Текст книги "Шпаргалка по общей электронике и электротехнике"

Автор книги: Ольга Косарева

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

15. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, и, следовательно, основным назначением большинства диодов является выпрямление переменного тока.

В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети трансформатора. Роль нагрузочного резистора, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются выпрямителем. При выпрямлении токов высокой частоты, например в детекторных каскадах радиоприемников, генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а специально включенный нагрузочный резистор имеет большое сопротивление.

Применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его величиной при отсутствии конденсатора. Весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимым. Происходит тепловой пробой диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от величины тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение на нем составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямителей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными диодами. При выпрямлении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае потеря напряжения около 1В на самом диоде не имеет существенного значения.

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше тепла, создающего вредное нагревание других деталей, расположенных вблизи. Также полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение не более сотен вольт, а у высоковольтных кенотронов оно может быть до десятков киловольт.

Полупроводниковые диоды могут применяться в любых выпрямительных схемах. Если сглаживающий фильтр выпрямителя начинается с конденсатора большой емкости, то при включении переменного напряжения на заряд конденсатора происходит импульс тока, часто превышающий допустимое значение прямого тока данного диода. Поэтому для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением порядка единиц или десятков Ом.

В полупроводниковых диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока. Эти импульсы возникают по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость р-п-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит рассасывание неосновных носителей, накопившихся в п– и р-областях. Практически вследствие неодинаковости концентраций примесей в этих областях главную роль играет больший заряд, накопившийся в одной из областей.

16. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. Транзисторы могут иметь разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п-пе-реходами. Эти транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода – эмиттерный между эмиттером и базой и коллекторный между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрон, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является важнейшим условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, обычно концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. С помощью металлических электродов от базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. (

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получается в случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. В частности, он используется в большинстве усилителей и генераторов.

В практических схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную цепь включают нагрузку.

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются их статическими характеристиками, т. е. характеристиками, снятыми на постоянном токе и при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому они аналогичны характеристике обратного тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.

Существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают, как изменяется напряжение на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при условии, что входной ток постоянен.

17. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

Рассмотрим, как работает транзистор в статическом режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточен источник с напряжением порядка десятых долей вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение обычно составляет единицы или десятки вольт.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на ток коллектора: чем больше напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, входное напряжение управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явлению диффузии проникают сквозь базу в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в области этого перехода получаются объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этой рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Вследствие рекомбинации какое-то количество дырок каждую секунду исчезает, но такое же количество новых дырок каждую секунду возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника такое же количество электронов. В базе не может происходить накопления какого-то большого количества электронов. Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы ток базы был как можно меньше. Для этого базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. При выполнении этих условий меньшее количество электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Данное одному из электродов название «эмиттер» подчеркивает, что электроны как бы эмитируют из этого электрода в базу. На самом же деле происходит не эмиссия, а инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение этого термина необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются электроны в вакууме или разреженном газе.

Эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем в эмиттерном.

18. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд выходного или входного переменного токов, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току получается порядка десятков.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – эмиттер».

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитуд выходного и входного переменных напряжений. Входным является напряжение «база – эмиттер», а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки или между коллектором и эмиттером.

Схема с общей базой дает значительно меньшее усиление мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с общим эмиттером, все же ее применяют довольно часто, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току каскада с общей базой всегда несколько меньше единицы. Это вытекает из того, что ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Важнейшим параметром транзисторов является статический коэффициент усиления по току для схемы с общей базой. Он определяется для режима без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – база».

Для схемы с общей базой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Схема с общим коллектором. В ней действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротким замыканием. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения «база – эмиттер» и выходного напряжения.

Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером, т. е. имеет величину порядка десятков. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее.

Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему по величине. То есть выходное напряжение повторяет входное.

19. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости очень большое, коллекторное сопротивление также очень велико и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток в резисторе соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются выходное напряжение и выходная мощность.

Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттер-ного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах. Практически на менее высоких частотах емкость, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора, на который могла бы влиять емкость, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости в большинстве случаев можно не рассматривать.

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-p-n, совершают в базе диффузионное движение и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах получается порядка 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но при частотах порядка единиц и десятков мегагерц и выше оно вызывает заметный сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера. За счет такого сдвига фаз на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току.

