информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

Недавно присоединились

  • Сергей Посохов
  • Roman Polostnikov
  • Абдусаламов Магом...
  • Комиссаров Мэлор ...
  • Олег Матвеевич
аватар: Бабышева Анна Владимировна

Введение
Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типомпримесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n  — электронный тип примесной проводимости, p — дырочный).
Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к среднему слою называют базой, электроды, подключённые ко внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы. Но практически, при изготовлении транзисторов, для улучшения электрических параметров прибора они существенно различаются степенью легирования примесями. Эмиттерный слой сильно легированный, коллекторный легируется слабо, что обеспечивает повышение допустимого коллекторного напряжения. Величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода некритична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещенным эмиттерным P-n-переходом, кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Кроме того, площадь коллекторного P-n-перехода при изготовлении делается существенно больше площади эмиттерного перехода, что обеспечивает лучший сбор неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи.
Для повышения быстродействия (частотных параметров) биполярного транзистора толщину базового слоя нужно делать тоньше, так как толщиной базового слоя, в том числе, определяется время "пролета" (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей, но, при снижении толщины базы, снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

 
1.Виды транзисторных усилителей

Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю усиленного сигнала.
Электронными называют усилители электрических сигналов с регулирующими элементами на полупроводниковых или электровакуумных приборах.
Прежде чем описывать специфику работы конкретных усилительных каскадов на транзисторах, следует получить четкое представление о том, каково основное предназначение данных каскадов. Ведь усиливаться могут различные показатели электрических сигналов и при различных ограничениях и условиях. Да и само понятие "усиление" иногда требует пояснения.
В общем, возможна классификация усилителей по очень большому количеству признаков, относящихся как к виду выполняемых ими функций, так и к качеству или способу выполнения этих функций. В дальнейшем мы будем придерживаться следующего разделения усилителей на группы.
По виду сигналов, для усиления которых предназначен усилитель:
·        усилители гармонических сигналов (при построении усилителей гармонических сигналов важнейшим является обеспечение минимального уровня вносимых в сигнал искажений);
·        усилители импульсных сигналов (усилители импульсных сигналов обычно используют различные ключевые режимы работы транзисторов, здесь важнейшим фактором является минимизация задержек фронтов и спадов усиливаемых сигналов, а также устранение паразитных выбросов токов и напряжений, неизбежно возникающих при прохождении таких сигналов через каскады усиления).
По способности усиливать постоянные и переменные сигналы:
·        усилители постоянного тока (усилители, обладающие способностью усиливать весьма медленные колебания, в том числе и нулевой частоты, даже в том случае, если они в первую очередь предназначены для усиления мощности или напряжения переменных сигналов);
·        усилители переменного тока (прочие — не обладающие способностью усиливать сигналы нулевой частоты — усилители).
По диапазону частот, на которые рассчитан усилитель:
·        усилители низкой частоты (УНЧ); предназначены для усиления частот звукового диапазона (0,01...20 кГц);
·        усилители высокой частоты (УВЧ); предназначены для усиления сигналов в радиочастотном диапазоне;
По соответствию вида амплитудно-частотной характеристики полосе частот рабочего сигнала:
·        узкополосные усилители; на практике принято называть усилитель узкополосным, если полоса пропускаемых частот уже, чем это минимально необходимо для качественного воспроизведения спектра усиливаемого сигнала (узкополосные УНЧ имеют полосу пропускания менее 2,5...3 кГц; узкополосные УВЧ, например, для применения в телевидении, обладают полосой пропускаемых частот4,5...5 МГц, что меньше минимально необходимого для качественного воспроизведения телевизионного сигнала);
·        широкополосные усилители (часто для уменьшения нелинейных искажений и повышения устойчивости усилителя выгодно реализовывать в нем максимально широкую полосу пропускания, гораздо шире, чем это реально необходимо для всех возможных частот рабочего сигнала);
По форме амплитудно-частотной характеристики:
·        избирательные или резонансные усилители (имеют частотную характеристику полосового фильтра или резонансного колебательного контура);
·        апериодические усилители (имеют частотную характеристику, по форме напоминающую характеристику LС-цепи, т.е. плавно убывающую по мере роста частоты).
По усиливаемому электрическому показателю (данный признак классификации имеет в виду предназначение усилителя):
·        усилители напряжения (определяющим свойством усилителя является усиление напряжения);
·        усилители тока (определяющим свойством усилителя является усиление тока);
·        усилители мощности (под усилителем мощности обычно понимается усилитель или его оконечная выходная часть, рассчитанная на отдачу в цепь внешней нагрузки определенной мощности при заданной величине входного сигнала).

