Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Основи електроніки та мікросхемотехніки

Конспект лекцій з дисципліни «Електроніка»

УДК 621.38 (042.4)

ББК З 850 я 7

Г 94

Укладачі: Гулак Н.К., Чунарьова А.В.

Затверджено методично-редакційною радою Інституту інформаційно-діагностичних систем Національного авіаційного університету (протокол №_____ від _____________)

Г 94 Гулак Н.К., Чунарьова А.В. Основи електроніки та мікро схемотехніки: Конспект лекцій. - Київ: НАУ, 2010. - 74 с.

Навчальний посібник складається модуля 1. Розглянуто принципи побудови, схеми та властивості різних аналогових пристроїв, виконаних на дискретних елементах й інтегральних мікросхемах, наведено методику аналізу й дано основи синтезу цих схем.

Навчальний посібник призначений для студентів, які вивчають дисципліну «Електроніка». Він містить матеріал, необхідний студентам для закріплення лекційного матеріалу, при підготовці і виконанні лабораторних робіт, розв'язанні задач, а також для самостійної роботи студентів.

Навчальний посібник може бути корисним для студентів 2 курсу спеціальності 6.170101 «Безпека інформацій і інформаційних систем».

Вступ

Навчальна дисципліна «Електроніка» забезпечує базову підготовку студентів і дає необхідні знання для подальшого вивчення спеціальних дисциплін.

Дисципліна повинна забезпечити підготовку знань, необхідних студенту для вивчення спеціальних дисциплін і подальшого вирішення виробничих, проектних і дослідницьких задач відповідно до кваліфікаційної характеристики спеціаліста напряму 6.170101 - Безпека інформацій і інформаційних систем. Метою викладання дисципліни є освоєння роботи електронних систем які забезпечують створення, передачу, прийом, зберігання та перетворення інформаційних потоків, покладених в основу функціонування сучасних систем захисту інформації для практичного застосування та втілення у процесі діяльності майбутнього спеціаліста з інформаційної безпеки. Дана дисципліна є теоретичною основою сукупності знань та вмінь, що формують профіль фахівця в галузі інформаційної безпеки.

Інтегровані вимоги до знань і умінь з навчальної дисципліни

У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен:

Знати:

- побудову та конструктивно-технологічні особливості напівпровідникових активних елементів;

- фізичні процеси, які висвітлюють характеристики та параметри напівпровідникових активних елементів;

- теорію зворотного зв'язку;

- схемотехніку різноманітних (у т.ч. диференціальних) підсилювальних каскадів, операційних підсилювачів та інші аналогові інтегральні структури.

Вміти:

- проводити аналіз роботи напівпровідникових транзисторів;

- проводити лінійний та нелінійний аналіз аналогових схем.

Інтегровані вимоги до знань і умінь з навчальних модулів

Навчальний матеріал дисципліни структурований за модульним принципом і складається з одного навчального модуля.

У результаті засвоєння навчального матеріалу навчального модуля №1 «Електроніка» студент повинен:

Знати:

- матеріали напівпровідникових пристроїв, типи провідності їх та вольт-амперну характеристику напівпровідникового переходу;

- принципи роботи напівпровідникових діодів та транзисторів;

- аналізувати підсилювачі каскади на біполярних та польових транзисторах;

- характеристики та параметри операційних підсилювачів та типові схеми на операційних підсилювачів;

- схеми та роботу аналогових логічних елементів;

- загальні відомості про електричні фільтри, їх побудова та характеристики фільтрів;

- побудова фільтрів І та ІІ порядків та їх основні параметри;

- роботу та основні характеристики електронних пристроїв на базі диференціатора та інтегратора.

Вміти:

- уміти самостійно проводити аналіз напівпровідникових пристроїв;

- самостійно проводити лінійний та нелінійний аналіз електронних схем; - самостійно проводити розрахунки параметрів каскаду електронного підсилювача.

1. Електронно-дірковий перехід та його властивості

1.1 Електричні властивості напівпровідників

До напівпровідників відносяться речовини, що займають по величині питомої електричної провідності проміжне положення між металами і діелектриками. Їх питома електрична провідність лежить у межах від 10-8 до 105 див/м и в відмінність від металів вона зростає з ростом температури.

Напівпровідники являють собою досить численну групу речовин. До них відносяться хімічні елементи: германій, кремній, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш'як, селенів, сіре олово, телур, йод, деякі хімічні сполуки і багато органічних речовин.

В електроніці знаходять застосування обмежена кількість напівпровідникових матеріалів. Це насамперед кремній, германій, і арсенід галію. Ряд речовин, таких як бор, миш'як, фосфор використовуються як домішки.

Застосовувані в електроніці напівпровідники мають дуже зроблену кристалічну структуру. Їхні атоми розміщені в просторі в строго періодичній послідовності на постійних відстанях друг від друга, утворити кристалічні ґрати. Ґрати найбільш розповсюджених в електроніці напівпровідників - германія і кремнію - мають структуру алмазного типу. У таких ґратах кожен атом речовини оточений чотирма такими ж атомами, що знаходяться у вершинах правильного тетраедра.

Кожен атом, що знаходиться в кристалічних ґратах, електричний нейтральний. Сили, що утримують атоми у вузлах ґрат, мають квантовомеханічний характер; вони виникають за рахунок обміну взаємодіючих атомів валентними електронами. Подібний зв'язок атомів зветься ковалентного зв'язку, для її створення необхідний пара електронів.

У германії і кремнії, що є чотирьохвалентними елементами, на зовнішній оболонці мається по чотирьох ковалентні зв'язки з чотирма найближчими, навколишніми його атомами.

