4. На входной характеристике транзистора с нагрузкой выбираем линейный участок (АВ).

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

5. Посередине линейного участка выбираем начальную рабочую точку (0) и определяем напряжение смещения U_бэп и ток базы I_бп в рабочей точке, опуская перпендикуляры на оси координат.

6. Определяем амплитуды переменных составляющих тока базы и напряжения на базе I_mб и U_mб.

7. Определяем входную мощность:

8. Переносим на выходную нагрузочную характеристику рабочий участок АВ, начальную рабочую точку 0, используя значения тока базы в искомых точках.

9. Определяем постоянные составляющие тока коллектора I_кп, напряжение на коллекторе U_кп, амплитуды переменных составляющих тока коллектора I_mк, напряжения коллектора U_mк и выходную мощность:

10. Определяем коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности:

Таким образом, используя графоаналитический метод по характерис-тикам транзистора и его предельным параметрам можно достаточно просто и точно провести расчет режима усиления транзисторного усилителя.

3. Схемы питания транзистора

Цепи питания транзистора должны обеспечивать определенный режим работы по постоянному току. При этом недопустимо отклонение в больших пределах от заданного режима под воздействием дестабилизирующих факторов (изменение температуры, колебание питающих напряжений и т.д.). При выборе того или иного вида цепей питания стремятся применять меньшее число источников питания и схемных элементов и по возможности снижать потребляемую мощность.

Исходный режим работы задается либо напряжением смещения U_бэп, либо током базы I_бп (координата начальной рабочей точки (НРТ)).

Смещение может быть фиксированным, например, по току базы(I_бп=const) или по напряжению на базе(U_бэп=const), либо автоматически регулируемым, когда при изменении тока коллектора напряжение или ток базы также из­меняются, но в сторону выравнивания режима работы транзистора.

Рассмотрим различные способы смещения более подробно.

1) Смещение постоянным током базы (рис.4)

Здесь ток базы

практически определяется источником питания коллекторной цепи Е_к и гасящим резистором R_б.

Схема отличается плохой температурной стабильностью. С ростом температуры I_кп изменяется существенно. Это объясняется сильной температурной зависимостью коэффициента β, а также большой относительной долей I_кб0 в составе I_кп.

Иначе говоря, для выполнения условия

I_бп = (1 – α_ст)I_эп – I_кб0≈ const

необходимо с ростом температуры увеличивать управляемую часть тока базы (I - _ст)I_э, чтобы скомпенсировать рост I_кбо, а для этого необходимо увеличивать U_бэп. При этом I_эп, а значит и I_кп растут значительно.

Величину гасящего резистора определяют по формуле:

2) Смещение постоянным напряжением "база-эмиттер" (рис.5)

Наряжение U_бэп=U_R2 обеспечивается базовым делителем напряжения R₁,R₂. Для уменьшения влияния I_бп на величину U_бэп выбирают I_дел=(2-10)I_бп.

Учитывая это условие и считая заданными I_бп и I_дел, сопротивления резисторов делителя рассчитываются следующим образом:

Температурная стабильность схемы несколько лучше предыдущей. При условии U_бэ=const с ростом температуры I_эп растет, что вызывает, естественно, и рост I_кп. Однако температурный дрейф НРТ при этом меньше, чем при I_бп=const, т.к. режим U_бэп=const в большей степени соответствует режиму I_эп=const.

Иногда вместо резистора R₂ используют диод в прямом направлении. При изменении температуры характеристика диода сдвигается примерно также как и I_к=f(U_б).

Например, при повышении температуры характеристика диода сдвигается влево, напряжение на диоде снизится приблизительно до такого значения, при котором ток коллектора практически не изменяется. Качество стабилизации режима лучше.

3) Смещение постоянным током эмиттера (рис.6) (эмиттерная стабилизация).

Здесь резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя. Сопротивление его должно быть много больше нестабильного входного сопротивления транзистора со стороны эмиттера, то есть включенного по постоянному току в схеме "ОБ".

.

Рис. 6 Величина R _э принимается от сотен ом до единиц килоом (величина R _э должна быть меньше R _к). Напряжение базы (напряжение должно быть больше U _бэп).

.

