БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Рабочий режим, т.е. режим усиления транзисторов - это режим, когда транзистор работает с нагрузкой в выходной цепи. На рисунке 3.1 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n. Данную схему принято называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. В отличие от других схем включения транзистора (ОБ и ОК) схема ОЭ обладает усилительными свойствами и по току, и по напряжению, и, следовательно, дает наибольший коэффициент усиления по мощности. Именно поэтому мы будем рассматривать в данном случае расчет работы транзистора в схеме ОЭ.
Рисунок 3.1 - Схема усилительного каскада
Входное переменное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база-эмиттер. На базу подано также положительное (для n-p-n -транзистора) от источника E, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. Чтобы не происходила потеря входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости. Таким образом, напряжение на участке база-эмиттер транзистора
UБЭ = UБЭ0 + UmБЭ cos w t. (3.1)
Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2.
Для получения усиленного входного напряжения в эту цепь включен резистор Rк источник Е2 зашунтирован конденсатором, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2. Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением Rк и участком коллектор-эмиттер транзистора.
E2 = UR + UКЭ = iК RК + UКЭ. (3.2)
При отсутствии переменного сигнала во входной цепи в выходной цепи течет постоянный ток коллектора
|
|
iК = IК0 (3.3)
и напряжение коллектор-эмиттер остается постоянным
uКЭ = UКЭ0 = E2 – IК0 RК = E2 – UR0. (3.4)
Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток коллектора:
iК = IК0 + ImК cos wt. (3.5)
При этом переменное напряжение на резисторе Rк может быть в десятки раз больше, чем входное переменное
UR = UR0 + UmR cos w t. (3.6)
Изменения тока коллектора во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником E2.
Напряжение на выходе схемы
UВЫХ = UКЭ = UКЭ0 - UmКЭ cos w t. (3.7)
Перейдем теперь к графоаналитическому расчету рабочего режима транзистора. Этот метод является наиболее точным, так как он проводится по вольт-амперным характеристикам и учитывает нелинейные свойства транзистора. Кроме того, графоаналитический метод позволяет сделать наиболее полный расчет: в нем определяются величины, связанные не только с переменными, но и с постоянными составляющими токов и напряжений.
Описание методики и последовательности будем сопровождать примером, в котором произведем расчет рабочего режима n-p-n -транзистора КТ201А.
Исходными данными для расчета являются параметры схемы: Е2, RК и амплитуда входных колебаний Imб. Поскольку входным для транзистора является переход эмиттер-база, который в активном режиме смещен в прямом направлении, то входное сопротивление схемы мало, источник колебаний работает в режиме, близком к режиму генератора тока, поэтому в исходных данных указывается не входное напряжение, а входной ток. При необходимости их можно пересчитать по закону Ома, зная входное сопротивление транзистора. При этом необходимо учитывать, что входные сопротивления транзистора переменному и постоянному токам имеют различные значения. Их можно определить для заданной рабочей точки по входным вольт-амперным характеристикам подобно тому, как это указывалось для диода, смещенного в прямом направлении
|
|
UmВХ = RВХ ДИФ ImВХ » h11 ImВХ ; (3.8)
UБЭ0 = RВХ 0 IБ0. (3.9)
Задаемся исходными данными для расчета
E2 = 10В, Rк = 330 Ом, Imб = 0,1 мА (3.10)
Расчет начинается с построения рабочей характеристики, называемой линией нагрузки. Преобразуем уравнение (3.2) к виду
(3.11)
Это уравнение первой степени, следовательно, линия нагрузки представляет собой прямую линию, которую проще всего строить по двум точкам пересечения с осями координат:
1. iК =0, UКЭ = E2 (3.12)
2. UКЭ =0, iК = E2 / RК (3.13)
Для заданных исходных данных (3.10) строим выходную рабочую характеристику (рисунок 3.2)
1. iК =0, UКЭ = E2 =10 В точка N (3.14)
2. UКЭ =0, iК = E2 / RК = 10 В / 330 Ом = 30 мА точка М (3.15)
Рабочую точку ИРТ наносим на пересечении линии нагрузки со статистической характеристикой, соответствующей заданному режиму Iбо =300мкА =const (рисунок 3.2). После этого определяем состояние выходной цепи в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала)
Iко = 15 мА, Uкэо = 5 В (3.16)
и мощность Рко, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя
|
|
Pко = Iко Uкэо ≤ Pк.max, (3.17)
которая должна быть меньше максимально допустимой рассеиваемой мощности.
