Текст книги "КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто!"
Автор книги: Александр Кульский
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 23 страниц)
Глава 12. Полупроводниковые диоды – немного истории…
«Аматор»: Я вот тут смотрел кое-какую литературу и нашел упоминание о диодах – СТАБИЛИЗАТОРАХ ТОКА! Может ли такое быть?
«Спец»: Вполне, вполне. Хотя… никакие известные диоды, насколько мне известно, подобными качествами не обладают!
«Незнайкин»: Ничего себе ситуация!.. Противоречие какое-то получается.
«С»: Ровным счетом никакого! Диоды действительно не могут стабилизировать ток! Но… сложное полупроводниковое устройство, в состав которого входят как диоды, так и транзисторы, а также и еще кое-какие компоненты (мы к этому вопросу еще вернемся) могут великолепно справляться с этой задачей. А-поскольку это устройство вполне может иметь только ДВА вывода, то простоты ради оно и получило наименование – ДИОД – СТАБИЛИЗАТОР тока!
«Н»: А может лучше о нем сразу рассказать?
«С»: Обязательно, но несколько позже… А сейчас я хотел бы сообщить вам об очень важных для нас диодах, в физической основе действия которых НЕ ЛЕЖИТ вообще р – n-переход! Это диод, основанный на переходе типа МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК. Который также обладает выпрямительным эффектом. Эти приборы называют обыкновенно по имени, в честь исследователя, работы которого и подарили их электронике – ДИОДЫ ШОТТКИ.
«А»: Я читал о них! Они характеризуются очень малым временем переключения и очень низкой величиной накопленного заряда!
«С»: Совершенно верно! Добавлю только, что хотя в их основе тоже лежит кремний, но у них весьма мало прямое падение напряжения по сравнению с обычными кремниевыми диодами. Оно составляет около 0,3 В.
«Н»: А у обычных сколько?
«А»: Между 0,6 и 0,7 вольта…
«С»: У них масса и других достоинств. Например, очень малые шумы и ничтожные (сравнительно с любыми другими типами диодов) емкости! Что в сумме делает диоды Шоттки наиболее предпочтительными для создания ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ.
Существует и еще один класс диодов, которые дали очень много как схемотехнике, так и дизайну приборостроения…
«А»: Речь идет о СВЕТОДИОДАХ?
«С»: Именно о них! Обратите внимание, что светодиоды изготовляются не путем использования германия или кремния, о которых мы уже говорили ранее. А на основе СЛОЖНЫХ полупроводников. Например, на основе арсенида – фосфида галлия (имеющего валентную связь типа А3В5).
Или, скажем, карбида кремния. Или арсенид – галлий – алюминия и прочие. Эти диоды излучают световые кванты при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения этих диодов имеет довольно узкие границы. При этом яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна величине прямого тока светодиода!
«Н»: Так они могут заменить маленькую электрическую лампочку?
«С»: Новейшие светодиоды, получившие наименование «сверхярких», действительно, можно использовать в качестве подсветки, если тебя не будет шокировать их кроваво-красный свет! Но, в отличие от лампочки, нить накаливания которой нагрета до 2000 °C, излучающая свет область кристалла имеет температуру не выше 50 °C! И, что важно, не обладает тепловой инерцией!
Вот почему излучение светодиода очень легко модулировать. А, следовательно, одно из основных применений светодиода – это не столько элементарная подсветка, сколько передача информации в световом диапазоне. Токи для этого нужны совершенно пустячные! Например, новейшие японские, американские и голландские светодиоды великолепно светятся уже при токе 2–3 мА!
«А»: Для отчетливой индикации этого вполне достаточно! Но ведь на основе светодиодов изготовляются еще и цифровые индикаторы?
«С»: Да, но о них мы будем говорить позднее, когда вплотную займемся ЦОУ для приемника. Но, всем вышеперечисленным, возможности светодиодов опять-таки не ограничиваются! Что бы вы сказали, если мы попробуем применить светодиод в качестве… стабилитрона?
«Н»: Но ведь стабилитронов различных типов, как успел сообщить мне Аматор, хоть пруд пруди! Так зачем же?…
Что может дать особо нового использование для этой цели светодиодов?
