Informatics Point

Информатика и проектирование

Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя или несколькими р-n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода или более.

Транзисторы в зависимости от принципа действия и конструктивных признаков подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходам и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р-типа и n-р-n-типа.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах состоят в следующем.

Упрощенная структура плоскостного р-n-р-транзистора показана на рис. 1а, условные обозначения р-n-р- и n-р-n-транзисторов- на рис. 1 б.

Рис. 1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов (б)

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, а к другому обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой - эмиттером (Э).

Рис. 2. Структуры транзисторов.

а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в - планарного; г - мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмиттер; 3 -эпитаксиальная пленка; 4 - подложка.

Средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой - коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение носит название инверсного. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые конструкции биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 2.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзистор» отражаем основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения р-n-переходов.

Рис. 3. Энергетические зонные диаграммы диффузионного (а) и дрейфового (б) транзисторов при равновесном состоянии p-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу - сравнительно высокоомной. При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора, Это видно из энергетических зонных диаграмм диффузионного и дрейфового транзисторов, приведенных на рис.3 а, б. Для базы уровень Ферми лежит вблизи середины запрещенной зоны, характеризуемой электростатическим потенциалом цE, для эмиттера уровень Ферми лежит вблизи потолка валентной зоны , а для коллектора - на несколько большем расстоянии. В связи с разной концентрацией примеси в базе дрейфового транзистора расстояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости изменяется по длине базы (рис.3, б). Потенциальные барьеры эмиттерного и коллекторного переходов (контактные разности потенциалов) обозначены, как и

Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесном между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

Инерционные свойства транзистора.

При быстрых изменениях входного сигнала, например IЭ, проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем «пролета» носителей заряда через область базы; временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и на установление необходимых концентраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток IК) будет иметь искаженную форму. Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на ДIЭ (рис.4, а), то IК вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на ДIК (рис. 4, б).

Рис.4. Диаграмма изменения токов эмиттера (а) и коллектора (б).

В инженерной практике чаще всего считают, что изменения выходного сигнала происходят по экспоненте с задержкой на время tздб. Экспоненциальная функция имеет постоянную времени фб, приблизительно равную времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 установившегося значения. Изменения выходного сигнала не соответствуют изменениям входного. Это свидетельствует о том, что коэффициент б является функцией времени. Так как данная зависимость достаточно сложная, при практических расчетах ее заменяют более простыми функциями. В большинстве случаев считают, что в операторном виде изменение сигнала происходит в соответствии с выражением

, (1)

где б0 -статическое значение коэффициента передачи эмиттерного тока; р - оператор Лапласа.

Постоянная времени фб определяется как

фб=1/щб. (2)

Здесь щб - предельная частота, на которой коэффициент б становится равным 0,7 своего статического значения (уменьшается на 3 дБ).

При необходимости учесть время задержки (1) несколько усложняют, вводя в числитель функцию е

. (3)

Иногда применяют другое приближение, которое является более cложным и менее удобным, но позволяет точнее аппроксимировать передаточную характеристику:

. (4)

Используют три схемы включения транзистора.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис.5): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Рис. 5. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б), с общим коллектором (в).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т.е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Выходными напряжениями UВЫХ являются переменные составляющие напряжений на резисторах RК и RЭ.

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические входные и выходные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

Используют h-параметры транзисторов.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника, на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1 а на выходе - напряжение u2 и ток i2. Для транзисторов чаще всего используются h- параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид:

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

-входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

-коэффициент обратной связи по напряжению;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе.

По эквивалентной схеме транзистора для переменного тока можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Для схем с ОБ и с ОЭ например, если СЭ и СК и генератор напряжения мЭКuкб не учитывать, то*

h≈ rэ.диф+r(1-б); h≈ r' + rэ.диф (в+1);

h; h;

h; h; (5)

h; h.

В выражениях (5) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов порядка сотен Ом. Значения сопротивления r находится в пределах долей - десятков мегом,0,9 ч 0,99.

Значения коэффициентов h можно определить также с помощью эквивалентной схемы для постоянного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только h21э и h21б:

h21б ≈ (Iк - IКБО)/IЭ=;

h21э=(IЭ -IКЭО)/IБ=(IК-IКБО)/(IБ+IКБО)=;

Они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

Для транзисторов в соответствии с ГОСТ 20003-74 задают не коэффициенты б, в, а равные им в первом приближении параметры h21э и h21б. При анализе цепей с биполярными транзисторами в дальнейшем будем использовать параметры транзистора, выраженные через коэффициенты четырехполюсника. Коэффициенты б и в будем привлекать лишь для объяснения физических особенностей работы различных полупроводниковых приборов.

Основные параметры биполярных транзисторов:

Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи)

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении

IКБО=IК; UКБ<0;

Объемное сопротивление базы биполярного транзистора ;

Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ;

Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

максимально допустимый ток коллектора IК max;

наибольшая мощность рассеяния коллектором РКmax;

емкость коллекторного перехода СК;

тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом RТ =ДТ/ РКmax, где ДТ- перепад температур между коллекторным переходом и корпусом;

предельная частота усиления f21 или щh21, на которой коэффициент передачи тока h21 уменьшается до 0,7 своего статического значения: ; ;

часто вмеасто предельной задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ fгр или щгр, когда h21Э→1;

Максимальная частота генерации fmax ≈ это наибольшая частота, при которой может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.

Лучшие статьи по информатике

Проектирование специализированного вычислительного устройства
Эффективность применения современных средств вычислительной техники во всех сферах научной и производственной деятельности оказывает решающее влияние на уве ...

Модернизация схемы блока управления для привода Fm-Stepdrive фирмы siemens с целью расширения функциональных возможностей
История развития бытовой и промышленной микропроцессорной аппаратуры тесно связана с развитием средств ЭВТ. За время своего развития средства ЭВТ прошли ...

Электронные трансформаторы на основе высокочастотных структур с переключаемыми конденсаторами для автономных систем электроснабжения
Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны все возрастающую степень использования интегра ...

Меню сайта