Основные электронные приборы, используемые в качестве АЭ В качестве активных элементов (АЭ) могут использоваться электровакуумные и полупроводниковые приборы. Полупроводниковые приборы Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов. • По типу проводимости (только биполярные транзисторы): с прямой (p-n-p) или с обратной (n-p-n) проводимостью; • По принципу действия - биполярные и полевые (униполярные); • По частотным свойствам: НЧ (<3 МГц); Ср. Ч (3÷ 30 МГц); ВЧ и СВЧ (>30 МГц); • По материалу полупроводника – германиевые или кремниевые; • По мощности: маломощные (<0, 3 Вт), средней мощности (0, 3÷ 3 Вт), мощные (>3 Вт). Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду. 1
Электровакуумные приборы Электровакуумными приборами (ЭВП) называются электронные приборы, принцип действия которых основан на движении электронов в вакууме при работе в управляемом электрическом поле, а также и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). Действие электровакуумных приборов основано на явлении термоэлектронной эмиссии свободных электронов из катода. Вакуумный диод Iа=k Uа 3/2 Анодные характеристики диода 2
S=Dia/Duс триод Сеточные характеристики триода Основным параметры ламп: • Крутизна характеристики S=Dia/Duс при ua=const • Внутреннее сопротивление Ri=Dua/Dia при uс=const. • Коэффициент усиления m=Dua /Duc=- ua /Ec 0 при Dia=const (Ec 0=ua / m) • Проницаемость D=1/m Для триода SDRi=(Dia/Duс)(Duс/Dua)(Dua/Dia) =1 или m= SRi – основное уравнение триода S=Dia/Duс Анодные характеристики триода 3
Электровакуумные приборы классифицируют по признакам: - назначение и область применения, - число электродов, - частотный диапазон работы, - тип катода (прямого или косвенного накала), - конструкции и материала баллона, - системы охлаждения, - метод управления электронным потоком, - мощность. Электровакуумными приборами являются также клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны и другие приборы, работа которых основана на взаимодействии потока электронов с переменным ВЧ или магнитным полем. * Москатов Е. А. Электронная техника. – Таганрог, 2004. – 121 стр. http: //www. moskatov. narod. ru/index. html 4
Статические характеристики АЭ и их аппроксимация Для расчета режима работы АЭ нужно по заданным u. ВХ(t), u. ВЫХ(t) находить токи i. ВХ(t), i. ВЫХ(t) и их гармонические составляющие IВХn, IВЫХn. На низких рабочих частотах зависимости i. ВХ, i. ВЫХ от u. ВХ, u. ВЫХ можно считать алгебраическими, а АЭ – безынерционными и для расчета достаточно знать статические характеристики (СХ) i. ВХ(u. ВХ, u. ВЫХ), i. ВЫХ(u. ВХ, u. ВЫХ). СХ, таблицы постоянных параметров для одного из режимов и предельно допустимые параметры (токи, напряжения, рассеиваемые мощности) АЭ приводятся в справочниках. Различают три вида СХ: входные, выходные и проходные. К входным относятся: для ламп – СХ тока управляющей сетки i. С=f(e. C); для биполярных транзисторов–СХ тока базы i. Б = f(e. Б). К выходным относятся: для ламп – СХ тока анода i. А=f(e. A); для транзисторов – СХ коллекторного тока i. К=f(е. К). К проходным СХ относятся: для ламп – зависимости i. A=f(e. C), а для транзисторов – i. К=f(i. Б). Входные характеристики часто размещают совместно с проходными и выходными характеристиками. Рассмотрим особенности характеристик отдельных ЭП, включенных по схемам с общим катодом, эмиттером или истоком. 5
i. К e. КЭ e. Б i. Б Схема для снятия статических характеристик транзистора входные СХ i. Б = f(e. Б) при e. КЭ = const проходные СХ i. К=f(e. Б) при e. КЭ = const выходные СХ i. К=f(е. КЭ) при i. Б = const 6
1 3 – область насыщения; 4 –область пробоя 1 – область отсечки; 2 – активная область Статические характеристики биполярного транзистора 1. Биполярные транзисторы (БТ): выходные СХ i. К=f (е. К) при малых и средних значениях тока i. К почти горизонтальны. Веерообразность этих характеристик появляется при малых значениях е. К и больших значениях i. К. Входные и проходные характеристики i. Б=f(e. Б) и iк=f(e. Б) начинаются при е. Б=Е' ( «правые» ), похожи и различаются только крутизной. 7 Е‘ = (0, 6 -0, 7) В – кремниевые; Е‘ = 0, 3 В – германиевые БТ.
