Транзистори з керуючим pn переходом

Рис. 1. Пристрій польового транзистора з керуючим pn переходом

Польовий транзистор з керуючим pn переходом - це польовий транзистор, затвор якого ізольований (тобто відокремлений в електричному відношенні) від каналу pn переходом, зміщеним у зворотному напрямку.

Такий транзистор має два невипрямляющіх контакту до області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду, і один або два керуючих електронно-діркових переходу, зміщених у зворотному напрямку (див. рис. 1). При зміні зворотної напруги на pn переході змінюється його товщина і, отже, товщина області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду. Область, товщина і поперечний переріз якої управляється зовнішнім напругою на керуючому pn переході і по якій проходить керований струм основних носіїв, називають каналом. Електрод, з якого в канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком.Електрод, службовець для регулювання поперечного перетину каналу, називають затвором.

Електропровідність каналу може бути як n-, так і p-типу. Тому по електропровідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Все полярності напруги зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n-і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом стоку, тобто струмом від зовнішнього щодо могутнього джерела живлення в ланцюзі навантаження, відбувається при зміні зворотної напруги на pn переході затвора (або на двох pn переходах одночасно). У зв'язку з малістю зворотних струмів потужність, необхідна для управління струмом стоку і споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора, виявляється нікчемно малою. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливанні як по потужності, так і по струму і напрузі.

Таким чином, польовий транзистор за принципом дії аналогічний вакуумному тріода. Исток в польовому транзисторі подібний катоду вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - аноду. Але при цьому польовий транзистор істотно відрізняється від вакуумного тріода. По-перше, для роботи польового транзистора не вимагається підігріву катода. По-друге, будь-яку з функцій витоку і стоку може виконувати кожний з цих електродів. По-третє, польові транзистори можуть бути зроблені як з n-каналом, так і з p-каналом, що дозволяє вдало поєднувати ці два типи польових транзисторів у схемах.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: у біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а в польовому транзисторі - вхідною напругою або електричним полем. По-друге, польові транзистори мають значно більші вхідні опору, що пов'язано із зворотним зсувом pn-переходу затвора в даному типі польових транзисторів. По-третє, польові транзистори можуть мати низьким рівнемшуму (особливо на низьких частотах), так як в польових транзисторах не використовується явище інжекції неосновних носіїв заряду і канал польового транзистора може бути відділений від поверхні напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв у pn переході і в базі біполярного транзистора, а також генераційно-рекомбінаційні процеси на поверхні кристала напівпровідника супроводжуються виникненням низькочастотних шумів.

Параметри ПТ з керуючим р-п переходом:

- максимальне значення струму стоку, сягає від десятків міліампер до одного ампера;

- максимальне значення напруги стік-витік, становить до 100 В;

- напруга відтинання ;

-внутрішнійопір;- крутизна стік-затворної характеристики;

- вхідний опір, становить десятки мегаом.

17)

Рис. 3. Вихідні статичні характеристики (a) і статичні характеристики передачі (b) МДП-транзистора з вбудованим каналом.

У даній схемі в якості нелінійного елемента використовується МДП транзистор з ізольованим затвором і індукованим каналом.

У зв'язку з наявністю вбудованого каналу в такому МДП-транзисторі при нульовій напрузі на затворі (див. рис. 2, б) поперечний переріз і провідність каналу змінюватимуться при зміні напруги на затворі як негативної, так і позитивної полярності. Таким чином, МДП-транзистор з вбудованим каналом може працювати в двох режимах: у режимі збагачення і в режимі збіднення каналу носіями заряду. Ця особливість МДП-транзисторів з вбудованим каналом відбивається і на зсуві вихідних статичних характеристик при зміні напруги на затворі і його полярності (рис. 3).

Статичні характеристики передачі (рис. 3, b) виходять із точки на осі абсцис, відповідній напрузі відсічення U _ЗІотс, тобто напрузі між затвором і витоком МДП-транзистора з вбудованим каналом, що працює в режимі збіднення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення .

Формули розрахунку в залежності від напруги U _ЗИ

1. Транзистор закрито

Порогове значення напруги МДП транзистора

2. Параболічний ділянку.

-Питома крутість транзистора.

3. Подальше збільшення U _{3 u} призводить до переходу на пологий рівень.

- Рівняння Ховстайна.

18) При напрузі на затворі щодо витоку, рівному нулю, і при наявності напруги на стоці, - струм стоку виявляється нікчемно малою. Він являє собою зворотний струм pn переходу між підкладкою і сільнолегірованной областю стоку. При негативному потенціалі на затворі (для структури, показаної на рис. 2, а) в результаті проникнення електричного поля через діелектричний шар в напівпровідник при малих напругах на затворі (менших U _ЗІпор) біля поверхні напівпровідника під затвором виникає збіднений основними носіями шар ефект поля і область об'ємного заряду, що складається з іонізованих нескомпенсованих домішкових атомів. При напругах на затворі, великих U _ЗІпор, у поверхні напівпровідника під затвором виникає інверсний шар, який і є каналом, що з'єднує витік із стоком. Товщина і поперечний переріз каналу будуть змінюватися зі зміною напруги на затворі, відповідно змінюватиметься і струм стоку, тобто струм в ланцюзі навантаження і щодо потужного джерела живлення. Так відбувається управління струмом стоку в польовому транзисторі з ізольованим затвором і з індукованим каналом.

