Что такое транзистор?

Это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который обладает свойством усиления электрического сигнала. По принципу работы транзисторы делятся на биполярные и униполярные или полевые, а по технологии на плоскостные (с р-n переходом) и точечные. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения технологии также подразделяются на дрейфовые, диффузионные, планарные, сплавные, меза и др. С точки зрения используемого полупроводникового материала транзисторы делятся на германиевые, кремниевые и арсенидо-галлиевые.

Транзистор является активным элементом, который в большинстве электронных схем полностью заменяет ранее используемые вакуумные приборы (электронные лампы). По сравнению с электронной лампой транзистор обладает следующими преимуществами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность, высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора (по сравнению с лампами) — ограниченные мощность и рабочее напряжение, большая чувствительность к изменениям температуры и меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к коротким замыканиям и искрениям.

 

Что такое биполярный плоскостной транзистор?

Это транзистор, образуемый при соединении двух переходов, т. с. состоящий из трех областей; р-n-р или n-р-n. В таком транзисторе существует два вида носителей: основные и неосновные, отсюда название — биполярный. Электроды транзистора имеют следующие названия: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К), причем эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а база, разделяющая эмиттер и коллектор, — противоположный. Транзисторы типа n-р-n и р-n-р, а также их графическое обозначение представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структуры транзисторов

а — n-р-n ;  б — р-n-р и их графические изображения

 

Как работает биполярный транзистор?

В типичных условиях работы транзистор подключен к источнику постоянного тока таким способом, что переход эмиттер — база (эмиттерный переход) смещен в проводящем направлении, а переход коллектор — база (коллекторный переход) в обратном направлении (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Прохождение носителей зарядов в биполярном транзисторе

При таком смещении в случае р-n-р транзистора из области эмиттера в область базы переходят дырки, являющиеся основными носителями области эмиттера p-типа. Большинство дырок диффундирует через базу и достигает коллектора. Часть дырок исчезает в базе вследствие рекомбинации (повторного соединения) с основными носителями базы, т. е. электронами. В эмиттере также происходит рекомбинация дырок с электронами, проходящими из базы к эмиттеру. Электронный ток базы в общем значительно меньше дырочного тока эмиттера, поскольку база тонкая и легирована значительно меньше эмиттера. Ток коллектора создает дырки, приходящие от эмиттера, его значение (обычно несколько миллиампер) зависит непосредственно от напряжения смещения на переходе эмиттер — база (обычно около 0,2 В) и мало зависит от напряжения, смещающего в обратном направлении коллекторный переход (U кэ около 10 В). От напряжения U бэ зависит как ток эмиттера, так и ток базы (обычно несколько десятков микроампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора зависит от малого тока базы, т. е. малые изменения тока базы вызывают большие изменения тока коллектора.

 

Почему биполярный транзистор усиливает сигналы?

Рассмотрим это на примере, воспользовавшись упрощенной схемой усилителя на транзисторе (рис. 4.3, а). Переход база-эмиттер смещен в проводящем направлении, для этого между базой и эмиттером имеется напряжение смещения около 0,5–1,0 В. Переход коллектор — база смещен в обратном направлении, для этого между коллектором и базой существует напряжение смещения около 10–20 В (обычно 12 В). Между базой и эмиттером находится источник управляющего сигнала, например синусоидального, напряжением около нескольких десятков милливольт.

Напряжение между базой и эмиттером изменяется в соответствии с изменениями мгновенного управляющего напряжения и в каждый момент равно сумме постоянного напряжения от источника смещения и мгновенного значения управляющего напряжения (рис. 4.3, б). Для одного полупериода управляющего напряжений получен рост напряжения, смещающего базу в проводящем направлении, и увеличение тока базы, для другого — наоборот. Увеличение проводимости в переходе база — эмиттер вызывает рост тока через транзистор (от эмиттера до коллектора). Ток коллектора составляет обычно несколько миллиампер и при изменениях тока базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на несколько миллиампер. Пои сопротивлении нагрузки в цепи коллектора, равном нескольким килоомам, диапазон мгновенных изменений падения напряжения на этой нагрузке составит несколько вольт.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению, определенный как отношение изменения напряжения на сопротивлении нагрузки (несколько вольт) к изменению напряжения в цепи базы (несколько десятков вольт), составит несколько десятков.

Коэффициент усиления по току, определяемый отношением изменений (приращений) токов, т. е. несколько миллиампер для тока коллектора и несколько десятков микроампер для тока базы, составит примерно 100. Следовательно, коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициента усиления по току на коэффициент усиления по напряжению, будет равен нескольким тысячам.

Рис. 4.3. Упрощенная схема транзисторного усилителя ( а ) и изменение мгновенного напряжения на его входе ( б ):

1 — наибольшая проводимость перехода (максимальные токи базы, эмиттера, коллектора); 2 — наименьшая проводимость перехода (минимальные токи базы, эмиттера, коллектора)

 

Как обозначаются токи и напряжения в транзисторных схемах?

В типичной транзисторной схеме одновременно имеются как постоянный, так и переменный ток. Часто приходится помимо постоянного тока определять и обозначать переменный (мгновенное, максимальное, действующее, среднее значение) либо их полные значения, являющиеся результатом суммирования постоянного и переменного токов (полное среднее, полное максимальное). Это осложняет вопрос обозначений и может приводить к недоразумениям. Поэтому во многих странах, в том числе и в ПНР, принята единая система обозначений.

Для обозначения токов и напряжений в транзисторных схемах используются буквы i, I, а также u, U с соответствующими индексами. В общем случае малые буквы относятся к мгновенным значениям, а большие используются для обозначения величин, определенных индексом, а также для обозначения постоянного тока.

Буквы в индексе определяют электрод транзистора (К, к — коллектор; Э, э — эмиттер; Б, б — база), а также среднее значение (СР, ср) — либо максимальное (m, max). Малые буквы в индексе относятся только к самой переменной составляющем, а большие — к постоянному току и к полным значениям.

Подробнее «расшифровка» системы буквенных обозначений для токов приведена на рис. 4.4. Для напряжений часто используется дополнительная буква в индексе, обозначающая электрод, относительно которого определяется напряжение, например u бэ , U бк , U кэ max  и т. д.

Рис. 4.4. Обозначения токов в биполярных транзисторных схемах:

tк — мгновенное значение тока коллектора; IКр — ток коллектора в рабочей точке;  IКmax — максимальное значение коллекторного тока; IКд — действующее значение; IКm — амплитудное значение тока;  ΔIКр — приращение постоянной, составляющей при наличии переменного сигнала; t1 — время, в течение которого отсутствует переменный сигнал; t2 — на входе действует переменный сигнал

 

В каких схемах включения биполярный транзистор работает как усилитель?

Транзистор может работать как усилитель в трех основных схемах включения (рис. 4.5): схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем обладает свойствами, с точки зрения усиления входного и выходного сопротивлений. Чаще всего используют схему ОЭ.

Рис. 4.5. Схемы включения транзистора:

а — схема с общей базой; б — схема с общим эмиттером; в — схема с общим коллектором

 

Что можно сказать о транзисторе как элементе схемы?

Транзистор является активным (нелинейным) элементом, параметры которого зависят от токов, напряжений (т. е. от рабочей точки и уровня сигнала), температуры и частоты. При работе с малыми сигналами транзистор приближенно можно считать линейным элементом.

Зависимость параметров транзистора от условий работы создает значительные трудности при проектировании и рассмотрении транзисторных схем. Часто возникает необходимость представления транзистора в виде упрощенной эквивалентной схемы (модели). Это трудная задача, так как эквивалентная схема транзистора зависит не только от условий работы, но и от технологии изготовления данного транзистора (материала и размеров).

Существует много приближенных эквивалентных схем, каждая из которых имеет ограниченный диапазон применений. Транзистор можно представить в виде соединения двух диодов: одного — смещенного в проводящем направлении (эмиттер — база), другого — в обратном (коллектор — база). Такие схемы называются физическими эквивалентными схемами или физическими моделями транзистора, так как они дают наглядное представление о физическом смысле отдельных элементов схемы. Эквивалентные схемы этого типа зависят также от схемы включения транзистора. Они различны для схем ОБ, ОЭ, ОК.

 

Что можно сказать о транзисторе как четырехполюснике?

Во многих случаях неудобно пользоваться физической эквивалентной схемой, поскольку она излишне сложна и содержит составляющие элементы, которые не всегда можно определить либо найти в справочнике для определенных условий работы транзистора. В этом случае часто пользуются представлением транзистора в виде «черного ящика» с двумя входными и двумя выходными зажимами (рис. 4.6), совершенно не вникая во внутреннюю структуру этого «ящика» и интересуясь лишь параметрами «ящика» в целом со стороны входных и выходных зажимов. Такой «черный ящик» называется активным четырехполюсником.

Рис. 4.6. Представление транзистора в виде четырехполюсника

При использовании эквивалентной схемы в виде четырехполюсника обычно транзистор рассматривается как линейный элемент. В принципе это допущение справедливо только при работе с малыми сигналами. Отсюда параметры транзистора называются малосигнальными. Транзистор как четырехполюсник можно описать с помощью только четырех параметров, значение которых зависит от рабочей точки и частоты. В общем значения этих параметров можно найти в справочниках либо измерить более простым способом, чем в случае измерения сопротивлений, входящих в состав физической модели транзистора.

Существует несколько типов четырехполюсников, отличающихся рассмотрением при различных условиях на входе и выходе, а именно в режимах короткого замыкания или холостого хода и принятии различных независимых переменных. Наибольшее практическое применение нашли четырехполюсники типа h и четырехполюсники типа у.

 

Что такое четырехполюсник типа

h

?

Это четырехполюсник, параметры которого определяются при условиях короткого замыкания на входе и холостого хода на выходе.

Эти условия наиболее приближенны к реальным условиям работы транзистора в наиболее часто встречаемых схемах с биполярными транзисторами. Ведь биполярный транзистор в типовой схеме имеет относительно малое входное сопротивление и относительно большое выходное.