Для рассматриваемого примера
Pko = Iko Ukэо = 15мА 5В =75мВт. (3.18)
По справочным данным определяем, что для транзистора КТ201А постоянная рассеиваемая мощность коллектора при t = -600С…+900С составляет Pk.max =150 мВт, что удовлетворяет расчетам. Следовательно, нет необходимости применять дополнительные меры теплоотвода.
Рисунок 3.2 – Линия нагрузки биполярного транзистора
Часто для проверок режима работы транзистора строят кривую Pк.max=сonst, ограничивающую область допустимых режимов транзистора. Из уравнения (3.17) видно, что эта кривая представляет собой гиперболу
. (3.19)
Построим кривую допустимых режимов работы транзистора КТ201А для Pк.max=150мВт (рисунок 3.2). Видно, что выбранный режим работы является допустимым.
По заданной амплитуде входного сигнала Imб находим точки находим точки т.А и т.В максимального отклонения от положения ИРТ (рисунок 3.3). Эти точки находим на пересечении линии нагрузки со статистическими характеристиками
т. А: при Iба = Iбо+Imб = 400 мкА (3.20)
т. В: при Iбв = Iбо-Imб = 200 мкА (3.21)
По проекции рабочего участка на оси координат (на ось коллекторного тока и на ось напряжения коллектор-эмиттер) определяется амплитуды переменных составляющих выходного тока и выходного напряжения
ImК = (IКа - IКб) / 2 = (22,5 мА –7,5мА) /2 =7,5 мА (3.22)
UmКЭ = (UКЭб - UКЭа) /2 = (7,5 В – 2,5 В) / 2 = 2,5 В (3.23)
После этого можно найти выходную мощность
Pвых = 0.5 Imк Umkэ; (3.24)
Pвых = 0,5 7,5 мА 2,5 В = 9,375 мВт. (3.25)
Рисунок 3.3 – Определение амплитуд выходного тока и напряжения
Графо-аналитический расчет режима усиления проводится при достаточно большом уровне сигнала. При малых амплитудах колебаний, когда их нельзя показать на характеристиках и графоаналитический расчет невозможен, приходится выполнять расчет режима усиления с помощью малосигнальных параметров.
4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Полевые транзисторы получают все более широкое распространение как в качестве дискретных элементов, так и в качестве элементов и компонентов интегральных микросхем. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, обусловленное очень малым током затвора.
Существуют следующие разновидности полевых транзисторов:
- полевые транзисторы с р-n переходом (рисунок 4.1,а,б);
- полевые транзисторы с изолированным затвором, которые также называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник), в свою очередь, подразделяются на:
а) МДП - транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 4.1, в, г,)
б) МДП - транзисторы со встроенным каналом (рисунок 4.1, д, е,)
Рисунок 4.1 – Условное графическое обозначение полевых транзисторов
Полевые транзисторы бывают с каналом р- типа (рисунок 4.1 а,в,д,) и с каналом n-типа (рисунок 4.1,б,г,е). Различие состоит в знаке используемых подвижных носителей заряда. При включении транзисторов с различными каналами в схемы, полярность подключения источников питания у них противоположная.
Ток утечки затвора, как уже отмечалось, очень мал. Например у транзистора КП103 Iз.ут≤20нА (при Uси=0 В, Uзи=10 В), у транзистора КП301 Iз.ут≤0,3нА (при Uзи=-30 В).
Поэтому входные характеристики полевых транзисторов не рассматриваются
IВХ = f(UВХ) или IЗ = f(UЗИ) (4.1)
Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стоко-затворные или переходные, проходные) характеристики выражающие зависимость
IВЫХ = f (UВХ) при Uвых = const, (4.2)
IС = f (UЗИ) при Ucи = const.
Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому чаще пользуются выходными характеристиками.
Выходные характеристики (стоковые) выражают зависимость (рисунок 4.2)
IВЫХ = f (UВЫХ) при Uвх = const, (4.3)
IС = f (UСИ) при Uзи = const.