У зв'язку з тим, що затвор відокремлений від підкладки діелектричним шаром, струм в ланцюзі затвора нікчемно малий, мала і потужність, споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора і необхідна для управління відносно великим струмом стоку. Таким чином, МДП-транзистор з індукованим каналом може виробляти посилення електромагнітних коливань по напрузі і по потужності.

Принцип посилення потужності в МДП-транзисторах можна розглядати з точки зору передачі носіями заряду енергії постійного електричного поля (енергії джерела живлення в вихідний ланцюга) змінному електричному полю. У МДП-транзисторі до виникнення каналу майже вся напруга джерела живлення в ланцюзі стоку падало на напівпровіднику між витоком і стоком, створюючи відносно велику постійну складову напруженості електричного поля. Під дією напруги на затворі в напівпровіднику під затвором виникає канал, по якому від витоку до стоку рухаються носії заряду - дірки. Дірки, рухаючись у напрямку постійної складової електричного поля, розганяються цим полем і їх енергія збільшується за рахунок енергії джерела живлення, в ланцюзі стоку. Одночасно з виникненням каналу і появою в ньому рухомих носіїв заряду зменшується напруга на стоці, тобто миттєве значення змінної складової електричного поля в каналі направлено протилежно постійної складової. Тому дірки гальмуються змінним електричним полем, віддаючи йому частину своєї енергії.

19) Тири́стор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем

Тиристор має три виходи, один з яких — керуючий електрод — використовується для різкого переводу тиристора у включений стан.

Тиристор суміщає в собі функції випрямляча, вимикача і підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Основні властивості тиристора:

ВАХ тиристорів (на русском):

(Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V_G, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₂, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.

При достижении напряжения V_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока J, называемого током включения J_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора)

Основні параметри (на русском):

К основным параметрам тиристора можно отнести:

- допустимое значение среднего прямого тока

- максимальный постоянный прямой ток;

- максимально допустимое напряжение – определяется по наименьшему из значений прямого и обратного напряжений, соответствующих началу крутого нарастания обратного тока;

- обратный ток тиристора;

- напряжение и ток удержания, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое.

20) Маркування напівпровідникових приладів. За зошитом електроніки та електро монтажної практики.

(Дополнительно к 17 и 18 вопросу, то что включает в себя изолированный и индуктивный канал)

Польовий транзистор з ізольованим затвором - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика.

У кристалі напівпровідника з відносно високим питомим опором, який називають підкладкою, створено дві сільнолегірованние області з протилежним щодо підкладки типом провідності. На ці області нанесені металеві електроди - витік і стік. Відстань між сильно легованими областями витоку і стоку може бути менше мікрона. Поверхня кристала напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика. Так як вихідним напівпровідником для польових транзисторів звичайно є кремній, то в якості діелектрика використовується шар двоокису кремнію SiO _2, вирощений на поверхні кристала кремнію шляхом високотемпературного окислення. На шар діелектрика нанесений металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика і напівпровідника. Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами.

Вхідний опір МДП-транзисторів може досягати 10 ¹⁰... ^{10 14} Ом (у польових транзисторів з керуючим pn-Перехід 10 ⁷... 10 ^9), що є перевагою при побудові високоточних пристроїв.

Існують два різновиди МДП-транзисторів: з індукованим каналом та вмонтованим каналом.

У МДП-транзисторах з індукованим каналом (рис. 2, а) проводить канал між сільнолегірованнимі областями витоку і стоку відсутній і, отже, помітний струм стоку з'являється тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі щодо витоку, яке називають граничним напруженням ( U _ЗІпор).

У МДП-транзисторах з вбудованим каналом (рис. 2, б) у поверхні напівпровідника під затвором при нульовій напрузі на затворі щодо витоку існує інверсний шар - канал, який з'єднує витік із стоком.

Зображені на рис. 2 структури польових транзисторів з ізольованим затвором мають підкладку з електропровідністю n-типу. Тому сільнолегірованние області під витоком і стоком, а також індукований і вбудований канал мають електропровідність p-типу. Якщо ж аналогічні транзистори створені на підкладці з електропровідністю p-типу, то канал у них буде мати електропровідність n-типу.

24. Фотоефект у р-п-переході.

При освітленні електронно – діркового переходу і ділянок напівпровідників, що примикають до нього, між ними виникає електрорушійна сила. Цей ефект називають фотогальванічним.

Розглянемо р-n структуру, в якої р-n перехід і безпосередньо прилягаюча до нього частина р- і n - областей піддаються дії світла (рисунок 1). Потік падаючих на напівпровідник фотонів створює в ньому деяку кількість рухливих носіїв зарядів— електронів і дірок. Частина з них, дифундуючи до переходу, досягає його границі, не встигнувши рекомбінувати. На границі переходу електронно – діркові пари розділяються електричним полем переходу. Неосновні носії, для яких поле р-n переходу є прискорює, викидаються цим полем за перехід: дірки в р- , а електрони в n- області. Основні носії зарядів затримуються полем переходу у своїй області. В результаті відбувається нагромадження не скомпенсованих зарядів і на р-n переході створюється додаткова різниця потенціалів, яка називається фото-електрорушійною силою (фото - е. р. с.).

