ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.
Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.
Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде операционного усилителя, имеет в своем составе (см. Рис.1): дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК).
Рис. 1. Структурная схема операционного усилителя
Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.
Промежуточные каскады позволяют: получить большое усиление напряжения сигнала, изменить на 180° или сохранить нулевым фазовый сдвиг усиливаемого сигнала.
В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады. Оконечный каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление.
Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют эмиттерный повторитель.
Обозначение ОУ на принципиальных схемах. Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод.
Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на Рис. 2 (1 — инвертирующий вход, 2 — неинвертирующий вход, 3 — выход, 4 и 5 -выводы для подключения источника питания)
Рис. 2. Обозначения операционных усилителей
(1 — инвертирующий вход, 2 — неинвертирующий вход, 3 — выход, 4 и 5 -выводы для подключения источника питания).
Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FС), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (_I_) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.
Подключение ОУ к источнику питания. В общем случае для работы операционного усилителя требуется двухполярный (расщепленный) источник питания; типичные значения напряжений источника составляют ±6 В; ±12 В; ±15 В (иногда ±18 В). Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке представлена на Рис. 3.
Рис. 3. Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке
В ряде случаев для питания ОУ используется несимметричное питание, например +12 и -6 В, или даже однополярное питание, например, +30 В и земля.
Так как в представленной схеме земля не подключена к ОУ, токи возвращаются от ОУ к источнику питания через внешние (навесные) элементы схемы (в нашем случае это сопротивление нагрузки Rн).
Входное и выходное напряжения. Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах Ед = Uвх(+)-Uвх(-), где Uвх(+) и Uвх(-) — напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:
где К — коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что Ед > 0 (напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (—)), тогда выходное напряжение положительно (Рис.1.4,а).
Рис. 1.4. Полярность выходного напряжения ОУ в зависимости от дифференциального сигнала: а) — при положительном дифференциальном напряжении; б) — при отрицательном дифференциальном напряжении.
Если Ед 0 (напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (—)), выходное напряжение отрицательно, Рис.4,б. Общая зависимость Uвых = F(Ед) представлена на Рис. 5. Выходное напряжение линейно зависит от Ед лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от —Едmax до +Едmax)и не может превышать величины напряжения источника питания.
Два правила, справедливые для идеального ОУ. Определим значения —Едmax и + Едmax В соответствии с (1) имеем
Величина К чрезвычайно велика; она может достигать 200000 единиц и более. Приняв К=200000, для ОУ, запитанного от источника ±12 В, на основании (2) получим:
Здесь допущено, что +Uнас = +Ед и -Uнас = -Ед. Напряжение 60 мкВ очень мало. В типичном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевых наводок и напряжения от токов утечки могут превышать 1 мВ (1000 мкВ). В силу этого можно принять +Едmax « 0. Это позволяет сформулировать два важных правила.
Рис. 5. Выходная характеристика ОУ
Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение -Uнас < Uвых < +Uнас), разность напряжений между его входами равна нулю, т.е. Uвх(+)=Uвх(-). Чтобы ОУ работал в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что операционный усилитель, охваченный ООС, сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами. ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.
Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.
Идеальный и реальный ОУ. Для идеального ОУ справедливо:
— Коэффициент усиления дифференциального сигнала К бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.
— Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) Ксинф равен нулю.
— Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.
— Отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения.
— Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
— Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует. Параметры реального ОУ несколько хуже. Однако в большинстве случаев для анализа схем на операционных усилителях можно использовать оба правила, справедливые для идеального ОУ. Этот подход и будет использоваться в дальнейшем. Знание реальных значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретной схеме.
Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.
К входным параметрам относятся: напряжение сдвига (напряжение сдвига нуля); токи смещения (входные токи); ток сдвига (разность входных токов); входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы токов смещения и тока сдвига; напряжение шумов, приведенное ко входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение сдвига.
Напряжение сдвига Ucдв — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя.
Токи смещения Iсм — обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, Iсм — это токи, потребляемые входами ОУ.
Ток сдвига Icдв — это разность токов, потребляемых входами ОУ.
Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).
Максимальное входное напряжение Uвх mах — наибольшее входное напряжение операционного усилителя, при котором выходное напряжение соответствует заданному.
Минимальное входное напряжение Uвх min — наименьшее входное напряжение операционного усилителя, при котором выходное напряжение соответствует заданному.
Чувствительность S — наименьшее входное напряжение, при котором, электрические параметры операционного усилителя соответствуют заданным.
Диапазон входных напряжений ∆ Uвх — интервал напряжений от минимального входного напряжения до максимального.