1.2 Носії заряду в напівпровіднику

У розглянутих ідеальних ґратах всі електрони зв'язані зі своїми атомами, тому така структура не повинна проводити електричний струм. Однак у напівпровідниках (що докорінно відрізняє їх від діелектриків) порівняно невеликі енергетичні впливи, обумовлені чи нагріванням опроміненням, можуть привести до розриву деяких валентних зв'язків у ґратах. При цьому валентний електрон, що відірвався від свого атома, переходить у новий стійкий стан, у якому він має здатність переміщатися по кристалічним ґратам. Такі зірвані з валентних зв'язків рухливі електрони називаються електронами провідності. Вони обумовлюють електропровідність напівпровідника, називану електронною електропровідністю.

Мінімальна величина енергії DW, яку необхідно повідомити валентному електрону для того, щоб відірвати його від атома і зробити рухливим, залежить від структури ґрат і, отже, є параметром напівпровідника.

Енергія електронів, що переміщаються по кристалі, лежить у деякому діапазоні значень, інакше кажучи, електрони займають цілу зону енергетичних рівнів, називану зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів також утворять зону, називаний валентної. Між максимальним рівнем валентної зони і мінімальним рівнем зони провідності лежить область енергетичним станів, у яких електрони не можуть знаходитися; це так називана заборонена зона. Ширина забороненої зони визначає енергію, необхідну для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома напівпровідника. Таким чином, з енергетичної точки зору відривши валентного електрона від атома і перетворення його в електрон провідності відповідають перекиданню електронів з валентної зони в зону провідності.

При розриві валентного зв'язку і відході електрона з атома в ґрати утвориться незаповнений зв'язок, який наявний нескомпенсований позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона . Тому що на незаповнений зв'язок легко переходить валентні електрони із сусідніх зв'язків, чому сприяє тепловий рух у кристалі, то місце, де відсутній валентний електрон, (називане, діркою), хаотично переміщається по ґратам. При наявності зовнішнього полючи дірка також буде рухатися в напрямку дії полючи, що відповідає переносу позитивного заряду, тобто електричному струму.

Цей вид електропровідності напівпровідника називають дирочний електропровідністю у відмінності від раніше розглянутими електронними, обумовленими вільними електронами.

Напівпровідник, що має у вузлах ґрат тільки власні атоми, прийнято називати власним провідником; усі величини, що відносяться до нього, позначаються індексом і (від англійського слова intrinsic- властивий).

В електроніці часто застосовуються напівпровідники, у яких частина атомів основної речовини у вузлах кристалічних ґрат заміщена атомами домішки, тобто атомами іншої речовини. Такі напівпровідники називаються примісними. Для германія і кремнію найчастіше використовують пятивалентні і тривалентні домішки. До п'ятивалентним домішок відносяться фосфор, сурма, миш'як і ін.; до тривалентних - бор, алюміній, індій, галій.

При наявності п'ятивалентної домішки чотири валентних електрони примесного атома разом з чотирма електронами сусідніх атомів утворять ковалентні зв'язки, а п'ятий валентний електрон виявляється "зайвим". Енергія зв'язку його зі своїм атомом набагато менше, ніж енергія , необхідна для звільнення валентного електрона.

Завдяки невеликій енергії іонізації , п'ятий електрон навіть при кімнатній температурі може бути відірваний від свого атома за рахунок енергії теплового руху. При цьому утвориться вільний електрон, здатний переміщатися по кристалічним ґратам, і нерухомий позитивний заряд -атом домішки, що втратив цей електрон. Домішки такого виду, що віддають електрони, називаються донорними, а кристали з подібною домішкою - напівпровідниками п-типу

При введенні тривалентної домішки примесний атом віддає три своїх валентних електрони для утворення ковалентних зв'язків із трьома прилеглими атомами. Зв'язок з четвертим атомом виявляється незаповненої, однак на неї порівняно легко можуть переходити валентні електрони із сусідніх зв'язків.

При перекиданні валентного електрона на незаповнений зв'язок примісний атом із приєднаним зайвим електронів утворить у ґратах нерухомий негативний заряд; крім того, у ґратах утвориться дірка, здатна переміщатися по ґратам і зумовлююча дирочну провідність напівпровідника. Домішки такого виду, що захоплюють електрони, називаються акцепторними, а кристал з акцепторною домішкою - напівпровідник р-типу.

1.3 Електронно-дирочний перехід

При легуванні однієї області напівпровідника акцепторною домішкою, а іншої області - донорній, виникає тонкий перехідний шар, що володіє особливими властивостями. У цьому шарі, у результаті дифузії носії заряду переміщаються відтіля, де їхня концентрація більше, туди, де їхня концентрація менше. Таким чином, з напівпровідника p-типу в полупроводник n-типу дифундують дірки, а з напівпровідника n-типу в полупроводник p-типу дифундують електрони. При цьому, вони поєднуються з наявними в сусідніх областях основними носіями протилежного знака - рекомбінують. У цьому випадку, у границі перехідного шару виникає область збіднена рухливими основними носіями заряду й володіюча високим опором - p-n перехід. Нерухомі іони, що залишаються по обох сторони граничного шару створюють однакові за значенням, але різні за знаком просторові об'ємні заряди: у p-шарі - негативний, а в n-шарі - позитивний. Цей подвійний електричний шар створює електричне поле, що перешкоджає подальшому проникненню носіїв заряду і виникає стан рівноваги (мал. 1.1). При підключенні джерела струму так, що до області p-провідності приєднаний негативний полюс джерела, а до області n-провідності - позитивний полюс виникає поле, під впливом якого електрони і дірки будуть у великій кількості відповідно відштовхуватися в глиб напівпровідників (мал. 1.2).

P-n перехід збільшиться, його опір зросте й у ланцюзі напівпровідникового діода електричного струму практично не буде. Однак незначній кількості неосновних носіїв зарядів (позитивних) з n-області і (негативних) з p-області, що мають великі швидкості, удасться проскочити p-n-перехід, і в ланцюзі буде протікати дуже невеликий струм, називаний зворотним струмом.

