Лекция №2.

Тема лекции:Активные радиокомпоненты.

Цель лекции: Изучение активных радиокомпонентов иосновных схем включения биполярных и полевых транзисторов.

Активными называются радиокомпоненты способные увеличить мощность сигнала. Рассмотрим основные активные полупроводниковые радиокомпоненты.

 

2.1. Туннельный диод

Туннельный диод (иногда называемый также диодом Есаки, по имени его изобретателя) представляет собой p-n-переход с очень высоким уровнем легирования. Результатом этого является очень узкий обедненный слой, вследствие чего пробой происходит без какого бы то ни было внешнего смещения.

Прямая ветвь ВАХ такого диода представлена на Рис. 2.1. Эта ветвь разделяется на три отчетливые области. В области I происходит пробой и прямой ток возрастает. В области 2 прибор выходит из пробоя и демонстрирует отрицательное сопротивление (уменьшение тока при возрастании напряжения). В области 3 прибор полностью выходит из пробоя и ведет себя как обычный диод. При работе прибора используется область 2, так как отрицательное сопротивление дает возможность применять Рис. 2.1. ВАХ туннельногоприбор в качестве генератора или запоминающего

диода. (накопительного) элемента.

 

2.2. Биполярные транзисторы

Существует два типа биполярных транзисторов: n-p-n и p-n-p (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Обозначения, токи и напряжения в биполярных транзисторах

 

Выводы биполярных транзисторов называются: база (В), коллектор (С) и эмиттер (Е). Переходы база-эмиттер и база-коллектор являются p-n-переходами. При работе транзистора в нормальном режиме переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном. Стрелки на рисунке указывают направления прямого смещения p-n-переходов. Положительный базовый ток втекает в базу n-p-n-транзисторов или вытекает из базы p-n-p-транзисторов. Для протекания базового тока через переход база—эмиттер необходимо, чтобы падение напряжения на нем составило приблизительно 0,7 В. Напряжение, поданное на выводы коллектор-эмиттер, приводит к обратному смещению перехода коллектор-база. При этом коллекторный ток в нормальном режиме практически всегда пропорционален базовому току. Отсюда вытекает основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Определить тип неизвестного транзистора можно при помощи омметра, проверяя полярность переходов база-эмиттер и база—коллектор.

Для определения исправности транзисторов:

а) проверяют переходы база—эмиттер и база—коллектор на пробой;

б) при разомкнутой цепи базы измеряют сопротивление (проводимость) участка цепи коллектор-эмиттер. (Если транзистор исправен, то это сопротивление должно быть большим, а проводимость практически равна нулю.)

Рис. 2.3. Выходные характеристики транзистора

На рис. 2.3 показаны выходные характеристики транзистора. Как видно из рисунка, они представляют собой зависимости коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер. Базовый ток здесь играет роль параметра. Из этих характеристик можно получить всю необходимую информацию, требуемую при разработке электрических схем. В активной области работы транзистора выходные характеристики являются практически горизонтальными, т. е. в пределах этой зоны ток коллектора практически пропорционален току базы. Поэтому именно в этой области должен работать транзистор, используемый как усилитель малых сигналов. Часто к выходным характеристикам также относят гиперболическую функцию максимально допустимой рассеиваемой мощности Р_total, показывающую границу значений токов и напряжений, ниже которой обеспечивается приемлемый тепловой режим работы транзисторов.

 

2.3. Основные схемы на биполярных транзисторах

Существуют три основные схемы включения биполярных транзисторов, работающих в режиме усиления малых сигналов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором (рис. 2.4). Они различаются способами подключения выводов входных и выходных напряжений, величина которых определяется относительно общей линии. Эта общая линия и дает название всей схеме. Все рассматриваемые схемы имеют разные коэффициенты усиления и разные импедансы.

Схема с общим эмиттером обладает высокими коэффициентами по мощности, току и напряжению. Входное и выходное напряжения имеют противоположные фазы. Положение рабочей точки, лежащей в активной области выходных характеристик транзистора, включенного по схеме, показанной на рис. 2.5, определяется резисторами R₁, R₂, R_C и R_E. Переменная составляющая сигнала попадает в схему (обычно через конденсатор) на базу транзистора, а снимается на выход с коллектора.

