Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 29 страниц)

Какие существуют схемы питания транзисторов с делителем напряжения?

Часто совместно с источником напряжения питания используется делитель из резисторов, обеспечивающий большую свободу при проектировании всей схемы смещения транзистора. Пример подачи смещения на МОП транзистор показан на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Схема питания для полевого МОП транзистора с использованием делителя напряжения

Резисторы R₁ и R₂ делителя в этом случае выбираются таким образом, чтобы получить требуемое U_зи, определяемое формулой

Эту же самую схему смещения можно применить также в случае биполярного транзистора, однако на практике при этом добавляются одновременно схемы стабилизации рабочей точки.

Что такое схемы стабилизации рабочей точки?

Это схемы, уменьшающие влияние изменений тока I_кбо коэффициента h_21э на ток коллектора I_к. Например, изменение тока I_кбо вызывает изменение полного тока, протекающего в цепи коллектора, и в результате происходит смещение рабочей точки транзистора, это в свою очередь влечет за собой изменение входного и выходного сопротивлений, изменение ширины полосы, нелинейных искажений, мощности потерь в транзисторе.

Изменение значений I_кбо и h_21э наблюдается под влиянием температуры транзистора, которая зависит как от температуры окружающей среды, так и от электрической мощности, выделяемой в транзисторе.

Схемы стабилизации обычно соединены со схемами питания транзистора, образуя чаще всего общую схему питания и стабилизации. Рассматриваемые до сих пор схемы питания не обеспечивали стабилизации рабочей точки транзистора. Эффективность стабилизации подсчитывают с помощью коэффициентов стабилизации S_ст, определяемых обычно как отношение приращения тока или стабилизированного напряжения к приращению тока I_кбо или коэффициента h_21э, вызванного ростом температуры, например

S_ст = ΔI_к/ΔI_кбо

Для простой схемы питания (без стабилизации) с учетом того, что I_к = h_21эI_б + (h_21э + 1)·I_кбо имеем S_ст = h_21э + 1, т. е. S_ст составляет десятки единиц, тогда как при идеальной стабилизации S_ст = 1.

На основе рассмотрения многих схем можно показать, что на практике стабилизация чаще всего сводится к поддержанию постоянных значений тока I_к и напряжения U_кэ.

Дополнительный выигрыш от использования большинства схем, стабилизирующих рабочую точку транзистора, является уменьшение влияния разброса параметров, имеющего место для отдельных экземпляров транзисторов одного типа, на работу транзисторной схемы.

Чем характеризуется схема питания со стабилизацией в цепи эмиттера?

На рис. 4.32 представлена схема питания со стабилизацией в виде резистора, включенного в цепь эмиттера. В схеме без резистора рост тока вызывает увеличение тока в цепи коллектора и увеличение падения напряжения на резисторе, находящемся в цепи базы, что вызывает более положительное смещение перехода и дальнейший рост токов эмиттера и коллектора. Введение резистора в цепь эмиттера препятствует росту токов, поскольку мгновенный рост тока вызывает увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно, увеличение напряжения, смещающего переход в непроводящем направлении. Это в свою очередь ведет к уменьшению роста тока и, следовательно, к его стабилизации на некотором, почти постоянном уровне.

В этом случае имеем следующие приближенные соотношения:

Эффективность стабилизации тем больше, чем выше отношение. Обычно стремятся к тому, чтобы достичь значения S_ст от нескольких единиц примерно до 10. Для больших значений S_ст рассчитываем по формуле S_ст ~= R_б/R_э.

Стабилизирующий резистор в цепи эмиттера часто шунтируется конденсатором большой емкости. При этом резистор влияет только на рабочую точку и ее стабильность и не вызывает уменьшения усиления схемы до тех частот, пока конденсатор обладает сопротивлением намного меньшим, чем резистор R_э.

Рис. 4.32. Схема питания со стабилизацией в цепи эмиттера

Обсуждаемую схему смещения часто называют схемой со стабилизацией на принципе эмиттерной связи.

Чем характеризуется схема стабилизации рабочей точки на основе коллекторной связи?