n-типа Устройство полевых транзисторов и их проходные статические p-типа характеристики n-канал p-канал (изолированный затвор) «левые» полевые транзисторы с управляющим p-n переходом «правые» МОП – транзисторы со встроенным каналом обедненного типа Транзисторы с индуцированным каналом 8 обогащенного типа.
* Статические характеристики полевого транзистора типа КП-904 2. Полевые транзисторы (ПТ): выходные СХ транзисторов очень похожи на СХ ламп тетродов. Проходные СХ почти линейны в большом диапазоне напряжений на затворе е. ЗИ (есть «левые» (n-канальные ПТ с p-n - переходом) и «правые» (обогащенные n-канальные МОП-транзисторы)). * КЛ, СН, БН – области квазилинейная, среднелинейная и с большой нелинейностью области СХ 9
Статические характеристики генераторного триода типа ГУ-66 А а) –выходные; б) – проходные и входные 3. Т р и о д ы: выходные СХ i. А=f(e. A) крутые, а проходные СХ i. А=f(e. C), снятые при разных е. А, имеют почти одинаковую форму, но начинаются при разных е. С. Смещение этих характеристик при изменении е. A объясняется большой проницаемостью управляющей сетки. Характеристики i. С начинаются при е. С>0. В анодной системе координат характеристики i. С=f(e. A) почти линейны при больших значениях е. А и резко изгибаются вверх при значениях е. A, соизмеримых с е. С. 10
Статические характеристики тетрода типа КТ-920 4. Тетроды: выходные СХ i. А=f(e. A) – пологие (малая проницаемость экранирующей сетки), но круто обрываются вблизи е. А=ЕС 2 – напряжения на экранирующей сетке. Проходные характеристики веерообразны. Напряжение е. С, при котором возникает веер, зависит от напряжения ЕС 2. Характеристики тока экранной сетки i. С 2= f(e. A) похожи на СХ тока сетки в триоде. В анодно-сеточной системе координат ток i. С 2, возникает при тех же значениях е. С, при которых возникает i. А. 11 Ток управляющей сетки мал и не зависит от е. A.
Можно отметить две общие закономерности СХ ЭП: 1. Области с большой нелинейностью СХ (БН). 2. Области почти линейные (квазилинейные – КЛ) В промежуточных областях характеристики слабо нелинейны (СН). I. Область характеристик ниже оси абсцисс, где выходной ток равен нулю, называют областью отсечки. II. Область характеристик, где выходной ток не зависит от управляющего напряжения называют областью насыщения (перенапряженного режима). III. Область характеристик, где выходной ток больше нуля, называют активной областью. линия граничного режима Uкэ = Eк - Iк ∙ Rк – уравнение динамического режима работы транзистора (при uвх=U*sin wt). 12
Сходство характеристик всех ЭП позволяет применить единую их аппроксимацию. Правила аппроксимации: Каждая из СХ заменяется отрезками прямых, наиболее точно аппроксимирующих участки СХ с меньшей кривизной; Линия граничного режима аппроксимируется отрезком прямой через точки наибольшей кривизны кривых семейства выходных СХ; Веерообразные СХ аппроксимируются отрезком прямой в середине веера; В активной области отрезки аппроксимирующих прямых должны быть параллельны и одинаково отстоять друг от друга для одинаковых перепадов напряжений (или токов). 13
Для описания семейства идеализированных СХ используют параметры: • крутизну линии граничного режима SГР = i. K /e. КГР (БТ); SГР = i. А /e. АГР (лампы); Определение крутизны линии граничного режима Sгр (Sкр) по выходным характеристикам Sгр=iamax/eа гр Статические характеристики и линии граничного режима для триодов (а) и тетродов (б) 14