Основные зависимости четырехполюсника типа h можно получить путем замены его равноценной схемой замещения. В общем случае эквивалентная схема может иметь вид, изображенный на рис. 4.7, а; это схема с двумя источниками напряжения, причем очевидно, что e 2 определяющее выходное напряжение, зависит от u 1 . Затем можно выполнить преобразования, вводя вместо источника напряжение е 2 источник тока i' 2 (рис. 4.7, б). При коротком замыкании выходной цепи (u 2 = 0) будет протекать ток, линейно зависящий (линейный четырехполюсник!) от тока i1 ; если обозначим коэффициент пропорциональности через h 21 , то получим i' 2 = h 21 i 1 . При размыкании входной цепи (i 1 = 0) имеем во входной цепи напряжение e 1 , линейно зависящее от напряжения u 2 . Обозначая коэффициент пропорциональности через h 12 , получаем к 1 = h 12 u 2 . После введения дополнительных обозначений получим окончательную эквивалентную схему, представленную на рис. 4.7, в. На основании этого можем записать два уравнения четырехполюсника:

u 1 = h 11 i 1 + h 12 u 2 ;

i 2 = h 21 i 1 + h 22 u 2

в которых в качестве независимых переменных действуют входной ток i 1 и выходное напряжение u 2 , т. е. смешанные, гибридные параметры или сокращенно h-параметры. Параметры четырехполюсника типа h достаточно легко определяются простыми методами измерений.

Выбор переменных i 1 и u 2 в качестве независимых переменных можно обосновать на примере усилителя рис. 4.3, а. Ток i 1 соответствует току базы, и он действительно является независимой переменной, управляющей диодом эмиттер — база в проводящем направлении. Напряжение u 1 = u б является зависимой переменной в основном от t б . Ток i 2 (= i к ) является регулируемым током, т. е. зависимым. Другой независимой переменной может быть только u 2 (= u к ); диод коллектор — база, смещенный в обратном направлении, должен управляться напряжением.

Рис. 4.7. Эквивалентная схема транзистора четырехполюсника:

а — с двумя источниками напряжения; б — с источником напряжения во входной цепи и источником тока в выходной цепи; в — с h-параметрами

 

Каков смысл величины и обозначения параметров тока

h

?

Как уже пояснялось выше, параметры типа h определяются для режима короткого замыкания (к. з.) на входе либо холостого хода (х. х.) на выходе. Смысл этих параметров и функций:

— входное сопротивление при к.з. на выходе,

т. е. входное сопротивление, измеренное при к.з. на выходе (u 2  = 0); h 11 отражает входное сопротивление и выражается в омах. Значение h 11 для низкочастотного транзистора может составить, например, 5 кОм.

— коэффициент обратной связи по напряжению при х.х.,

т. е. коэффициент, измеренный при х. х. на входе (i 1 = 0); h 12 выражается безразмерным числом. Значение h 12 для низкочастотного транзистора в схеме ОЭ может составлять, к примеру, 2·10-4.

 — коэффициент передачи тока при к.з., измеряемый при к. з. на выходе (u 2 = 0); h 21 представляется безразмерным числом. Значение h 21  для низкочастотного транзистора в схеме ОЭ может составлять, например, 300.

 — входная проводимость при х.х., измеренная при х. х. на входе (i 1 = 0); h 22 имеет размерность проводимости и выражается в сименсах. Значение h 22 для транзистора в схеме ОЭ может составлять, например, 30 Cм.

Используются также и другие обозначения параметров типа h и у: вместо индекса 11 — применяется индекс i (от английского Input — вход), вместо 22 — индекс о (output — выход), вместо 12 — индекс г (reverse — обратный), вместо 21 — индекс f (forward — прямой).

Параметры транзистора как четырехполюсника зависят от cxeмы, в которой работает транзистор. Для различения параметров в различных схемах включения применяются дополнительные индексы: Э — для схемы ОЭ; Б — для схемы ОБ; К — для схемы ОК.

Следовательно, получаем, например, h i (= h 11 ), h f (= h 21 ), h fэ   (= h 21э ).

Параметрами типа h особенно часто пользуются в случае низкочастотных схем. С помощью h-параметров можно выразить такие параметры усилительной схемы (рис. 4.8), например усилителя, как входное и выходное сопротивления, усиление по току, напряжению и мощности. Например, усиление по току выражается как

K i = i 2 /i 1 = h 21 /(1 + h 22 R II )

Рис. 4.8. Транзистор в виде четырехполюсника в схеме усилителя

 

Что такое

y

-параметры четырехполюсника?

Это параметры проводимостей транзистора, определяемые для режима к. з. на входе (u 1 = 0) или на выходе (u2 = 0). Близкие условия обычно имеют место в транзисторных схемах, работающих в диапазоне высоких частот с малыми сопротивлениями, и поэтому y-параметры широко используют при проектировании высокочастотных схем. Эквивалентная схема четырехполюсника (транзистора) с y-параметрами представлена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Эквивалентная схема транзистора четырехполюсника с y -параметрами

Значения отдельных параметров следующие:

 — входная проводимость при к. з. на выходе цепи;

— проводимость обратной связи при к. з. на входе;

 — проводимость прямой передачи при к. з. на выходе цепи;

— выходная проводимость при к.з. на входе (u 1 = 0).

В общем случае y-параметры в системе проводимостей состоят из действительной части активной проводимости g и мнимой части — реактивной проводимости Ь.

Между h- и y-параметрами существуют соотношения, допускающие их пересчеты, например h 11 = 1/y 11 , h 12 C  = y 12 /у 11  и т. д.

 

Что такое схема с общей базой и каковы ее свойства?

В схеме ОБ сигнал подводится между эмиттером и базой, а нагрузка включается между коллектором и базой (рис. 4.10, а).

Существует ряд физических моделей схемы ОБ. Наиболее часто встречается схема, представленная на рис. 4.10, б, называемая Т-образной моделью или Т-образной эквивалентной схемой. В этой схеме слой базы транзистора изображается сопротивлением базовой области r б , значение которого убывает с ростом тока базы. Параллельно сопротивлению коллекторного перехода r к включена барьерная емкость С к , сильно зависящая от напряжения U кб и тока I к .

Частотная зависимость элементов, образующих рассматриваемую физическую модель, в большом диапазоне частот невелика. Большое практическое значение при работе в диапазоне высоких частот имеет произведение r б С к . Его значение должно быть как можно меньше. Также имеет большое значение и произведение диффузионной емкости С э на сопротивление эмиттерного перехода r э , определяющее предельную частоту f 0 h 11 схемы ОБ, при которой h 21б уменьшаете на 3 дБ, т. е. до относительного уровня 0,707, r э С э  ~= 1/2πf h11 .

Схему ОБ можно представить также в виде четырехполюсника с h-или y-параметрами, заменяя в схеме, показанной на рис. 4.7, в ток i 1 на i э , i 2 на i к , u 1 на u эб , u 2 на u кб . В этом случае получаем схему, показанную на рис. 4.10, в.

Рис. 4.10. Транзистор в усилительной схеме ОБ ( a ), физическая модель транзистора, работающего в схеме ОБ ( б ), схема с ОБ в виде четырехполюсника с h-параметрами ( в )

Между h-параметрами и параметрами транзистора, соответствующими Т-образной эквивалентной схеме, существует определенная связь:

h 11б ~= r э , h 21б = — К Iб , h 12б /h 22б = r б , h 22б = 1/r к

С помощью h-параметров можно определить параметры схемы, работающей в качестве усилителя, возбуждаемого от источника с внутренним сопротивлением R г и нагруженного сопротивлением (рис. 4.10, а).

При расчете коэффициента усиления по напряжению К U можно воспользоваться формулой

K UБ = u кб /u вх = R к /(h11б + R г ) или K UБ = u кб /uэб = R к /h 1б

Коэффициент усиления по току схемы ОБ К IБ = h 21Б ~ 1.

Выходное и входное сопротивления схемы определяются соответственно как

R вых ~= 1/h 22б ; R вх  ~= h 11б

Основные свойства схемы ОБ кратко можно свести к следующим: большое усиление по напряжению (не менее 1000), коэффициент усиления по току меньше единицы, большее усиление по мощности (примерно 1000), малое входное сопротивление (около 200 Ом), высокое выходное сопротивление (около 500 кОм).

 

Что называют статическими характеристиками транзистора?

Статические характеристики транзистора — зависимости между токами и напряжениями на различных электродах транзистора, которые получают при подаче на соответствующие электроды регулируемых постоянных напряжений. Статические характеристики снимают путем измерении в простой измерительной схеме либо находят в каталогах или справочниках, разработанных заводом-изготовителем. Статические характеристики позволяют определить ряд параметров транзистора и выбрать соответствующие условия работы, например при усилении сигналов переменного и постоянного тока.

 

Каковы статические характеристики транзистора в схеме ОБ?

Типичные статические характеристики транзистора в схеме ОБ представляют собой зависимость тока коллектора от постоянного напряжения между коллектором и базой, они называются выходными или коллекторными характеристиками. Такие характеристики можно определить для двух разных случаев: поддерживая постоянным ток эмиттера (рис. 4.11) или поддерживая постоянное значение напряжения эмиттер — база. В обоих случаях уже при малых напряжениях u кб ток коллектора I к достигает значения, которое незначительно возрастает при дальнейшем увеличении коллекторного напряжения, причем это возрастание связано в основном с ростом составляющей обратного тока I кбо (I ко ), который существует из-за наличия неосновных носителей в полупроводнике и определяется для I э  = 0. Основная составляющая тока коллектора, связанная с основными носителями, не зависит от напряжения U кб смещающего коллекторный переход в запирающем направлении.

Нулевое значение коллекторного тока I к достигается при небольшом напряжении U кб противоположной полярности, т. е. при смещении коллекторного перехода в проводящем направлении.

Если при снятии характеристики Iк   = φ·(U кб ) в измерительной схеме поддерживается постоянным ток I э , то ток I э является в этом случае параметром. Для транзистора типа n-р-n напряжение U кб и ток коллектора положительны, а для транзистора типа р-n-р — отрицательны.

По приведенной на рис. 4.11 характеристике можно простым способом определить коэффициент передачи тока h 21Б как отношение приращения тока коллектора ΔI к к приращению тока эмиттера ΔI э при постоянном напряжении коллектор-база (U кб = const). Для ΔU кб = 0

Из этих характеристик можно также определить параметр h 22б или выходную проводимость схемы ОБ, а именно:

Рис. 4. 11. Статические выходные характеристики транзистора в схеме ОБ

 

Что такое схема с общим эмиттером и каковы ее свойства?