Входное напряжение покоя U0 вх — напряжение на входе операционного усилителя при отсутствии входного сигнала.
Выходное напряжение покоя U0 вых — напряжение на выходе операционного усилителя при отсутствии входного сигнала.
Входное напряжение ограничения Uогр.вх — наименьшее входное напряжение операционного усилителя, при котором наступает ограничение выходного напряжения.
Входное напряжение Uвх — напряжение на входе операционного усилителя в заданном режиме.
Напряжение смещения Uсм — напряжение постоянного тока на входе операционного усилителя, при котором выходное напряжение равно нулю.
Синфазные входные напряжения Uсф.вх — напряжения между каждым из входов операционного усилителя и общим выводом, амплитуды и фазы которых совпадают.
Максимальные синфазные входные напряжениям Uсф.вх.mах — синфазные входные напряжения, при которых параметры операционного усилителя изменяются на заданное значение.
Максимальное выходное напряжение Uвых.max — наибольшее выходное напряжение, при котором изменения параметров операционного усилителя соответствуют заданным.
Минимальное выходное напряжение Uвых.min — наименьшее выходное напряжение, при котором изменения параметров операционного усилителя соответствуют заданным.
Выходное напряжение баланса Uвых.бл — напряжение постоянного тока на каждом выходе операционного усилителя относительно общего вывода при напряжении между выводами, равным нулю.
Приведенное ко входу напряжение шумов Uш.вх — отношение напряжения собственных шумов на выходе операционного усилителя при закороченном входе к коэффициенту усиления напряжения.
Входной ток Iвх — ток, протекающий во входной цепи операционного усилителя в заданном режиме.
Разность входных токов ∆I вх — разность токов, протекающих через входы операционного усилителя в заданном режиме.
Выходной ток Iвых — ток, протекающий в цепи нагрузки операционного усилителя в заданном режиме.
Максимальный выходной ток Iвых mах — наибольший выходной ток, при котором обеспечиваются заданные параметры операционного усилителя.
Минимальный выходной ток Iвых min — наименьший выходной ток, при котором обеспечиваются заданные параметры операционного усилителя.
Ток потребления Iпот — ток, потребляемый интегральной микросхемой от источников питания в заданном режиме.
Ток холостого хода Iх.х — ток, потребляемый интегральной микросхемой при отключенной нагрузке.
Потребляемая мощность Рпот — мощность, потребляемая интегральной микросхемой, работающей в заданном режиме, от источников питаниэ.
Максимальная потребляемая мощность Рпот mах — потребляемая мощность операционного усилителя в предельном режиме потребления.
Выходная мощность Рвых — мощность сигнала, выделяемая на нагрузке операционного усилителя в заданном режиме.
Рассеиваемая мощность Pрас — мощность, рассеиваемая интегральной микросхемой, работающей в заданном режиме.
Нижняя граничная частоту полосы пропускания fн — наименьшая частота, на которой коэффициент усиления операционного усилителя уменьшается на 3 дБ относительно заданной.
Верхняя граничная частота полосы пропускания fв — наибольшая частота, на — которой коэффициент усиления операционного усилителя уменьшается на 3 дБ относительно заданной частоты.
Полоса пропускания ∆ f — диапазон частот между верхней и нижней граничными частотами полосы пропускания.
Коэффициент усиления напряжения КуU — отношение выходного напряжения операционного усилителя к входному.
Коэффициент усиления тока КуI — отношение выходного тока операционного усилителя к входному.
Коэффициент усиления мощности КуP — отношение выходной мощности операционного усилителя к входной.
Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики Кнл.АХ — наибольшее отклонение крутизны амплитудной характеристики операционного усилителя относительно крутизны амплитудной характеристики, изменяющейся по линейному закону.
Коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КП — отношение полосы частот операционного усилителя на уровне 0,01 или 0,001 к полосе пропускания на уровне 0,7.
Коэффициент неравномерности амплитудно-частотной характеристики Кнр.АЧХ — отношение максимального выходного напряжения операционного усилителя к минимальному в заданном диапазоне частот полосы пропускания, выраженное в децибелах.
Относительный диапазон автоматической регулировки усиления по напряжению ∆UА РУ.отн — отношение наибольшего коэффициента усиления напряжения к наименьшему при изменении входного напряжения в заданных пределах.
Относительный диапазон автоматической регулировки усиления по току ∆I АРУотн — отношение наибольшего коэффициента усиления тока к наименьшему при изменении вводного напряжения операционного усилителя в заданных пределах.
Относительной диапазон автоматической регулировки усиления по мощности ∆UАРУ отн — отношение наибольшего коэффициента усиления мощности к наименьшему при изменении входного напряжения операционного усилителя в заданных пределах.
