈ - SR_э тогда K_ок= .

Известно, что с ростом температуры I_к и I_э существенно изменяются (~ 0,2 мA/ ). Если учесть, что температура внутри корпуса может изменятся от +10 до +60 , то ток I_к может достигать значений более 0,2 ≈ 10 мA. Это может полностью закрыть транзистор или вывести его в область насыщения, т.е. температурная нестабильность полупроводниковых приборов – существенная проблема. Для уменьшения её используют ООС с помощью R_э, а для уменьшения влияния ООС на коэффициент усиления по ~ току R_э блокируют конденсатором. Если блокировать только часть R_э, то не блокированную часть R_э можно использовать для установки.

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель, имеющий большой коэффициент усиления K_u, два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, один выход. Для идеального усилителя K_u ,

R_вх , R_вых полоса усиливаемых частот от 0 (постоянный ток) до . Технически удовлетворить все эти требования невозможно. Современные ОУ имеют K_u ≈ 10⁷ , R_вх ≈ 10⁷Ом , R_вых ≈ 10² ÷ 10³ , верхняя частота усиления порядка МГц.

Напряжение на выходе ОУ рассчитывается по формуле U_вых = K₀(U₊ - U_-) , где U₊ – напряжение на неинвертирующем входе, а U_- – напряжение на инвертирующем входе.

Схемотехника ОУ обуславливается его высокими параметрами. Кроме рассматриваемых ранее схем усиления (ОК, ОЭ, ОБ) в схемах ОУ используются несколько специальных схем.

Наиболее простая схема это источник тока. Напряжение с делителя R, VD открывает эмитерный переход. Из выходных ВАХ транзистора известно, что ток коллектора i зависит от подключаемой нагрузки (ВАХ почти горизонтальна), т.е. эта схема близка к идеальному источнику тока с R_вых= ; т.к. часть делителя образована VD , свойства которого близки к свойствам перехода «база – эмиттер» транзистора VT, то температурные воздействия на диод и транзистор взаимно компенсируются.

Схема токового зеркала предназначена для передачи тока из одной части схемы в другую. Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток i₁ определяется напряжением на базе. Так как транзисторы VT₁ и VT₂ идентичны и на базах одно и тоже, то входной ток i₁ равен выходному i₂. Для нормальной работы схемы необходимо на коллекторы VT₁ и VT₂ подавать положительное напряжение.

Для получения большого коэффициента усиления в ОУ используют составные транзисторы. Если коэффициенты передачи тока базы транзисторов и соответственно, то результирующий коэффициент будет равен . Например, если и , то следовательно, составной транзистор позволяет получить большой и соответственно больший коэффициент усиления по мощности, что в свою очередь, требует меньшей мощности сигнала управления.

Важнейшей составляющей частью операционного усилителя является дифференциальный усилитель (ДУ), простейшая схема которого представлена на рисунке. Усилитель собран на двух идентичных транзисторах, имеющих сопротивление нагрузки R₁ и R₂, с помощью R_э задаются начальные токи i_э и i_к . Если входные токи i_Б1 и i_Б2 равны или отсутствуют, то токи коллекторов будут равны и выходное напряжение, равное разности потенциалов на коллекторах будет равно 0. Следовательно, синфазные сигналы в ДУ не усиливаются. Этим же объясняется и высокая температурная стабильность ДУ.

Если на вход подать дифференциальный сигнал, то один из транзисторов будет приоткрываться, а другой подзакрываться. Токи коллекторов изменятся на величину , где S – крутизна транзисторов (S= ), U_D дифференциальное напряжение. Между коллекторами возникает разность потенциалов , если R₁ = R₂, то получим U_вых = SR₁U_D, т.е. коэффициент усиления дифференциального сигнала равен K_D = SR₁.

Для увеличения коэффициента усиления вместо R₁ и R₂ в ДУ используют токовое зеркало, а в цепь эмиттеров вместо R_э включают источник тока.

Упрощенную схему современного операционного усилителя можно представить в виде:

ОУ содержит ДУ, выполненной на T1 , T2 . Эмиттерные токи ДУ задает источник тока I_э. Нагрузка ДУ выполнено на T3 , T4 (токовое зеркало). Транзисторы T5, T6 образуют составной транзистор. Благодаря токовому зеркалу переменный входной ток составного транзистора равен сумме переменных токов коллекторов транзисторов ДУ.

Нагрузкой составного транзистора T5, T6 является источник тока на T7. Транзисторы T8, T9 включены по схеме с ОК (эмитторный повторитель).

В рассматриваемом ОУ К₁ > 200, K₂ > 200, K_э ≈ 1, т.е. общий коэффициент усиления К₀ = К₁, К₂К_э > 40000.

Пусть U_вх2 > 0, T2 подзакрывается, его ток коллектора уменьшается следовательно уменьшается ток базы T5, T6. Напряжение на коллекторе T5, T6 увеличивается и это увеличение передается с помощью эмиттерных повторителей на выход ОУ. Т.е. вход 2 является неинвертирующим.

Пусть U_вх1 > 0, Т1 подзакрываются, его ток коллектора уменьшится и через токовое зеркало уменьшит ток Т4. Т.к. большая часть тока коллектора Т2 будет поступать на вход Т5, Т6 – ток базы увеличится и напряжения на коллекторе Т5, Т6 уменьшится. Напряжение на выходе ОУ уменьшится. Т.е. вход 1 является инвертирующим.

Это позволяет на основе ОУ строить инвертирующие и не инвертирующие усилители.

Резисторы R1 и R_ос образуют цепь последовательной отрицательной ОС по напряжению следовательно , т.к. = , то , т.к. >>1

получим .

Если источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R_вн ≈ 0, то коэффициент передачи цепи ОС в этой схеме будет такой же как в схеме не инвертирующего усилителя, однако здесь сигнал подается на инвертирующий вход и ослабляется в раз. Следовательно, для инвертирующего усилителя