Схема ОЭ наиболее часто используется на практике, особенно при работе транзистора в качестве усилителя. В этой схеме входной сигнал подводится между базой и эмиттером, а нагрузка включается между коллектором и эмиттером (рис. 4.12, а). Наиболее часто используемой физической моделью или эквивалентной схемой для транзистора ОЭ является П-образная гибридная схема, представленная на рис. 4.12, б, которая отражает малосигнальные свойства транзистора в достаточно широком интервале изменений условий работы и частоты. Некоторые из элементов этой модели такие же как и для схемы ОБ. Проводимость g б'к совместно с емкостью Сб'к   определяет обратную связь с выхода на вход схемы. Проводимость g кэ определяет выходное сопротивление схемы. Параметр S называется внутренней крутизной транзистора или взаимной проводимостью и выражается зависимостью

S = Δi к /Δu бэ

Внутренняя крутизна S обычно равна нескольким десяткам миллиампер на вольт.

Предельная частота f гр схемы ОЭ определяет ту частоту, на которой коэффициент h 21э уменьшается на 3 дБ

f гр = f h11 ·(1 — h 21б ) = f h11 /(1 + h 21э )

Схема ОЭ в виде четырехполюсника с h-параметрами представлена на рис. 4.12, в. Если известны h-параметры для схемы ОБ, то можно путем пересчета получить h-параметры для схемы ОЭ:

h 11э  ~= h 21э ·h 11б ; h 21э = h 21б /(1 — h 21б ); h 22э  = h 21э ·h 22б

Рис. 4.12. Транзистор в усилительной схеме ОЭ ( а ), физическая модель транзистора, работающего в схеме ОЭ ( б ) и схема ОЭ в виде четырехполюсника с h-параметрами ( в )

Для определения параметров схемы ОЭ, используемой в качестве усилителя, возбуждаемого от источника сопротивлением R г и нагруженного сопротивлением R к (рис. 4.12, а), воспользуемся следующими соотношениями:

u бэ = h 11б ·i э = (1 + h 21э )·h 11б ·i б ;

u кэ  = i к ·R к

Тогда усиление по напряжению

К UЭ = u кэ /u бэ = h 21э ·R к /h 11э ~= R к /h 11б

а усиление по току, как уже было известно, равно К IЭ = h 21э

Входное сопротивление

r вх ~= (1 + h 21э )·h 11б ~= h 11э

включено параллельно R б .

Основные свойства схемы ОЭ в сравнении со схемами ОБ и ОК можно свести к следующим: большое усиление по напряжению (возможно не менее 1000), большое усиление по току (возможно не менее 30), очень большое усиление по мощности (возможно не менее 30 000), среднее входное сопротивление (около 2 кОм), среднее или большое выходное сопротивление (примерно 100 кОм).

 

Какие статические характеристики транзистора в схеме ОЭ?

Типичными статическими характеристиками транзистора в схеме ОЭ являются: выходная характеристика рис. 4.13, а — зависимость тока коллектора I к от напряжения при постоянном напряжении U бэ или токе I б и входная характеристика (рис. 4.13, б) — зависимость тока базы I б от напряжения U бэ при постоянном напряжении U кэ , выбранном в качестве параметра.

Рис. 4.13. Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ :

а — выходные; б — входные

Как видно из выходных характеристик, ток коллектора начинает появляться уже при очень небольших значениях напряжения U кэ , смещающего коллекторный переход в запирающем направлении, и быстро достигает значения, выше которого возрастает уже незначительно. При токе базы, равном нулю, в цепи коллектора протекает обратный ток коллектора

I кэо = I кбо /(1 — h 21б )

Из выходной характеристики можно легко определить коэффициент передачи по току в схеме ОЭ h 21э  как отношение приращения тока коллектора ΔI к к приращению тока базы ΔI б при постоянном напряжении коллектор — эмиттер (U кэ = const), т. е. для ΔU кэ = 0. Получим

Из характеристики транзистора, работающего в схеме ОЭ, можно также определить h 11э и h 22э :

 

Что такое схемы с общим коллектором и каковы ее свойства?

Транзисторную схему с общим коллектором (ОК) часто называют эмиттерным повторителем. Входной сигнал подводится между базой и коллектором, а нагрузка включается между эмиттером и коллектором (рис. 4.14, а). Физическая модель (эквивалентная схема ОК) представлена на рис. 4.14, б. Для эмиттерного повторителя справедливы следующие соотношения:

h 11к = h 11э ; h 12к ~= 1; h 21к = — h 21э ; h 22к ~= h 22э ~= h 21э ·h 22б ;

Рис. 4.14. Транзистор в усилительной схеме ОК ( а ) и физическая модель транзистора, работающего в схеме ОК ( б )

Основные свойства схемы ОК по сравнению со схемами ОБ и ОЭ сводятся к следующему: большое усиление по току (возможно примерно 30), усиление по напряжению меньше единицы, малое усиление по мощности (примерно 30), очень большое входное сопротивление (возможно 2 МОм), очень малое выходное сопротивление (не более 200 Ом).

 

Какая разница в свойствах схем

ОБ

,

ОЭ

,

ОК

?

Схемы ОБ, ОЭ, ОК отличаются входным и выходным сопротивлениями, усилением по напряжению, току и мощности. Численное значение каждого из этих параметров зависит от типа транзистора и условий его работы. Наибольшее усиление по мощности в каждой из схем достигается при согласовании транзистора, с одной стороны, с источником сигнала и, с другой стороны, — с нагрузкой.

Наибольшее входное сопротивление достигается в схеме с ОК, наименьшее в схеме ОБ. Что касается выходного сопротивления, то ситуация обратная: наибольшее сопротивление можно получить в схеме ОБ, наименьшее — в схеме ОК. Коэффициент усиления по напряжению в схемах ОБ и ОЭ почти одинаков (возможно 1000), а в схеме ОК он меньше единицы. Наибольшее усиление по мощности достигается в схеме ОЭ (можно получить несколько десятков тысяч), наименьшее — в схеме ОК (несколько десятков). Наибольшую рабочую частоту для данного транзистора можно получить в схеме ОБ. Она определяется частотой f h11 и в h 21э раз больше предельной частоты f гр схемы ОЭ.

Существенной особенностью схемы ОЭ является переворачивание фазы сигнала. Это основано на том факте, что в случае нагрузки схемы резистором фаза выходного сигнала перевернута на 180 относительно фазы входного. В схемах ОБ и ОК переворачивание фазы сигнала отсутствует.

 

Что такое рабочая или нагрузочная характеристика транзистора?

Это уравнение прямой, выражающее зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенных значениях напряжения источника питания и сопротивления нагрузки. По характеристике можно определить мгновенные значения напряжений и токов при возбуждении входной цепи управляющим сигналом.

При построении рабочей характеристики используются статистические характеристики транзистора, которые, как известно, снимаются в измерительной схеме без сопротивления нагрузки и без управляющего входного колебания.

Наличие сопротивления нагрузки приводит к возникновению падения напряжения на этом сопротивлении за счет постоянной составляющей выходного тока, а подключение источника управляющего напряжения вызывает как изменение протекающего через транзистор тока, так и дополнительное падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Связь между токами и напряжениями в этом случае определяется именно рабочей характеристикой.

При определении рабочей (нагрузочной) характеристики при усилении переменных колебаний следует учитывать фактическое сопротивление нагрузки, которое для переменного тока может иметь другое значение, чем для постоянного тока.

 

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы ОБ?

Усилитель, работающий в схеме ОБ, представлен на рис. 4.10, а, а выходные характеристики I к = f(U кб ) для I э  = const — на рис. 4.15.

Для выходной цепи можно записать следующее уравнение:

I к R к + U кб = Е к

которое говорит о том, что сумма падений напряжения на сопротивлении R к и на переходе коллектор — база должна быть численно равна напряжению источника питания. Для R к = 2 кОм и Е к = 12 В на основании этого уравнения получим два крайних значения: U кб = 0, если I к  = 6 мА, и U кб = 12 В, если I к  = 0.

На семействе характеристик I к = f(U кб ) обозначим через Р 1 и Р 2 точки, соответствующие этим значениям, а затем проведем через них прямую, называемую нагрузочной прямой.

В рассматриваемом примере нагрузочная прямая одинакова для переменного и постоянного тока, поскольку в представленной на рис. 4.10, а схеме сопротивление нагрузки (резистивное) не зависит от частоты. Точка Р 0 , лежащая на этой прямой и соответствующая значениям I к и U кб в схеме при отсутствии сигнала на входе, называется рабочей точкой в состоянии покоя Р 0 . При заданных значениях R к и Е к рабочая точка зависит от значений R э и Е э , определяющих напряжение смещения перехода эмиттер — база, а следовательно, и ток I э . В режиме линейного усиления рабочую точку выбирают таким образом, чтобы она лежала вблизи середины нагрузочной прямой, проходящей через точки Р 1 и Р 2 .

На семействе характеристик I к = f(U кб ) можно нанести управляющее колебание. Если изменения мгновенного значения тока эмиттера, вызванные этим колебанием, будут находиться, в пределах от i э мах до i э min , то, двигаясь вдоль этой прямой, можем определить диапазон изменений тока и напряжения между коллектором и базой.

Когда сопротивление нагрузки для переменного тока имеет другое значение, чем для постоянного, на семействе характеристик строим две нагрузочные прямые: одну для постоянной составляющей, другую для переменной. Обе прямые всегда пересекаются в рабочей точке.

Рис. 4.15. Нагрузочная характеристика в семействе статических выходных характеристик схемы ОБ

 

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы ОЭ?

Схема усилителя, работающего по схеме ОЭ, представлена на рис. 4.12, а, а примерные выходные характеристики I к = f(U кэ ) для I б = const на рис. 4.16, а. При построении рабочей характеристики принято Е к = 12 В, R к = 2 кОм, а также использовано уравнение

I к R к + U кэ = Е к

Затем построена нагрузочная прямая. Рабочая точка покоя Р 0 выбрана для I б = 80 мкА. Для точек Р 1 и Р 2  в этом случае имеем:

I б (Р 1 ) = 120 мкА; I к (Р 1 ) = 5 мА;

I б (Р 2 ) = 40 мкА; I к (Р 2 ) = 1,3 мА.