Такая схема представлена на рис. 4.33. В этом случае стабилизация основана на питании базы через резистор, включенный между коллектором и базой. Увеличение тока коллектора вызывает снижение потенциала на коллекторе и через резистор R_б изменение потенциала на базе так, что это вызывает уменьшение изменений тока коллектора.

Рис. 4.33. Схема питания транзистора со стабилизацией на принципе коллекторной связи

В этом случае справедливы следующие приближенные соотношения:

Сопротивление резистора R_б не может быть слишком малым, так как это вызывало бы уменьшение усиления по напряжению, поэтому следует выбрать компромисс между усилением и коэффициентом стабилизации.

Какие другие схемы стабилизации рабочей точки встречаются па практике?

Разработано много других решений, например одновременное использование эмиттерной и коллекторной связей, питание базы при использовании делителя и одновременном включении эмиттерного резистора, шунтированного конденсатором (рис. 4.34, а).

Рис. 4.34. Схема стабилизации тока коллектора с отрицательной обратной связью по постоянному току при подаче смещения на базу от делителя (а) и пример решения этой схемы (б)

Для этой схемы имеем следующие соотношения:

U_б= (R₂/(R₁ + R₂))·E_к; U_э = U_б– U_бэ ~= U_б

U_к = E_к – I_к·R_к; U_кэ = E_к – I_к·R_э – I_э·R_э

Коэффициент стабилизации при этом выражается формулой

Достоинством этой схемы является достаточно большая свобода при выборе сопротивлений резисторов и, кроме того, малая зависимость рабочей точки транзистора от коэффициента h_21э и его изменений.

На рис. 4.34, б представлен пример подобной схемы питания с указанием значений токов, напряжений и сопротивлений.

Помимо схем стабилизации, использующих резисторы, применяются также схемы, стабилизирующие положение рабочей точки транзистора, на основе элементов, обладающих зависимостью от температуры, например диодов (в частности, стабилитрона), термисторов, а также транзисторов. Схемы, в которых применяют подобные элементы, иногда называют компенсационными.

Как работает транзистор в диапазоне высоких частот?

При использовании транзистора для усиления сигналов высокой частоты возникают некоторые ограничения, связанные, со свойствами самого транзистора. Существенную роль играют сопротивления и емкости транзистора.

Параметры транзистора меняются в зависимости от частоты, и для высоких частот его эквивалентная схема усложняется. По мере роста частоты все большее значение приобретают пассивные составляющие полных проводимостей.

Для анализа работы транзистора в диапазоне высоких частот наиболее часто используют П-образную физическую модель (рис. 4.12,б и 4.35), и при проектировании высокочастотных транзисторных схем чаще всего используют его «четыре «четырехполюсниковые» параметры. Отдельные параметры для определенной частоты находят в справочниках из соответствующих графиков, представленных в функции частоты. Частотной зависимостью обладают также коэффициенты передачи тока h_21б и h_21э, с увеличением частоты их значения обычно убывают.

Рис. 4.35. Физическая модель транзистора в диапазоне высоких частот с примерными значениями параметров

Какие параметры транзистора определяют его пригодность для работы в высокочастотных схемах?

Имеется несколько таких параметров. Самыми важными являются предельные частоты транзистора f_h11, f_гр, f_T, а также f_max. указываемые в каталогах или справочниках.

Частоты f_h11 и f_гр определяют частоты, на которых значение h_21б или h_21э падают на 3 дБ по отношению к своему значению в области низких частот. С учетом П-образной физической модели имеем следующие приближенные формулы:

f_h11 ~= 1/2π·r_б'э·С_б'э; f_гр = f_h11(1– h_21б)

Частота f_T (или f₁) соответствует падению коэффициента h_21э до значения, равного единице:

f_T = f₁ ~= f_гр·h_21э

Часто f_max определяет максимальную частоту, на которой коэффициент передачи по мощности не меньше единицы. Это – максимальная частота генерации, которая выражается приближенной формулой

Легко видеть, что предельные частоты f_h11, f_гр тем больше, чем меньше произведение (постоянная времени) r_б'эС_б'э. Максимальная частота работы транзистора f_max зависит от постоянной времени r_б'бС_б'э, влияние которой становится заметным для частот, лежащих выше f_h11. При работе в диапазоне высоких частот важную роль играет также проводимость y₁₂. Она должна быть как можно меньше.