Ток делителя определяется как I _дел = 2 ¸ 10 I _бп (при большем токе делителя стабильность схемы выше). Иногда ток делителя выбирается равным I _к/10.

Отсюда и .

Данный способ задания режима обеспечивает наилучшую температурную стабильность. При условии I_эп=const с ростом температуры I_кп изменяется незначительно. Это объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента , а также тем, что наиболее нестабильный ток I_кб0 составляет лишь малую часть тока коллектора.

4)Цепь смещения с коллекторной стабилизацией (рис.7)

При небольшом изменении температуры и малом разбросе параметров можно обеспечить смещение с удовлетворительной стабильностью по схеме рис.7. При изменении, например увеличении, тока коллектора увеличивается ток эмиттера и уменьшается напряжение U_кэ = E_к – I_э R_к, что приводит к уменьшению тока базы и тока коллектора, иначе говоря всякое изменение тока коллектора встречает противодействие, уменьшающее степень этого изменения.

Величину резистора R_б определим так:

Таким образом, наилучшую стабильность режима покоя обеспечивает схема питания с эмиттерной стабилизацией, но она же является и наиболее сложной.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На сегодняшней лекции были изучены нагрузочные характеристики транзистора, рассмотрены методика и порядок расчета режима неискаженного усиления, методика расчета элементов цепей питания. Это позволит нам в дальнейшем выполнить контрольную работу по расчету режима неискаженного усиления усилителя на транзисторе.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 245-248.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б.Степанов

Занятие 4. Импульсные свойства транзистора

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить работу транзистора в режиме переключения, принцип действия и вольтамперные характеристики тиристоров.

2. Прививать методические навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

Материальное обеспечение:

1. Комплект диапозитивов по теме 4.

2. Плакат "Тиристоры".

3. Плакат "Биполярный транзистор в режиме переключения".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.266-272, 275-281.

2. В.А.Батушев, "Электронные элементы ВТС", стр. 183-199.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

При изучении полупроводниковых диодов отмечалось, что диод часто используется в качестве ключа, функцией которого является замыкание и размыкание цепи. А нельзя ли транзистор использовать в качестве ключа? Какие процессы будут протекать в транзисторе при переключении? Как проанализировать эти процессы?

Ответам на эти вопросы посвящен первый вопрос данной лекции. Транзистор, имея малое сопротивление во включенном состоянии и весьма большое сопротивление в выключенном, в высокой степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к переключающим элементам. Это и обеспечивает его широкое применение в различных ключевых схемах, в том числе и в схемах аппаратуры военной связи, например, в современных приемниках Р-155М, Р-160П, "Рябина", в радиостанциях Р-161, Р-140, Р-159 и другой аппаратуре.

Широкое применение в технике связи, особенно в последнее время, находят также тиристоры, которые и будут рассмотрены во втором вопросе лекции.

Лекция является важной для понимания принципа работы различных импульсных устройств, которые будут изучаться в дисциплине "Вычислительная техника и информационные технологии".

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Транзистор в режиме переключения

В ключевых схемах транзистор может быть включен как по схеме с общим эмиттером, так и по схеме с общей базой. Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером (она аналогична по структуре схеме резистивного усилителя) (рис.1).

При работе транзистора в ключевой схеме различают два устойчивых состояния: открытое и закрытое. Этим состояниям соответствуют режимы насы щения и отсечки транзистора. Во время перехода из одного состояния в другое транзистор находится в активном режиме.

Исходное состояние (закрытое) обеспечивается подачей в цепь базы запирающего напряжения. Кремниевые транзисторы имеют четко выраженное пороговое напряжение и практически закрыты при U_бэ=0, т.е. не требуют дополнительного источника смещения. Рассмотрим режимы работы транзистора на его выходных статических характеристиках (рис.2), где построена нагрузочная характеристика транзистора.

Закрытому состоянию транзистора соответствует точка А, когда через транзистор протекают малые по величине обратные токи: I_б=I_кб0, I_к=I_кб0. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора практически мало отличается от Е_к(Uк≈E_к).

В открытом состоянии (точка Б) на вход схемы подается положительное напряжение, при котором транзистор переходит в режим насыщения. В цепи коллектора при этом протекает максимальный ток (ток насыщения)

Остаточное напряжение на коллекторе становится близким к нулю (для кремниевых транзисторов U_кэ≤ 0.3В для германиевых U_кэ≤ 0.1В).

