В усилительных схемах транзисторы могут применяться в двух режимах: в схеме с обшей базой (рисунок 5, а) и в схеме с обшим эмиттером (рисунок 5, б). Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Изобразим две характерные схемы включения транзистора.
.
Рисунок 5 — Схемы включения транзистора
· Схема с общей базой (ОБ) (рисунок 5.а). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения иых значительно больше амплитуды напряжения ивх. Учитывая, что iвых = iвх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление малое.
· Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 5.б). Так как iвых » iвх, а при достаточно большом сопротивлении Rн, амплитуда переменной составляющей напряжения ивых значительно больше амплитуды напряжения ивх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
· Схема с общим коллектором (ОК) эквивалентна схеме с обшим эмиттером и по-этому не нашла широкого применения (за исключением эмиттерных повторителей). Само напряжение ибэ и особенно переменная составляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения ивх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения ивых. В соответствии с этим усилительные каскады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями. Учитывая также, что iвx «iвых, отмечают, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.
На практике, для построения большинства устройств, наиболее часто используется схема с общим эмиттером.
Полевые транзисторы
Полевым или униполярным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля перпендикулярного току. На схемах их обозначают, как показано на рисунке ниже:
,
где: З- затвор, И- исток, С- сток.
Проводящий слой, по которому протекает ток, называется каналом. Различают р- и n-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными. Пример полевого транзистора с n - p переходом и n- каналом приведен на рисунке 6.
Рис. 6. Полевой транзистор: а -конструкция транзистора; б- структура кристалла.
В свою очередь приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные носителями, либо инверсионные слои. Их формирует внешнее электрическое поле. Обедненные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.
На рисунке 7 приведены схемы каналов в полевых транзисторах. Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл диэлектрик полупроводник (МДП). Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния SiO2, то используется название МОП-транзисторы. Транзисторы с объемным каналом получили название полевых транзисторов.
Рисунок 7 — Каналы в униполярных транзисторах: а- приповерхностный n- канал; б- объемный p- канал,1 — обедненный слой.
Таким образом, работа полевого транзистора представляется следующим образом: сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.
Поэтому ВАХ полевого транзистора обратно эквивалентна ВАХ биполярного. Более наглядно это показано на рисунке 8. При увеличении значения Uзи происходит постепенное закрытие проводящего канала.
Рисунок 8 — Сравнительная выходная ВАХ полевого (а) и биполярного (б) транзисторов
Применение транзисторов
Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:
Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.
Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.
Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.
Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.
Транзистор применяется в:
1.Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.
2.Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).
3.Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.
Контрольные вопросы
1. Что такое транзистор?
2. По каким признакам классифицируются транзисторы?
3. Опишите устройство и работу биполярного транзистора.
4. В чем принципиальное отличие биполярного транзистора от полевого?
5. Где применяются транзисторы?