«С»: А вот тут, Незнайкин, ты глубоко неправ! С точки зрения экономики это вообще одно и то же. А вот с точки зрения электроники…
«А»: Знаете, Спец, я тоже еще как-то не очень врубаюсь в ситуацию!
«С»: Это поправимо… Мы уже говорили, что стабилитроны, реально, используются для получения опорных напряжений не ниже 3,3 вольта. Более низкие напряжения стабилизации достигаются только последовательным включением обычных диодов в прямом направлении. Но их суммарное дифференциальное сопротивление при этом становится слишком большим. Обратимся к рисунку. На нем изображены ВАХ для различных случаев прямого включения диодов (см. рис. 12.1).
Так кривая 1 – это ВАХ одного кремниевого диода. Кривая 2 – соответствует случаю прямого включения ДВУХ диодов. Обратите внимание на увеличение степени наклона! А теперь сравните кривые 1 и 2 с кривой 3, характеризующую ВАХ светодиода красного свечения.
«А»: Но я вообще не наблюдаю наклона характеристики кривой 3?! В то же время величина напряжения стабилизации составляет всего 1,6 вольта!
«С»: Насчет наклона ВАХ ты совершенно прав! Его, практически, вообще нет. Дифференциальное сопротивление светодиода не превышает ДОЛЕЙ ОМА! Кстати, в зависимости от длины волны излучения, напряжение стабилизации варьируется от 1,4 вольта (инфракрасный) до 2,4 вольта (зеленый).
«А»: Но имеются еще и такие приборы, как ФОТОДИОДЫ. Рассмотрим ли мы их?
«С»: Я сам сейчас думаю над этим вопросом. С одной стороны, если затронуть тему фотодиодов, нам придется уделить ей большое внимание. С другой – их использование в радиоприемнике в настоящий момент не предполагается. А мы не имеем возможности в наших беседах рассказать обо всей современной электронике. Причем сразу! Согласись, Аматор, что вот не затрагиваем же мы здесь тему о свойствах полупроводниковых лазеров, например…
«А»: Справедливо. В общем, если паче чаяния фотодиоды нам все же понадобятся, никто нам не помешает вернуться к ним…
«С»: Ну что же… На том и порешим!
«Н»: Значит, можно считать, что общее краткое знакомство с диодами мы закончили?
«С»: Да, пожалуй. Осталось только положить здесь начало своего рода справочнику, о необходимости которого мы упоминали выше!
«А»: Нет проблем! Беру бумагу и ручку. Дорогой Спец, я весь внимание. Уже пишу!..
«С»: Как вы любезны!.. В таком случае – уже диктую!.. (см. Глава 30., табл. 30.2)
«А»: Ну вот, начало справочнику положено!
«С»: Всё это великолепно! Ну а теперь нас ждет знакомство с транзисторами… Итак, транзистор – это полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигналов.
Интересна их история. В то самое время как приёмно-усилительная лампа (ПУЛ) победно шествовала по всему свету, наиболее философски мыслящие умы усиленно искали ей замену. Они мечтали о приборчике экономичном, малогабаритном, очень надежном, не требующем для своей работы высоких напряжений. Бум, который произвел в техническом мире приемник – кристадин российского инженера Лосева (снабженный твердотельным диодом – усилителем) вскоре сошел на нет. Ни участок ВАХ кристалла, примененного Лосевым, имевший ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ; ни второе удивительное свойство того же кристалла – таинственное (как на то время) свечение при работе – не имели под собой никакого научного объяснения. А сам прибор – необходимой стабильности и постоянства действия.
«А»: А что же европейско-американская мысль? Не заинтересовалась этими эффектами?
«С»: Заинтересовалась, но не очень! Профессор физики Юлиус Лилиенфельд, работавший в США по проблеме создания твердотельного кристаллического усилителя, ещё с 1925 года получил 3 патента на совершенно иной принцип!
Его патенты касались прибора ныне известного во всем мире как ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР. Патенты были датированы январем 1930 года, сентябрем 1932 года и мартом 1933 года. Кроме того, британский ученый Хейл в декабре 1935 года получил на эту же тему британский патент номер 439457.