Рисунок 1 – Електронно – дірковий перехід під дією світла

Величина фото - е. р. с. залежить від інтенсивності світлового потоку і звичайно складає десяті частки вольта. Якщо ланцюг рn - структури при цьому замкнути, то в ньому під дією фото - е. р. с. створюється електричний струм, сила якого залежить від величини світлового потоку й опору навантаження.

Фотогальванічний ефект використовується в вентильних фотоелементах, фото діодах і фото транзисторах, виготовлених на основі селена, германію, кремнію.

26. Напівпровідникові фотоприймачі.

ФОТОРЕЗИСТОРИ

Фоторезистори є найбільш простим типом приймачі випромінювання. Їхня дія заснована на явищі фотопровідності. Для виготовлення Фоторезисторів застосовуються напівпровідникові матеріали у вигляді полікристалічних плівок, пресованих таблеток, монокристалічних пластинок. Використовується фоточутливість матеріалів як в області власного поглинання, так і в примістній області. Схематична конструкція фоторезистора з омічними струмовідвідними контактами показана на мал.1.1

Мал.1.1. Схематична конструкція фоторезистора.

До переваг фоторезисторів варто віднести відносну дешевину виготовлення, ширину номіналів опорів ,що перекриваються, простоту виконання фоточутливих елементів із складною конфігурацією, а також високу технологічну сумісність із порошковими і плівковими електролюмінесцентними випромінювачами. Недоліками фоторезисторів є значна інерційність, температурна і тимчасова нестабільність характеристик.

ФОТОДІОДИ

Основним елементом фотодіода (ФД) є p-n-перехід. При освітленні його відбувається генерація електронно-діркових пар. Електричне поле переходу розділяють незрівноважені носії заряду. Струм, утворений цими носіями, збігається за напрямом з оберненим струмом p-n-переходу. p-n-перехід як фотоприймач застосовується в двох режимах – фотодіодному і режимі генерації фото-ЕРС (вентильному) (мал. 1.2). У першому випадку на діод подається обернена напруга і струм через структуру є функцією інтенсивності світла. В другому випадку p-n-перехід сам використовується в якості джерела ЕРС або струму.

Мал. 1.2. Схеми вмикання діода у фотодіодному (а) і фотовентильному (б)

режимах

Фотодіодний режим використання p-n-переходів і інших аналогічних структур має визначені переваги по відношенню до фотовентильного: висока швидкодія, краща стабільність характеристик, великий динамічний діапазон лінійності характеристик, підвищена фоточутливість у довгохвильовій області. Недолік фотодіодного режиму пов'язаний із темновим струмом, що проходить через прилад при оберненому зсуві за відсутності випромінювання. В опорі навантаження створюється напруга зсуву, значення котрої експоненціально залежить від температури. Надлишковий шум і шум, обумовлений температурними коливаннями напруги зсуву, зникають, якщо діод знаходиться при нульовому зсуві. Тому фотовентильний режим може виявитися кращим від фотодіодного. Енергетичні характеристики фотоелементів близькі до лінійного при малих опорах навантаження і є логарифмічними (залежність фотовідповіді від інтенсивності засвітки) при великому навантаженні.

Типова структура фотодіода і його вольт-амперна характеристика (ВАХ) показані на мал. 1.3.

Мал.1.3 ВАХ фотодіода (a) і його структурна схема (б).

Оцінимо розмір фотоструму для простого випадку, коли випромінювання поглинається в n-області і інтенсивність світла постійна по товщині ( << 1). Тут – ширина бази. При оберненому зсуві процес переносу генерованих світлом носіїв заряду не відрізняється від переносу зрівноважених носіїв в n-базі. Для визначення фотоструму можна скористатися формулою для оберненого струму p-n-переходу, яка для випадку p_p>>n_n має вигляд:

І_нас= gSL_pp_n / _p_.

Це cтрум незрівноважених носіїв заряду, що генеруються з темпом p_n/ _p в шарі бази шириною, рівною довжині дифузії неосновних носіїв (дірок) L_p. За аналогією фотострум

І_ф= qS( р / _p) ,

де p – концентрація генерованих світлом носіїв. Оскільки << L_p, то

підставляючи p = _pФ, одержуємо:

І_ф = q SФ = qc SФ (1.1)

Тут S – площа світлоприйомної поверхні; c = – безрозмірний коефіцієнт, що характеризує частку випромінювання, що поглинається в базі. У фотодіодів на основі p-n-переходу є багато переваг, головним із яких є мала інерційність.

ФОТОТРАНЗИСТОРИ

Біполярний фототранзистор являє собою напівпровідникову структуру, у якій є два p-n-переходи (мал. 1.4). Прилад можна уявити таким що складається із фотодіода і транзистора .Фотодіодом є освітлювана частина переходу база - колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо під емітером. Можливі три схеми включення фотодіода як двохполюсника, коли один із виводів залишається вільним: із вільним колектором, із вільним емітером і з вільною базою. Перші дві з цих схем не відрізняються від схеми

вмикання p-n-переходу у фотодіодному режимі.

