Электронные приборы Преподаватель: доцент Образцова О. Н.
Литература • Электронные приборы и устройства: Методическое пособие для студ. всех спец. БГУИР заоч. формы обучения / А. Я. Бельский, С. В. Дробот, В. Б. Рожанский и др. – Мн. : БГУИР, 2006 (2012) Выполняем: Контрольная работа № 1 – задания 1 -5, Контрольная работа № 2 – полностью
Литература • Хандогин, М. С. Электронные приборы : учеб. пособие для студ. вузов / М. С. Хандогин, В. Б. Рожанский, С. В. Дробот. – Минск : БГУИР, 2011. – 310 с. • Дробот, С. В. Электронные приборы и устройства. Практикум : учеб. пособие для студ. вузов по спец. информатики и радиоэлектроники / С. В. Дробот, В. А. Мельников, В. Н. Путилин. – Минск : БГУИР, 2009. – 256 с. • Булычев, А. Л. Электронные приборы / А. Л. Булычев, П. М. Лямин, Е. С. Тулинов. – Минск : Выш. шк. , 1999. – 414 с. • Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высш. шк. , 2004. – 790 с • Галкин, В. И. Полупроводниковые приборы : транзисторы широкого применения: справочник / В. И. Галкин, А. Л. Булычев, П. М. Лямин. – Минск : Беларусь, 1995. – 383 с.
• Электронные приборы – это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твердом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме. • Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам: • По материалу полупроводника – обычно германиевые или кремниевые; • По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n -структура); • По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные); • По частотным свойствам; • НЧ (<3 МГц); • Ср. Ч (3 ÷ 30 МГц); • ВЧ и СВЧ (>30 МГц); • По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0, 3 Вт), средней мощности Ср. М (0, 3 ÷ 3 Вт), большой мощности (>3 Вт).
Маркировка Г T - 313 А К П - 103 Л I II - III IV I – материал полупроводника: Г – германий, К – кремний. II – тип транзистора по принципу действия: Т – биполярные, П – полевые. III – три или четыре цифры – группа транзисторов по электрическим параметрам. Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведённой таблицей. Pf <3 МГц НЧ 3÷ 30 МГц Ср. Ч >30 МГц Вч и СВЧ MM<0, 3 Вт 1 2 3 Ср. М 0, 3÷ 3 Вт 4 5 6 БМ>3 Вт 7 8 9 IV – модификация транзистора в 3 -й группе.
Режимы работы биполярного транзистора При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый из p-nпереходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможны четыре режима работы транзистора
Режимы работы биполярного транзистора Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение транзистора называют нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме. В режиме насыщения оба p-n-перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы. В режиме отсечки оба p-n-перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора протекают тепловые токи обратновключенных переходов. Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме.
Режимы работы биполярного транзистора При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности: Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода. Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной ёмкости переходов, т. е. к изменению частотных свойств транзистора. При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры.
Схемы включения биполярных транзисторов (Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи. ) 1) Схема включения с общей базой ОБ 2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ 3) Схема включения с общим коллектором ОК
1) Схема включения с общей базой Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: - коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]) - входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ. Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Недостатки схемы с общей базой: Схема не усиливает ток α<1 Малое входное сопротивление Два разных источника напряжения для питания. Достоинства – хорошие температурные и частотные свойства.
2) Схема включения с общим эмиттером. Эта схема, изображенная на рисунке, является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности. Iвх = Iб Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10 ÷ 100) Rвх. э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100 ÷ 1000) Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером – Uкэ.
Напряжение база - эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Достоинства схемы с общим эмиттером: • Большой коэффициент усиления по току • Бoльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление • Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания. Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.
3) Схема включения с общим коллектором. Iвх = Iб Iвых = Iэ Uвх = Uбк Uвых = Uкэ Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n n = 10 … 100 Rвх = Uбк / Iб = n (10 ÷ 100) к. Ом В схеме с ОК (смотрите рисунок) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам.
Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рисунке.
Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению. Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1.
4) Усилительные свойства биполярного транзистора Независимо от схемы включения, транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления: KI = Iвых / Iвх – по току; KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению; KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности. Для схемы с общей базой: KI = Iк / Iэ = α (α<1) KU = α ∙ (Rн / Rвх) Rн ≈ n ∙ 1 к. Ом Rвх ≈ n ∙ 10 Ω KU ≈ n ∙ 100 KP = KU ∙ KI = n ∙ 100 Для схемы с общим коллектором: KI = Iэ / Iб = β + 1 = n KU = β ∙ (Rн / Rвх) ≈ n KU < 1 Для схемы с общим эмиттером: KI = Iк / Iб = β = n (10 ÷ 100) KU = β ∙ (Rн / Rвх) KP = KI ∙ KU = n ∙ (1000 ÷ 10000)
Сводная таблица параметров схем включения биполярных транзисторов Входное Тип цепи сопротивление Выходное сопротивление Усиление по напряжению Усиление по току по мощности ОБЩАЯ Низкое Высокое Меньше 1 Среднее Среднее Высокое Низкое Меньше 1 Среднее БАЗА ОБ ОБЩИЙ ЭМИТТЕР ОЭ ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР ОК
1. Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой Резистор Rk является нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства
Для данной схемы коэффициент усиления : , , Коэффициент усиления по току k. I меньше 1.