Но в качестве материала Лилиенфельд выбрал сульфид меди, а Хейл надеялся на пятиокись ванадия, теллур и йод. Первый действующий кристаллический усилитель на нагретом кристалле бромида калия создал немецкий физик Поль в 1938 году.
«А»: Выходит, никто из них не додумался испробовать германий или кремний?
«С»: Будущие создатели транзистора – Браттейн и Шокли так же долгое время экспериментировали с оксидом меди. Но в начале 1940 года Браттейна пригласили понаблюдать за экспериментами химика Рассела Оля, проводившимися в фирме BELL. Оль освещал середину кремниевой пластины, на концах которой были сделаны металлические контакты, присоединенные к вольтметру. Браттейн был поражен увиденным! Вскоре ему была предоставлена возможность работать с образцом кремния, в котором металлурги создали р-n-переход.
Биполярный транзистор, фактически, был готов уже родиться, но… началась Вторая Мировая война. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, лихорадочно работавший над созданием радаров.
«А»: Получается, что американцы работали не над полевым, а над биполярным транзистором?
«С»: Да, так угодно было Судьбе! Свою работу они смогли продолжить только через шесть лет, то есть после окончания войны. Любопытно, что после войны исследования были продолжены уже не над кремнием, а над германием.
В конце 1945 года к Браттейну в группу был направлен физик Джон Бардин, специалист по квантовой механике. Ну, много работы и не меньшее количество везения потребовалось этим ученым!
Удачной была, прежде всего, мысль ограничить исследования только простыми элементами – германием и кремнием. Новая, разработанная на основе анализа экспериментов теория, объяснив попутно эффект Шоттки, к концу 1947 года позволила реализовать многолетнюю мечту физиков – создать германиевый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению порядка 100! Частотный диапазон достигал при этом 30 кГц!
«Н»: Но получается, что есть два абсолютно различных вида транзисторов?
«С»: Да, это безусловно так! Хотя их, вообще-то не два, а несколько больше.
«А»: А действительно, может перечислим основные типы?
«С»: Без проблем! Можем расписать этот факт следующим образом (см. рис. 12.2).
«Н»: И все это разнообразие действительно применяется?
«С»: Безусловно, но это еще далеко не все! Большой популярностью сейчас пользуются, например, МДП– или МОП-транзисторы с двумя затворами. Или вот совершенно новый класс – ТРАНЗИСТОРЫ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ!
«А»: Но несколько видов транзисторов нам действительно необходимы!?
Так с каких начнем? С биполярных или полевых?
«С»: Не будем понапрасну спорить с историей! А потому – начнем с биполярных!
Глава 13. Биполярные транзисторы
«Спец»: Прежде всего – БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР состоит из двух противоположно направленных р-n-переходов. Совершенно ясно, что при этом, как во многих прочих жизненных ситуациях, возможны две структуры: р-n-р и n-р-n!
«Аматор»: При этом одна из внешних областей называется ЭМИТТЕРОМ.
В таком случае вторая внешняя область именуется – КОЛЛЕКТОР. А прослойка, лежащая между ними, соответственно – БАЗОЙ (рис. 13.1)!
«С»: Интеллигенция тоже именовалась прослойкой! Но любому цивилизованному обществу она необходима точно так же, как БАЗА биполярному транзистору! И в одном, и в другом случае эта база играет решающую и определяющую роль! Если она имеется, то имеется все!
«А»: Благодарю за высокую оценку роли интеллигенции в современном обществе! А вот какова роль базы в транзисторе?
«С»: Давай сперва, опираясь на опыт, полученный при рассмотрении р-n-перехода, представим себе транзистор графически. Пусть это будет n-р-n-транзистор! Посмотрите на его изображение внимательно. Из рисунка следует тот факт, что при любой полярности батареи G, один из переходов окажется подключенным в прямом, а другой в обратном направлении.
«Незнайкин»: То есть «что бы мы ни делали – не идут дела»! То есть я хотел сказать, ток по цепи не проходит!