• крутизну характеристики коллекторного тока Si = Di. К/Di. Б при е. К = const (Si=b 0 называют усилением транзистора по току в схеме с ОЭ); для ламп крутизну характеристики анодного тока S = Di. А/De. С при е. А, ЕС 2 = const; Определение крутизны зависимости выходного тока по проходной СХ с длинным сгибом • напряжение отсечки (запирания), т. е. напряжение на базе е. Б = Е'Б, при котором имеет место отсечка коллекторного тока (БТ) или е. С = Е'С ( для лампы). Определение крутизны S 1=iamax/(Ec 3 -Ec 1); S 2=iamax/(Ec 3 -Ec 2); S=(S 1+S 2)/2 Определение напряжения отсечки E’c= (Ec 1+Ec 2)/2 15
Для ПТ с той же целью применяют: крутизна линии граничного режима SГР = i. C /е. С , напряжение отсечки е 3 = Е'3 и крутизна (проходной ) характеристики тока стока S = Di. C /Dе 3 при е. С = const. 16
Проходные и выходные характеристики аппроксимируются тремя отрезками прямых. Проходные СХ I – область характеристик, где u. ВЫХ не ( i. ВЫХ БТ) влияет на i. ВЫХ; iвых i’вых=S(u. ВХ - E') II – область характеристик, где u. ВЫХ II I сильно влияет на i. ВЫХ. u вых3 uвых2 0 uвых1 uвх2 uвх3 E’ вх S i''ВЫХ=S(u. ВХКР- E') E’ 0 где S–крутизна проходной характеристики, для ламп и биполярных транзисторов, соответственно: iвх uвх Проходные характеристики i. ВЫХ=0 при u. ВХ< E' и любом u. ВЫХ, i'ВЫХ=S(u. ВХ - E') при E' < u. ВХКР, u. ВЫХ> u. ВЫХКР (область I), i''ВЫХ=S(u. ВХКР - E') при u. ВХ > u. ВХКР, u. ВЫХ< u. ВЫХКР (область II). (1) 17
iвых Выходные СХ i”вых=Sкр uвых I II a SD uвх3 uвх2 i’вых=S(u. ВХ - E') uвх1 Sкр j uвх3 uвх2 uвых1 uвых2 uвых3 0 SКР – крутизна граничной (критической) линии, на которой управление током i. ВЫХ передается от u. ВХ к u. ВЫХ; SКР=tgj. uвых SD= (Duс/Dua) (Dia/Duс)=Dia/Dua Выходные характеристики i'ВЫХ=S(u. ВХ - E') при u. ВЫХ > u. ВЫХКР , E' < u. ВХКР (область I), i''ВЫХ=SКРu. ВЫХ при u. ВЫХ < u. ВЫХКР , u. ВХ > u. ВХКР (область II), i. ВЫХ=0 при u. ВЫХ <0 (для ламп). (2) u. ВХКР, u. ВЫХКР – значения напряжений, связанные равенством при i'ВЫХ= i''ВЫХ SКРu. ВЫХКР= S(u. ВХКР - E'), которое является условием граничного (критического) режима. 18
Реальный ток i. ВЫХ равен меньшему из токов i ВЫХ и i ВЫХ, определяемых по (1) и (2), т. е. i. ВЫХ=min{i ВЫХ, i ВЫХ}. Принятая кусочно-линейная аппроксимация кажется грубой, но она дает приемлемую для инженерных расчетов точность (10 -20 %). Более точная аппроксимация не нужна из-за разброса реальных характеристик АЭ (10%-20%). Поэтому расчеты носят приближенный характер и должна быть предусмотрена регулировка рассчитываемых каскадов для компенсации этого разброса. Влияние u. ВЫХ на ток в области I для всех АЭ сводится к замене напряжения u. ВХ в (1), (2) управляющим напряжением u. У = u. ВХ + Du. ВЫХ, где D – коэффициент менее единицы ( «проницаемость» ). У ламп его называют «проницаемостью» . Вклад Du. ВЫХ заметен, если переменная составляющая u. ВЫХ велика по сравнению с u. ВХ. Учет реакции выходной цепи соответствует замене горизонтальных прямых при аппроксимации прямыми с угловым коэффициентом SD. 19
В общем виде уравнение анодного тока трехсеточной лампы - пентода. где е. А, е. С 2, е. С 3 – соответственно напряжение на аноде, управляющей сетке, второй и третьей сетках. Изменение анодного тока от изменения мгновенных напряжений на электродах выражается полным дифференциалом -где частные производные функции анодного тока по напряжению соответствующего электрода; de - дифференциалы соответствующих напряжений. 20