Используя нагрузочную прямую, можно вычислить некоторые параметры рассматриваемой схемы. Например, коэффициент усиления по току

Можно также рассчитать значение коэффициента передачи по напряжению. Для этого следует воспользоваться входной статической характеристикой I б = φ(U бэ ) для U кэ = const (рис. 4, 16, б, с учетом того, что для U кэ выбираем значение, соответствующее рабочей точке Р 0 на характеристике I к = f(U кэ ) (рис. 4.16, а). Затем выбираем такое значение E б или для заданного Е б такое сопротивление R б , чтобы нагрузочная прямая пересекла эту характеристику в точке, соответствующей току базы для рабочей точки Р 0 (рис. 4.16, а). Вдоль оси напряжения U бэ определим U бэ управляющего напряжения для токов базы от I б (Р 1 ) до I б (Р 2 ). Из рис. 4.16, а получим U кб  = 30 мВ, а из рис. 4.16, U кб  = ΔI к R к = 6 В, т. е. коэффициент усиления по напряжению для этого примера равен

K UЭ = U кб /U бэ = 6 В/30 мВ = 200.

Рис. 4.16. Нагрузочная характеристика в семействе выходных ( а ) характеристик схемы ОЭ и определение управляющего напряжения в схеме ОЭ ( б )

 

Что такое полевой транзистор?

Это транзистор, управляемый электрическим полем, в котором действует лишь одни вид тока, а именно созданный только основными носителями: электронами или дырками. В биполярном транзисторе, как известно, действуют оба вида носителей — основные и неосновные, т. е. электроны и дырки. Полевые транзисторы называются также транзисторами на полевом эффекте, что следует из принципа их работы. Встречается также название — транзисторы FET, являющееся сокращением английского названия Field Effect Transistor. Полевые транзисторы делятся на две группы: транзисторы с р-n переходом и транзисторы с изолированным затвором — МДП или МОП транзисторы.

 

Каковы структура и принцип работы полевого транзистора?

Структура полевого транзистора упрощенно представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Структура полевого МОП транзистора:

1  — металлический контакт истока; 2 — металлический контакт стока; 3 — подложка с собственной проводимостью или р-типа; 4 — изолирующий слой окисла; 5 — канал с зарядом электронов

На подложке из собственного или слабо легированного акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов (n-типа), называемые истоком и стоком и соединенные с металлическими контактами. В центральной части над подложкой находится изолирующий слой окисла, а над ним — металлический слой треть его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между истоком и стоком под затвором во время работы транзистора возникает канал, проводящий ток.

Действие подобного полупроводникового прибора заключается в следующем. При отсутствии напряжения на затворе подводимое между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению канала. При подведении к затвору положительного относительно истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в диэлектрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее электроны из участков металлизации истока и стока и направляющее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напряженности электрического поля. Это и есть полевой эффект.

Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа «нормально выключенный».

Название «нормально выключенный» следует из того факта, что ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (U зи = 0) и возрастает при положительных напряжениях на затворе.

Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной структурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором, работающие на принципе обеднения носителей в канале, или транзисторы типа «нормально включенный». В зарубежной литературе они помимо обозначения MOS часто имеют обозначение MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из того факта, что проводимость канала, не равная нулю для U зи = 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда (U зи будет отрицательным. Положительные значения напряжения затвора увеличивают проводимость канала и ток стока.

Графически изображения обоих типов транзисторов представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Условные графические изображения полевых МОП транзисторов с изолированным затвором, обогащенного типа с р -каналом с подложкой, выведенной наружу, ( а ) и подложкой, не выведенной наружу, ( б ), с n -каналом (а) и обедненного типа с р -каналом ( г )

 

Что такое статическая характеристика МОП транзистора?

Статическая характеристика МОП транзистора представляет собой зависимость тока стока I с от напряжения сток — исток Uси при постоянном напряжении затвор — исток U зи . Это выходная, или стоковая, характеристика. На рис. 4.19, а представлена такая характеристика для транзистора «нормально выключенного» типа.

Рис. 4.19. Статические выходные характеристики (стоковые) МОП транзистора типа:

а — «нормально выключенный»; б — «нормально включенный»

Ток стока тем больше, чем больше напряжение между истоком и стоком, поскольку при этом увеличивается заряд свободных электронов в канале подложки. Зависимость тока стока от напряжения исток — сток U си линейна до тех пор, пока напряжение U си достаточно мало. Если оно сравнимо с напряжением затвор — исток и положительно, то вдоль канала наблюдается изменение электрического поля. Оно максимально вблизи истока и минимально вблизи стока. Зависимость тока стока от напряжения сток — исток становится нелинейной. При больших напряжениях U си (U си > U зи ) наступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте U си  резко увеличивается ток (лавинный эффект). Это область пробоя.

Стоковая характеристика МОП-транзистора простирается также в область отрицательных напряжений между стоком и истоком, так как изменение полярности напряжения не вызывает существенных изменений в работе транзистора. Происходит это благодаря тому, что в МОП транзисторе в отличие от биполярного транзистора отсутствуют однонаправленные р-n переходы. Насыщения тока в области отрицательных U си не наблюдается, поскольку в этом случае нет перехода через точку U си  = U зи .

Характеристика МОП транзистора типа «нормально включенного» показана на рис. 4.19, б.

Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения U зи при напряжении U си , взятом в качестве параметра, называется входной характеристикой (стоко-затворной характеристикой или характеристикой управления — прим. перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих типов представлены на рис. 4.20, а и б.

Рис. 4.20. Статические передаточные характеристики МОП транзистора типа:

а — «нормально выключенный»; б — «нормально включенный»

 

Каковы структура и принцип действия полевого транзистора с

р-n

переходом?

Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4.21. Канал n-типа охватывается кольцевой областью затвора p-типа, в результате чего между затвором и каналом образуется р-n переход. По обеим противоположным сторонам канала расположены металлические электроды истока и стока.

Рис. 4.21. Физическая структура полевого транзистора с р-n переходом ( а ) и его условное графическое изображение ( б ):

1  — исток (И); 2 — затвор p -типа (3);  3 — сток (С); 4 — канал n -типа

Обычно транзистор работает с переходами, смещенными в обратном направлении. Это означает, что для конструкции, представленной на рисунке, напряжение U з должно быть отрицательным относительно напряжений U и и U с . Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение U с должно быть больше напряжения U и . Например, U зи = —1 В, U си  = +10 В. В канале под затвором возникает запирающий слой (рис. 4.22) р-n перехода, уменьшающий ширину канала, т. е. увеличивающий его сопротивление. Протекающий через канал ток стока зависит от площади поперечного сечения канала, не занятой запирающим слоем. Обычно затвор смещен в обратном направлении и запирающий слой расширяется (т. е. уменьшается ширина канала), если затвор становится более отрицательным. Ток стока убывает и в конце концов при напряжении затвора, когда запирающий слой захватывает весь канал, протекание тока от истока к стоку прекращается. Такое напряжение затвора называют напряжением отсечки и обозначают через U отс (например, U отс = —3 В).

Рис. 4.22. Запирающий слой в канале полевого транзистора с p-n переходом:

1  — канал; 2 — запирающие слои пространственного заряда

 

Что такое статическая характеристика полевого транзистора с

р-n

переходом?

Выходная стоковая характеристика полевого транзистора с переходом представляет собой зависимость тока стока I с от напряжения сток — исток U си при выбранном в качестве параметра U отс (рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении U зи ток стока с увеличением напряжения U си возрастает сначала линейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем росте напряжения U си ток I с  возрастает нелинейно и достигает точки перегиба («колено»), причем напряжение U cи , при котором наблюдается перегиб, равно разности напряжений U зи — U отс  (или иначе говоря, разности модулей значений U отс  и U зи ). Дальнейшее увеличение напряжёния U си вызывает изменение распределения потенциала в канале и появление сильного поля в области стока, поддерживающие постоянство тока I с независимо от дальнейшего роста напряжения U си . Область характеристики для напряжений превышающих напряжения, соответствующие точкам перегиба, называются областью насыщения или отсечки. Наибольший ток стока достигается при U зи = 0, т. е. при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обозначается I с нас . Стоковые характеристики полевых транзисторов с р-n переходом, так же как МОП-транзисторов, смещаются в область отрицательных напряжений U зи , однако работа транзисторов этого типа при таких условиях невозможна из-за большого тока затвора.

Входная характеристика (сток-затворная характеристика — прим. перев.) полевого транзистора с управляющим р-n переходом представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 4.23, б). Напряжение U зи , при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки U отс .

Рис. 4.23. Статические выходные ( а ) и передаточная ( б ) характеристики полевого транзистора с р-n переходом

 

Каковы свойства полевых транзисторов?

Важный параметр униполярных транзисторов — большое входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-n переходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов — в 1000 раз меньше.

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление — прим. перев.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

 

В каких схемах работает полевой транзистор и какова его эквивалентная схема?

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) — аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а — с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока — резистором сопротивлением R н . Емкость С зи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость С зс еще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой R н

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

Свх = С зи = k·С зс

причем коэффициент k зависит от S и R н и он тем больше, чем больше S и R н . Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

С зс   = С 12 ; С зс   + С зи = С 11

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

K U = ΔU вых /ΔUвх = — S·R н

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.

 

Чем отличаются свойства биполярных и полевых транзисторов?

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют следующие преимущества: большое входное сопротивление, малую зависимость параметров от температуры, возможность работы в диапазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не относится к полевым транзисторам с р-n переходом, которые при смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток затвора).

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают следующими недостатками: малая мощность, малое значение S; большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, R к = 15 кОм, С вх = 40 пФ, и тогда на частоте f = 100 кГц получим Z вх = 1/10ω·С вх = 40 кОм.

 

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы с ОИ?

Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен на рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики I c = f(U си ) для U зи = const — на рис. 4.26, б. Можем записать следующее уравнение:

U си = Ec — U c R н

причем для плоских участков характеристики I c = f(U си ) в случае полевых транзисторов с р-n переходом и МОП-транзисторов «нормально включенных» существует зависимость

I c = I c нас ·(1 — U зи /U отс )2

в которой I c нас определяет ток насыщения стока при U зи  = 0. Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существует I си кз , поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора меньше небольшого порогового значения U пор (ток I c выражается другой зависимостью).

Рабочую характеристику получают нанесением на семействе статических стоковых характеристик соответствующих нагрузочных прямых (рис. 4.26, б). Две точки Р 1 и Р 2 через которые проходит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется следующим образом:

I c (P 1 ) = E c /R н ; U си (P 1 ) = 0

I c (P 2 ) = 0; U си (P 2 ) = E c

При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, определяющая ток I c , является квадратичной. Это означает возможность возникновения нелинейных искажений в результате появления, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы нагрузочная прямая для переменного тока полностью находилась в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощенной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузочные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, отсутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом амплитуды усиливаемого сигнала.

Рис. 4.26. Электрическая схема ( а ) и рабочие (нагрузочные) характеристики ( б ) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:

1  — нагрузочная прямая для переменного тока; 2 — нагрузочная прямая для постоянного тока

 

Чем следует руководствоваться при выборе рабочей точки транзистора?

При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факторов. В общем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой амплитудой входного сигнала удовлетворялись следующие основные требования: нелинейные искажения должны быть минимальны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны превышать максимальных значений.

Указанные выше условия должны удовлетворяться во всем диапазоне температур, в котором будет работать транзистор, причем нельзя превышать температуру, оговоренную заводом-изготовителем. Температура влияет на параметры транзистора, ход его характеристик и положение рабочей точки.

При заданной амплитуде входного сигнала нелинейные искажения относительно невелики в том случае, если рабочая точка выбрана так, что используемый отрезок нагрузочной прямой (для переменного тока, если усиливается переменный сигнал) не проходит через область, в которой наблюдаются нелинейности характеристик.

При работе с малыми сигналами выбор положения рабочей точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При больших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто критичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопротивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой характеристики.

Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) определяется как произведение тока на напряжение коллектора (стока) в рабочей точке: Р = I к ·U к . Выделение мощности в транзисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к изменению параметров, а в случае превышения допустимых границ может вызвать порчу транзистора.

Примерный вид характеристик транзистора с указанием ограничений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Выходные характеристики полевого транзистора с областью выбора на них рабочей точки:

1  — допустимая область работы; 2 — ограничение из-за нелинейности; 3 — ограничение из-за максимальной мощности потерь Рпот = Iс·Uси ; 4 — ограниченно по напряжению из-за пробоя

 

Как влияет температура на свойства транзистора и положение рабочей точки?

Температура транзистора значительно сильнее влияет на параметры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост коэффициента h 21э при увеличении температуры, а также рост обратных токов, например ток I кбо  для кремниевых транзисторов удваивается при повышении температуры на 6 °C.

Полевой транзистор обладает меньшей зависимостью от температуры, однако четко прослеживается убывание тока I с при увеличении температуры.

Примерный вид характеристик биполярного транзистора для разных температур представлен на рис. 4.28.

Рис. 4.28. Характеристики биполярного транзистора при 25 и 105 °C

Зависимость параметров транзистора от температуры, а следовательно, изменение токов вызывают меньшие или большие изменения положения рабочей точки. Может случиться, что под влиянием температуры рабочая точка сместится так, что появятся сильные искажения или будет превышена максимальная мощность потерь.

Для предотвращения подобных явлений часто прибегают к использованию схем стабилизации рабочей точки.

 

Что такое схемы питания транзисторов?

Это схемы, обеспечивающие соответствующие постоянные напряжения на электродах транзистора, т. е. устанавливающие заранее выбранную рабочую точку, называемую статической или в состоянии покоя. Схемы питания содержат источники напряжений и цепи, через которые эти напряжения подводятся к транзистору, например цепи резистивных делителей напряжения.

Подача напряжений через делители позволяет: обеспечить на электроде транзистора требуемое напряжение при использовании источника с постоянным напряжением питания, питать все электроды данного транзистора или схемы, состоящей из ряда транзисторов, от одного общего источника, обеспечить подбор сопротивления источника, «видимого» со стороны транзистора. Обычно источник питающего напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, которое, будучи подключено ко входу транзистора, нагружает дополнительно источник управляющего сигнала. Для предотвращения этих нежелательных явлений между источником и электродами транзистора используют резисторы.

 

Какие самые простые схемы питания транзисторов?

Проще всего обеспечить установку рабочей точки транзистора, т. е. подать на его электроды смещение, если соединить соответствующие электроды с источником напряжения посредством отдельных резисторов (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Простейшие схемы питания транзистора, включенного по схеме с ОБ ( а ) и ОЭ ( б )

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) для входной цепи имеем

E э — I э ·R э — U эб = 0

Из этой зависимости при заданном Е э и определенном (для выбранной рабочей точки) токе I э можно определить сопротивление резистора R э , необходимое для смещения перехода эмиттер — база, соответствующее рабочей точке. Для кремниевых транзисторов можно принять U эб = 0,7 В.

Для схемы ОЭ (рис. 4.29, б) для входной цепи имеем следующую зависимость:

E б — I б ·R б — U бэ = 0

Для определения сопротивления резистора R б ток I б определяют из характеристик транзистора для заданной рабочей точки либо из следующих соотношений:

I б = I к /h 21э ; I б = I э /1 + h 21э

Можно использовать более простое решение, показанное рис. 4.30, для которого достаточно одного источника питания.

Рис. 4.30. Схема питания транзистора с ОЭ при использовании одного источника

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) имеём:

E к — I к ·R к — U кб = 0

для схемы ОЭ (рис. 4.29, б)

E к — I к ·R к — U кэ = 0

 

Какие существуют схемы питания транзисторов с делителем напряжения?

Часто совместно с источником напряжения питания используется делитель из резисторов, обеспечивающий большую свободу при проектировании всей схемы смещения транзистора. Пример подачи смещения на МОП транзистор показан на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Схема питания для полевого МОП транзистора с использованием делителя напряжения

Резисторы R 1 и R 2 делителя в этом случае выбираются таким образом, чтобы получить требуемое U зи , определяемое формулой

Эту же самую схему смещения можно применить также в случае биполярного транзистора, однако на практике при этом добавляются одновременно схемы стабилизации рабочей точки.

 

Что такое схемы стабилизации рабочей точки?

Это схемы, уменьшающие влияние изменений тока I кбо  коэффициента h 21э на ток коллектора I к . Например, изменение тока I кбо вызывает изменение полного тока, протекающего в цепи коллектора, и в результате происходит смещение рабочей точки транзистора, это в свою очередь влечет за собой изменение входного и выходного сопротивлений, изменение ширины полосы, нелинейных искажений, мощности потерь в транзисторе.

Изменение значений I кбо  и h 21э наблюдается под влиянием температуры транзистора, которая зависит как от температуры окружающей среды, так и от электрической мощности, выделяемой в транзисторе.

Схемы стабилизации обычно соединены со схемами питания транзистора, образуя чаще всего общую схему питания и стабилизации. Рассматриваемые до сих пор схемы питания не обеспечивали стабилизации рабочей точки транзистора. Эффективность стабилизации подсчитывают с помощью коэффициентов стабилизации S ст , определяемых обычно как отношение приращения тока или стабилизированного напряжения к приращению тока I кбо или коэффициента h 21э , вызванного ростом температуры, например

S ст = ΔI к /ΔI кбо

Для простой схемы питания (без стабилизации) с учетом того, что I к  = h 21э I б + (h 21э + 1)·I кбо  имеем S ст = h 21э + 1, т. е. S ст составляет десятки единиц, тогда как при идеальной стабилизации S ст = 1.

На основе рассмотрения многих схем можно показать, что на практике стабилизация чаще всего сводится к поддержанию постоянных значений тока I к и напряжения U кэ .

Дополнительный выигрыш от использования большинства схем, стабилизирующих рабочую точку транзистора, является уменьшение влияния разброса параметров, имеющего место для отдельных экземпляров транзисторов одного типа, на работу транзисторной схемы.

 

Чем характеризуется схема питания со стабилизацией в цепи эмиттера?

На рис. 4.32 представлена схема питания со стабилизацией в виде резистора, включенного в цепь эмиттера. В схеме без резистора рост тока вызывает увеличение тока в цепи коллектора и увеличение падения напряжения на резисторе, находящемся в цепи базы, что вызывает более положительное смещение перехода и дальнейший рост токов эмиттера и коллектора. Введение резистора в цепь эмиттера препятствует росту токов, поскольку мгновенный рост тока вызывает увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно, увеличение напряжения, смещающего переход в непроводящем направлении. Это в свою очередь ведет к уменьшению роста тока и, следовательно, к его стабилизации на некотором, почти постоянном уровне.

В этом случае имеем следующие приближенные соотношения:

Эффективность стабилизации тем больше, чем выше отношение. Обычно стремятся к тому, чтобы достичь значения S ст от нескольких единиц примерно до 10. Для больших значений S ст рассчитываем по формуле S ст ~= R б /R э .

Стабилизирующий резистор в цепи эмиттера часто шунтируется конденсатором большой емкости. При этом резистор влияет только на рабочую точку и ее стабильность и не вызывает уменьшения усиления схемы до тех частот, пока конденсатор обладает сопротивлением намного меньшим, чем резистор R э .

Рис. 4.32. Схема питания со стабилизацией в цепи эмиттера

Обсуждаемую схему смещения часто называют схемой со стабилизацией на принципе эмиттерной связи.

 

Чем характеризуется схема стабилизации рабочей точки на основе коллекторной связи?

Такая схема представлена на рис. 4.33. В этом случае стабилизация основана на питании базы через резистор, включенный между коллектором и базой. Увеличение тока коллектора вызывает снижение потенциала на коллекторе и через резистор R б изменение потенциала на базе так, что это вызывает уменьшение изменений тока коллектора.

Рис. 4.33. Схема питания транзистора со стабилизацией на принципе коллекторной связи

В этом случае справедливы следующие приближенные соотношения:

Сопротивление резистора R б не может быть слишком малым, так как это вызывало бы уменьшение усиления по напряжению, поэтому следует выбрать компромисс между усилением и коэффициентом стабилизации.