«С»: Правильно! Хотя, если учитывать тот факт, что реально скорости электронов НЕ РАВНЫ, а существует некоторое распределение их по скоростям, то хотя бы в силу этого ВСЕГДА есть небольшое количество высоко скоростных электронов, которые пройдут через р-n-переход. Вот такой небольшой СКВОЗНОЙ ток будет иметь место в данном случае! Этот ток очень мал и не зависит от величины приложенного напряжения (поймите меня правильно – только до определенного предела!)
«Н»: А если температура будет возрастать?
«С»: Тогда, что совершенно естественно, возрастет и сквозной ток! Более того, возросший сквозной ток будет вызывать дополнительное нагревание переходов…
«А»: Что вызовет новое возрастание тока, а оно, в свою очередь – еще большее нагревание! И так далее!..
«С»: Но вовсе не до бесконечности, а до ТЕПЛОВОГО ПРОБОЯ, который в подобных случаях приводит к разрушению структуры кристалла транзистора!
«Н»: Классно получается! Мы еще не начали толком анализ работы транзистора, но уже знаем, что режим с ОТКЛЮЧЕННОЙ БАЗОЙ – недопустим!
«С»: И запомните эту ИСТИНУ на всю дальнейшую жизнь!..
«А»: Но ведь база должна куда-нибудь подключаться?
«С»: Естественно. А потому нарисуем новую картинку. И внесем в нее одно небольшое добавление… А именно, между эмиттером и базой, в прямом направлении, мы подключим одну небольшую батарейку, и все (рис. 13.2)!..
«А»: Ничего себе «и все»! Сразу «все смешалось в доме Облонских»!
«С»: Ах, оставьте Облонских в покое, нам и своих забот выше крыши!
Посмотрите на рисунок! Поскольку переход база – эмиттер включен в прямом направлении, то не будь коллектора – ОН весь ушел бы в базу! Он – это, конечно же, прямой ток перехода. Но, выстроившиеся в коллекторной области положительно ионизированные доноры, своим полем как бы «перехватывают» большую часть проникнувших в базу со стороны эмиттера электронов. И, дополнительно разогнав их, сообщают им достаточную энергию, чтобы они не завернули назад. То есть чтобы они не свернули к положительно ионизированным донорам коллектора, а смогли бы дойти к обозначенной штриховкой зоне коллектора, где их «подхватит» своим положительно заряженным полюсом батарея Gк-э! Далее, уже как коллекторный ток Iк, эти электроны «проследуют» к Gк-э. А из отрицательного полюса этой же батареи ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО такое же количество электронов «войдет» в область эмиттера.
«Н»: Вы случайно употребили слово «приблизительно»?
«С»: Многие философы готовы прозакладывать свою собственную голову, что во Вселенной нет ничего случайного! Я, в принципе, не против того, чтобы поспорить на эту тему, но в данном случае выражение ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО я употребил действительно НЕ случайно!
«А»: Да и на рисунке видно, что два-три электрончика взяли, да и свернули в базу, перехваченные пусть и небольшим, но тем не менее тоже ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ полюсом батарейки Gб-э.
«С»: Очень верное наблюдение! И так будет всегда! Базовый и коллекторный ток в транзисторе неразлучны в том смысле, что для любого транзистора это соотношение выполняется очень строго. Достаточно тем или иным путем добиться увеличения базового тока, как возрастает и коллекторный ток!
Ну, а если базовый ток уменьшается, то можете быть спокойны – коллекторный ток уменьшится в той же пропорции!
«А»: А может стоит попробовать нарисовать пару формул на эту тему?
«С»: Паркуа бы и нет? Следите за движением кончика моей шариковой ручки:
Iэ = Iб + Iк; Iк = К∙Iб.
«Н»: А что такое К?
«С»: А вот это ИМЕННО ТОТ параметр, о котором многие десятки лет мечтали лучшие физики мира! К – это КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА по ТОКУ! Поскольку Iк всегда много больше, чем Iб.
«Н»: Ну и насколько больше, хотелось бы узнать?
«С»: Лучше выразиться так – во сколько раз больше!? Для имеющихся на сегодняшний день в арсенале электроники биполярных транзисторов, коэффициент К (в зависимости от типа и режима транзисторов) находится в пределах от 15 до нескольких тысяч!
«Н»: А от чего это зависит?