Каковы шумовые свойства транзисторов?

Шумы транзисторов обусловливаются тепловыми, дробовыми и структурными шумами. Источником тепловых шумов являются распределенные сопротивления полупроводника. Для биполярного транзистора решающее значение имеет величина r_б. Дробовые шумы связаны с флуктуациями прохождения носителей зарядов через переходы. Структурные шумы образуются шумами поверхностной рекомбинации и шумами утечки коллектора.

Шумы зависят от частоты, выбора рабочей точки, сопротивления источника сигнала. Обычно шумы растут с ростом тока I_к.

В биполярном транзисторе в диапазоне низких частот преобладают структурные шумы, в диапазоне средних частот шумы почти не зависят от частоты, в диапазоне высоких частот шумы растут с увеличением частоты. При больших значениях внутреннего сопротивления источника сигнала шумы возрастают, если сопротивление возрастает.

В полевых транзисторах шумы обычно меньше, чем в биполярных. В частности, дробовые шумы очень малы, если ток затвора минимален. Кроме того, полевой транзистор может работать с источником сигнала с высоким внутренним сопротивлением, имея при этом очень малые шумы.

На чем основывается работа транзистора при большом сигнале?

Рассмотрение работы транзистора при большом сигнале сталкивается с рядом трудностей. Следует помнить, что физические модели транзисторов были разработаны при упрощающих предположениях, которые перестают быть справедливыми при большом сигнале. Его h– и y-параметры определяются только через малые приращения токов и напряжений и не определяют свойств транзистора для большого сигнала. В этой ситуации при использовании транзисторной схемы, предназначенной для работы в режиме большого сигнала, можно использовать лишь статические характеристики.

При выборе положения рабочей точки, помимо стремления получить малые искажения, в схемах, работающих при большом сигнале, особенно для усилителей мощности, часто учитывается мощность, потребляемая от источника питания, и мощность, рассеиваемая в транзисторе.

Что такое усилители классов А, В, С?

Как уже подчеркивалось, усилители малых сигналов обычно работают в режиме, рабочая точка которого расположена вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой. В усилителях больших сигналов в зависимости от положения рабочей точки различают режимы классов А, В, АВ и С.

Работой в классе А (рис. 4.36) называют режим работы, при котором положение рабочей точки таково, что выходной ток протекает в течение времени длительности переменного входного сигнала, т. е. в течение всего периода. В классе В выходной ток протекает только в течение полупериода входного колебания. При отсутствии входного колебания выходной ток, соответствующий рабочей точке, почти равен нулю и в транзисторе выделяется очень малая мощность. Промежуточное положение рабочей точки между режимами А и В соответствует классу АВ. В классе С выходной ток протекает в течение времени, меньшего чем полупериод.

Очевидно, что наименьшие искажения сигнала имеют место в классе А, наибольшие – в классе С[14]14
  Искажения зависят от типа усилителя. В двухтактном усилителе мощности малые искажения можно получить при работе в классе В. В резонансном усилителе даже в классе С искажения могут быть малыми.


[Закрыть]. Эффективность схемы наибольшая в классе С, наименьшая – в классе А.

Рис. 4.36. Работа транзистора в классе А (а) и классе В (б)

Зачем транзисторы иногда размещают на радиаторах?

Рабочая температура транзистора имеет ограниченное значение, обычно зависящее от температуры коллекторного перехода.

Для кремниевых транзисторов максимальная температура перехода лежит в интервале 150–200 °C. Температура перехода зависит от выделяемой в транзисторе мощности, температуры окружающей среды и эффективности излучения тепловой энергии транзистором и платой, на которой он закреплен. Увеличение полезной мощности, полученной на выходе транзистора, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Рассеиваемая мощность не может превышать допустимую для полупроводникового элемента. Однако допустимую мощность можно повысить, увеличив излучение тепловой энергии.