Подвійний електричний шар аналогічний конденсатору, у якому роль діелектрика грає замикаючий шар, що має значний опір. Ємність p-n-переходу, що виникає в цьому випадку зветься бар'єрної. Ця ємність виявляється нелінійно залежної від зворотного замикаючого напруги. З ростом зворотної напруги товщина замикаючого шару збільшується, а ємність - зменшується (мал.1.3).

При зміні полярності джерела, підключеного до діода, електрони n-області і дірки p-області будуть взаємно притягатися і переміщатися до границі цих напівпровідників. P-n перехід звужується, його опір різке зменшується, і створюються умови для переходу великої кількості електронів з n-області в p-область, а отже, для переходу дірок у протилежному напрямку. При такім включенні напівпровідникового діода в ланцюзі з'явиться значний електричний струм, що носить назва прямого струму.

Сила прямого струму в напівпровідниках нелінійно залежить від величини прикладеного до них напруги.

З опису процесу, що відбуває на границі двох напівпровідників з різної за знаком провідністю, випливає, що вони володіють, як і електронна лампа- діод, однобічною провідністю. Це значить, що при напрямку електричного полючи, створюваного прикладеним до напівпровідників прямою напругою , діод пропускає струм і опір його малий, а при зворотному напрямку цього полючи , створюваного прикладеним до напівпровідників зворотною напругою, опір діода великий, а струм у його ланцюзі дуже малий.



На мал.1.4 показана типова нелінійна характеристика діода. Вольтамперна характеристика діода описується співвідношенням

, (1.1)

де I₀ - зворотний струм p-n переходу, U прикладена напруга, j - температурний потенціал, при 300К j =26мв. Для більшої наочності крива прямого струму (права частина графіка) і крива зворотного струму (ліва частина графіка) побудовані в різних масштабах. Схожими властивостями володіє і контакт напівпровідника з металом, що використовується в діодах Шотки.

2. Напівпровідникові діоди.

2.1 Класифікація напівпровідникових діодів

Напівпровідниковий діод - це прилад з одним або кількома електричними переходами та двома виводами.

Класифікація діодів відбувається за декількома ознаками: за призначенням (діоди що вирівнюють, детекторні, діоди що змішують, модуляторні, діоди що множать, універсальні).

За частотою роботи діоди розрізнюються на високочастотні та діоди СВЧ.

Можливо проводити класифікацію діодів за їх фізичними властивостями: лавино-пролітні діоди, діоди Ганна, тунельні діоди та інші.

Стабілізатори напруги -- це електронні пристрої, призначені для підтримання сталого значення напруги з необхідною точністю в заданому діапазоні зміни напруги джерела або опору навантаження (дестабілізуючі чинники). За принципом роботи стабілізатори напруги поділяються на параметричні та компенсаційні. Параметричний метод стабілізації базується на зміні параметрів нелінійного елемента стабілізатора, залежно від зміни дестабілізуючого чинника, а стабілізатор називають параметричним.

В компенсаційному методі стабілізації у вимірювальному елементі порівнюється величина, що стабілізується, з еталонною і виробляється сигнал розузгодження. Цей сигнал перетворюється, підсилюється і подається па регулювальний елемент.

2.2 Параметричні стабілізатори

Параметричний стабілізатор напруги на базі стабілітрона показано на рис. 1.5.

Особливості роботи такого стабілізатора напруги базуються на тому, що напруга стабілітрона на зворотній ділянці його вольт-амперної характеристики U_c.доп змінюється незначно в широкому діапазоні зміни зворотного струму стабілітрона. Тобто коливання напруги на вході стабілізатора зумовлюють значну зміну струму стабілітрона при незначних змінах напруги на ньому.

Рис. 1.5. Схема параметричного стабілізатора напруги

Стабілізатори характеризуються коефіцієнтом стабілізації

(1.2)

який для параметричних стабілізаторів становить К_ст.u= 2030.

Рівняння електричної рівноваги для такого стабілізатора має вигляд: U = U_H + R_БІ, де R_Б - баластний опір, необхідний для зменшення впливу дестабілізуючих чинників на напругу навантаження.

Опір баластного резистора R_Б вибирають таким, щоб при номінальному значенні напруги джерела U, напруга і струм стабілітрона теж дорівнювали номінальним значенням U_ст.н , І_ст.н, Величину Іст.н визначають за паспортними даними та виразом:

. (1.3)

Тоді, з рівняння електричної рівноваги, визначаємо баластний опір за виразом

(1.4)

де .

Рис. 1.6. Графічна інтерпретація роботи параметричного стабілізатора напруги

Роботу параметричного стабілізатора зручно ілюструвати за допомогою вольт-амперної характеристики (ВАХ) стабілітрона та відповідної графічної побудови навантажувальної прямої (рис. 1.6). Для побудови ВАХ стабілітрона за його паспортними даними через точку з координатами U_ст.н, І_ст.н проводять пряму лінію під кутом до осі координат, що визначається значенням динамічного опору стабілітрона R_д. Далі будуємо навантажувальну характеристику при номінальній напрузі джерела. Для цього визначаємо координати двох точок, через які проходитиме пряма. А саме, точка з координатою U_ст.н, І_ст.н та точка на осі ординат, яка визначається за виразом І = U/R_Б. Через ці точки проводимо навантажувальну пряму.

Роботу стабілізатора перевіряють за умови його здатності забезпечувати задане значення U_н при коливаннях вхідної напруги U. Для прикладу, якщо вхідна напруга змінюється в межах ±10%, то на виході стабілізатора коливання напруги U_н становить ±0,1%. Побудова навантажувальних прямих при зміні напруги мережі в межах ±10% здійснюється шляхом паралельного зсуну навантажувальної характеристики при номінальній напрузі мережі відповідно вліво і вправо на 0,1 U. За допомогою цієї побудови можна з'ясувати, чи при таких коливаннях напруги мережі забезпечуються умови стабілізації, тобто, чи точки перетину зсунених навантажувальних характеристик з ВАХ стабілітрона не виходять за межі значень струмів стабілітрона І_ст.мін і І_{ст.макс}.