«А»: Прежде всего, от толщины базовой области. Но, дорогой Спец, я часто в литературе и в разговорах радистов слышал выражение «коэффициент усиления транзистора – α» и «коэффициент усиления транзистора – β». Что имеется в виду?
«С»: Действительно, существует несколько различных коэффициентов усиления. Если говорить более строго, то коэффициенты усиления и следует расписать так:
α = ΔIк/ΔIэ = ΔIк/(ΔIк + ΔIб) поскольку ΔIэ = ΔIк + ΔIб
тогда
α = β/(1 + β)
Коэффициент усиления α – всегда меньше 1, а β – больше.
«Н»: А какой физический смысл аир?
«С»: Все зависит от основной схемы включения транзистора. А вариантов включения известно только три. С общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. И мы сейчас поговорим об этом более подробно. Но прежде вопрос – всем понятно, что процессы в р-n-р-транзисторе протекают аналогично?
«А»: Да, но только следует поменять полярности обеих батарей на предыдущем рисунке и заменить доноры на акцепторы и, соответственно, акцепторы на доноры. Ну, а электроны – дырками и наоборот.
«С»: Совершенно верно! Значит, со спокойной душой переходим к основным схемам включения. Первая из них – схема с ОБЩЕЙ БАЗОЙ или ОБ. Вот как это выглядит в первом приближении (рис. 13.3).
«Н»: Что я вижу! Батареи G1 и G2 соединены разноименными полюсами?!
«С»: Молодец, сразу заметил! Может быть и соотношение токов для этой схемы запишешь?
«Н»: Ну хорошо, я попытаюсь… Итак:
Iэ = Iк + Iб; ΔIэ = ΔIк + ΔIб
K = ΔIк/ΔIэ = ΔIк/(ΔIк + ΔIб)
Но… ведь это же и есть коэффициент α!
«С»: Правильно! Ты верно предположил, что ток через Rн = Iк, или, соответственно, его изменение, – ΔIк! Ты убедился, что в данном случае Iэявляется входным (или ΔIэ)! Что бы там не происходило, в любом случае коэффициент усиления по току это отношение ΔIвых к ΔIвх. И пришел к совершенно справедливому заключению, что – это коэффициент усиления по току в схеме с общей базой!
«Н»: Мало радости! Хорош усилитель – ослабляет, а не усиливает!
«С»: Так это – по току! А вот по напряжению «все совсем-совсем иначе»!
«Н»: Откуда это вытекает?
«С»: А ты, Незнайкин, вспомни, что мы говорили о ВАХ диодов? И прикинь, что при изменении ΔIб в несколько раз, ΔUб-э изменяется не более, чем процентов на 5–8! Значит, если для кремниевого транзистора Uб-э = 0,7 вольта, то ΔUб-э составляет, примерно, не более 0,1 вольта!
А вот коллекторная батарейка дает напряжение, к примеру, равное 10 вольт!
Но мы подбираем Rн таким, чтобы ΔRн = 5 вольт.
Но ведь
ΔRн = – ΔUк-э
Тогда
КU = ΔURн/ΔUб-э = ΔUк-б/ΔUб-э = 5/0,1 = 50!
Вот и выходит, что в схеме ОБ коэффициент усиления по напряжению много БОЛЬШЕ единицы, а коэффициент усиления по току немногим МЕНЬШЕ единицы! Что касается усиления по мощности, то оно также больше единицы.
«Н»: А что можно сказать относительно схем ОЭ и ОК?
«С»: Что касается схемы ОЭ, то именно ее мы рассматривали в самом начале, когда знакомились с принципом работы транзистора.
«А»: Это именно для нее рассчитывался коэффициент усиления по току?
«С»: Да, безусловно! И мы уже знаем, что он значительно больше единицы. Причем – всегда!
«Н»: Но в таком случае для схемы с ОЭ и коэффициент усиления по току, и коэффициент усиления по напряжению значительно больше единицы. Значит, коэффициент усиления по мощности для этой схемы не менее нескольких тысяч?
«С»: Или даже нескольких десятков тысяч! Ну вот, а теперь рассмотрим последнюю разновидность схемы включения транзистора – схему с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ! Можем записать:
Iэ = Iк + Iб; ΔIэ = ΔIк + ΔIб
K = ΔIэ/ΔIб = (ΔIк + ΔIб)/ΔIб = ΔIк/ΔIб + 1; К = β + 1; γ = β + 1!
