ЛЕКЦИЯ ПЭ № 7 от 24.11. (ТЭ-ЭМ-15) и 02.12 (Э-15)-2016г
Биполярный и полевой транзисторы и их усилительные свойства
Биполярный транзистор (БПТ), принцип усиления.
Полевой транзистор (ПТ) и его усилительные свойства.
Усилительный каскад (УК) на БПТ
Билеты № 19, 20, 21.
Видеофайл: УК с общим эмиттером.
Биполярным транзистором (БПТ) называется П-пр прибор с двумя p-n переходами и тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), используемый для усиления, генерирования и преобразования эл. сигналов.
Существуют два типа БПТ - с электронной и дырочной проводимостью, у которых носители заряда соответственно электроны и дырки:
1) БПТ n-p-n (основные в эмиттере электроны, неосновные в базе-дырки)
2) БПТ p-n-p (основные в эмиттередырки, неосновные в базе-электроны).
Таким образом, в эмиттере всегда сконцентрированы основные, а в базе – неосновные носители заряда. Основные и неосновные одновре-менно создают токи в БПТ.
Эти два вида носителей заряда и определяют название «биполярный».
Фактически БПТ - это встречное соединение двух диодов: одного – в проводящем направлении (база – эмиттер), а другого – в обратном (кол-лектор - база), при этом на эмиттере полярность источника питания всег-да соответствует знаку заряда основных носителей, а на двух остальных электродах (базе и коллекторе) – всегда противоположная (см. рис. 1).
Рис1. Графический символ, структура и диодный эквивалент БПТ
Принцип усиления
Рис. 2. Упрощенная схема, характеризующая принцип усиления в БПТ
Например, в БПТ n-p-n (рис.2) (в котором на базе «+»), положительная полуволна входного сигнала Uвх добавляет положительный потенциал (плюс) на базе транзистора, повышая проводимость перехода база-эмит-тер и увеличивая ток базы Iб. Возникает инжекция - интенсивное введе-ние электронов из эмиттера (основной области) в базу (неосновную область) в виде эмиттерного тока 
. Но электроны этого тока не успева-ют рекомбинировать с дырками базы из-за ее малой толщины и опти-мально малой концентрации в ней дырок. Поэтому благодаря сильному полю источника ЕК мгновенно вступает в действие процесс экстракции - интенсивное втягивание этих электронов в положительно заряженный коллектор в виде коллекторного тока:
|
|
(1)
Усиление обусловлено тем, что экстрактируемый ток Iк, зависящий от большого напряжения питания Ек, во много раз больше малого инжекционного (управляющего) тока Iб в силу соответствующей несоразмерности величин напряжений Ек >>Еб. При этом выходное напряжение 
, отбираемое от источника питания Ек, синхронно изменяется по закону изменения входного сигнала Uвх и определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи в соответствии с уравнением (2), называемым выходной динамической характеристикой или нагрузочной прямой.
(2)
Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:
(3)
В усилителе на БПТ с дырочной электропроводностью, т.е. типа p-n-p, работа происходит аналогично, однако, все полярности на электродах транзистора противоположны. Простейшая схема рис.2 называется схемой с общим эмиттером. Название «с общим эмит-тером» и другими (с ОБ или ОК) означает, что данный электрод является общим для входной и выходной цепей УК, рис. 3.
Рис. 3. Упрощенные схемы трех включений БПТ (ОБ,ОЭ,ОК)
|
|
2
Полевой транзистор (ПТ) и его усилительные свойства.
Полевым транзистором (ПТ) называется П-пр. прибор с одним обратно смещенным p-n-переходом и тремя выводами – истоком, затвором и стоком, выходной ток которого обусловлен расширением или сужением p-n перехода за счет потенциала (поля) затвора.
В отличие от БПТ, в ПТ инжекции и экстракции нет, здесь носители заряда только одного типа: дырки в ПТ со структурой p-n, либо электроны в ПТ со структурой n-p, поэтому полевые транзисторы часто называют униполярными (рис. 4). Третье название ПТ – канальные, так как ток транзистора протекает в канале «исток-сток», поперечное сечение которого перекрывается за счет расширения поля затвора.
Основное же названию «полевой » обусловлено электрическим полем, возникающем за счет напряжения Uзи между затвором и истоком, который управляет током через канал.
Рис. 4. Структуры ПТ с каналами p и n - типов
Рис. 5. Схема включения ПТ в структурном виде
Процесс усиления сигнала
Отрицательная полуволна входного напряжения добавляет «минус» на затворе, (рис.5) и запирающий слой p-n-перехода расширяется, т.е. ширина n-канала уменьшается, что эквивалентно увеличению его сопротивления и прекращению протекания тока через канал от истока к стоку. При этом, как и в БПТ, небольшие управляющие напряжения на затворе вызывают большие изменения падения напряжения на сопротивлении нагрузки (в стоковой цепи), т.е. имеет место усиление входного сигнала. Аналогичная биполярному транзистору выходная харка имеет вид:
Uвых = Uси = Еси – Iс ∙ Rн
|
|
Этот принцип действия ПТ соответствует так называемому ПТ с управляющим p-n-переходом. Существуют также другие типы ПТ, например, типов МДП и МОП («металл-диэлектрик-полупроводник» и «металл-окисел-полупроводник»), структуры с индуцированными и встроенными каналами, диффузионными и изолированными затворами и т.д.
