Транзисторы

Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника (чаще всего кремния или германия), в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с разной электропроводностью: эмиттер, база и коллектор. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (р или п), базы — противоположная (п или р). Иными словами, биполярный транзистор (далее просто транзистор) содержит два р-п перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).

• биполярные транзисторы;
• p-n-p-типа;
• n-p-n-типа;
• многоэлектродные (например, двухэмиттерные транзисторы);
• лавинные транзисторы;
• однопереходные транзисторы;
• с p-базой;
• с n-базой;
• полевые (униполярные) транзисторы с управляющим переходом;
• с управляющим p-n-переходом;
• с каналом p-типа;
• с каналом n-типа;
• с управляющим переходом на основе контакта металл—полупроводник (переход Шоттки);
• с управляющим гетеропереходом;
• статические индукционные транзисторы;
• биполярные статические индукционные транзисторы;
• полевые транзисторы c изолированным затвором (МДП-транзисторы);
• со встроенным каналом (МДП-транзисторы обедненного типа);
• с каналом p-типа;
• с каналом n-типа;
• с индуцированным каналом (МДП-транзисторы обогащенного типа);
• с каналом p-типа;
• с каналом n-типа (практически не встречаются);
• многозатворные транзисторы (особенно распространены двухзатворные);
• биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT);
• поверхностно-зарядовые транзисторы.

 МДП -транзисторы выполняют двух типов: со встроенным и индуцированным каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух металлических электродов, один из которых называется истоком(И), а другой – стоком(С). Управление током канала осуществляется с помощью затвора (З), отделенного от канала слоем диэлектрика. Четвертым электродом является подложка (П), которая выполняет вспомогательную функцию и служит выводом исходной полупроводниковой пластины.

Рис. 5.1. Условные обозначения МДП-транзисторов  
со встроенным каналом p-типа (а) и n-типа (б),  
с индуцированным каналом p-типа (в) и n-типа (г) 

Характеристики транзистора, включенного  по схеме ОБ

Входной характеристикой является зависимость:

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (а).

Выходной  характеристикой является зависимость:

IК = f(UКБ) при IЭ = const (б). 

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ; 2 – слабая зависимость Iк от UКБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения UКБ.

Характеристики транзистора, включенного  по схеме ОЭ: 

 

Входной характеристикой является зависимость:

IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (б).

Выходной  характеристикой является зависимость:

IК = f(UКЭ) при IБ = const (а). 

 

 

 

 В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения  транзистора:  с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения. 

Усилители в схеме включения  транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения  транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором. 
Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
коэффициент усиления по току	Десятки-сотни	Немного меньше единицы	Десятки-сотни
коэффициент усиления по напряжению	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше единицы
коэффициент усиления по мощности	Сотни- десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Входное сопротивление	Сотни ом – единицы килоом	Единицы- десятки ом	Десятки – сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы – десятки килоом	Сотни килоом – единицы мегаом	Сотни ом – единицы килоом

 

Параметры транзистора в значительной степени  зависят от температуры.  Для стабилизации режима работы транзистора при изменении  температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме  рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов сэмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

 

 

 

параметров транзисторов, используемых в таблицах: 
Uкбо - максимально допустимое напряжение коллектор - база; 
Uкб, max - максимально допустимое импульсное напряжение коллектор - база; 
Uкэr- постоянное напряжение коллектор - эмиттер при заданном сопротивлении в цепи база - эмиттер; 
Uкэо гр. - граничное напряжение транзистора - напряжение между коллектором и эмиттером при разомкнутой цепи базы и заданном токе эмиттера; 
Uкэ и max - максимально допустимое импульсное напряжение коллектор - эмиттер; 
Uкэн - напряжение насыщения коллектор - эмиттер; 
Uси max - максимально допустимое напряжение сток - исток; 
Uсио - напряжение сток - исток при оборванном затворе; 
Uзи max - максимально допустимое напряжение затвор - исток; 
Uзи отс - напряжение отсечки транзистора, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (для полевых транзисторов с р-п переходом, и с изолированным затвором); 
Uзи пор - пороговое напряжение транзистора между затвором и стоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (для полевых транзисторов с изолированным затвором и п-каналом); 
Iк max - максимально допустимый постоянный ток коллектора; 
Iк и max - максимально допустимый импульсный ток коллектора; 
Ic mах - максимально допустимый постоянный ток стока; 
Iс max - начальный ток стока; 
Ic ост - остаточный ток стока; 
Iкбо - обратный ток коллектора; 
Iкэо - обратный ток коллектор-эмиттер при разомкнутом выводе базы; 
Iз ут. - ток утечки затвора; 
Рк max - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода; 
Рк т max - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом; 
Рси  mаx - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность сток - исток без теплоотвода; 
Рси т max - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность сток - исток с теплоотводом; 
Ри max - максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора; 
Рвых. - выходная мощность биполярного (полевого) транзистора; 
h21э - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером; 
Rси отк - сопротивление сток - исток в открытом состоянии; 
Ск - ёмкость коллекторного перехода; 
С11и - входная ёмкость полевого транзистора; 
S - крутизна характеристики; 
fгр. - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером; 
fраб, mах - максимальная рабочая частота транзистора; 
Кур - коэффициент усиления по мощности биполярного (полевого) транзистора; 
Кш - коэффициент шума биполярного (полевого) транзистора; 
tрас. - время рассасывания для биполярного транзистора (для транзисторов КТ601- КТ997 этот параметр указан в круглых скобках в предпоследней колонке); 
tcп. - время спада для биполярного (полевого) транзистора; 
tк- постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте бипопярного транзистора;