При зміні температури напруга стабілізації змінюється різно. У слабколегованих напівпровідниках напруга пробою при зростанні температури зростає, а сильнолегованих температурна залежність пов'язана зі температурною залежністю ширини запретної зони.

3. Біполярні транзистори

3.1 Побудова та принцип дії

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з типами електропровідності, що чергуються, і придатний для посилення потужності.

Біполярні транзистори, що випускаються в даний час, можна класифікувати за наступних ознаках:

Ш за матеріалом: германієві і кремнієві;

Ш за типом провідності областей: р-n-р і n-p-n;

Ш за потужністю: малою (Рмах 0,3Вт), середньою (Р_мах 1,5Вт) і великою потужністю (Р_мах 1,5Вт);

Ш за частотами: низькочастотні, середньочастотні, високочастотні і СВЧ.

У біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів і дірок (або основними і неосновними). Звідси їх назва - біполярні.

В даний час виготовляються і застосовуються виключно транзистори з площинними р-n- переходами.

Пристрій площинного біполярного транзистора показаний схематично на рис. 3.1.

Рис 3.1. Площінний біполярний транзистор: а) p-n-p тип; б) n-p-n тип

Він є пластинкою германію або кремнію, в якій створено три області з різною електропровідністю. У транзистора типу n-р-n середня область має діркову, а крайні області - електронну електропровідність.

Транзистори типу р-n-р мають середню область з електронною, а крайні області з дірковою електропровідністю.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином в транзисторі є два р-n- переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором. Площа емітерного переходу менше площі колекторного переходу.

Емітером називається область транзистора призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. Базою є область, в яку інжектуются емітером неосновні для цієї області носії заряду.

Концентрація основних носіїв заряду в емітері у багато разів більше концентрації основних носіїв заряду в базі, а їх концентрація в колекторі декілька менше концентрації в емітері. Тому провідність емітера на декілька порядків вища за провідність бази, а провідність колектора декілька менше провідності емітера.

Від бази, емітера і колектора зроблені виводи. Залежно від того, який з виводів є загальним для вхідного і вихідного ланцюгів, розрізняють три схеми включення транзистора: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК).

Вхідний, або що управляє, ланцюг служить для управління роботою транзистора. У вихідному, або керованому, ланцюгу виходять посилені коливання. Джерело підсилюваних коливань включається у вхідний ланцюг, а у вихідну включається навантаження.

Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі транзистора р-n-р - типа, підключеного до схеми із загальною базою (рис. 3.2).



Рис. 3.2 - Принцип дії біполярного транзистора (р-n-р- типу)

Зовнішня напруга двох джерел живлення Е_Е і Е_к підключають до транзистора так, щоб забезпечувався зсув емітерного переходу П₁ в прямому напрямі (пряма напруга), а колекторного переходу П₂ - у зворотному напрямі (зворотна напруга).

Якщо до колекторного переходу прикладена зворотня напруга, а ланцюг емітера розімкнений, то в ланцюзі колектора протікає невеликий зворотній струм I_ко (одиниці мікроампер). Цей струм виникає під дією зворотної напруги і створюється направленим переміщенням неосновних носіїв заряду дірок бази і електронів колектора через колекторний перехід. Зворотній струм протікає по ланцюгу: +Е_к, база-колектор, -Е_к. Величина зворотнього струму колектора не залежить від напруги на колекторі, але залежить від температури напівпровідника.

При включенні в ланцюг емітера постійної напруги Е_Е в прямому напрямі потенційний бар'єр емітерного переходу знижується. Починається інжектування (уприскування) дірок в базу.

Зовнішня напруга, прикладена до транзистора, виявляється прикладеною в основному до переходів П₁ і П₂, оскільки вони мають великий опір в порівнянні з опіром базової, емітерної і колекторної областей. Тому інжектировані в базу дірки переміщуються в ній за допомогою дифузії. При цьому дірки рекомбінуються з електронами бази. Оскільки концентрація носіїв в базі значно менша, ніж в емітері, то рекомбінують дуже небагато дірок. При малій товщині бази майже всі дірки доходитимуть до колекторного переходу П₂. На місце рекомбінованих електронів в базу поступають електрони від джерела живлення Е_к. Дірки, що рекомбінували з електронами в базі, створюють струм бази I_Б.

Під дією зворотньої напруги Е_к потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується, товщина переходу П₂ збільшується. Але потенційний бар'єр колекторного переходу не створює перешкоди для проходження через нього дірок. Дірки, що увійшли до області колекторного переходу, потрапляють в сильне прискорююче поле, створене на переході колекторною напругою, і екстрагуються (втягуються) колектором, створюючи колекторний струм I_к. Колекторний струм протікає по ланцюгу: +Е_к, база-колектор, -Е_к.

Таким чином, в транзисторі протікає три струми: струм емітера, колектора і бази.

У дроті, що є виведеним з бази, струми емітера і колектора направлені зустрічно. Отже, струм бази рівний різниці струмів емітера і колектора: I_Б = I_Е - I_К. Фізичні процеси в транзисторі типу n-р-n протікають аналогічно процесам в транзисторі типу р-n-р.

Повний струм емітера I_Е визначається кількістю інжектованих емітером основних носіїв заряду. Основна частина цих носіїв заряду досягаючи колектора, створює колекторний струм I_к. Незначна частина інжектованих в базу носіїв заряду рекомбінують в базі, створюючи струм бази I_Б. Отже, струм емітера розділяться на струми бази і колектора, тобто I_Е= I_Б + Iк.