ПТ аналогично УК на БПТ может работать в трех схемах включения (рис.6):
Рис. 6. Схемы включения полевого транзистора:
а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком
3.
Усилительный каскад (УК) на БПТ
На практике чаще всего применяют УК на БПТ с общим эмиттером (ОЭ), имеющий наибольшее усиление и единый источник питания как для базовой (управляющей), так и коллекторной (выходной-нагрузочной) цепей (рис. 7). При этом делитель базового смещения на резисторах R1 и R2 совместно с эмиттерным резистором R4 и коллекторным резистором R3 обеспечивает выбор рабочей точки транзистора и её термостабилизацию в процессе работы УК.
Рис. 7. Усилительный каскад на БПТ в схеме с ОЭ
Работу и расчет типовой схемы УК на БПТ в учебной лит-ре произво-дят обычно с помощью статических и динамических вольтамперных ха-рактеристик (ВАХ) (рис. 8).
В основном используются входные Iб = f (Uбэ) и семейство выходных 
, (реже - проходные 
статические и динамические ВАХ, приводимые в справочниках.
В качестве входной динамической ВАХ обычно используется статическая при 
, например, при 
, что объясняется слабой зависимостью этих ВАХ от 
(рис. 7-а).
В качестве выходной динамической ВАХ в режиме малого переменного сигнала применяются нагрузочные прямые по постоянному току (рис. 8-б).
Рис. 8. Входная ДХ (а), выходные статические характеристики и «НП» (б)
В соответствии с рис. 8 процесс усиления можно представить следующей взаимосвязью электрических величин:
Видно, что входной сигнал с амплитудой 
синфазно изменяет величину Ik, что влечёт пропорциональное изменение IkRk и противо-фазное изменение коллекторного напряжения 
, причём амплитуда
(с учётом масштаба по оси абсцисс) значительно больше амплитуды напряжения на базе 
и имеет место усиление входного сигнала.
Рабочий режим и элементы схемы
В УК линейный режим (без искажений сигнала) задают выбором РТ на середине нагрузочной прямой (НП) так, чтобы равным отклонениям тока базы 
соответствовали равные отрезки НП.
При этом входной сигнал с амплитудами тока 
и напряжения 
вызывает изменения выходного сигнала с амплитудами тока 
и напряжения 
.
Рабочая точка (РТ) соответствует режиму:
Выходная цепь
постоянные составляющие тока и напряжения Iко = 3 мА; Uко = 3B;
переменные составляющие Iкмакс =4,8мА; Iкмин =1,2мА; Iкm =4,8мА; Uкмакс =4,5 В; Uкмин =1,5 В; Uкm = =1,5 В;
Входная цепь
постоянные составляющие тока и напряжения Iбо = 80 мкА; Uбо = 0,45B
переменные составляющие Iбмакс =120мкА; Iбмин =40мкА; Iбm =40мкА; Uбмакс =0,5 В; Uбмин =0,4 В; Uбm = =0,05 В;
Следует подчеркнуть, что верхнее пересечение НП координаты Iк = 6 мА соответствует значению 
, и оно учитывает общее сопротивление эмиттерной и коллекторной цепей:
.
Термостабилизация
В БПТ наблюдается значительный тепловой уход рабочей точки в процессе работы каскада. Поэтому термостабилизация РТ имеет существенное значение. Она создаётся протеканием тока отрицательной обратной связи (ООС) через эмиттерный резистор R4, который создаёт на базе напряжение ООС, компенсирующее тепловой уход РТ при повышении температуры p-n перехода БПТ. Действие термостабилизации можно представить в следующей функциональной взаимосвязи электрических величин: 
Величина Rэ обычно выбирается из соотношения:
где 
– минимальная амплитуда коллекторного напряжения;
– постоянный ток коллектора в выбранной РТ.
Для определения резисторов R1 и R2 базового смещения обычно задаётся величина коэффициента стабилизации 
, после чего рассчитываются основные величины элементов схемы, а также напряжений и токов в основных её точках; в соответствии с нижеприведенными соотношениями:
где 
– коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ (даётся в справочниках – обычно берут среднее значение);
– постоянное напряжение между базой и корпусом;
– постоянное напряжение между базой и эмиттером;
– ток эмиттера;
– ЭДС источника коллекторного напряжения.
Выбор конденсатора С2, шунтирующего эмиттерный резистор, определяют из соотношения:
1/ ωмин∙ С ≤ (0,1-0,2) Rк
Ток делителя и напряжение на базе определяют как:
4. БИЛЕТЫ№ 19, 20, 21.