Мал. 1.4. Включення транзистора з відключеною базою.

Розглянемо роботу транзистора в схемі з загальним емітером (ЗЕ) при відключеній базі за відсутності освітлення (див. мал. 1.4). Оскільки колекторний p-n-перехід включений в оберненому напрямку, уся прикладена напруга падає на ньому і після вмикання струм у ланцюзі дорівнює оберненому струмові окремо взятого колекторного переходу І_КБ0. Цей струм складається з струму дірок із бази в колектор і струму електронів із колектора в базу. Відхід із бази дірок і прихід у неї електронів призводить до утворення негативного заряду в базі. Внаслідок цього потенційний бар'єр емітерного переходу знижується і для компенсації негативного заряду в базу з емітера входять дірки. Позначимо через h_21Б коефіцієнт передачі (підсилення) емітерного струму транзистора: h_21Б = (І_к / І_е)_U₌_const. Для аналізованого випадку (ЗЕ) h_21Б-а частина інжектованих дірок проходить через базу в колектор і в компенсації негативного заряду в базі бере участь тільки (1- h_21Б)-а частина діркового струму емітера І_е. З умови електронейтральності струм, що утворює заряд, повинен бути рівний струмові, що його компенсує, тобто І_е (1-h_21Б) = І_КБ0.Струм у всіх ділянках послідовного ланцюгу однаковий, тому

І = І_е = І_кіI = І_КБ0/(1- h_21Б).

При освітленні бази фотострум збільшує обернений струм колекторного переходу, включеного в оберненому напрямку, тому що фотострум підсумовується з колекторним струмом.

На даний час відомі складні інтегральні мікросхеми з фототранзисторами. Прикладом є складовий транзистор-тверда схема з трьома транзисторами, сполученими за схемою Дарлінгтона, яку можна розглядати як емітерний повторювач. Коефіцієнти підсилення таких приладів можуть досягати h³₂₁ , що при достатньо великих струмах складає 10⁵ … 10⁶. У складових фототранзисторах досягаються малі значення границі чутливості. Вони відрізняються високим вхідним опором. Висока фоточутливість, широкий температурний діапазон роботи, простота технології виготовлення і висока надійність фототранзистора обумовлюють його застосування в різноманітних оптоелектронних пристроях. Наприклад, на основі фототранзистора розроблені

оптоелектроні перемикачі, що комутують струми до декількох десятків міліампер із швидкодією приблизно 10^-6 с, комутатори аналогових сигналів, що переключають напруги до 1 мВ, смугою пропускання до десятків мегагерц, фотоприйомні матриці з накопиченням і інші пристрої.

Створення кремнієвих фотоприймачів припускає можливість використання технологічних прийомів виготовлення інтегральних схем. Це забезпечує високу ефективність їх застосування в системах мікрофотоелектроніки. Структури деяких кремнієвих фотоприймачів із внутрішнім підсиленням приведені на мал. 1.5.

31. Засоби термостабілізації роботи транзистора у підсилювачах

Коли говорять про термостабілізації, мають на увазі ті чи інші технічні засоби, що сприяють підвищенню стабільності (стійкості) режиму роботи транзисторів при зміні температури.

Сам по собі ток Iкo – величина невелика. У низькочастотних германієвих транзисторів малої потужності, наприклад, цей струм, виміряний при зворотній напрузі 5 В і температурі 20 ° С, не перевищує 20 … 30 мкА, а у кремнієвих транзисторів він не більше 1 мкА. Неприємність ж полягає в тому, що він змінюється при впливі температури. З підвищенням температури на 10 ° С струм Iка германієвого транзистора збільшується приблизно вдвічі, а кремнієвого транзистора – в 2,5 рази, якщо, наприклад, при температурі 20 ° С струм Iко германієвого транзистора становить 10 мкА, то при підвищенні температури до 60 ° С він може зрости до 150 … 160 мкA.

Toк IКО характеризує властивості тільки колекторного pn переходу. В реальних же рабачіх умовах напруга джерела живлення виявляється прикладеним не до одного, а до двох р-n переходам. При цьому зворотний струм колектора тече і через емітерний перехід і itaif би підсилює сам себе, В результату значення некерованого, але мимоволі змінюється під впливом, темпералгури струму збільшується, в несколию раз. А чим більше його частка а колекторному струмі, тим нестабільнішою режим роботи транзистора в різних температурних условіях.

І все ж германієві транзистори можуть нормально працювати при температурі навколишнього середовища від – 60 до +70 ° С, а кремнієві – від – 60 до +120 ° С. Зменшення впливу темлератури на струм колектора можливе або шляхом використання т апаратурі, призначеної для роботи зі значними коливаннями температури, транзисторів з дуже малим струмом Iко, або застосуванням спеціальних заходів, термостабілізірующіх режим роботи транзисторів.

Занур корпус транзистора в лід, а через два … три хвилини – в воду, нагріту до температури 50 … 60 ° С. Як тепер змінюється колекторний струм транзистора? Значно менше, ніж у першому досвіді. Спробуй довести температуру води до 80 … 90 ° С. Транзистор збереже працездатність, хоча, можливо, з'являться невеликі спотворення звуку.