Они показывают, что с увеличением Uси ток стока Ic сначала довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, в области, которую не совсем удачно называют областью насыщения (на рисунке 4.2 отмечено пунктиром).
Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения. Запирающее напряжение затвора (при котором ток стока равен нулю Iс= 0) называют напряжением отсечки.
Типовые вольт-амперные характеристики представлены на рисунках 4.3-4.5.
На рисунке 4.3 - планарный полевой транзистор КП601 с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. На рисунке 4.4 - кремниевый эпитаксиально планарный полевой транзистор КП717 с изолированным затвором индуцированным каналом (с обогащением канала) n-типа. На рисунке 4.5 - диффузионно-планарный МДП- транзистор КП305 со встроенным канатом n-типа.
Рисунок 4.2 - Выходная характеристика транзистора КП103
Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основным параметром является.
S - крутизна, отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком
S = ΔIС / ΔUЗИ при Uси = const. (4.4)
Рисунок 4.3 - Полевой транзистор КП601
Рисунок 4.4 - Полевой транзистор КП717
Вторым параметром является: Ri - внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление представляющее собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока,
Ri = ΔUСИ / ΔIС при Uзи = сonst. (4.5)
На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току Ro
R0 = UСИ0 / IС0. (4.6)
Рисунок 4.5 - Полевой транзистор КП305
Следующий важный параметр - коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока
μ = - ΔUСИ /ΔUЗИ при Iс = const. (4.7)
Коэффициент усиления m выражается отношением таких изменений ∆Uси и ∆Uзи, которые компенсируют друг друга по действию на ток стока Iс, в результате чего этот ток остаётся постоянным. Так как для подобной компенсации ∆Uси и ∆Uзи должны иметь разные знаки (например, увеличение Uси должно компенсироваться уменьшением Uзи, то в правой части формулы (4.7) стоит знак "минус". Иначе, вместо этого можно взять абсолютное значение правой части, т.e. m >0. Коэффициент усиления m связан с параметрами Ri и S простой зависимостью
m=SRi. (4.8)
К параметрам полевого транзистора, которые, как правило, указываются в справочной литературе, относятся:
Iс.нач - начальный ток стока, ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения;
Iс.оcт - остаточный ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки;
Iз.ут - ток утечки затвора, ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой;
Iзио - обратный ток перехода затвор-исток. при разомкнутом выводе, ток, протекающий по цепи затвор-исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми выводами.
Uзиотс - напряжение отсечки полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или МДП транзистора со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;
Uзипор- пороговое напряжение полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком МДП - транзистора с индуцированным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;
Rсuoтк - сопротивление сток-исток в открытом состоянии транзистора, сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток, меньшем напряжения насыщения.
Указанные параметры можно определить экспериментально либо по статистическим вольт-амперным характеристикам. В справочниках нередко приводят только один из видов характеристик. Чаще всего стоковые характеристики Ic=f(Ucи) при Uзи=const.
Рассмотрим пример построения семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const для полевого транзистора КП312Б (рисунок 4.6,а,б). Графическими построениями находим значения токов и напряжений и заносим в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 - Построение семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const
| Uзи, В | -0,25 | -0,5 | |||
| Из рисунка 4.6,а | Uси = 0,4В | Iс, мА | 1,1 | 0,75 | 0,55 |
| Uси =1,2 В | Iс, мА | 2,2 | 1,4 | ||
| Uси =1,6 В | Iс, мА | 2.4 | 1,6 | 1,1 | |
| Из рисунка 4.6,б | Uси =5 В | Iс, мА | 2,8 | 1,9 | 1,3 |
| Uси =10 В | Iс, мА | 1,3 | |||
| Uси =15 В | Iс, мА | 1,3 |
По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих зависимость Ic=f(Uзи) при Uси =const (рисунок 4.6,в). Если в справочнике приведены только стоко-затворные характеристики Ic=f(Uзи) при Uси =const, то, используя их, можно построить семейство выходных характеристик.