Струм емітера є вхідним струмом, струм колектора - вихідним. Вихідний струм складає частину вхідного, тобто

(3.1)

де - коефіцієнт передачі струму для схеми ЗБ;



Оскільки вихідний струм менше вхідного, то коефіцієнт . Він показує, яка частина інжектованих в базу носіїв заряду досягає колектора. Зазвичай величина складає 0,95-0,995.

У схемі із загальним емітером вихідним струмом є струм колектора, а вхідним - струм бази. Коефіцієнт посилення по струму для схеми ЗЕ:

(3.2)

тоді

(3.3)

Отже, коефіцієнт посилення по струму для схеми ОЕ складає десятки одиниць. Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому транзисто р- прилад, з керованим струмом. Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються в колекторний ланцюг, викликаючи зміну струму колектора. А оскільки напруга джерела колекторного живлення Ек значно більше, ніж емітерного Е_е, то і потужність, споживана в ланцюзі колектора Р_к, буде значно більше потужності в ланцюзі емітера Р_е. Таким чином, забезпечується можливість керування великою потужністю в колекторному ланцюзі транзистора малою потужністю, що витрачається в емітерному ланцюзі, тобто має місце посилення потужності.

3.2 Схеми включення біполярних транзисторів

У електричний ланцюг транзистор включають таким чином, що один з його виводів (електрод) є вхідним, другий - вихідним, а третій - загальним для вхідного і вихідного ланцюгів. Залежно від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ЗБ, ЗЕ і ЗК. Ці схеми для транзистора типу р-n-р приведені на рис. 3.3. Для транзистора n-р-n в схемах включення змінюються лише полярності напруги і напрям струмів. При будь-якій схемі включення транзистора (у активному режимі) полярність включення джерел живлення повинна бути вибрана так, щоб емітерний перехід був включений в прямому напрямі, а колекторний - в зворотному.

3.3 Статичні характеристики біполярних транзисторів

Статичним режимом роботи транзистора називається режим, у якому відсутнє навантаження у вихідному ланцюзі.

Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги і струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) і вихідного ланцюга (вихідні ВАХ). Вид характеристик залежить від способу включення транзистора.

Рис.3.3 Схеми включення біполярних транзисторів: а) ЗБ; б) ЗЕ; в) ЗК

3.4 Характеристики транзистора, включеного по схемі ЗБ

Вхідною характеристикою є залежність:

I_Е = f(U_ЭБ) при U_КБ = const (рис. 3.4, а).

Вихідною характеристикою є залежність:

I_К = f(U_КБ) при I_Е = const (рис. 3.4, б).

Рис. 3.4 Статичні характеристики біполярного транзистора, який включений за схемою ЗБ

Вихідні ВАХ мають три характерні області: 1 - сильна залежність I_к від U_КБ (нелінійна початкова область); 2 - слабка залежність I_к від U_КБ (лінійна область); 3 - пробій колекторного переходу.

Особливістю характеристик в області 2 є їх невеликий підйом при збільшенні напруги U_КБ.

3.5 Характеристики транзистора, включеного по схемі ЗЕ

Вхідною характеристикою є залежність:

I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const (рис. 3.5, б).

Вихідною характеристикою є залежність:

I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const (рис.3.5, а).

Транзистор в схемі ЗЕ дає посилення по струму. Коефіцієнт посилення по струму в схемі ЗЕ:

Якщо коефіцієнт = 0,90,99, то коефіцієнт = 999. Це є найважливішою перевагою включення транзистора по схемі ЗЕ, чим, зокрема, визначається широке практичне застосування цієї схеми включення у порівнянні зі схемою ЗБ.

Рис 3.5 Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного по схемі ЗЕ

З принципу дії транзистора відомо, що через виводи бази протікають в зустрічному напрямі дві складові струму (рис. 3.6): зворотній струм колекторного переходу I_КО і частина струму емітера . У зв'язку з цим нульове значення струму бази (I_Б = 0) визначається рівністю вказаних струмів, що становлять, тобто . Нульовому вхідному струму відповідає струм емітера і струм колектора

.

Іншими словами, при нульовому струмі бази (I_Б = 0) через транзистор в схемі ЗЕ протікає струм, який називається початковим або крізним струмом I_КО(Э) і рівним .

Рис.32.6 Схема включення транзистора із загальним емітером (схема ЗЕ)

3.6 Основні параметри

Для аналізу і розрахунку ланцюгів з біполярними транзисторами використовують так звані h - параметри транзистора, включеного по схемі ЗЕ.

Електричний стан транзистора, включеного по схемі ЗЕ, характеризується величинами I_Б, U_БЭ, I_К, U_КЭ.

У систему h -параметрів входять наступні величини:

1. Вхідний опір

при . (3.4)

є опіром транзистора змінного вхідного струму при якому є замикання на виході, тобто за відсутності вихідної змінної напруги.

2. Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі

при . (3.5)

показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора унаслідок зворотнього зв'язку в нім.

3. Коефіцієнт підсилення по струму (коефіцієнт передачі струму):

при . (3.6)

показує посилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.

4. Вихідна провідність:

h₂₂ = I₂/U₂ при I₁ = const. (3.7)

є провідністю для змінного струму між вихідними затисками транзистора.

Вихідний опір Rвих = 1/h₂₂.

Для схеми із загальним емітером справедливі наступні рівняння:

(3.8)

Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно, щоб потужність, що виділяється на ньому при проходженні колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини:

(3.9)

Крім того, існують обмеження по колекторній напрузі:

і колекторному струму:

3.7 Режими роботи біполярних транзисторів

Транзистор може працювати в чотирьох режимах залежно від напруги на його переходах. При роботі в активному режимі на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному - зворотне.

Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи (обидва р-n- переходу закриті).

