6.1. Ключи на биполярных транзисторах. В импульсных схемах транзисторы, в том числе биполярные, работают, как правило, в ключевом режиме, то есть большую часть времени находятся либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.
Университет машиностроения - Тема 2: Транзисторы. Содержание: Раздел 2. Транзисторы. Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p- n структур. Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице: Биполярные транзисторы.
Ключи на полевых МДП - транзисторах. Очень часто полевые транзисторы, главным образом МДП-транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. Аналоговый ключ на МДП транзисторе.. Ключи на МДП-транзисторах с резисторной нагрузкой. При рассмотрении ключей на МДП-транзисторах будем полагать, что входное напряжение uвх подаётся с выхода аналогичного ключа.. 3.14. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах. Другие виды применений ПТ-ключей - это логические и мощные переключающие схемы. Логические ключи. На рис. 3.56 показан простейший тип логического переключателя на МОП-транзисторе.. Электронные ключи на биполярных транзисторах. Чаще всего. Рисунок 7 - Ключ на МДП транзисторе с индуцированным затвором. Необходимо.
Электронные ключи на биполярных транзисторах. Чаще всего. Рисунок 7 - Ключ на МДП транзисторе с индуцированным затвором. Необходимо .
Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно- дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора. Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, ЭП - эмиттерный переход, КП - коллекторный переход, W - толщина базы. Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении.
В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: Режим отсечки – оба p- n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток Режим насыщения – оба p- n перехода открыты Активный режим – один из p- n переходов открыт, а другой закрыт. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным. В нормальном режиме коллекторный p- n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы. Движение носителей заряда в транзисторе n- p- n типа показано на рисунке: При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы.
База выполнена из p- полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда. Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы.
Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p- проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк. Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока. Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,9. При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен: В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной.
Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко. Три схемы включения биполярного транзистора. Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Схемы для p- n- p транзистора показаны на рисунках а, б, в: В схеме с общей базой (рис.
На рисунке показаны: Е1 – питание входной цепи, Е2 – питание выходной цепи, Uвх – источник усиливаемого сигнала. В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер (схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером). Для такой схемы входной контур проходит через переход база- эмиттер и в нем возникает ток базы: Малое значение тока базы во входном контуре обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.
Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером (ОЭ)В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f. Uбэ) называют входной или базовой вольт- амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f. Uкэ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n- p- n приведены на рисунке: Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ.
Зависимость Iб = f(Uбэ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p- n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ. При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб. Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора.
Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход.
Зависимость Iк = f(Uкэ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб. Параметры биполярного транзистора. Представление транзистора в малосигнальном режиме работы четырехполюсником. В малосигнальном режиме работы транзистор может быть представлен четырехполюсником. Когда напряжения u. Z, Y, h параметров.
Потенциалы 1', 2', 3 одинаковы. Транзистор удобно описывать, используя h- параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб, Uбэ, Iк и Uкэ. Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических соображений в качестве независимых удобно выбирать величины Iб и Uкэ. Тогда Uбэ = f. 1(Iб, Uкэ) и Iк = f. Iб, Uкэ). В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов.
В пределах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства: Физический смысл параметров: Для схемы с ОЭ коэффициенты записываются с индексом Э: h. В паспортных данных указывают h. Эти параметры характеризуют качество транзистора. Для увеличения значения h. W, либо увеличить диффузионную длину, что достаточно трудно. Составные транзисторы.
Для увеличения значения h. Дарлингтона: В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ. Iб. 1. Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб. VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1. Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона.
Выразим связь между изменением тока базы d. Iб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора d. Iк составного транзистора следующим образом: Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1, β2 > > 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине. Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ. VT1 d. Iб. 1, то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1- 2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току.
Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1, β2 ≈ 3. Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1, VT2 в отдельности. Частотные свойства биполярных транзисторов. Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу.
Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током Iэ и током Iк. При низких частотах фазы токов Iэ, Iк и Iб совпадают. Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз по сравнению со статическим значением β0, называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттеромfβ – предельная частота (частота среза)fгр – граничная частота (частота единичного усиления)Полевые транзисторы. Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными.
В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с управляющим p- n переходом.