Для этого транзистор часто размещают на металлическом элементе с как можно большей поверхностью, увеличиваемой путем создания ребер. Подобные элементы, отбирающие тепловую энергию от транзистора и излучающие ее в окружающую среду, называются радиаторами. Применение радиатора позволяет получить от данного транзистора большую мощность, чем при работе без радиатора.

Какие существуют области работы транзистора?

Существуют три такие области, зависящие от смещения переходов. При работе транзистора как усилителя малых сигналов эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это – активная область работы (рис. 4.37), в которой транзистор приближенно можно считать линейным активным элементом и пользоваться параметрами, приводимыми в справочниках.

Область, в которой как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. В этой области ток коллектора минимален (I_к = I_к0), а напряжение на коллекторе максимально.

Областью насыщения называется область, в которой эмиттерный и коллекторный переходы смещены в проводящем направлении. Коллекторный ток достигает насыщения, напряжение на коллекторе имеет очень малое значение. В этой области входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ очень мало, благодаря чему достигается большое постоянство амплитуды выходного колебания, не зависящее от изменения входного сигнала.

Рис. 4.37. Области работы транзистора:

_{1 – область насыщения; 2 – активная область; 3 – область отсечки}

Как работает транзистор в режиме переключения?

Транзистор, работающий при малых сигналах, остается все время в активной области. Если сигнал достаточно велик, мгновенная рабочая точка транзистора может проходить через три области: отсечки, активную и насыщения. Тогда говорят, что транзистор работает в режиме переключения. Подобные условия работы наблюдаются очень часто в схемах импульсной техники (см. гл. 10) и схемах цифровой техники (см. гл. 12).

При работе с импульсным сигналом важным практическим вопросом в большинстве случаев является определение скорости, с которой может нарастать выходной ток, когда ко входу подводится сигнал с большой крутизной. Скорость зависит от источника управляющего сигнала (амплитуды и внутреннего сопротивления), цепи между источником и транзистором, управляющей цепи, а также от свойств самого транзистора и выбора его рабочей точки.

С точки зрения свойств транзистора можно показать, что скорость нарастания фронтов выходного сигнала будет тем большей, чем больше предельные частоты транзистора и чем меньше постоянные времени r_б'бС_б'к и r_э'бС_э'б. В случае работы при больших сигналах дополнительное влияние оказывают явления, происходящие в полупроводнике при переходе из состояния насыщения в состояние отсечки и обратно.

Работа транзистора в режиме переключения представлена на рис. 4.38.

Рис. 4.38. Работа транзистора в режиме переключения: схема (а) и формы импульса входного напряжения (б), тока базы (в), напряжения эмиттер – база (г), тока коллектора (д), напряжения коллектор – эмиттер (е)

На транзистор, находящийся первоначально в состоянии отсечки, подается управляющий прямоугольный импульс большой амплитуды, который вызывает переход в состояние насыщения перехода эмиттер – база. Ток коллектора нарастает с задержкой, зависящей не только от параметров транзистора, но и от степени управления (глубины насыщения). Крутизна выходного импульса будет тем большей, чем больше возбуждение, т. е. чем больше токи базы. Однако при этом происходит расширение импульса, поскольку выходной импульс еще «длится», несмотря на исчезновение входного импульса. Процесс обусловлен наличием в базе в состоянии насыщения высокой концентрации неосновных носителей, тогда как изменение смещения перехода коллектор – база при переключении из состояния насыщения в активную область требует небольшой концентрации этих носителей.

На это требуется некоторое время, зависящее, в частности, от глубины насыщения и длительности входного сигнала, а также от свойств транзисторов. В справочниках по транзисторам приводятся некоторые данные, определяющие время включения и выключения.

Время включения является суммой времени задержки t_з и времени нарастания t_н, а время выключения – суммой времени накопления (рассасывания) t_р и времени среза t_с. Время включения и выключения связано и с другими параметрами транзистора. Например, чем частота f_т больше, тем эти времена меньше. Рост емкости С_22б увеличивает время включения и выключении. Работа при большом токе коллектора увеличивает время нарастания и спада, но сокращает время накопления. Возрастание тока базы вызывает уменьшение времени включения, но увеличение времени выключения. Работа при малом токе базы, обеспечивающем работу вне области насыщения, связана также с малым коэффициентом передачи транзистора по току.