Якщо ж на обох переходах напруга пряма (обидва р-n- переходу відкриті), то транзистор працює в режимі насичення.

У режимі відсічення і режимі насичення управління транзистором майже відсутнє. У активному режимі таке управління здійснюється найефективніше, причому транзистор може виконувати функції активного елементу електричної схеми (посилення, генерування і тому подібне).

3.8 Область застосування

Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами універсального призначення і широко застосовуються в різних підсилювачах, генераторах, в імпульсних і ключових пристроях.

3.9 Простий підсилювальний каскад на біполярному транзисторі

Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора по схемі із загальним емітером (рис. 3.7)

Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований елемент - транзистор VT і резистор Rк. Ці елементи утворюють головний (вихідний) ланцюг підсилювального каскаду, в якому за рахунок протікання керованого струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми.

Решта елементів виконує допоміжну роль. Конденсатор Ср є розділовим. За відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналу створювався б постійний струм від джерела живлення Ек.

Рис.3.7. Схема простого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою із загальним емітером

Резистор R_Б, включений в ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора в режимі спокою, тобто у відсутність вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом бази спокою I_Б Ек/r_б.

За допомогою резистора Rк створюється вихідна напруга, тобто Rк виконує функцію створення напруги, що змінюється, у вихідному ланцюзі за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.

Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:

Еk = Ukэ + IkRk, (3.10)

тобто сума падіння напруги на резисторі Rк і напруга колектор-емітер Uке транзистора завжди дорівнює постійній величині - ЕРС джерела живлення Ек.

Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Ек в енергію змінної напруги у вихідному ланцюзі за рахунок зміни опору керованого елементу (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.

При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги Uвх в базовому ланцюзі транзистора створюється змінна складова струму I_Б, а значить струм бази змінюватиметься. Зміна струму бази приводить до зміни значення струму колектора (I_К = I_Б), а значить, до зміни значень напруги на опорі Rк і Uкэ. Підсилювальні здібності обумовлені тим, що зміна значень струму колектора в раз більша, ніж струму бази.

3.10 Розрахунок електричних ланцюгів з біполярними транзисторами

Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду (рис. 3.7) відповідно до другого закону Кирхгофа справедливе рівняння (3.10).

Вольт - амперна характеристика колекторного резистора R_К є лінійною, а вольт - амперними характеристиками транзистора є нелінійні колекторні характеристики транзистора (рис. 3.5, а), включеного по схемі ЗЕ.

Розрахунок такого нелінійного ланцюга, тобто визначення I_K, U_Rк і U_КЭ для різних значень струмів бази I_Б і опорів резистора R_К можна провести графічно. Для цього на сімействі колекторних характеристик (рис. 2.5, а) необхідно провести з крапки Е_К на осі абсцис вольт - амперну характеристику резистора R_К, що задовольняє рівнянню:

Uкэ = Ек - R_кI_к. (3.11)

Цю характеристику будують по двох крапках: Uкэ = Ек при Iк = 0 на осі абсцис і Iк = Ек/Rк при Uкэ = 0 на осі ординат. Побудовану таким чином ВАХ колекторного резистора Rк називають лінією навантаження. Точки перетину її з колекторними характеристиками дають графічне вирішення рівняння (2.11) для даного опору Rк і різних значень струму бази I_Б. По цих крапках можна визначити колекторний струм Iк, однаковий для транзистора і резистора Rк, а також напругу U_КЭ і U_Rк.

Точка перетину лінії навантаження з однією із статичних ВАХ називається робочою точкою транзистора. Змінюючи I_Б, можна переміщати її по прямій навантаження. Початкове положення цієї крапки за відсутності вхідного змінного сигналу називають точкою спокою - Т₀.

Рис.3.8 Графоаналітичний розрахунок робочого режиму транзистора за допомогою вихідних і вхідної характеристики.

Точка спокою (робоча точка) Т₀ визначає струм I_КП і напруга U_КЭп в режимі спокою. По цих значеннях можна знайти потужність Р_КП, що виділяється в транзисторі в режимі спокою, яка не повинна перевищувати граничної потужності Р_{К мах}, що є одним з параметрів транзистора:

Р_КП = I_КП U_КЭп Р_{К мах}. (3.12)

У довідниках зазвичай не приводиться сімейство вхідних характеристик, а даються лише характеристики для U_КЭ = 0 і для деякого U_КЭ 0.

Вхідні характеристики для різних U_КЭ, 1В, що перевищують, розташовуються дуже близько один до одного. Тому розрахунок вхідних струмів і напруги можна приблизно робити по вхідній характеристиці при U_КЭ 0, узятою з довідника.

На цю криву переносяться крапки А, Т₀ і Б вихідної робочої характеристики, і виходять точки А₁, Т₁ і Б₁ (рис. 3.8, б). Робоча точка Т₁ визначає постійну напругу бази U_БЭп і постійною струм бази I_Бп.

Опір резистора R_Б (забезпечує роботу транзистора в режимі спокою), через який від джерела Е_К подаватиметься постійна напруга на базу:

(3.13)

У активному (підсилювальному) режимі точка спокою транзистора Т₀ знаходиться приблизно посередині ділянки лінії навантаження АБ, а робоча точка не виходить за межі ділянки АБ.

4. Польові транзистори

4.1 Побудова та основні види польових транзисторів

Польвими транзисторами (ПТ) називаються напівпровідникові прибори для керування струмом яких використовується залежність електричного опіру струмопровідного шару від напруги електричного поля.

Шар напівпровідника, в якому регулюється поток носіїв заряду, називається каналом. Електричне поле яке впливає на опір каналу створюється за допомогою розташованого над каналом металевого електрода називається затвором. Напруга яка подається на затвор (електрод що керує)регулює опір каналу, змінює силу струму, який протікає у зовньошньому колі. Електрод, з якого носії входять в канал, називається істоком. Електрод, через який носії уходять з каналу, називається стоком.