Коэффициент гармоник КГ — отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех, кроме первой, гармоник сигнала операционного усилителя к среднеквадратичному напряжению первой гармоники.
Входное сопротивление Rвх — отношение приращения входного напряжения операционного усилителя к приращению активной составляющей входного тока при заданной частоте сигнала.
Выходное сопротивление Rвых — отношение приращения выходного напряжения операционного усилителя к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или синусоидального тока при заданной частоте сигнала.
Входная емкость Свх — отношение емкостной реактивной составляющей входного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на синусоидальное входное напряжение операционного усилителя при заданной частоте сигнала.
Выходная емкость Свых — отношение емкостной реактивной составляющей выходного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на вызванное им выходное напряжение при заданной частоте сигнала.
Литература
1. В.Д. Разевиг. Система проектирования OrCAd 9.2. — М.: Издательство СОЛОН, 2001. -519с.
2. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. — В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. (УДК 621.3; Э45).3.
3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. — М.: Сов. радио. 1980. — 424с.
Вернуться к началу раздела .
Все права на информацию для посетителей разрешены © 2011 — 2022 — Zadereyko.INFO
Биполярный транзистор
Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.
Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.
На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.
- Расстояние между металлургическими границами переходов называется физическойтолщинойбазы«L» .
- Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».
Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.
Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси NA в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси ND в ней составляет ~ 10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.
Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:
- тонкая база — ;
- односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)
Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:
- низкочастотные не более 3 МГц;
- средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;
- высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
- сверхвысокочастотные — более 300 МГц
По мощности выделяют следующем образом:
- маломощные — не более 0,3 Вт;
- средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;
- большой мощности — более 1,5 Вт.
В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.
2. Принцип действия
Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением Uэб, а коллекторный закрыт обратным смещением Uкб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.
Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.
Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника Uэб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:
где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α . При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника Uэб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:
В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток Iкб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения Uкб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора Iкб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).
Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен
В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен
а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен
Согласно первому закону Кирхгофа,
Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы
Коэффициент связан с коэффициентом соотношением
3. Режимы работы и способы включения
Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.
- Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
- Режим насыщения— оба перехода открыты.
- Режим отсечки— оба перехода закрыты.
- Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.
В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.
В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение Uэб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение Uкб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.
В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение Uбэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение Uкэ той же полярности распределяется между обоими переходами: Uкэ = Uкб + Uбэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие Uкб = Uкэ — Uбэ> 0, что обеспечивается неравенством Uкэ> Uбэ> 0.
В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.
4. Статические вольт-амперные характеристики
Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: Uвх = U1, Uвых = U2, Iвх = I1, Iвых = I2. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае
Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:
Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции
Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.
4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ
В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера Iэ, а выходным – ток коллектора Iк, соответственно, входным напряжением является напряжение Uэб, а выходным – напряжение Uкб.
Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью
которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость Iэ от Uкб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода Uкб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту Iэ. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение Uэб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .
Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость
Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.
Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид
Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения Uкб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении Uкб имеет место небольшой рост Iк, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.
При Iэ = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (Iк = Iкб0).
В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение Uкб, большее порогового значения Uкб пор, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току Iк. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего Iк очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.
4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ
В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы Iб, а выходным – ток коллектора Iк. Соответственно, входным напряжением является напряжение Uбэ, а выходным – Uкэ.
Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость
что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.
Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы Iб от напряжения на коллекторе Uкэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом Uкэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений Uбэ. Следует отметить, что Iб = 0 при некотором значении Uпор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)Iэ становится равным тепловому току Iкэ0. При Uбэ пор, Iб = — Iкэ0, что соответствует режиму отсечки.
При Uкэ бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.
Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость
Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда
Ток Iкэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),
Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение Uкэ распределено между обоими переходами. При Uкэ бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при Uкэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. Iк становится неуправляемым и не зависит от тока базы.
Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост Iк при увеличении Uкэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока Iк с ростом напряжения Uкэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем Iкб0, сквозного теплового тока Iкэ0 (4.11).
- транзисторы
- биполярные транзисторы
- электроника
Биполярные транзисторы. For dummies
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзисторы. Определение и история
Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
- обратный ток коллектор-эмиттер
- время включения
- обратный ток колектора
- максимально допустимый ток
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Режимы работы биполярного транзистора
- Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
- Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
- Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
- Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
Схема включения с общей базой
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Схема включения с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Два слова о каскадах
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).
Другие области применения биполярных транзисторов
Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.