Обозначим коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером в, а коэффициент усиления по току для схемы с общей базой б.

При повышении частоты в уменьшается значительно сильнее, чем б. Коэффициент б снижается от влияния емкости, а на величину в влияет еще и сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельно допустимым уменьшение величин б и в на 30 % по сравнению с их значениями на низких частотах.

Те частоты, на которых получается такое снижение усиления, называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером.

Помимо предельных частот усиления, транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации, при которой коэффициент усиления по мощности каскада снижается до 1.

На высоких частотах происходит не только изменение величин б и в. Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания зарядов в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяют свою величину и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше.

20. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы, как и полупроводниковые диоды, применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы с общим эмиттером. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки. Обычно до поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии. В цепи коллектора проходит малый ток, и, следовательно, эту цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.

Если на вход подан импульс тока с максимальным значением, то транзистор переходит в область насыщения. Получается импульс тока коллектора с максимальным значением. Иногда его называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на резистор, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение порядка десятка долей вольта, обычно называемое напряжением насыщения.

Если импульс входного тока будет меньше максимального значения, то импульс тока коллектора тоже уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх максимального значения уже не дает возрастания импульса выходного тока.

Импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току, который в отличие от в определяется не через приращение токов, а как отношение токов, соответствующих режиму насыщения.

Иначе говоря, в является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а коэффициент усиления по току относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по величине несколько отличается от в.

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения. Величина сопротивления насыщения у транзисторов, предназначенных для импульсной работы, обычно бывает порядка единиц, иногда десятков Ом.

Аналогично рассмотренной схеме с общим эмиттером работает в импульсном режиме и схема с общей базой.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока будет иметь почти такую же длительность и форму, как входной импульс. Но при коротких импульсах может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длительности.

Постепенное увеличение тока связано с процессом накопления носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости своего диффузионного движения и не все сразу достигают коллектора. После окончания входного импульса за счет процесса рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время, а затем постепенно спадает в течение времени спада. Следовательно, замедляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

21. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготовления, применяемым материалам, особенностям работы, назначению, мощности, диапазону рабочих частот и по другим признакам. Точечные транзисторы, исторически бывшие первыми, теперь не применяются. Рассмотрим плоскостные транзисторы. В качестве полупроводников для транзисторов, выпускаемых промышленностью, применяются германий и кремний. По предельной мощности, выделяемой в коллекторном переходе, различают транзисторы малой, средней и большой мощности. В зависимости от предельной рабочей частоты транзисторы бывают низкочастотные (до 3 МГц), средней частоты (от 3 до 30 МГц) и высокочастотные (выше 30 МГц).

У подавляющего большинства транзисторов основным физическим процессом является инжекция носителей, но имеется группа транзисторов, работающих без инжекции. К ним, в частности, относятся полевые (канальные) транзисторы. Транзисторы с инжекцией могут иметь различное число p-n-пере-ходов.

Исключительно широкое распространение получили биполярные транзисторы, имеющие два p-n-пере-хода. Различают два вида таких транзисторов: дрейфовые, в которых перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется главным образом посредством дрейфа, т. е. под действием ускоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такой перенос осуществляется главным образом посредством диффузии.

Бездрейфовые транзисторы имеют во всем объеме базы одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля и но– сители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот, нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору. Поэтому повышаются предельная частота и коэффициент усиления по току. Чаще всего электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей в объеме базы, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления p-n-переходов. Транзисторы, изготовленные таким методом, называют диффузионными.

Бездрейфовые транзисторы в большинстве имеют сплавные переходы, полученные по такой технологии, как у диодов. Эти транзисторы принято называть сплавными. В основную пластинку полупроводника с двух сторон вплавляются примеси, образующие эмиттерную и коллекторную области. Так как на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, то он обычно имеет значительно большие размеры, чем эмиттерный переход. Однако могут быть изготовлены и симметричные сплавные транзисторы, у которых оба перехода одинаковы.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Под действием ускоряющего поля носители гораздо быстрее движутся в базе. При изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным и тогда его емкость гораздо меньше, чем у сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления б и в значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Метод диффузии позволяет изготавливать транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.