U_{кэ нас} = E_к-I_{к нас}∙ R_к.

Для обеспечения открытого состояния в цепи базы должен протекать ток, минимальное значение которого, называемое граничным током базы, равно

В - коэффициент передачи постоянного тока в режиме большого сигнала (В на 10-40% меньше, чем β_ст). Если I_б>I_{б гр}, то величина I_{к нас} и U_{к нас} практически не меняются , но степень насыщения базы неосновными носителями возрастает.

Практически выбирают I_б>I_{б гр}, чтобы надежно обеспечить режим насыщения при изменениях температуры окружающей среды и скомпенсировать разброс В.

Напряжение на базе включенного транзистора мало, поскольку оно определяется прямым напряжением открытого эмиттерного перехода U_{бэ нас}. Величина его у маломощных кремниевых транзисторов ≈0.9В, у мощных - единицы вольт.

Напряжение на коллекторном переходе, равное U_кп=U_к-U_б оказывается прямым, т.к. напряжение базы имеет большую величину, чем напряжение коллектора. Поэтому коллекторный переход открывается и начинается инжекция носителей из коллектора в базу.

Таким образом, в данном режиме электроны инжектируются в базу из обоих переходов - эмиттерного и коллекторного (режим двойной инжекции). Чем меньше напряжение на коллекторе открытого транзистора U_кн, тем выше качество транзистора, как ключа. Переход из режима отсечки в режим насыщения и обратно соответствует перемещению рабочей точки из положения А в положение Б и обратно. Это активный режим, который используется при работе транзистора в усилительных каскадах.

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обусловливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения в основном определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе, а также от заряда и разряда барьерных емкостей переходов транзистора.

Рассмотрим процессы происходящие в транзисторе при переключении. Если на вход не поступает импульс, то транзистор находится в режиме отсечки, накопленный заряд в базе примерно равен нулю (рис.3).

При поступлении на вход схемы импульса происходит перезаряд емкости эмиттерного перехода. При этом эмиттерный переход остается закрытым. Этот процесс происходит в течение времени называемого временем задержки включения. Обычно это время очень мало (дес.доли, единицы наносекунд) и им пренебрегают.

В момент времени t₁ открывается эмиттерный переход и транзистор переходит в активный режим, в базе начинает накапливаться неравновесный заряд, появляется ток коллектора. Ток коллектора начинает постепенно нарастать, достигая значения I_кн за время t_н (время нарастания). Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Как только накопленный заряд достигает значения Q_гр ток коллектора достигает значения I_кн, при этом коллекторный переход открывается и транзистор переходит в режим насыщения.

Изменение напряжения на коллекторе за время включения соответствует изменению коллекторного тока. Таким образом, время включения транзистора включает в себя время задержки и время нарастания и равно:

t_вкл = t_з + t_н

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд (т.Б; U_к = U_кн (0.1-0.3)В; I_б≥ I_бн). В режиме насыщения в базе накапливается избыточный заряд за счет инжекции носителей через оба перехода: эмиттерный и коллекторный.

После подачи на вход запирающего импульса (или сделать I_б=0) начинается рассасывание избыточного заряда через эмиттерный (если подан запирающий импульс) и коллекторный переходы, а также за счет рекомбинации носителей в базе.

Ток коллектора сохраняет значение равное I_кн до того момента, пока накопленный заряд не уменьшится до значения равного Q_гр (т.е. пока не рассосется избыточный заряд за счет ухода носителей из базы и рекомбинации).

Таким образом, в течение времени t_р (времени рассасывания) ток коллектора не изменяется. Это время зависит от величины избыточного заряда, оно тем больше, чем больше степень насыщения. Как только рассосется избыточный заряд, ток коллектора начинает постепенно спадать до нуля. Время, в течение которого ток коллектора уменьшается до нуля, называется временем спада t_с. За это время транзистор возвращается из режима насыщения через активный режим в исходное состояние - в режим отсечки и вновь запирается.