 

Какие другие схемы стабилизации рабочей точки встречаются па практике?

Разработано много других решений, например одновременное использование эмиттерной и коллекторной связей, питание базы при использовании делителя и одновременном включении эмиттерного резистора, шунтированного конденсатором (рис. 4.34, а).

Рис. 4.34. Схема стабилизации тока коллектора с отрицательной обратной связью по постоянному току при подаче смещения на базу от делителя ( а ) и пример решения этой схемы ( б )

Для этой схемы имеем следующие соотношения:

Uб = (R 2 /(R 1 + R 2 ))·E к ; U э = Uб - U бэ  ~= U б

U к = E к — I к ·R к ; U кэ = E к — I к ·R э — I э ·R э

Коэффициент стабилизации при этом выражается формулой

Достоинством этой схемы является достаточно большая свобода при выборе сопротивлений резисторов и, кроме того, малая зависимость рабочей точки транзистора от коэффициента h 21э и его изменений.

На рис. 4.34, б представлен пример подобной схемы питания с указанием значений токов, напряжений и сопротивлений.

Помимо схем стабилизации, использующих резисторы, применяются также схемы, стабилизирующие положение рабочей точки транзистора, на основе элементов, обладающих зависимостью от температуры, например диодов (в частности, стабилитрона), термисторов, а также транзисторов. Схемы, в которых применяют подобные элементы, иногда называют компенсационными.

 

Как работает транзистор в диапазоне высоких частот?

При использовании транзистора для усиления сигналов высокой частоты возникают некоторые ограничения, связанные, со свойствами самого транзистора. Существенную роль играют сопротивления и емкости транзистора.

Параметры транзистора меняются в зависимости от частоты, и для высоких частот его эквивалентная схема усложняется. По мере роста частоты все большее значение приобретают пассивные составляющие полных проводимостей.

Для анализа работы транзистора в диапазоне высоких частот наиболее часто используют П-образную физическую модель (рис. 4.12,б и 4.35), и при проектировании высокочастотных транзисторных схем чаще всего используют его «четыре «четырехполюсниковые» параметры. Отдельные параметры для определенной частоты находят в справочниках из соответствующих графиков, представленных в функции частоты. Частотной зависимостью обладают также коэффициенты передачи тока h 21б и h 21э , с увеличением частоты их значения обычно убывают.

Рис. 4.35. Физическая модель транзистора в диапазоне высоких частот с примерными значениями параметров

 

Какие параметры транзистора определяют его пригодность для работы в высокочастотных схемах?

Имеется несколько таких параметров. Самыми важными являются предельные частоты транзистора f h11 , f гр , f T , а также f max . указываемые в каталогах или справочниках.

Частоты f h11 и f гр определяют частоты, на которых значение h 21б или h 21э падают на 3 дБ по отношению к своему значению в области низких частот. С учетом П-образной физической модели имеем следующие приближенные формулы:

f h11 ~= 1/2π·r б'э ·С б'э ; f гр = f h11 (1- h 21б )

Частота f T (или f 1 ) соответствует падению коэффициента h 21э до значения, равного единице:

f T  = f 1 ~= f гр ·h21э

Часто f max определяет максимальную частоту, на которой коэффициент передачи по мощности не меньше единицы. Это — максимальная частота генерации, которая выражается приближенной формулой

Легко видеть, что предельные частоты f h11 , f гр тем больше, чем меньше произведение (постоянная времени) r б' э С б' э . Максимальная частота работы транзистора f max зависит от постоянной времени r б'б С б' э , влияние которой становится заметным для частот, лежащих выше f h11 . При работе в диапазоне высоких частот важную роль играет также проводимость y 12 . Она должна быть как можно меньше.

 

Каковы шумовые свойства транзисторов?

Шумы транзисторов обусловливаются тепловыми, дробовыми и структурными шумами. Источником тепловых шумов являются распределенные сопротивления полупроводника. Для биполярного транзистора решающее значение имеет величина r б . Дробовые шумы связаны с флуктуациями прохождения носителей зарядов через переходы. Структурные шумы образуются шумами поверхностной рекомбинации и шумами утечки коллектора.

Шумы зависят от частоты, выбора рабочей точки, сопротивления источника сигнала. Обычно шумы растут с ростом тока I к .

В биполярном транзисторе в диапазоне низких частот преобладают структурные шумы, в диапазоне средних частот шумы почти не зависят от частоты, в диапазоне высоких частот шумы растут с увеличением частоты. При больших значениях внутреннего сопротивления источника сигнала шумы возрастают, если сопротивление возрастает.

В полевых транзисторах шумы обычно меньше, чем в биполярных. В частности, дробовые шумы очень малы, если ток затвора минимален. Кроме того, полевой транзистор может работать с источником сигнала с высоким внутренним сопротивлением, имея при этом очень малые шумы.

 

На чем основывается работа транзистора при большом сигнале?

Рассмотрение работы транзистора при большом сигнале сталкивается с рядом трудностей. Следует помнить, что физические модели транзисторов были разработаны при упрощающих предположениях, которые перестают быть справедливыми при большом сигнале. Его h- и y-параметры определяются только через малые приращения токов и напряжений и не определяют свойств транзистора для большого сигнала. В этой ситуации при использовании транзисторной схемы, предназначенной для работы в режиме большого сигнала, можно использовать лишь статические характеристики.

При выборе положения рабочей точки, помимо стремления получить малые искажения, в схемах, работающих при большом сигнале, особенно для усилителей мощности, часто учитывается мощность, потребляемая от источника питания, и мощность, рассеиваемая в транзисторе.

 

Что такое усилители классов

А

,

В

,

С

?

Как уже подчеркивалось, усилители малых сигналов обычно работают в режиме, рабочая точка которого расположена вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой. В усилителях больших сигналов в зависимости от положения рабочей точки различают режимы классов А, В, АВ и С.

Работой в классе А (рис. 4.36) называют режим работы, при котором положение рабочей точки таково, что выходной ток протекает в течение времени длительности переменного входного сигнала, т. е. в течение всего периода. В классе В выходной ток протекает только в течение полупериода входного колебания. При отсутствии входного колебания выходной ток, соответствующий рабочей точке, почти равен нулю и в транзисторе выделяется очень малая мощность. Промежуточное положение рабочей точки между режимами А и В соответствует классу АВ. В классе С выходной ток протекает в течение времени, меньшего чем полупериод.

Очевидно, что наименьшие искажения сигнала имеют место в классе А, наибольшие — в классе С [14]Искажения зависят от типа усилителя. В двухтактном усилителе мощности малые искажения можно получить при работе в классе В . В резонансном усилителе даже в классе С искажения могут быть малыми.
. Эффективность схемы наибольшая в классе С, наименьшая — в классе А.

Рис. 4.36. Работа транзистора в классе А ( а ) и классе В ( б )

 

Зачем транзисторы иногда размещают на радиаторах?

Рабочая температура транзистора имеет ограниченное значение, обычно зависящее от температуры коллекторного перехода.

Для кремниевых транзисторов максимальная температура перехода лежит в интервале 150–200 °C. Температура перехода зависит от выделяемой в транзисторе мощности, температуры окружающей среды и эффективности излучения тепловой энергии транзистором и платой, на которой он закреплен. Увеличение полезной мощности, полученной на выходе транзистора, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Рассеиваемая мощность не может превышать допустимую для полупроводникового элемента. Однако допустимую мощность можно повысить, увеличив излучение тепловой энергии.

Для этого транзистор часто размещают на металлическом элементе с как можно большей поверхностью, увеличиваемой путем создания ребер. Подобные элементы, отбирающие тепловую энергию от транзистора и излучающие ее в окружающую среду, называются радиаторами. Применение радиатора позволяет получить от данного транзистора большую мощность, чем при работе без радиатора.

 

Какие существуют области работы транзистора?

Существуют три такие области, зависящие от смещения переходов. При работе транзистора как усилителя малых сигналов эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это — активная область работы (рис. 4.37), в которой транзистор приближенно можно считать линейным активным элементом и пользоваться параметрами, приводимыми в справочниках.

Область, в которой как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. В этой области ток коллектора минимален (I к = I к0 ), а напряжение на коллекторе максимально.

Областью насыщения называется область, в которой эмиттерный и коллекторный переходы смещены в проводящем направлении. Коллекторный ток достигает насыщения, напряжение на коллекторе имеет очень малое значение. В этой области входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ очень мало, благодаря чему достигается большое постоянство амплитуды выходного колебания, не зависящее от изменения входного сигнала.

Рис. 4.37. Области работы транзистора:

1  — область насыщения; 2 — активная область; 3 — область отсечки

 

Как работает транзистор в режиме переключения?

Транзистор, работающий при малых сигналах, остается все время в активной области. Если сигнал достаточно велик, мгновенная рабочая точка транзистора может проходить через три области: отсечки, активную и насыщения. Тогда говорят, что транзистор работает в режиме переключения. Подобные условия работы наблюдаются очень часто в схемах импульсной техники (см. гл. 10) и схемах цифровой техники (см. гл. 12).

При работе с импульсным сигналом важным практическим вопросом в большинстве случаев является определение скорости, с которой может нарастать выходной ток, когда ко входу подводится сигнал с большой крутизной. Скорость зависит от источника управляющего сигнала (амплитуды и внутреннего сопротивления), цепи между источником и транзистором, управляющей цепи, а также от свойств самого транзистора и выбора его рабочей точки.

С точки зрения свойств транзистора можно показать, что скорость нарастания фронтов выходного сигнала будет тем большей, чем больше предельные частоты транзистора и чем меньше постоянные времени r б'б С б'к и r э'б С э'б . В случае работы при больших сигналах дополнительное влияние оказывают явления, происходящие в полупроводнике при переходе из состояния насыщения в состояние отсечки и обратно.

Работа транзистора в режиме переключения представлена на рис. 4.38.