Що змінилося при такому включенні базового резистора? Залишаючись елементом, через який на базу транзистора подається негативна напруга зсуву (0,1 … 0,2 В), він у Водночас утворив між колектором і базою ланцюг негативного зворотного зв'язку по постійному і змінному струмі, що трохи знизило посилення, але поліпшило якість роботи підсилювача. Зворотній зв'язок діє таким чином. При нагріванні транзистора колекторний струм збільшується, а напруга на колекторі зменшується. Одночасно зменшується і негативне напруга зсуву на базі транзистора, що тягне за собою зменшення колекторного струму. Таким чином, за рахунок автоматичного впливу колекторного струму на струм бази і струму бази на струм колектора режим роботи транзистора стабілізується.

32. Підсилювачі на польових транзисторах.

Режими та схеми увімкнення польових транзисторів у підсилювальних каскадах залежать від їх конкретних різновидів.

МДН - транзистор з вбудованим каналом - каналом має прохідну характеристику подібну до зображеної на рис.2.1. Робоча точка може бути встановлена при і. отже, потреби в подачі зміщення на затвор не буде. Схема увімкнення такого транзистора наведена на рис.2.2.

Розділовими ємностями та каскад «відгороджено» від пристроїв, які підключаються до його входу і виходу. Ці ємності вільно пропускають підсилюваний змінний сигнал, але не допускають впливу зовнішніх пристроїв на режим роботи транзистора. Резистор забезпечує виконання умови : через нього малі струми затвору стікають на землю, не створюючи скільки-небудь помітного спаду напруги на цьому опорі. Але якби опору не було, то постійний потенціал затвору визначався б струмами затвору та ізоляційними властивостями ємності і мав би непередбачуване значення. Величина повинна бути значно більшою від реактивного опору ємності в усьому діапазоні робочих частот і обирається звичайно порядку Ом. Опір є навантаженням транзистора і на ньому, власне, і виділяється підсилений сигнал.

Для успішної роботи МДН - транзистора з індукованим - каналом на затвор слід подати позитивне зміщення (рис.2.3). А оскільки напруга джерела живлення такого транзистора також позитивна, то скориставшись подільником можна від того ж джерела одержати потрібну напругу зміщення (рис.2.4). З того ж. Що струм затвору звичайно дуже малий, висновується, що ці опори подільника можуть бути досить великим (порядку МОм).

В польовому транзисторі з керуючим переходом та - каналом на затвор слід подавати від’ємну напругу (рис.2.5). Для цього можна було б скористатися схемою, зображеною на рис. 2.2, увімкнувши послідовно з опором джерело е.р.с., яке забезпечувало б подачу на затвор потрібної від’ємної напруги . Але потреба ще в одному джерелі живлення вельми небажана. Тому звичайно застосовують так зване «автоматичне зміщення» (рис.2.6). Тут затвор має нульовий постійний потенціал. Зате витік перебуває відносно землі під постійною позитивною напругою, яка створюється внаслідок протікання струму через опір , увімкнений в коло витоку. Величина опору підбирається такою, щоб спад напруги на ньому дорівнював . Тоді затвор буде від’ємнішим за витік на потрібну величину напруги зміщення. А для того, щоб змінна (сигнальна) компонента струму витоку не давала внеску у напругу зміщення. Резистор шунтують великою ємністю , яка закорочує для змінної компоненти витік на землю.

Все викладене залишається в силі і для транзисторів з - каналом. Потрібно лише знаки всіх струмів і напруг у наведених вище схемах замінити на протилежні.

33. Багатокаскадні підсилювачі. Міжкаскадні зв’язки.

У більшості випадків поодинокі каскади не забезпечують необхіднупосилення і задані параметри підсилювачів. Тому підсилювачі, якізастосовують в апаратурі зв'язку та вимірювальної техніки, багатокаскадні. Прианалізі і розрахунку багатокаскадної підсилювача необхідно визначити загальнийкоефіцієнт підсилення підсилювача, спотворення, що вносяться їм, розподіляти їх покаскадам, визначити вимогу до джерел, вирішити питання запровадженнязворотних зв'язків і т.д.

У тих випадках, коли посилення не забезпечується одним підсилювачем,

використовують багатокаскадні підсилювачі. У залежності від елементів

з'єднуючої ланцюга розрізняють:

підсилювачі з гальванічним зв'язком — підсилювачі

постійного струму. Такі підсилювачі складаються максимум із трьох

каскадів, тому що при більшому числі каскадів вони нестабільні. Щоб

забезпечити деякі спеціальні вимоги, підсилювачі можна виконувати на

різних, підібраних по властивостях, транзисторах . На

малюнку підсилювач побудований на біполярному й уніполярному (польовому)

транзисторах, перший з який працює за схемою з ОС, другий — з ОЭ. Його

вхідний опір Rвх = 5 - 10 мОм, власні шуми невеликі, що характерно

для польових транзисторів;

підсилювачі з ємнісним зв'язком найчастіше використовують

у якості низькочастотних. Каскади зв'язані через конденсатор СБ2 і

резистор RБ2- Конденсатор

34. Вихідні каскади підсилювачів, режими їх роботи

Каскад, який, як правило, є підсилювачем потужності. Він може бути вихідним каскадом. Такі каскади виконують за двотактними схемами, що працюють в режимі В або АВ, або у вигляді потужних емітерних чи витокових повторювачів, якщо підсилювач повинен працювати на низькоомне навантаження.