Можно вывести следующее уравнение, которое называют статической линией нагрузки:

Рис. 2.4. Основные схемы на биполярных транзисторах

Шунтируя сопротивление R_E конденсатором С_Е, получают динамическую линию

нагрузки (рис. 2.5). Ее наклон определяется уравнением, которое при подключении нагрузки оно принимает вид:

Рис 2.5. Статическая и динамическая линии нагрузки на выходных характеристиках

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) имеет коэффициент усиления по напряжению практически равный единице, а диапазон выходных напряжений лежит в пределах 0,7 В ≤ V_B ≤ V_C т. е. он почти достигает напряжения питания. Напряжение на эмиттере всегда на ~ 0,7 В меньше напряжения на базе. Поскольку напряжение эмиттера отслеживает напряжение базы и отличается от него на фиксированную величину 0,7 В, эта схема и называется эмитгерным
повторителем. Схема с общим коллектором обладает очень высоким входным импедансом и очень низким выходным импедансом, поэтому ее часто используют в качестве преобразователя импеданса, например в сочетании со схемой с общим эмиттером.

Схема с общей базой имеет коэффициент передачи по току равный 1, а коэффициент усиления по напряжению такой же, как у схемы с общим эмиттером. В данной схеме входное и выходное напряжения имеют одинаковую фазу. Поскольку схема с общей базой обладает низким входным импедансом, для ее согласования с внешними входными цепями часто приходится использовать трансформатор, который при соответствующем выборе соотношения числа витков в обмотках может обладать очень маленьким импедансом и обеспечивать передачу большого тока при небольших напряжениях. Схема с общей базой хорошо работает на очень высоких частотах. Поскольку ее коэффициент передачи по току А = 1, а выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением, она может использоваться вплоть до граничной частоты коэффициента передачи тока F_T. Несмотря на такие интересные характеристики, схема с общей базой используется не так часто, поскольку ее вытеснили схемы на полевых транзисторах. Это объясняется тем, что схемы с общим истоком (аналоги схем с общим эмиттером) могут работать на частотах, доступных только биполярным транзисторам, включенным по схеме с общей базой.

Токовое зеркало.Выходной ток схемы токового зеркала I_OUT практически равен входному току I₁. Выход токового зеркала обладает свойствами источника тока, т. е. обладает высокоимпедансным внутренним сопротивлением.

На рис. 2.6 ток I₁ является входным сигналом. Транзисторы в этой схеме должны быть одинаковыми и работать при одной и той же температуре.

Рис. 2.6. Варианты схем токовых зеркал

2.4. Полевые транзисторы

Недостатком биполярного транзистора является малое входное сопротивление, и для его повышения требуется достаточно сложная схема.

Биполярные транзисторы — это приборы, управляемые током, однако проводимостью полупроводникового материала можно управлять также с помощью электрического поля. Транзисторы, в которых проводимость модулируется электрическим полем, называют полевыми транзисторами.

Самый простой полевой транзистор показан на Рис. 2.7. Этот транзистор представляет собой прибор с тремя выводами (стоком, истоком и затвором), состоящий из кристалла кремния n-тина, в котором с помощью диффузии создана область p-типа, т.е. образован p-n-переход.

Сток положительно смешен по отношению к истоку, таким образом, в n-слое образуется канал, по которому течет ток I_d от
стока к истоку. Однако, если на затвор подать отрицательный потенциал, в области p-n-перехода образуется обедненный слой,
Рис. 2.7. Полевой транзистор. а-конструкция и схемачто приведет к ухудшению смещения, б - стоковые характеристикипроводимости канала и уменьшению

тока.

Следовательно, напряжение на затворе управляет проводимостью канала, чем больше по величине значение отрицательного напряжения, тем меньший ток течет от стока к истоку. Переход затвор канал всегда смешен в обратном направлении, и через него протекает небольшой ток затвора, которым обычно пренебрегают.

Если увеличивать отрицательное напряжение на затворе, ток I_d, перестанет протекать вовсе. Напряжение на затворе, при котором это произойдет, называется напряжением отсечки или напряжением смыкания канала, и его типичное значение равняется 5 В. На Рис. 2.7б приведены типичные характеристики полевого транзистора.

Во многих отношениях полевой транзистор похож на электронную лампу, поскольку это тоже прибор, управляемый напряжением

Описанный выше транзистор получил название n-канального полевою транзистора с р-n-переходом в качестве затвора. Он работает в режиме обеднения, названном так из-за того, что посредством изменения напряжения на затворе можно уменьшить проводимость канала (создать обедненный слой). При использовании подложки p-типа получается p-канальный полевой транзистор с р-n-переходом в качестве затвора. Он работает по тому же принципу, но при обратной полярности источников.

Другой тип полевого транзистора это так называемый полевой транзистор с изолированным затвором, известный также как полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, или МОП-транзистор. Затвор в таком транзисторе изолирован от канала.

Рис. 2.8 Структура МОП-транзистора.

В подложке p-типа с помощью диффузии формируют две области n-типа. На поверхности между ними наращивается изолирующий слой оксида кремния. Затем на оксидный слон напыляют слой алюминия, который служит затвором. У такого транзистора четыре вывода. При соединенных накоротко подложке и затворе единственный ток, протекающий между истоком и стоком, это незначительный ток утечки. Если потенциал на затворе станет положительным по отношению к
базе, электроны начнут притягиваться к поверхности базы, увеличивая проводимость между двумя областями n-типа.