2. Усилитель напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. принципиальная схема усилителя с ОЭ
Коэффициент усиления по напряжению (Uкэ=UВых): , Коэффициент усиления по току:
3. Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторите. Принципиальная схема усилителя
Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по току: , Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя :
Простейший усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. • При проектировании усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в обратном. Резистор RК является нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства, . Если RК=0 то эффект усиления напряжения не происходит, т. к. UКБ=EК=const. С увеличением RК растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на RК сверху.
Выходные характеристики транзистора с ОБ. • Расчет схемы по постоянному току. Уравнения Кирхгофа для выходной цепи: Для построения нагрузочной линии используют 2 режима: • а) режим холостого хода: IК=0 тогда получим UКБ=EК т. 1 • б) режим короткого замыкания: UКБ=0, следовательно т. 2 • Через полученные две точки проведем нагрузочную прямую, и выберем на ней точку покоя, например т. О. Для возможности более полного использования характеристик транзистора т. "О" рекомендуют выбирать в центральной области, нелинейном участке, выходных характеристик. Эта точка характеризуется координатами IКп, UКБп, IЭп. •
Входные характеристики транзистора с ОБ • • • Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений: Уравнение 1 нагрузочной прямой по входу, а 2 уравнение – входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания: а) режим ХХ: IЭ=0 UЭБ=EЭ; б) режим КЗ: UЭБ=0. Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току IЭп или по напряжению UКБп. Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току Uэбп.
Осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ. • Для приращения входного тока относительно координаты точки покоя "О" на 25 30%, можно считать, что усилитель работает в линейной области характеристик, что обеспечивает синусоидальные значения выходного тока (IK) и напряжения (UКБ), при синусоидальном входном воздействии. Фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями равен нулю ( u=0), а фазовый сдвиг между токами IK и IЭ равен 180 ( i=180 ). Это объясняется тем, что UКБ и IK отрицательны, т. к. они реально расположены в третьем квадранте.
Усилитель напряжения на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. • • • Расчет усилителя по постоянному току. Критерии выбора транзистора следующие: по значению граничной частоты усилителя; по предельно-допустимым параметрам UКЭдоп, PРас. доп, IКmax. При проектировании усилителя задаются UВыхmax, RН. Исходя из этого: EК>2 UВыхmax; ; ; с учетом того, что RН=(3 5)RК тогда, , отсюда следует, что IКmax 5 IНmax. Граничная частота усиления транзистора должна быть в 3 5 раз выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала f. В.
Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и предельно-допустимые параметры. • • Режим работы усилителя по постоянному току, описывается системами уравнений. По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений выбирают положение нагрузочной линии по постоянному току. ЕК рекомендуют брать порядка (0. 8 – 0. 9)UКэmax. Нагрузочную линию строят по двум точкам (Х. Х. и К. З. ) Х. Х. IК=0; UКЭ=ЕК, (точка 1); • К. З. UКЭ=0; (точка 2).
Входные ВАХ транзистора с ОЭ. • • При работе усилителя в режиме малых сигналов, рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик. Она определяется координатами IКп, UКЭп, IБп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора определяемая координатами IБп, UКЭп. Для расчета величины резистора RБ установим величину напряжения UБЭп. Поскольку величина этого напряжения порядка (0. 4 0. 7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению неудобно, т. к. напряжение ЕК порядка (10 20) В. Рассчитаем требуемое значение резистора RБ:
Схема замещения усилителя с ОЭ. • • • Описав эту модель уравнениями в соответствии с законами электротехники определяют: 1) Входное сопротивление усилителя, что необходимо для учета согласования усилителя с источником входного сигнала. 2) По выходной цепи усилитель представляют эквивалентным генератором по отношению к сопротивлению нагрузки RН. Для этого определяют коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода - k. ХХ и выходное сопротивление усилителя RВых. 3) Определяют коэффициенты усиления усилителя по напряжению и току k. U и k. I и их зависимость от частоты, для построения амплитудночастотной характеристики, фазочастотной характеристики и амплитуднофазочастотной характеристики. 4) определяют коэффициент нелинейных искажений при заданном значении входного сигнала и коэффициентов частотных искажений МН и МВ на граничных частотах f. Н и f. В.
Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). • • • Расчет схемы по постоянному току. Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: RЭ, RБ, EК и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими системами уравнений: Т. к. IЭ=IК+IБ , а I Б <<IК, то уравнение можно записать в виде: . Как и для схемы с ОЭ построим нагрузочную линию соответствующую первой системе:
Выходные и входные характеристики транзистора. • • Как и для схемы с ОЭ построим нагрузочную линию соответствующую первой системе: По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений RЭ и RБ.
• При работе транзисторов в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.
• Всего h-параметров четыре: h 11 (аш-один), h 12 (аш-один-два), h 21 (аш-два-один) и h 22 (аш-два) и определяются они следующими выражениями: • h 11= Uбэ/ Iб при Uкэ=const - входное сопротивление Rвх, Ом; • h 12= Uбэ/ Uкэ при Iб=const - безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению;
• h 21= Iк/ Iб при Uкэ=const - безразмерный коэффициент передачи тока ( ); • h 22= Iк/ Uкэ при Iб=const - выходная проводимость (1/Rвых) • h-параметры приводятся в справочниках, а также могут быть определены по семейству входных и выходных характеристик транзистора.
Характеристики биполярного транзистора Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОЭ: • • - Входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе. Iб=f(Uб); Uк=const (рис. а) - Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера. Iк=f(Uк); Iэ=const (рис. б)
Скачать презентацию Электронные приборы Преподаватель доцент Образцова О Н
Биполярные транзисторы.ppt