В якості вихідних каскадів, як правило, використовують двотактні схеми, що працюють в режимі В або АВ завдяки їх високому ККД.

Виділяють безтрансформаторні і трансформаторні схеми підсилювачів.

Перші характеризуються малими масогабаритними показниками і реалізуються в інтегральних схемах.

Другі як правило застосовують вхідний і вихідний диференційний трансформатор з виводом від середньої точки відповідно вторинної і перевинної обмотки.

В таких схемах одне плече забезпечує підсилення одного півперіоду синусоїдального сигналу. ЕРС, що наводиться у первинній обмотці вхідного трансформатора забезпечує аналогічну полярність ЕРС у вторинній обмотці. За рахунок її диференційності, напруга прикладається до баз транзисторів.

В один півперіод полярність ЕРС перевинної обмотки VT2 буде відкриваючою для VT1 і закриваючою для VT2.

Струм протікатиме через відкритий VT1 і половину первинної обмотки ТР2. в другий півперіод полярність ЕРС на вторинній обмотці ТР1 буде протилежною і відкритим стане транзистор VT2. струм у первинній обмотці ТР2 буде протікати по іншій частині обмотки і в протилежному напрямку, а полярність ЕРС на навантаженні Rн змінити свій напрямок.

Без трансформаторні вихідні каскади виконують на транзисторах однакового або різного типу провідності.

Вхідний сигнал будь якої полярності автоматично є відкриваючим для одного транзистора і закриваючим для іншого. Завдяки використанню двополярного джерела живлення струм у навантаженні матиме протилежний напрямок в різні півперіоди вхідного сигналу.

Якщо використати транзистори однакового типу провідності, то для забезпечення стабільності роботи транзистора навантаження вмикають через роздільний конденсатор, акумулюють транзистор з допомогою додаткового фазоінвертуючого каскаду.

35. Однотактний вихідний каскад

Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.

Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.

36. Двотактний вихідний каскад.

Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

37.Зворотні зв’язки у підсилювачах. Їх класифікація

Зворотним зв'язком (ОС) у підсилювачі називається передача частини енергії з його виходу на вхід. Зворотний зв'язок негативна, якщо зменшує коефіцієнт підсилення підсилювача, у противному випадку вона позитивна. Зворотні зв'язки бувають корисними, якщо створюються цілеспрямовано, і паразитними (шкідливими), якщо виникають мимовільно. За місцем перебування зворотні зв'язки можуть бути внутрішніми, якщо здійснюються усередині ланцюга самого підсилювального каскаду, і зовнішніми, якщо їхнього ланцюга охоплюють підсилювальний каскад зовні.

У загальному випадку ланцюг зовнішньої ОС являє собою пасивний чотириполюсник, що своїми виводами підключається до вихідного й вхідного ланцюгів ОУ. Відзначимо, що в загальному випадку напруга й струм на вході підсилювача зі зворотним зв'язком і однойменні величини на вході ОУ не збігаються. Позитивна ОС у підсилювачах практично не застосовується, але лежить в основі роботи різного роду автогенераторів синусоїдальних коливань і регенеративних пристроїв. Негативна ОС використовується в підсилювачах дуже широко.

Вона дозволяє створювати пристрою різного функціонального призначення, а також поліпшує параметри підсилювачів: зменшує значення вихідного опору, збільшує значення граничної частоти Ранків, а отже, і смугу частот посилення сигналів, зменшує нелінійні перекручування напруги на виході й залежність значень параметрів підсилювача від дестабілізуючих факторів (звичайно температури). Корисні властивості негативного зворотного зв'язку досягаються за рахунок зменшення значень коефіцієнта підсилення напруги підсилювача. Це, однак, не має істотного значення, тому що власний коефіцієнт підсилення напруги ОУ дуже великий.

Підсилювачі з негативним зворотним зв'язком. Розглянемо приклади підсилювачів з негативним зворотним зв'язком на основі ОУ, думаючи їх ідеальними.

У не підсилювачі, що інвертує, використовується послідовна негативна ОС по напрузі. Надалі замість чотириполюсника зворотного зв'язку на схемах підсилювачів будемо зображувати тільки елементи його схеми заміщення. Напруги на вході й виході підсилювача, що інвертує, мають різні полярності, а відношення їхніх абсолютних значень визначає коефіцієнт підсилення напруги

Повторювач напруги. При виконанні умови значення коефіцієнта підсилення напруги не підсилювача, що інвертує, прагне до одиниці. У граничному випадку не підсилювач, що інвертує, перетвориться в повторювач напруги.

підсилювач, Що Інвертує. У підсилювачі, що інвертує, використовується паралельний негативний зворотний зв'язок по напрузі, а ланцюга джерела сигналу й зворотного зв'язку з опорами ?, і "ос підключаються до входу, що інвертує, операційного підсилювача.

Вибірний підсилювач. У вибірному підсилювачі ланцюг паралельного негативного зворотного зв'язку по напрузі містить резонансний загороджувальний фільтр. При синусоїдальній напрузі для розрахунку підсилювача застосуємо комплексний метод. Для поділу постійні й змінної тридцятимільйонні токи в ланцюг зворотного зв'язку включений конденсатор великої ємності опором якого можна зневажити.