Полное время выключения транзистора: t_выкл = t_р + t_с может иметь величину до нескольких микросекунд. Таким образом, скорость переключения зависит от многих факторов, в частности от степени насыщения транзистора, величин емкостей переходов, толщины базы и времени жизни неравновесных носителей заряда.

Ключевые транзисторы описываются своими, отличными от усилительных транзисторов параметрами, характеризующими их быстродействие. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально предназначенных для работы в ключевом режиме.

Однако конструктивно-технологические меры, обеспечивающие высокое быстродействие ключевых транзисторов, практически такие же, как и для усилительных транзисторов. Так для биполярных ключевых транзисторов это уменьшение емкостей переходов, неравновесного заряда базы, эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда.

Таким образом, при работе в режиме переключения транзистор находится в двух режимах: отсечки или насыщения. И только в моменты переключения из одного состояния в другое он работает в активном режиме.

2. Принцип действия и вольтамперные характеристики тиристоров

Переключающие полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами называются тиристорами.

Приборы с четырехслойной структурой p-n-p-n представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в толще полупроводника смежных слоев с различными типами проводимостей. Основу такого прибора составляет кремниевая пластинка, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слой с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями, образующими три p-n перехода (рис.4). Крайние области такой структуры называют n и р -эмиттерами, примыкающие к ним p-n переходы - эмиттерными (ЭП₁ и ЭП₂), центральный переход - коллекторным (КП). Между переходами находятся p и n - базы.

Электрод, обеспечивающий контакт с р -эмиттером называют анодом, с n-эмиттером - катодом.

Существуют три разновидности тиристоров:

1. Диодный тиристор (динистор) - базы не имеют выводов;

2. Триодный тиристор (тринистор) - имеет выход от р-базы, называемый управляющим электродом;

3. Тетродный тиристор - обе базы имеют управляющие электроды.

При подаче на анод отрицательного напряжения КП открыт, ЭП₁ и ЭП₂ закрыты, ток, протекающий через тиристор мал, так как протекает по существу через два обратно-включенных диода. При подаче на анод положительного напряжения КП закрыт, ЭП₁ и ЭП₂ открыты. Возникает инжекция носителей зарядов через ЭП₁ и ЭП₂, в результате, через КП, с учетом его собственного обратного тока – I_обр, протекает ток:

I_кп = I_э1 + I_э2 + I_обр

Так как, I_кп, I_э1, I_э2- это один и тот же ток, равный току анода- I_а, то анодный ток определяется из выражения:

В основе работы тиристора лежит сильная зависимость коэффициентов передачи ₁ и ₂ от величины тока. При малых токах (порядка мкА) I_а,  мало, а с ростом тока  увеличивается и стремится к единице.

Таким образом, пока анодное напряжение мало, ток мал и ₁ +₂<<1

С ростом анодного напряжения увеличивается прямое напряжение наЭП₁ и ЭП₂, усиливается инжекция носителей заряда. Электроны инжектируемые n-эмиттером создают в n-базе неравновесный отрицательный заряд.

Дырки инжектируемые р-эмиттером, создают неравновесный положительный заряд в р-базе. Эти заряды способствуют уменьшению потенциальных барьеров ЭП₁ и ЭП₂ и приводят к еще большему росту токов I_э1 и I_э2. В тиристоре возникает внутренняя положительная обратная связь, которая при достижении условия ₁+ ₂ = 1 приводит к самопроизвольному лавинообразному нарастанию тока анода. При этом КП насыщается инжектированными носителями заряда, его сопротивление резко падает и он открывается. Этому способствует и уменьшение обратного напряжения на нем за счет действия неравновесных сил накопленных зарядов в базах. Сопротивление тиристора резко уменьшается, анодный ток ограничивается практически величиной сопротивления анодной цепи R_а.

Падение напряжения на тиристоре: U_а = E_а – I_а R_а составляет около одного вольта.

Таким образом, тиристор представляет собой ключевой прибор, имеющий два устойчивых состояния: "откры­то" и "закрыто" ("тира" - по гречески "дверь").

Основной характеристикой тиристора является его вольт-амперная характеристика (рис.5). На ней можно выделить 4 основных области:

1. На аноде положительное напряжение, но ток мал (порядка мкА), тиристор закрыт.

2. Тиристор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это неустойчивая область перехода от закрытого состояния к открытому.