Протекающим током стока можно управлять при помощи напряжения затвор подложка. Принцип работы такой схемы основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком при изменении напряжения на затворе, поэтому этот транзистор называют n-канальным МОП-транзистором (транзистором с изолированным затвором), работающим в режиме обогащения.

Также существуют МОП-транзисторы, работающие в режиме обеднения. Области стока и истока в таком транзисторе соединены тонким слоем n-типа Для управления током исток-сток на затвор подается отрицательное напряжение по отношению к базе подобно тому, как это делалось для полевого транзистора с p-n-переходом. Транзисторы такого типа называются n-канальными МОП-транзисторами, работающими в режиме обеднения. Ясно, что МОП-транзисторы, работающие в режиме обогащения, и МОП- транзисторы, работающие в режиме обеднения, могут быть как р-, так и n-канальными. На Рис. 2.9 приведены символьные обозначения для всех шести типов полевых транзисторов.

Рис. 2.9. Семейство полевых транзисторов:

а — полевые транзисторы с р-п-переходом в качестве затвора;

б - МОП-транзисторы, работающие в режиме обогащения;

в - МОП-транзисторы, работающие в режиме обеднения

 

 

2.5. Транзистор с одним p-n-переходом.

Однопереходный транзистор, — это прибор с тремя выводами, состоящий из пластины n-типа, к которой с двух концов прикреплены контакты, как показано на Рис. 2.10а. Примерно в середине пластины с помощью диффузии сформирована область p-типа, называемая эмиттером.

Рис. 2.10. Транзистор с одним переходом;

а - конструкция;

б - эквивалентная схема;

в - релаксационный генератор.

 

При разомкнутой цепи эмиттера напряжение V₁ определяется распределением напряжения по пластине. Это напряжение обозначается V_EO (Рис. 2.10б). Если напряжение E_EB1 больше,
чем напряжение V_EO то начнется инжекция дырок в пластину, которая приведет к увеличению проводимости, в результате уменьшится сопротивление R_B1. Это послужит причиной падения напряжения на переходе R_B1 и R_B2. Таким образом, начнется эффект нарастания, который будет продолжаться до тех пор, пока R_B1 не станет пренебрежимо малым.

На Рис. 2.10в показан релаксационный генератор на однопереходном транзисторе. Генераторы на однопереходных транзисторах получили широкое распространение в тиристорних схемах зажигания.

 

2.6. кремневый управляемый диод и семейство тиристоров

Иногда кремниевый управляемый диод называют тиристором, хотя термин «тиристор» используется также для описания целого семейства электронных компонентов. В сущности, кремниевый управляемый диод— это четырехслойный прибор с тремя выводами, его структура приведена на Рис. 2.11а. а соответствующий символ для обозначения в схемах — на Рис. 2.11б.

Если между анодом и катодом подать положительное напряжение, появится незначительный ток, так как центральный пере ход окажется обратносмещенным. При увеличении напряжения при некотором его значении начнется процесс лавинного нарастания тока, который будет ограничиваться исключительно сопротивлением внешней цепи. После того, как лавинный процесс начался, ток можно уменьшить до величины критического уровня, называемого «удерживающий ток».

Впрочем, лавинный процесс можно инициировать, подав положительный импульс на управляющий электрод. Как и в прежнем случае, после того, как ток начнет протекать, его можно остановить, лишь уменьшив до уровня ниже

Рис. 2.11. Кремниевый управляемый диод:удерживающего тока. На практике это можно

а - конструкция; сделать мгновенным соединением накоротко анода

б - символьное обозначение; и катода с помощью конденсатора или подобным

в - транзисторный аналог образом.

 

Ток управляющего электрода, необходимый для запуска тиристора, достаточно мал. В типовом мощном тиристоре могут протекать токи свыше 50 А, при этом ток управляющего электрода составляет 20 мА.

Действие лавинного эффекта может быть рассмотрено на примере поведения пары транзисторов р-n-р/n-р-n, изображенной на Рис. 2.11в. После того, как положительный импульс поступит на управляющий электрод, оба транзистора TR₁ и TR₂ сразу же откроются. Такая схема называется катодно-управляемым тиристором. При использовании n-р-n-р-структуры получится анодно-управляемый тиристор. Чтобы запустить его, потребуется отрицательный управляющий импульс. Тиристоры могут проводить ток лишь в одном направлении. Если соединить в одном корпусе анодно-управляемый и катодно-управляемый тиристоры, получится прибор, проводящий ток в обоих направлениях, называемый двунаправленным тиристором, или триаком. Двунаправленные тиристоры широко применяются для управления схемами переменного тока.