Замінивши в напруги комплексними напругами а опір ланцюга негативного зворотного зв'язку "ос комплексним опором загороджувального фільтра. При резонансній кутовій частоті значення коефіцієнта підсилення напруги безперервна лінія.

З урахуванням втрат енергії в реальному резонансному загороджувальному фільтрі АЧХ вибірного підсилювача буде відрізнятися від ідеальної- штрихова лінія). Використання в ланцюзі зворотного зв'язку загороджувального приводить до аналогічних результатів. Однак простіше для практичної реалізації й тому в багатьох випадках виявляються переважніше резонансних загороджувальних. Такі фільтри на основі ОУ називають активними

Підсилювачі потужності. Підсилювач потужності звичайно є останнім каскадом у ланцюзі посилення сигналу. До його виходу підключається приймач великої потужності. Тому одним з важливих параметрів підсилювача потужності є його КПД. Для посилення синусоїдальних і інших двох полярних сигналів найбільшим КПД володіє двотактний підсилювач потужності, типова схема якого на основі з малими вихідними опорами. Постійніі тридцятилітні напруг на резисторах забезпечують зсуву між эмиттерами й базами транзисторів, необхідні для роботи повторювачів у класах В або АВ.

При цьому КПД підсилювача потужності двох джерел живлення з постійними Эдск і ланцюга навантаження за умови, а напруга на виході близько за формою до синусоїдальної напруги на вході. Зміна температури змінює значення граничної напруги провідності переходу між эмиттерами й базами транзисторів, що порушує їхню погоджену роботу. Для усунення цього явища замість резисторів включають зміщені в прямому напрямку діоди, гранична напруга провідності яких має такий же температурний коефіцієнт.

38. Вплив зворотніх зв’язків на параметри підсилювача. Вплив зворотніх зв’язків на спотворення у підсилювачах

Позитивний зворотній звязок підвтщує коефіцієнт підсилення. Одночастно зменшується стабільність підсилювача та підвищується рівень не лінійних перетворень. Тому ПЗЗ у підсилювачах майже не застосовується.

НЗЗ зменшує коефіцієнт підсилення.

При цььому також:

- Підвищується стабільність коефіцієнта підсилення.

- Знижується рівень нелінійних спотворень.

- Зменшується вихідний та підвищується вхідний опір.

НЗЗ застосовується дуже часто.

39. Емітерний повторювач

Емітерний повторювач - окремий випадок повторювачів напруги на основі біполярного транзистора. Характеризується високим підсиленням по струму і коефіцієнтом передачі по напрузі, близьким до одиниці. При цьому вхідний опір відносно великий (проте він менше, ніж вхідний опір стокового повторювача), а вихідний — малий.

У емітерному повторювачі використовується схема підключення транзистора зі спільним колектором (СК). Тобто напруга живлення подається на колектор, а вихідний сигнал знімається з емітера. Внаслідок чого утворюється 100 % від'ємний зворотний зв'язок по напрузі, що дозволяє значно зменшити нелінійні спотворення, що виникають при роботі. Слід також відзначити, що фази вхідного і вихідного сигналу збігаються. Така схема включення використовується для побудови вхідних підсилювачів, у випадку якщо вихідний опір джерела великий, а також як вихідні каскади підсилювачів потужності. Переваги

Великий вхідний опір

Малий вихідний опір

Недоліки

Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

Емітерний повторювач на основі npn-транзисто

40. Особливості широкосмугастих, імпульсних та вибіркових підсилювачів.

Імпульсні підсилювачі знайшли широке застосування. Особливо широко вони застосовуються в радіотехнічних пристрої, в системах автоматики, в приладах експериментальної фізики, у вимірювальних приладах.

Залежно від завдань на імпульсні підсилювачі накладаються різні вимоги, яким вони повинні відповідати. Тому підсилювачі можуть відрізнятися між собою як за елементної бази, особливостей схеми, так і по конструкції. Однак існує загальна методика, якої слід дотримуватися при проектуванні підсилювачів.

Завданням представленого проекту є відшукання найбільш простого та надійного рішення.

Для імпульсного підсилювача застосовують спеціальні транзистори, які мають високу граничну частоту. Такі транзистори називаються високочастотними.

Вибіркові підсилювачі Амплітудно-частотна та фазова характеристики у підсилювачах. Корекція АЧХ підсилювача. Зворотній зв’язок у підсилювачах I. Резонансні підсилювачі II. Смугові підсилювачі АЧХ та ФЧХ у підсилювачах. Корекція АЧХ підсилювача. Зворотній зв’язок у підсилювачах Під АЧХ підсилювача розуміється частотна залежність модуля однієї з його передаточних функцій.

Частіше інших на практиці використовуються комплексні передаточні функції (КПФ) вигляду: , Фізичний зміст модуля цих функцій представляє собою частотну залежність коефіцієнта підсилення підсилювача по напрузі та по потужності . Тоді ФЧХ підсилювача – це аргумент його КПФ або частотна залежність різниці початкових фаз сигнала на виході та вході підсилювача.