Рассмотрим пример построения семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const. по известному семейству стоко-затворных характеристик транзистора КП601 (рисунок 4.7,а). По графикам определяем значения токов и напряжений и заносим в таблицу 4.2.
 |
Рисунок 4.6 - Построение семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const
Таблица 4.2 - Построение семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const
| Uси, В | 0,5 | ||||||
| Uзи=-8В | Iс, мА | ||||||
| Uзи=-4В | Iс, мА | ||||||
| Uзи=-2В | Iс, мА | ||||||
| Uзи=0В | Iс, мА |
По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих стоко-затворные характеристики Ic=f(Uзи) при Uси = const (рисунок 4.7,б).
Рисунок 4.7 - Построение семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const
Рассмотрим пример определения параметров S, Ri, μ и Rо транзистора КП10З по выходным стоковым характеристикам.
Задаем режим работы транзистора по постоянному току (задаем положение исходной рабочей точки)
Ucио=-8В, Uзио = 1В. (4.9)
Наносим положение ИРТ на характеристику Uзи=1В=const при
Uси =-8В и определяем (рисунок 4.8) ток стока:
Iсо = 0,4 мА. (4.10)
Рисунок 4.8 - Определение параметра S
Определение параметра S
В соответствии с формулой (4.4) для выполнения условия Ucи = const выше и ниже ИРТ на характеристике Uзи = 0,5В и Uзи=1,5 В выберем две точки, для которых Uси =-8В (рисунок 4.8)
Для т.А: Uзиа = 0,5В; Iса=0,8мА; Ucиа=-8В.
Для т.В: Uзив = 1,5В; Iсв = 0,15 мА; Ucив = -8В. (4.11)
Для ИРТ: Uзио = 1,0В; Iсо = 0,4 мА; Ucио = -8В.
Как видно, для всех трех точек выполняется условие Ucи =-8 В = const. По графикам (рисунок 4.8) определяем приращения ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и находим крутизну S:
S=ΔIС/ΔUЗИ │при Uси=const = (Iса–Iсв)∕(Uзив–Uзиа)=
=(0,8мА-0,15мА)∕(1,5В-0,5В)=0,65мА∕В. (4.12)
Согласно справочным данным для транзистора КП103 крутизна составляет S=0,4...3,0мА/В.
Определение параметра Ri
В соответствии с формулой (4.5) для выполнения условия) Uзи =const выберем на характеристике Uзи = 1,0 В две точки левее и правее ИPT (рисунок 4.9)
Для т.С: Uси с = -12В; Iсс = 0,42 мА; Uзис=1,0 В.
Для т.Д: Uси д = -4В; Iсд = 0,38 мА; Uзид = 1,0В. (4.13)
Для ИРТ: Uсио = -8В; Iсо = 0,4 мА; Uзио = 1,0 В.
Как видно для всех трех точек выполняется условие Uзи = 1,0 В =const.
По графикам (рисунок 4.9) определяем приращения ∆Ic и ∆Ucи и находим параметр Ri
Ri = ΔUСИ / ΔIС │ при Uзи = сonst =
=(12В-4В)∕(0,42мА-0,38мА)=200 кОм (4.14)
Рисунок 4.9 - Определение параметра Ri
Определение параметра μ
В результате того, что коэффициент усиления μ имеет довольно большую величину, то его нередко невозможно измерить в указанной рабочей точке. Тогда коэффициент μ находят по формуле (5.8) после определения параметров S и Ri
μ = S Ri = 0.65мА/в 200 кОм =130. (4.15)
Действительно, легко проверить, что для такого значения μ изменению напряжения сток-исток на 4 вольта (∆Uси = 4 В) соответствует изменение напряжения затвор-исток ∆Uзи = 30 мВ. По вольт - амперным характеристикам такие вычисления можно выполнять только при малом значении μ.
Определение параметра Rо
Сопротивление транзистора постоянному току определяем для заданной рабочей точки как отношение постоянного выходного напряжения Ucио к соответствующему постоянному выходному току Iсо по формуле (4.6) (рисунок 4.8)
R0 = UСИ0 / IС0 = 8В / 0,4 мА = 20 кОм. (4.16)
Следует подчеркнуть, что значения рассчитанных параметров зависят от выбранного положения ИРT. Для подтверждения на рисунке 4.10 приведен график зависимости крутизны S от тока стока Iсо для транзистора КП313. Читатель может убедиться в этом и непосредственно, рассчитав значение крутизны S по изложенной выше методике для различных положений ИРТ.