А теперь посмотрим, что можно сказать о КU такой схемы. В самом деле, коллекторный ток, проходя по резистору Rн создает падение напряжения, равное UR. Но напряжение Uб-э будет во всех случаях иметь величину около 0,7 вольта. Тогда:
ΔUвых= ΔUвх – ΔUб-э ~= ΔUвх – 0.7 вольт!
Следовательно:
К = ΔUвых/ΔUвх = (ΔUвх – 0.7)/ΔUвх ~= 1
Вот эта схема и получила в технике наименование ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ.
«А»: Но на принципиальных схемах транзистор всегда изображается иначе?
«С»: Только иначе! Мы с вами тоже, начиная с этого момента, переходим на обозначение биполярного транзистора принятое в электронике. Транзисторы принято обозначать следующим образом – рис. 13.5.
«А»: Что еще следует знать об особенностях этих трех схем включения?
«С»: Ну, как минимум, то, что представлено в табл. 13.1.
«А»: А какие вопросы по биполярным транзисторам еще остались без рассмотрения?
«С»: Да их еще порядком! Вот, например, такой параметр, как Iко – ОБРАТНЫЙ ТОК КОЛЛЕКТОРА. Западные авторы обычно именуют его как ОБРАТНЫЙ ТОК ПЕРЕХОДА КОЛЛЕКТОР-БАЗА – Iсбо.
«Н»: А какова реальная величина этого тока?
«С»: Для германиевых транзисторов, например, ГТ322, ГТ329, ГТЗЗО и т. д. – его величина не превышает единиц микроампер при температуре окружающей среды +20 °C.
Для кремниевых транзисторов общего применения (маломощных) величина Iко не превышает десятых долей микроампера. У наиболее высококачественных современных транзисторов этот параметр составляет величину несколько тысячных микроампера!
«А»: Странно, что такие малые токи доставляют столько беспокойства разработчикам электронных систем!
«С»: Еще бы! Возьмем для примера наиболее почитаемую электронщиками схему с общим эмиттером – ОЭ (рис. 13.6).
Когда-то многие радиолюбительские конструкции базировались на применении вот такой «простейшей» схемы усилителя с ОЭ. Невозможно себе даже представить, сколько десятков тысяч радиолюбителей испытали горчайшее разочарование, когда их первые простейшие приемники прямого усиления, где приведенная схемка, в основном и применялась, так никогда и не заработали!
«Н»: И все равно я не могу понять причину! Ведь выбором соответствующей величины R1, мы устанавливаем базовый ток транзистора равным, например, 100 мкА. Если β = 50, ток коллектора Iк будет равен 5 мА, а этого вполне достаточно.
«А»: Ну, Незнайкин, ты рассуждаешь как раз на уровне тех радиолюбителей – неудачников, о которых мы только что говорили!
«С»: Да, потому что они не отнеслись серьезно к такому параметру, как Iк! А напрасно! Поскольку в действительности для этой схемы:
Iк = Iко + B(Iб + Iко)!
Таким образом, обратный коллекторный ток СКЛАДЫВАЕТСЯ с базовым током, а если учесть, что с ростом температуры на каждые 10 °C, Iко возрастает, примерно, вдвое, то необходимость его минимизации становится очевидной.
«А»: А есть какая-нибудь возможность чисто схемным путем уменьшить Iко?
«С»: К сожалению, Iко есть параметр, который не зависит НИКОИМ ОБРАЗОМ от наших схемных ухищрений! Это собственный параметр транзистора, зависящий от многих причин. Например, от качества р-n-перехода, чистоты исходного кремния (германия), правильности кристаллической решетки, степени герметизации поверхности кристалла и т. д.
Но вот если ты спросишь, можно ли схемным путем в значительной степени УМЕНЬШИТЬ ВЛИЯНИЕ этого параметра (и его температурных изменений) на стабильность работы усилителя, то я отвечу – ДА!
«Н»: А каким образом?