Рис. 4.38. Работа транзистора в режиме переключения: схема ( а ) и формы импульса входного напряжения ( б ), тока базы ( в ), напряжения эмиттер — база ( г ), тока коллектора ( д ), напряжения коллектор — эмиттер ( е )

На транзистор, находящийся первоначально в состоянии отсечки, подается управляющий прямоугольный импульс большой амплитуды, который вызывает переход в состояние насыщения перехода эмиттер — база. Ток коллектора нарастает с задержкой, зависящей не только от параметров транзистора, но и от степени управления (глубины насыщения). Крутизна выходного импульса будет тем большей, чем больше возбуждение, т. е. чем больше токи базы. Однако при этом происходит расширение импульса, поскольку выходной импульс еще «длится», несмотря на исчезновение входного импульса. Процесс обусловлен наличием в базе в состоянии насыщения высокой концентрации неосновных носителей, тогда как изменение смещения перехода коллектор — база при переключении из состояния насыщения в активную область требует небольшой концентрации этих носителей.

На это требуется некоторое время, зависящее, в частности, от глубины насыщения и длительности входного сигнала, а также от свойств транзисторов. В справочниках по транзисторам приводятся некоторые данные, определяющие время включения и выключения.

Время включения является суммой времени задержки t з и времени нарастания t н , а время выключения — суммой времени накопления (рассасывания) t р и времени среза t с . Время включения и выключения связано и с другими параметрами транзистора. Например, чем частота f т больше, тем эти времена меньше. Рост емкости С 22б увеличивает время включения и выключении. Работа при большом токе коллектора увеличивает время нарастания и спада, но сокращает время накопления. Возрастание тока базы вызывает уменьшение времени включения, но увеличение времени выключения. Работа при малом токе базы, обеспечивающем работу вне области насыщения, связана также с малым коэффициентом передачи транзистора по току.

С точки зрения управления транзистора различают управление током, напряжением и зарядное управление.

 

Что такое управление транзистора током, напряжением и зарядом?

Управлением транзистора по току называется управление входной цепью от источника с большим внутренним сопротивлением по сравнению с входным сопротивлением транзистора, а управлением по напряжению — от источника с малым внутренним сопротивлением. При управлении по току и напряжению скачкообразное изменение тока базы не вызывает мгновенного изменения тока коллекторе.

Наибольшую крутизну выходного колебания, т. е. наименьшее гремя фронта, можно получить при управлении зарядом (рис. 4.39).

Оно состоит во введении инжекции в базу требуемого заряда сразу, целиком, а не на принципе постепенного накопления этого заряда, как, например, это имеет место в случае управления при постоянном токе базы. Это осуществляется, в частности, путем использования цепи с ускоряющим конденсатором (иначе — компенсационным); импульс, связанный с наличием емкости во входной цепи, вводит в базовую область такой заряд в начальный момент, что ток коллектора очень быстро достигает своего установившегося значения.

Рис. 4.39. Управление транзистора зарядом: схема ( а ) и формы изменения управляющего напряжения ( б ), тока базы ( в ) и тока коллектора ( г )

 

Как обозначаются транзисторы?

Существуют различные обозначения, которые зависят от страны и изготовителя. В иностранкой литературе чаще всего встречаются буквенно-цифровые обозначения с двумя либо тремя буквами в начале. Наиболее распространена система обозначений, в которой первая буква обозначает тип полупроводника: А — германий; В — кремний. Вторая буква обозначает тип элемента: С — транзистор маломощный низкочастотный; D — транзистор мощный низкочастотный; F — транзистор маломощный высокочастотный; L — транзистор мощный высокочастотный; S — транзистор для переключающих схем; U — транзистор мощный для переключающих схем. Определение «маломощный» обычно соответствует мощности P мах <= 0,3 Вт; определение «низкочастотный» обозначает, что для данного транзистора граничная частота f т  <= 3 МГц (или f т <= 2,5 МГц). Третья буква обозначает применение транзистора, указанное изготовителем.

В СССР используется буквенно-цифровая маркировка транзистора. В зависимости от назначения и используемого при изготовлении транзисторов материала первая буква или цифра обозначает тип полупроводника: 1 или Г — германий; 2 или К — кремний; 3 или А — арсенид галлия. Буква соответствует применению в аппаратуре широкого, а цифра — специального назначения.

Второй элемент классификация (маркировки) обозначает тип транзистора: T — биполярный; П — полевой.

Третий элемент назначения определяет назначение транзистора по частотным и мощностным свойствам (табл. 4.1).

Четвертый и пятый элементы — номер разработки транзистора, обозначается цифрами от 01 до 99.

Шестой элемент обозначения — буквенной от А до Я. Показывает разделение транзисторов данного типа по классификационным параметрам. Например, транзистор КТ605А — кремниевый, биполярный, средней мощности, высокочастотный. номер разработки 0,5, группа А с классификационным параметром h21э от 10 до 40. — Прим. ред .

Таблица 4.1

Транзистор…Третий элемент маркировки транзистора

____________________________________________

—  Малой мощности (до 0,3 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 1

• средние частоты 3—30 МГц… 2

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 3

—  Средней мощности (0,3–1,5 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 4

• средние частоты 3—30 МГц… 5

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 6

—  Большой мощности (более 1,5 Вт) с граничной частотой передачи тока:

• низкие частоты до 3 МГц… 7

• средние частоты 3—30 МГц… 8

• высокие и сверхвысокие частоты (более 30 МГц)… 9

В справочниках помимо обозначения транзистора часто указываются тип корпуса и эскиз расположения электродов. Корпуса защищают структуру транзистора от механических повреждений, загрязнений, влияния влаги, упрощают отвод тепла, облегчают монтаж транзистора. Применяются корпуса металлические, стеклянные, керамические и из искусственных материалов. Расположение электродов зависит от типа используемого корпуса.

 

Что такое вакуумный триод?

Это вакуумный прибор (рис. 4.40) стремя электродами: катодом, сеткой и анодом, обладающий свойством усиления электрического сигнала. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне с вакуумом внутри.

Рис. 4.40. Условное графическое обозначение триода: общее ( а ) и с косвенным накалом ( б )

Катод триода, накаливаемый непосредственно или косвенно с помощью подогревателя, через который протекает ток накала, эмиттирует электроны на основе эффекта термоэмиссии. Количество эмиттерных электронов зависит, в частности, от материала катода и мощности накала. Анод улавливает электроны, излученные катодом. Потенциал анода должен быть положительным относительно катода.

Число попадающих на анод электронов тем больше, чем больше положительный потенциал анода (анодное напряжение). Электроны создают в цепи анода анодный ток. Сетка триода, часто называемая управляющей сеткой, является электродом, расположенным между катодом и анодом. Она имеет форму спирали, навитой из тонкой проволоки. Сетка воздействует на распределение электрического поля между катодом и анодом, в результате чего изменяется число электронов, попадающих на анод, и соответственно сила анодного тока. Сетка обычно имеет отрицательный потенциал относительно катода.

Триоды применяются в качестве усилительных ламп низкой и высокой частоты, малой и большой мощности, а также в качестве генераторных ламп. По сравнению с транзисторами триоды имеют следующие недостатки: большие габаритные размеры, необходимость использования напряжения накала, большое напряжение питания. Достоинствами триодов являются возможность работы с большими токами, высокими напряжениями, малая чувствительность к температуре и ее изменениям, устойчивость к искрению. В маломощных схемах триоды вытеснены транзисторами и интегральными микросхемами.

 

На каком принципе триод усиливает электрические сигналы?

Сетка расположена к катоду ближе, чем анод, и благодаря этому она значительно сильнее воздействует на количество электронов, доходящих до анода и образующих анодный ток. Небольшое увеличение сеточного напряжения (от —3 до —2 В) вызывает большой рост анодного тока (от 10 до 20 мА), а небольшое уменьшение напряжения на сетке (от —3 до —4 В) дает заметное снижение анодного тока. Изменение анодного тока вызывает изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, находящемся в цепи анода. Изменение падения напряжения на этом сопротивлении во много раз больше, чем изменение напряжения на сетке, а это означает, что в триоде имеет место усиление по напряжению.

Триод обеспечивает также большое усиление по току, поскольку управление в цепи сетки осуществляется напряжением (ток сетки в рабочей точке для усилительной схемы пренебрежимо мал).

 

Как обозначают токи и напряжения в схемах на лампах?

Их обозначают обычно по тем же принципам, что и на транзисторных схемах, с той лишь разницей, что используются другие буквенные обозначения электродов: анода (А, а), катода (К, к) и сетки (С, с).

 

В каких схемах триод работает как усилитель?

Триод может работать в трех основных схемах включения, имеющих свои аналоги в транзисторных схемах (рис. 4.41): схема с общей сеткой (ОС) — аналог схемы ОБ, схема с общим катодом (ОК) — аналог схемы ОЭ, схема с общим анодом (ОА) называется катодным повторителем — аналог схемы ОК эмиттерного повторителя. Наиболее часто используемой типовой схемой является схема ОК.

Рис. 4.41. Основные схемы включения триода:

а — с общей сеткой; б — с общим катодом; в — с общим анодом

 

Какими параметрами характеризуется триод?

Анодный ток триода I а зависит от анодного U а и сеточного напряжений U с . Для маломощного триода анодный ток обычно равен 5—15 мА. Анодные напряжения обычно лежат в пределах 100–300 В. Сеточные напряжения находятся в диапазоне —1…—10 В. Напряжение накала составляет от нескольких до 10–20 В, ток накала обычно меньше 0,5 А, мощность накала для маломощных триодов составляет несколько ватт.

Наиболее полно триод характеризуют три параметра: внутреннее сопротивление, крутизна, коэффициент усиления.

Внутреннее сопротивление триода, или анодное сопротивление, выражается формулой

Обычно его приводят в килоомах.

Крутизна характеристики лампы обозначается как S, выражается формулой

и приводится в миллиамперах на вольт.

Коэффициент усиления обозначается через μ и выражается как

Коэффициент μ является безразмерной величиной. Знак минус означает, что для поддержания постоянного значения I а приращения ΔU а и ΔU с должны быть разного знака. Для трех основных параметров триода существует зависимость μ = R i ·S.

Указанные параметры можно определить непосредственно (измерением) либо на основе статических характеристик триода. Их значения зависят от выбора рабочей точки.

Уравнение анодного тока триода можно записать в следующем виде:

I a = (1/R i )·U a + S·U c = (E a /R a )- (U a /R a )

Для типовых маломощных триодов имеем следующие параметры:

R i = 1—50 кОм; S = 2—15 мА/В; μ = 5-100.