Входная характеристика i. ВХ(u. ВХ, u. ВЫХ). В области I зависимость i. ВХ(u. ВХ) при постоянном u. ВЫХ аппроксимируется кусочно-линейной функцией, подобной (1) - (как для проходной): (3) I II Входная характеристика биполярного транзистора Т Влияние температуры на проходные характеристики транзистора Если общим электродом является эмиттер, а входным – база, то для биполярных транзисторов в области I полагают E'ВХ= Е', Е' – напряжение отсечки. В области II ток базы резко возрастает. У ламп (схема с ОК) обычно E'ВХ=0, a Е'<0. В области II ток сетки резко возрастает. У полевых транзисторов (ОИ): отсутствует. ток затвора На характеристики токов биполярных транзисторов при заданных напряжениях сильно влияет температура. Эти изменения характеристик можно учесть, уменьшая Е' и S (штриховые линии на рис. а). Du. БЭ= - 2 м. В/о. С 21
Увеличение температуры приводит к заметному росту тока i. К, особенно в области малых его значений. Несколько возрастает коэффициент передачи h 21 Э (см. рис. б). Статические характеристики ЭП содержат исчерпывающие сведения для выбора режимов и расчета их параметров. Но только для диапазона рабочих частот, в котором характеристики не зависят от частоты. Верхняя граничная частота этого диапазона f. ГР, определяется из неравенства 360°f. ГРt. ПР 10°, где t. ПР–время прохождения носителя тока через ЭП. Влияние температуры на статический коэффициент передачи тока h 21 Э = i. К/i. Б (б) транзистора в схеме с ОЭ. Область разброса h 21 Э отмечена штриховой линией. Для ламп f. ГР примерно от 30 МГц до 6 ГГц; для БТ составляет десятки-сотни килогерц; для ПТ - около 60. . . 80 МГц, для ПТ с барьером Шотки – до 12. . . 16 ГГц. 22
В основе работы всех ЭП лежит общий физический принцип: взаимодействие потока носителей заряда с электромагнитным полем. Пусть ТПР время этого взаимодействия. Так, в БП транзисторе под ТПР следует понимать время переноса неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, в полевом транзисторе - время переноса основных носителей заряда от истока к стоку, в электровакуумных лампах - время движения (пролёта) электронов от катода к аноду, в СВЧ лампах бегущей волны - время движения электронов вдоль спирали от катода к коллектору и т. д. В зависимости от обобщенного параметра D=w. TПР, где w - частота сигнала, электронные генераторные приборы можно разделить на три основные группы: 1) D <1; 2) D=p; 3) D>>1. ВЧ генераторные приборы - ЭВП приборы и транзисторы - относятся к первой группе; СВЧ полупроводниковые генераторные диоды - лавинно-пролетные и Ганна - ко второй, СВЧ приборы (клистроны и ЛБВ) - к третьей. В приборах первой группы при нарушении соотношения D <1, т. е. при частоте w >1/TПР, резко уменьшается PВЫХ, KP и КПД. В приборах третьей группы благодаря увеличению TПР, т. е. длительному взаимодействию потока с полем, мощность СВЧ ЭВП приборов существенно превышает мощность СВЧ полупроводниковых приборов. 23
Определите по рис. 2. 2 параметры S, Е' и Sкр кусочно-линейной аппроксимации статических характеристик биполярного транзистора, предполагая, что 24
Скачать презентацию Основные электронные приборы используемые в качестве АЭ В
7_Стат_ВАХ АЭ.ppt