«С»: Например, используя установку рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току. Величины сопротивлений R1 и R2 выбираем такими, чтобы ток Iд превышал Iб в 10–15 раз (см. рис. 13.7).
В отсутствии входного сигнала, стабильность рабочей точки тем лучше, чем больше падение постоянного напряжения на Rэ. Из практических соображений это напряжение выбирают равным, примерно, двум вольтам. Тогда, при возрастании с ростом температуры окружающей среды тока Iко, увеличивается и падение напряжения на Rэ. Но поскольку задаваемый резисторами R1 и R2 потенциал базы не изменяется, то, следовательно, уменьшается потенциал между базой и эмиттером транзистора. А это ведет к уменьшению коллекторного тока Iк. Но это… вызывает уменьшение падения напряжения на Rэ. А при этом…
«А»: Возрастает Uб-э!..
«С»: Ну конечно же! То есть схема «отрабатывает» температурные изменения Iко, обеспечивая стабильную работу схемы. Вот именно такая конфигурация схемы ОЭ характерна для «профессиональных» узлов.
«А»: Отлично, с Iко разобрались!
«С»: В первом приближении, только в первом приближении! Но, сдержим наших коней, поскольку мы еще далеко не все рассказали о биполярном транзисторе. А потому самое время коснуться темы о его СЕМЕЙСТВЕ ХАРАКТЕРИСТИК.
«Н»: Что понимается под термином «семейство характеристик»?
«С»: Ну, прежде всего различают ВХОДНУЮ, ПЕРЕДАТОЧНУЮ и ВЫХОДНУЮ характеристики! Не разобравшись в них, переходить к схемотехнике бессмысленно! Дорогой Аматор, я знаю, вы достаточно вникли в суть этого вопроса, а потому прошу вас…
«А»: Лично я всегда относился с симпатией как к транзисторам, так и к их характеристикам! А потому предлагаю на всеобщее обозрение рис. 13.8.
Обратите внимание на семейство ВЫХОДНЫХ характеристик биполярного транзистора. Очень любопытной является точка «А». Здесь резкое нарастание коллекторного тока (для фиксированного Uб-э = 0,7 В) при повышении Uк-э от 0 до, примерно, 0,4 В неожиданно и полностью изменяет свой характер! И при дальнейшем повышении коллекторного напряжения, от 0,4 до 10 вольт, коллекторный ток возрастает ВСЕГО на ОДИН миллиампер!
«Н»: А если повышать Uк-э дальше?
«С»: Ход выходной характеристики будет оставаться все таким же ровным и плавным! Правда, если мы вовремя не остановимся, то в конце – концов добьемся того, что достигнем напряжения пробоя, при котором произойдет резкое, внезапное и, увы, необратимое разрушение транзисторной структуры.
Поэтому для каждого типа транзистора существует строго оговоренное паспортное значение предельного коллекторного напряжения. Оно, в зависимости от предназначения, типа и индекса транзистора, находится в пределах от нескольких (обычно не менее 10) вольт до многих сотен и даже тысяч вольт!
«А»: А насколько изменяется положение точки «А» у такого разнообразия транзисторов? Я имею в виду численные значения напряжения «большого перелома»?
«С»: Это очень важный вопрос! Проекция точки «А» на абсциссу Uк-э соответствует одному из важнейших параметров транзистора – НАПРЯЖЕНИЮ НАСЫЩЕНИЯ. Иначе – Uк-э нас. Чем эта величина меньше, тем более качественным считается транзистор. Дело в том, что это также чисто внутренний, нерегулируемый схемотехнически параметр транзистора. Прежде у старых германиевых транзисторов, например П416, Uк-э нас = 1 В. У кремниевых высоковольтных (первых выпусков, например КТ605) этот параметр достигал 5–6 вольт.
У наиболее популярных и массовых, например КТ315, в зависимости от индекса, Uк-э нас варьируется от 0,1 до 0,3 вольт.
«А»: Ну, а у наиболее качественных?
«С»: Да вот, например, отлично зарекомендовали себя такие маломощные транзисторы, как КТ342, КТ3102, КТ3107, КТ349 и т. д. Для них характерно значение рассматриваемого параметра порядка: 0,06—0,1 вольт. Заметим также, что Uк-э нас уменьшается при уменьшении величины коллекторного тока.