Рисунок 4.10 - График зависимости крутизны S от тока стока Iсо для транзистора КП313
Данные параметры можно определить и по семейству сток-затворных характеристик. Рассмотрим на примере транзистора КП313 для рабочей точки:
Uзио = 1В, Uсио=10 В. (4.17)
Наносим положение ИРТ на характеристику Uси=10В=const при Uзи=1В и определяем ток стока (рисунок 4.11):
Iсо = 10 мА. (4.I8)
Рисунок 4.11 - Определение крутизны
Определение крутизны
В соответствии с формулой (4.4) для выполнения условия Ucи =const выберем две точки т.А и т.В на характеристике Ucи = 10В (рисунок 4.11).
Для т.А: Uзиа = 1,3 В;Icа = 12,5мА; Uсиа = 10 В
Для т.А: Uзив = 0,7 В;Icв = 7,5мА; Uсив = 10 В (4.19)
Для ИРТ: Uзио = 1 В; Icо = 10мА; Uсио = 10 В
Видно, что для всех трех точек выполняется условие Uси =10В=const. По графикам (рисунок 4.11) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и определяем крутизну S
S=ΔIС/ΔUЗИ │при Uси=const = (Iса–Iсв)∕(Uзиа–Uзив)=
=(12,5мА-7,5мА)∕(1,3В-0,6В)=8,3мА∕В. (4.20)
Для сравнения: по справочнику у транзистора КП313 крутизна S составляет
S = 4,5... 10,5 мА/В. (4.21)
Определение параметра Ri
Для определения параметра Ri в соответствии с формулой (4.5) для выполнения условия Uзи = const выберем т.С на характеристике Uси = 15 В, соответствующую Uзи =1В (рисунок 4.12)
Для т.С: Uсис = 15В; Icc = 11мА;Uзис = 1В (4.22)
Для ИРТ: Uсио = 10В; Icо = 10мА;Uзио = 1В
Рисунок 4.12 - Определение параметра Ri
Для этих двух точек выполняется условие Uзи = 1В = const. По графикам (рисунок 4.12) находим приращения ∆Ic и ∆Uси и определяем параметр Ri
Ri=ΔUСИ /ΔIС │при Uзи=сonst = (Uсис - Uсио)∕(Icc-Icо) =
= (15В-10В)∕(11мА-10мА)=5кОм. (4.23)
Определение коэффициента усиления μ
Для определения коэффициента усиления μ в соответствии с формулой (4.7) для выполнения условия Ic = const выберем на характеристике Ucи = 15 В точку т.Д, для которой Ic = 10 мА (рисунок 4.13).
Рисунок 4.13 - Определение коэффициента усиления μ
Для т.Д: Uсид = 15В; Uзид = 0,85В; Iсд = 10мА, (4.24)
Для ИРТ: Uсио = 10В; Uзид = 1В; Iсо = 10мА.
Для этих двух точек выполняется условие Iс = 10мА=const.
По графикам (рисунок 4.13) находим приращения ∆Uзи и ∆Ucи и определяем коэффициент усиления μ.
μ=│∆Ucи∕∆Uзи│приIс=10мА=const=(Uсид–Uсио)∕(Iсд-Iсо)=
(15В-10В)∕(1В-0,85В)=38,5. (4.25)
Расчет по формуле (4.8)
μ = S Ri = 8,3 мА 5кОм = 41,5 (4.26)
дает удовлетворительное согласование с (4.25). Небольшие расхождения обусловлены неизбежными погрешностями графических построений и не играют существенной роли. Как уже отмечалось выше, существует разброс параметров у транзисторов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов / Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И.; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия-Телеком, 2000. – 768 с.
2. Миловзоров, О.В. Электроника: Учебник для вузов/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков.- М.: Высш.шк. 2005.-288с.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. – СПб.: Издательство «Лань», 2001. -480 с.
4. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1985.
5. Галкин В.И. и др. Полупроводниковые приборы. Транзисторы широкого применения: Справочник. – Минск: Беларусь, 1995.
6. Галкин В.И. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды. Тиристоры: Справочник. – Минск: Беларусь, 1994.
7. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Изд-во «Феникс», 2001.- 448 с.