 

Что можно сказать о триоде как элементе схемы?

Триод является нелинейным активным элементом схемы, параметры которого зависят от условий работы, в основном от постоянных напряжений и токов в схеме, т. е. от рабочей точки и частоты. По сравнению с транзистором триод характеризуется меньшей зависимостью параметров от условий работы, в частности зависимость параметров триода от уровня сигнала является значительно меньшей, чем у транзисторов. Вид эквивалентной схемы зависит от схемы включения триода (ОА, ОК или ОС). Как правило, эквивалентные схемы представляют в виде физических моделей. Эквивалентные схемы для режима малого сигнала используются реже, поскольку физическая модель триода оказывается вполне достаточной как для малых, так и для больших сигналов. Кроме того, образующие эту модель элементы почти не зависят от уровня сигнала. Значения емкостей и индуктивностей, входящих в физическую модель, также почти не зависят от частоты, их реактивное сопротивление является функцией частоты.

По сравнению с биполярным транзистором триод как элемент схемы отличается значительно более высокими входным и выходным сопротивлениями.

 

Что такое схема ОК и каковы ее свойства?

Схема ОК является типовой схемой работы триода. В этой схеме сигнал подводится между сеткой и катодом, а нагрузка включается между анодом и катодом (рис. 4.42,а). В эквивалентной схеме (рис. 4.42,б) содержатся три междуэлектродные (внутриламповые) емкости С ск , С ак , С са . Их значения зависят от конструкции лампы, формы и размеров отдельных электродов. Обычно они лежат в пределах 2–6 пФ. Емкость С ас меньше «видимой» со стороны генератора, т. е. входной емкости (динамической). Она выражается следующей формулой:

C вх = С ск + С са ·(1 + К u )

где К — усиление триода по напряжению в данной схеме. Выходная емкость триода также увеличивается при росте усиления.

Рис. 4.42. Триод в усилительной схеме с ОК (а) и его физическая модель (б)

Свойства схемы ОК аналогичны со схемой ОЭ с тем отличием, что численные значения коэффициента усиления и сопротивлений другие. Важным свойством, типичным для триода, является зависимость входной и выходной емкости от усиления по напряжению.

 

Каковы статические характеристики триода в схеме с ОК?

Типичными статическими характеристиками триода являются: анодная характеристика (рис. 4.43, а) — зависимость анодного тока от анодного напряжения U а при постоянном значении напряжения U с , т. с. I а = f(U а ) при U c = const; анодно-сеточная характеристика (рис. 4.43, б) — зависимость анодного тока от сеточного напряжения при постоянном напряжении U a , т, е. I а = f(U c ) при I а = const; проходная характеристика — зависимость анодного напряжения от сеточного U c при постоянном анодном токе, т. е. U а = f( U c ) при I а = const.

Как видно из семейств анодных характеристик, анодный ток быстро возрастает при небольшом увеличении сеточного напряжения. При росте анодного напряжения он также растет, но не столь быстро. Ток не достигает уровня насыщения из-за использования оксидных катодов. Однако это не означает, что ток, протекающий через лампу, может быть произвольно большим. Существуют ограничения максимального тока с точки зрения как срока службы катода, так и максимальной мощности, которая может быть введена в лампу. Максимальные токи указываются в справочниках.

Из сеточной характеристики видно, что при небольших положительных напряжениях на сетке начинает протекать сеточный ток.

Значение этого тока зависит от анодного напряжения. Появление сеточного тока является нежелательным явлением и вызывает искажения выходного сигнала, поэтому рабочую точку лампы, работающей в качестве усилителя, следует выбирать таким образом, чтобы работа происходила без сеточного тока даже при небольших амплитудах входного сигнала.

Рис. 4.43. Статические выходные ( а ) I а =  f (U а )) и передаточные (характеристики ( б ) U c = const при I а =  f (U c )

 

Что такое схема ОА и каковы ее свойства?

Схему включения триода ОА часто называют катодным повторителем. Входной сигнал подается между сеткой и анодом, а нагрузку включают между катодом и анодом (см. рис. 4.41, в).

На основе эквивалентной схемы можно показать, что входная емкость относительно мала. Мало также выходное сопротивление (R вых ~= 1/S), в то же время очень велико входное сопротивление. Усиление по напряжению схемы ОА несколько меньше единицы.

Схему ОА часто применяют в качестве трансформатора сопротивлений благодаря высокому входному сопротивлению этой схемы (около 1 МОм) и малому выходному сопротивлению (около 76 Ом). Коэффициент передачи по напряжению такого «трансформатора» близок к. единице; малые емкости схемы ОА позволяют пропускать широкую полосу частот.

 

Что такое схема ОС и каковы ее свойства?

В триодной схеме ОС входной сигнал подводится между сеткой и катодом, а нагрузка включается между анодом и сеткой (см. рис. 4.41, а).

Можно показать, что выходная емкость схемы ОС относительно мала, а выходное сопротивление велико. Большим достоинством схемы ОС является очень малая емкость между входом и выходом, что особенно ценно при работе с высокочастотным сигналом. Входное сопротивление схемы ОС мало (R вх ~= 1/S) и равно примерно 200 Ом. Усиление схемы по напряжению ближе к получаемому в схеме ОК, тогда как усиление по току примерно равно единице. Схема ОС находит применение в диапазоне высоких частот.

 

Как выбирают рабочую точку триода?

Рабочую точку триода выбирают так же, как и у транзистора. На семействе статических характеристик I а = f(U а ) строят нагрузочную прямую. Положение рабочей точки выбирают так, чтобы получить соответствующую линейность выходного колебания без захода в область, в которой протекает сеточный ток, и не превысить допустимую мощность потерь на аноде. Это — наибольшая допустимая мощность рассеяния. Она равна произведению тока I а и напряжения на аноде U а , ее значение (около 1 Вт) указано в справочниках. При выборе рабочей точки следует также помнить о том, что нельзя превышать максимальных значений анодного тока напряжения, указанных заводом-изготовителем.

 

Как подается смещение на электроды триода?

Напряжения смещения подаются на электроды триода проще, чем у транзисторов. Для смещения триода, так же как и транзистора, в общем достаточно одного источника постоянного напряжения (положительного) стой лишь разницей, что напряжение должно быть намного больше, чем напряжение источника питания транзистора (около 200 В). Кроме того, в большинстве случаев нет необходимости в использовании стабилизирующих схем, так как работа триода очень слабо зависит от температуры окружающей среды.

Пример типичной триодной схемы с цепью питания приведен на рис. 4.44, а. На анод подается положительное напряжение, подключаемое через сопротивление нагрузки. Это последовательное питание анода, при котором анодное напряжение уменьшается по сравнению с источником на значение падения напряжения на этом сопротивлении. Иногда анод питают непосредственно от источника. Минуя сопротивление нагрузки, как это показано, например, на рис. 4.44, б.

Рис. 4.44. Последовательная ( а ) и параллельная ( б ) схема питания анода триода

Сетка триода должна иметь отрицательный потенциал по отношению к катоду, поэтому берут источник небольшого отрицательного напряжения. Однако в большинстве случаев используют автоматическое смещение, не требующее применения дополнительного источника. Для этого в цепь катода триода включают резистор R к , на котором возникает падение напряжения, связанное с протекающим через лампу анодным током. Это падение напряжения имеет такой знак, при котором катод лампы смещается положительно относительно массы. Соединение сетки с массой через резистор R c равнозначно отрицательному смещению сетки относительно катода. На резисторе R c не возникает падения напряжения, если лампа работает без тока сетки. Однако резистор R c необходим для работы лампы, поскольку через него замыкается цепь сетка — катод. Сопротивление резистора R c обычно равно 1 МОм. Сопротивление резистора R к составляет от нескольких сотен омов до 10–20 кОм. Для того чтобы переменные колебания не создавали на резисторе R к падения напряжения, его шунтируют конденсатором. В противном случае возникает отрицательная обратная связь (см. гл. 8), снижающая коэффициент усиления.

Следует помнить, что описанный способ подачи смещения на сетку не удается применить для биполярного транзистора из-за противоположного знака напряжения, требуемого для смещения базы относительно эмиттера.

 

На чем основана работа триода в диапазоне высоких частот?

При работе транзистора в диапазоне высоких частот существенную роль играют междуэлектродные емкости и индуктивности вводов электродов (особенно катода), которые в диапазоне средних и низких частот малы и ими можно пренебречь. Большое значение имеет также время пролета электронов между катодом и анодом, влияющие на входную проводимость лампы.

Для работы в диапазоне высоких частот конструируют специальные триоды (с плоскими электродами), работающие на частотах до 6 ГГц.

 

Как работает триод в режиме переключения при большом сигнале?

Триод как элемент, используемый в режиме ключа (при переключении), в общем создает меньше трудностей, чем биполярный транзистор. Его существенным преимуществом является работа без сеточного тока, благодаря чему не появляется нагрузка для управляющего источника и управление по напряжению не встречает трудностей. Кроме того, не возникают явления, связанные с рекомбинацией и накоплением зарядов, благодаря чему легче удается получить форму выходного колебания, близкую к форме входной. Некоторое уменьшение крутизны фронтов может возникнуть из-за междуэлектродных емкостей. Недостатком триода как переключателя является необходимость использования большего управляющего сигнала, чем для транзистора, а также относительно высокое внутреннее сопротивление во время протекания тока. На этом сопротивлении возникает относительно большое падение напряжения, снижающее падение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Триод является элементом, который не создает трудностей при работе с большим сигналом. При питании анода напряжением, равным, например, 280 В, получают выходные сигналы с амплитудой около 100 В. Кроме того, гораздо легче достичь относительно больших мощностей, чем от полупроводниковых элементов. Для сверхмощных триодов (около нескольких сотен киловатт) применяют специальное охлаждение.

 

Какие шумовые свойства имеет триод?

Источником шумов в триоде является прежде всего эмиссия электронов из катода. Шумы имеют флуктуационный (стохастический) характер. Шумы в схеме с триодом зависят, в частности, от сопротивления управляющего источника и ширины полосы пропускаемых частот. В общем шумы устройств на триодах больше, чем шумы устройств на современных транзисторах, особенно в диапазоне дециметровых волн.