С точки зрения управления транзистора различают управление током, напряжением и зарядное управление.

Что такое управление транзистора током, напряжением и зарядом?

Управлением транзистора по току называется управление входной цепью от источника с большим внутренним сопротивлением по сравнению с входным сопротивлением транзистора, а управлением по напряжению – от источника с малым внутренним сопротивлением. При управлении по току и напряжению скачкообразное изменение тока базы не вызывает мгновенного изменения тока коллекторе.

Наибольшую крутизну выходного колебания, т. е. наименьшее гремя фронта, можно получить при управлении зарядом (рис. 4.39).

Оно состоит во введении инжекции в базу требуемого заряда сразу, целиком, а не на принципе постепенного накопления этого заряда, как, например, это имеет место в случае управления при постоянном токе базы. Это осуществляется, в частности, путем использования цепи с ускоряющим конденсатором (иначе – компенсационным); импульс, связанный с наличием емкости во входной цепи, вводит в базовую область такой заряд в начальный момент, что ток коллектора очень быстро достигает своего установившегося значения.

Рис. 4.39. Управление транзистора зарядом: схема (а) и формы изменения управляющего напряжения (б), тока базы (в) и тока коллектора (г)

Как обозначаются транзисторы?

Существуют различные обозначения, которые зависят от страны и изготовителя. В иностранкой литературе чаще всего встречаются буквенно-цифровые обозначения с двумя либо тремя буквами в начале. Наиболее распространена система обозначений, в которой первая буква обозначает тип полупроводника: А – германий; В – кремний. Вторая буква обозначает тип элемента: С – транзистор маломощный низкочастотный; D – транзистор мощный низкочастотный; F – транзистор маломощный высокочастотный; L – транзистор мощный высокочастотный; S – транзистор для переключающих схем; U – транзистор мощный для переключающих схем. Определение «маломощный» обычно соответствует мощности P_мах <= 0,3 Вт; определение «низкочастотный» обозначает, что для данного транзистора граничная частота f_т <= 3 МГц (или f_т <= 2,5 МГц). Третья буква обозначает применение транзистора, указанное изготовителем.

_{В СССР используется буквенно-цифровая маркировка транзистора. В зависимости от назначения и используемого при изготовлении транзисторов материала первая буква или цифра обозначает тип полупроводника: 1 или Г – германий; 2 или К – кремний; 3 или А – арсенид галлия. Буква соответствует применению в аппаратуре широкого, а цифра – специального назначения.}

_{Второй элемент классификация (маркировки) обозначает тип транзистора: T – биполярный; П – полевой.}

_{Третий элемент назначения определяет назначение транзистора по частотным и мощностным свойствам (табл. 4.1).}

_{Четвертый и пятый элементы – номер разработки транзистора, обозначается цифрами от 01 до 99.}

_{Шестой элемент обозначения – буквенной от А до Я. Показывает разделение транзисторов данного типа по классификационным параметрам. Например, транзистор КТ605А – кремниевый, биполярный, средней мощности, высокочастотный. номер разработки 0,5, группа А с классификационным параметром h21э от 10 до 40. — Прим. ред.}

Таблица 4.1

_{Транзистор…Третий элемент маркировки транзистора}

_{____________________________________________}

– Малой мощности (до 0,3 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 1

• средние частоты 3—30 МГц… 2

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 3

– Средней мощности (0,3–1,5 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 4

• средние частоты 3—30 МГц… 5

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 6

– Большой мощности (более 1,5 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 7

• средние частоты 3—30 МГц… 8

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 9

В справочниках помимо обозначения транзистора часто указываются тип корпуса и эскиз расположения электродов. Корпуса защищают структуру транзистора от механических повреждений, загрязнений, влияния влаги, упрощают отвод тепла, облегчают монтаж транзистора. Применяются корпуса металлические, стеклянные, керамические и из искусственных материалов. Расположение электродов зависит от типа используемого корпуса.