Так як на одному каскаді важко реалізувати посилення 30дБ, то для того, щоб забезпечити такий коефіцієнт посилення, використовуємо складання двох каскадів. Враховуючи, що вхідні ланцюг послаблює загальний коефіцієнт посилення всього підсилювача вважаємо, що кожен каскад в середньому дає посилення в 9 разів, або 19,085 дБ.

Структурна схема підсилювача, містить крім підсилювальних каскадів джерело сигналу і навантаження.

3 Розподіл спотворень АЧХ

Виходячи з технічного завдання, пристрій повинен забезпечувати спотворення в області верхніх не більше 3дБ і в області нижніх частот не більше 1.5дБ. Оскільки використовується два каскади, то отримуємо, що кожен може вносити не більше 1.5дБ спотворень в загальну АЧХ. Так як найбільші спотворення в АЧХ підсилювача зазвичай вносить вхідні ланцюг, то розподілимо їх із запасом, тобто YB для кожного каскаду візьмемо по 0.5дБ а на вхідний ланцюг залишимо 2дБ.

Ці вимоги накладають обмеження на номінали елементів, вносять спотворення.

41. ППС прямого підсилення.

Підсилювачі постійного струму прямого підсилення

Найпростішим представником ППС є підсилювач прямого підсилення з

безпосередніми зв'язками. Розглянемо схему двокаскадного підсилювача

прямого підсилення, зображену на рис. 4.2.

Рис. 4.2 - Двокаскадний підсилювач постійного струму прямого підсилення

Він складається з двох каскадів, виконаних за схемою з СЕ. Призначення

елементів те ж саме, що і у підсилювачах змінного струму. Вхідний

сигнал, що надходить до входу першого каскаду, підсилюється і з

колектора транзистора VT 1 подається на вхід другого каскаду, виконаного

на транзисторі VT2. Після повторного підсилення, сигнал надходить на

навантаження R .

На відміну від підсилювача змінного струму, де режим спокою вибирається

за умов найліпшого підсилення вхідного сигналу і не впливає на

навантаження завдяки наявності реактивних елементів зв'язку, у цьому

підсилювачі процеси протікають по іншому.

Напруга спокою першого каскаду U0K безпосередньо подасться на вхід

другого і, якщо не прийняти спеціальних заходів, під її дією транзистор насичується. Тобто ні про яке підсилення не може йти мови. Для того, щобвиключити це явище, до емітерного кола VT2 вводять резистор Rе2 на якомувиділяється напруга UЕ2 що компенсує напругу UОК, оскільки спрямованазустрічно. Наявність великих Rе1 та Rе2 призводить до виникнення в схемі глибокихВЗЗ, що значно знижує коефіцієнт підсилення. Тому такі підсилювачі маютьобмежену кількість каскадів (зазвичай не більше двох). Для того, щоб знизити величину емітерної напруги, можна використатидільник напруги (зображений на рис. 4.2 пунктиром). У цьому випадкунавіть на малому опорі Rе2 можна одержати потрібний рівень напруги. Алезменшення ВЗЗ призводить до підвищення втрат потужності, а отже, дозниження к.к.д. Даний підсилювач має велике значення дрейфу нуля і використовується увипадках, коли немає високих вимог до якості підсилення. Для підвищеннястабільності схеми в якості RЕ1 і RE2, використовують терморезистори.

Балансний каскад ППС

Напруга на виході мосту не залежить від змін напруги живлення чи від пропорційних змін параметрів плечей.

На рис. 4.4 зображена найпростіша схема балансного підсилювача.

Рис. 4.4 - Балансний підсилювач

Він складається з двох каскадів на транзисторах VTI і VT2. Причому параметри елементів обох каскадів повинні бути практично однаковими (в тому числі і транзисторів, що досить важко виконати).

Підсилювач являє собою чотириплсчий міст, де роль резистора R₁ виконує R_k1, R₂ - опір транзистора VT1 R₄ - опір транзистора VT2.

Якщо вхідний сигнал відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю (коли схема абсолютно симетрична). Дрейф нуля практично у 20 - 30 разів менший, ніж у підсилювача з безпосередніми зв'язками, оскільки визначається різницею І_0К1 та І_0К2.

За наявності вхідного сигналу з полярністю, що вказана на рис. 4.4, транзистор VT1трохи відкривається, його колекторний струм зростає, а транзистор VT2 пропорційно закривається і його колекторний струм зменшується. Внаслідок цього на навантаженні R_hз'являється напруга розбалансу .

Недоліком такого ППС є наявність значного ВЗЗ, зумовленого великими значеннями R₁ іR₂. Виключити цей недолік дозволяє схемо-технічне рішення, наведене на рис. 4.5.

Рис. 4.5 - Вилучення впливу ВЗЗ у балансному підсилювачі

Таким чином, відносні зміни струмів емітерів під дією вхідного сигналу взаємно компенсуються, виключаючи ВЗЗ за підсилюваним сигналом. ВЗЗ за постійним струмом залишається.

R₀, крім того, що вирівнює потенціали емітерів, як і в попередній схемі, у даному разі ще й забезпечує балансування схеми при незначних відхиленнях параметрів елементів.

43. Диференціальний підсилювач на біполярних транзисторах.

Далее ⇒