В залежності від спосібу ізоляції між затвором та каналом розрізняють наступні типи польових транзисторів:

· польові транзистори з керуючим переходом (ізоляція затвора від канала відбувається збіднілим шаром p-n перехіду;

· транзистори з металево напівпровідниковим затвором або затвором Шотткі;

· транзистори з ізольованим затвором (МДН- або МОН- транзистори) затвор ізольован від каналу шаром діелектрика.

Умовне позначення польових транзисторів наведено у таблиці 4.1.

4.2 Резисторний каскад із спільним витоком

Принципові схеми резисторних каскадів із спільним витоком (СВ) наведені: на рис. 3.1,а - при негативному зміщенні на затворі; на рис . 3.1,б - при позитивному зміщенні на затворі. Шляхи протікання змінних струмів на рис. 6.29 показано пунктирними лініями.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.1 Резисторні каскади із спільним витоком: а - при негативному зміщенні на затворі; б - при позитивному зміщенні на затворі

Стисло охарактеризуємо призначення елементів каскадів. У колах стоку резистор R_с служить для подачі напруги живлення на стік транзистора VТ і спільно з опором навантаження R_н створює опір навантаження для змінного струму

R_{н =} . (4.1)

С_р1 і С_р2 - розділяльні конденсатори, С_в - шунтуючий конденсатор, який усуває негативний зворотний зв'язок за сигналом.

Розрахунок елементів каскадів виконаємо, вважаючи, що задані: тип транзистора, напруга зміщення U_зв0, режим роботи вихідного кола транзистора (І_с0, U_св0) і напруга джерела живлення Е_ж. Необхідно розрахувати і вибрати значення опорів резисторів і ємностей конденсаторів.

Вважатимемо, що І_з 0, тоді І_с = І_в, а вхідний опір транзистора R_{вх тр} . Розрахунок елементів схеми рис. 4.1,а

Вибираємо значення опору у колі затвора

R_з = (0,5…2) МОм

щоб мало шунтувати вхід каскаду за сигналом.

Розраховуємо опори резисторів

R_в =, (4.2)

R_с = . (4.3)

Розрахунок елементів схеми рис. 4.1,б

Задаємося падінням напруги на резисторі R_в, який служить для стабілізації режиму роботи транзистора VT

= (0,05…0,1)Е_ж. (4.4)

Розраховуємо опір резистора R_в

R_в = . (4.5)

Знаходимо падіння напруг на резисторах R₂ і R₁

 = U_зв0 + U_Rв, (4.6)

= Е_ж - . (4.7)

Резистори R₂ і R₁ утворюють подільник напруги, який служить для подачі позитивної напруги зміщення на затвор транзистора VT. Цей подільник шунтує вхід каскаду за сигналом

R_бд = . (4.8)

Щоб зменшити шунтуючу дію подільника, значення опорів резисторів R₁ і R₂ обираємо великими. Вибираємо

R₂ = (0,3…1) МОм,

тоді опір резистора R₁ буде дорівнювати

R₁ = R₂. (4.9)

Знаходимо опір резистора R_с

R_с = . (4.10)

Значення опорів всіх резисторів і ємностей конденсаторів необхідно обрати за шкалою номінальних значень.

4.3 Резисторний каскад із спільним затвором

Принципові схеми резисторних каскадів із спільним затвором (СЗ) наведені на рис. 4.2,а - при негативному зміщенні на затворі, на рис. 4.2,б - при позитивному зміщенні на затворі. Шляхи протікання змінних струмів на рис. 3.2 показані пунктирними лініями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Рис. 4.2. Резисторні каскади із спільним затвором: а - при негативному зміщенні на затворі; б - при позитивному зміщенні на затворі

Розрахунок елементів за постійним струмом аналогічний розрахунку елементів схеми із спільним витоком (рис. 4.2).

Розглянемо властивості каскаду із СЗ для сигналу.

Як випливає з напрямів змінних струмів І_вх і І_н на рис. 3.2, полярність вхідного U_вх і вихідного U_вих напруг відносно корпусу однакова. Значить, каскад із СЗ не інвертує вхідний сигнал.

Повна еквівалентна схема каскадів із СЗ рис. 4.2 наведена на рис. 4.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.3 Еквівалентна схема каскаду із спільним затвором

4.4 Резисторний каскад із спільним стоком

Принципові схеми резисторних каскадів із спільним стоком (СС) наведені: на рис. 4.4 - при негативному зміщенні на затворі, на рис. 4.5 - при позитивному зміщенні на затворі. Шляхи протікання струмів на рис. 4.4 та 4.5 показано пунктирними лініями.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.4.Резисторні каскади із спільним стоком при негативному зміщенні на затворі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.5. Резисторні каскади із спільним стоком позитивному зміщенні на затворі

Розрахунок елементів схеми рис. 3.4

Вибираємо опір R_з = (0,5...2) МОм.

Знаходимо загальний опір в колі витоку

R_в =, (4.11)

розраховуємо опори

R_в1 =, (4.12)

R_в2 = R_в - R_в1.

Значення опорів резисторів R₃, R_в1 і R_в2 і ємностей конденсаторів С_р1 і С_р2 необхідно обрати за шкалою номінальних значень.

Розрахунок елементів схеми рис. 3.5:

Знаходимо падіння напруги на опорі R_в

(4.13)

і розраховуємо опір R_в

R_в = . (4.14)

Визначаємо падіння напруг на резисторах R₁ і R₂

, (4.15)

.

Вибираємо значення опору R₂ = (0,3...1) МОм і розраховуємо опір

R₁ = R₂. (4.16)

Значення опорів резисторів R_в, R₁ і R₂ і ємностей конденсаторів С_р1 і С_р2 необхідно вибрати за шкалою номінальних значень.