«А»: Удивительно, что изменение напряжения Uб-э буквально на несколько десятков милливольт (при фиксированном Uк-э) оказывает такое крутое влияние на величину коллекторного тока!
«С»: Но самое главное, что варьируя потенциал Uб-э ПО НАШЕЙ ВОЛЕ, схемотехнически, мы приступаем к овладению фантастическими возможностями транзистора!
«Н»: Однако, на семействе выходных характеристик отмечен и такой параметр как НАКЛОН, если я не ошибаюсь?
«С»: Нет, Незнайкин, не ошибаешься! Наклон характеристики характеризуется отношением ΔIк/ΔUк-э. Существуют транзисторы, у которых этот наклон стремится к нулю! Или, можно сказать, отношение ΔUк-э/ΔIк – стремится к бесконечности!
Эта зависимость называется еще ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ и обозначается как rкэ(rсе).
rкэ = ΔUк/ΔIк | при Uб-э = const.
«Н»: А что представляет из себя параметр S?
«С»: Изменение коллекторного тока в зависимости от изменения напряжения база – эмиттер, получило определение КРУТИЗНА или S.
S = ΔIк/ΔUб-э| при Uк-э = const.
«А»: А теперь можем перейти к рассмотрению ПЕРЕДАТОЧНОЙ (переходной) ХАРАКТЕРИСТИКИ?
«С»: Вполне! Это очень наглядная характеристика, показывающая зависимость коллекторного тока от напряжения база – эмиттер. Но запомним, что при ФИКСИРОВАННОЕ Uк-э! Поскольку, если Uк-э варьируется, то в таком случае имеем СЕМЕЙСТВО переходных характеристик!
«Н»: Ну, а для чего тогда необходима ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА?
«С»: Для чувства комфорта, дорогой Незнайкин! В некоторых случаях удобно знать зависимость Uб-э от базового тока Iб. И, кроме того, при профессиональных расчетах параметров и режимов электронных узлов. Также для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, скажем…
При этом вводят такое понятие, как ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ:
rве(rбэ) = ΔUб-э/ΔIб | при Uк-э = const.
И, наконец, мы говорили, что B = Iк/Iб. Помните?
«А»: Да, но мы говорили не о B, а о β, насколько я помню?
«С»: А я именно потому и вернулся к этому вопросу! Повторение – мать учения! Итак, запишем:
β = ΔIк/ΔIб; B = Iк/Iб
«Н»: А что, между ними есть разница?
«С»: Да как не быть? Вот типовая зависимость коэффициентов статического и динамического усиления по току от величины коллекторного тока для маломощного транзистора (см. рис. 13.9).
Кстати, уточним на всякий случай, что:
β = ΔIк/ΔIб | при Uк-э = const!
«Н»: Ну, наконец, мы кое-что знаем о транзисторе!
«С»: Ты уверен? Информация к размышлению: полное количество параметров транзистора превышает СЕМЬСОТ!
«А»: Я не думал, что так много! Но ведь в практической схемотехнике применяется много меньше?
«С»: Немногим более двух десятков!.. Но, друзья мои, пора переходить к ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ параметрам транзистора!
«А»: Насколько я знаю, существует частотная зависимость коэффициента усиления по току для реальных транзисторов. И она определяется не в последнюю очередь их технологическими параметрами. Такими, как толщина базы, площади р – n-переходов и все такое прочее.
Ну и, кроме того, наличием паразитных емкостей.
«С»: Абсолютно верно! Я бы только сказал, что технологические параметры определяют высокочастотные свойства транзисторов В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ!
Полезно и даже необходимо принять во внимание еще несколько параметров. Например, fβ.
fβ – это частота, при которой коэффициент усиления транзистора по току уменьшается на 3 дБ. Наряду с fβ используется и частота fT. Это такая частота, при которой коэффициент усиления по току β = 1. Они связаны следующим соотношением:
fT = β∙fβ
Употребляется еще и такой параметр, как fs – граничная частота крутизны транзистора:
fS = 10∙fβ
Отмечают также и максимальную частоту генерации fmax, которая, примерно, вдвое выше, чем fT.
«А»: А что такое частота fα?