Транзисторный ключ

Переключающие схемы,  кратко именуемые  ключами, —  необходимые элементы

практически всех импульсных и цифровых устройств.  В одной из простейших

реализаций ключа используется транзисторный каскад с общим  эмиттером  (ОЭ),

представленный на рис. 2.1.  Зависимость напряжения на выходе каскада (uк)  от

управляющего напряжения,  подаваемого  на вход  (eу),  называют характеристикой

передачи напряжения или передаточной характеристикой ключа (рис. 2.2).

Передаточная характеристика иллюстрирует изменение состояний транзистора.

Действительно, по мере увеличения напряжения на базе транзистор оказывается в  разных

режимах, которым соответствуют характерные области на передаточной кривой. Это:

‰ режим отсечки  (на кривой —  область отсечки);  эмиттерный и  коллекторный

переходы транзистора заперты;

‰ режим усиления (на кривой — активная область); эмиттерный переход открыт, а

коллекторный заперт;

‰ режим насыщения (на кривой —  область насыщения); оба перехода открыты.

Поскольку для транзисторного ключа,  построенного по схеме ОЭ,  рост входного

напряжения приводит к уменьшению выходного, его называют ключом-инвертором.

Компенсационные стабилизаторы  напряжения

 Компенсационный стабилизатор напряжения — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) компенсационные стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы). 
Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U_1ном.

 

 

При возрастании напряжения U₁ катет прямоугольного треугольника U₂ остается постоянным, изменяется падение напряжения ∆U_КЭ1 = U₁ – U_{2 .}Рабочая точка переходит из положения “1” в “2”.

 Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом  заключается в следующем. Электрический  сигнал, поданный через конденсатор  С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Рис. 2 Двухкаскадные усилители  НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

Одновибраторы предназначены для вырабатывания одиночных импульсов с заданной длительностью. При этом длительность запускающего импульса особой роли не играет, лишь бы она была не больше длительности вырабатываемого одновибратором импульса, т.е. t_{и зап}<t_и, где t_{и зап} - длительность запускающего импульса; t_и - длительность выходного импульса одновибратора.

Схема одновибратора приведена на рис. 4.8, а. Он выполнен на двух элементах логики типа 2И-НЕ путем введения положительной обратной связи (выход второго элемента соединен с входом первого).

Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения

,

где R_вых - выходное сопротивление первого элемента. U_пор - пороговое напряжение логического элемента.

Схемы формирователей одиночных  импульсов

Для управления электронными устройства часто используются генераторы-формирователи одиночных импульсов, срабатывающих либо при нажатии кнопок, либо по включению напряжения питания (сброс, установка, перевод в другой режим и т.д.). Такие формирователи выдают только один импульс на внешнее воздействие.

При использовании механических контактов (кнопки), как правило, происходит несколько  контактов-размыканий. Такое явление называется “дребезг” контактов. Для исключения этого явления используют формирователи на базе триггеров, например, R-S-триггера. На рис.179 приведена простейшая схема устранения ‘’дребезга’’ контактов. На логических элементах 2И-НЕ реализован R-S-триггер, который меняет свое состояние только один раз при переключении контактов. Резисторы R1 и R2 формируют уровни  U¹ на входах ЛЭ, когда эти входы находятся в свободном состоянии, что повышает помехоустойчивость по входу.

 

Рис.179

Мультивибратор – это генератор  периодических импульсов, близких  по форме к прямоугольным.

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель охваченный, положительной обратной связью, становится мультивибратором.

Рис. 2 Схема симметричного мультивибратора (а) и генерируемые им импульсы тока (б, в, г).

мультивибратор генерирует электрические  колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов Т, а время между импульсами длительностью паузы Тn - Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность Тn которых равна паузам между ними, называют симметричными.