5. Підсилювальні каскади

5.1 Структурна схема підсилювача

Підсилювач електричних сигналів - це електронний пристрій, призначений для збільшення потужності, напруги або струму сигналу, підведеного до його входу, без істотного спотворення його форми. Оскільки потужність сигналу на виході підсилювача більша, ніж на вході, то за законом збереження енергії підсилювальний пристрій повинен включати джерело живлення. Тоді узагальнену структурну схему підсилювального пристрою можна зобразити, як показано на рис. 5.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5.1. Узагальнена структурна схема підсилювача

Від джерела живлення підсилювач відбирає потужність Р₀, необхідну для підсилення вхідного сигналу. Джерело сигналу забезпечує потужність на вході підсилювача Р_вх, вихідна потужність Р_вих виділяється на активній частині навантаження. У підсилювачі для потужностей виконується нерівність: Р_вх < Р_вих < Р₀. Отже, підсилювач - це керований вхідним сигналом перетворювач енергії джерела живлення в енергію вихідного сигналу. Перетворення енергії здійснюється за допомогою підсилювальних елементів (ПЕ): біполярних транзисторів, польових транзисторів, електронних ламп, інтегральних мікросхем (ІМС), варикапів та інших.

Якщо джерело живлення включити в підсилювач, то для сигналу відносно двох пар вхідних і вихідних клем підсилювач можна розглядати як нелінійний активний чотириполюсник. За теоремою про еквівалентний генератор джерело сигналу можна замінити генератором ЕРС Е_г і внутрішнім опором Z_г, а опір навантаження можна замінити еквівалентним опором Z_н.

Простий підсилювач містить один підсилювальний елемент. Один підсилювальний елемент з приєднаними до нього елементами живлення і зв'язку утворюють каскад підсилення.

У більшості випадків підсилення одного каскаду недостатньо, тому підсилювач містить декілька каскадів підсилення, утворюючи багатокаскадний пристрій. Каскади з'єднані таким чином, що сигнал, підсилений одним каскадом, підводиться до входу другого, потім до третього і т.д.

Структурну схему типового багатокаскадного підсилювача наведено на рис. 5.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5.2 Структурна схема багатокаскадного підсилювача

Вхідний каскад і попередній підсилювач призначені для підсилення сигналу до значення, необхідного для подачі на вхід підсилювача потужності (вихідного каскаду). Кількість каскадів попереднього підсилення визначається необхідним підсиленням. Вхідний каскад забезпечує, за необхідності, узгодження з джерелом сигналу, шумові параметри підсилювача і необхідні регулювання.

Вихідний каскад (каскад підсилення потужності) призначений для віддачі у навантаження заданої потужності сигналу за мінімальних спотворень його форми і максимальному ККД.

5.2 Класифікація підсилювальних пристроїв

Підсилювальні пристрої класифікують за різними ознаками.

За виглядом підсилюваних електричних сигналів підсилювачі підрозділяють на підсилювачі гармонічних (безперервних) сигналів і підсилювачі імпульсних сигналів. Для підсилювачів імпульсних сигналів найбільший інтерес представляє дослідження перехідних процесів.

За шириною смуги пропускання і абсолютним значенням підсилюваних частот підсилювачі підрозділяються на наступні типи.

Підсилювачі постійного струму (ППС) призначені для підсилення сигналів в межах від нижньої частоти f_н = 0 до верхньої робочої частоти f_в. ППС підсилює як змінні складові сигналу, так і його постійну складову.

Підсилювачі змінного струму, у свою чергу підрозділяються на підсилювачі низької, високої та надвисокої частоти.

За шириною смуги пропускання підсилюваних частот розрізняють:

вибіркові підсилювачі (підсилювачі високої частоти - ПВЧ), у яких відношення частот f_в/f_н 1;

широкосмугові підсилювачі з великим діапазоном частот, для яких відношення f_в/f_н 1.

За типом підсилювального елементу розрізняють транзисторні, лампові, параметричні, квантові, магнітні підсилювачі. В даний час як активні елементи широко використовуються аналогові інтегральні мікросхеми.

За конструктивним виконанням підсилювачі можна підрозділити на дві великі групи: підсилювачі, виконані за допомогою дискретної технології, тобто способом навісного або печатного монтажу, і підсилювачі, виконані за допомогою інтегральної технології. Для класифікації підсилювачів використовуються й інші ознаки.

5.3 Технічні показники підсилювачів

Для сигналу підсилювач можна подати активним чотириполюсником, оскільки він містить джерело живлення. Джерело сигналу і навантаження замінимо еквівалентними двополюсниками. Тоді структурну схему підсилювача можна зобразити, як показано на рис. 5.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.3. Структурна схема підсилювача як активного чотириполюсника

Трикутник - це умовне позначення підсилювача. Для спрощення аналізу вважатимемо, що , тобто є активними опорами.

Розглянемо основні технічні показники підсилювачів.

5.4 Вхідні й вихідні дані

Вхідними даними підсилювача є: вхідна напруга U_вх, вхідний струм I_вх, вхідна потужність Р_вх, за яких підсилювач забезпечує в навантаженні задану технічними вимогами напругу, або струм, або потужність, а також вхідний опір Z_вх.

До вихідних даних відносяться: номінальні (задані технічними вимогами) або напруга U_вих, або струм I_вих, або потужність Р_вих, що віддається підсилювачем при роботі на задане навантаження Z_н, а також вихідний опір підсилювача Z_вих.

Вхідний опір підсилювача у загальному випадку комплексний, оскільки комплексні вхідна напруга U_вх і вхідний струм I_вх

Z_вх = . (5.1)

Але вхідний опір зазвичай визначають на тій частоті (як правило, на середній частоті підсилюваного діапазону f₀), коли його можна вважати практично активним і рівним

R_вх =, (5.2)

де U_вх і I_вх - діючі значення вхідної напруги і струму.