 
2.Режим работы биполярного транзистора

·        Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)
UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора p-n-p типа), для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0.

 

·        Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

 

·        Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ.нас) - это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ.отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ.нас) - это падение напряжение между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

 

·        Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В). Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,7 В, или IБ=0.

 

·        Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

3.Режимы работы биполярного транзистора
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
·         Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
·         Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой (Рисунок1)


Усилитель с общей базой. 
·         Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
·         Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
·         Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
·         Хорошие температурные и частотные свойства.
·         Высокое допустимое напряжение
Недостатки схемы с общей базой
·         Малое усиление по току, так как α < 1
·         Малое входное сопротивление
·         Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером (Рисунок 2)

Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ
·         Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
·         Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
·         Большой коэффициент усиления по току.
·         Большой коэффициент усиления по напряжению.
·         Наибольшее усиление мощности.
·         Можно обойтись одним источником питания.
·         Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
·         Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

 

 

 

 

 

 

 

Схема с общим коллектором(Рисунок 3)

Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ
·         Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1].
·         Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
·         Большое входное сопротивление.
·         Малое выходное сопротивление.
Недостатки
·         Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

4.Основные параметры биполярного транзистора
·         Коэффициент передачи по току.
·         Входное сопротивление.
·         Выходная проводимость.
·         Обратный ток коллектор-эмиттер.
·         Время включения.
·         Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
·         Обратный ток коллектора.
·         Максимально допустимый ток.
·         Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
·         коэффициент усиления по току α;
·         сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
·         rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
·         rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
·         rб — поперечное сопротивление базы.

 
5.Принцип работы
В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. В настоящее (2015 г.) время их изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.
Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.
Слой базы расположен между эмиттерным и коллекторным слоями и слаболегирован, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер выполняется значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, при работе в коллекторном переходе выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, повышение площади способствует лучшему отводу тепла от коллекторного перехода), поэтому реальный биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (технически нецелесообразно менять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение).
В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).
Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно большим током коллектора.
 

 
Заключение
Любой электронный усилитель требует наличия внешнего источника питания с определенными характеристикам (обусловлены характеристиками самого усилителя). В применении к транзисторным усилительным каскадам это означает, что для всех транзисторов каскада должен обеспечиваться соответствующий режим по постоянному току (поданы внешние напряжения от источников питания) обеспечивающих все практически возможные токи). Задание такого режима, по сути, является заданием рабочей точки транзисторного каскада. Правильное задание рабочей точки пo постоянному току имеет большое значение, поскольку оказывает влияние на многие свойства усилителя (коэффициент усиления, уровень шумов, уровень линейных и нелинейных искажений и т.п.). Вопросу выбора и стабилизации положения рабочей точки транзисторного каскада целиком посвящена глава 3. Но из сказанного здесь читатель должен понять, что существует два существенно различающихся аспекта проектирования транзисторных схем. Первый — это организация питания и установка правильного режима по постоянному току, а второй — обеспечение усиления проходящего через усилитель переменного сигнала. Конечно, между этими двумя задачами существуют определенные пересечения, и в целом невозможно сосредотачиваться на решении одной из них, абсолютно забыв о другой, но они все равно остаются разными задачами, требующими различных подходов к своему решению.
Ясно, что при расчете цепей по постоянному току необходимо оперировать абсолютными значениями токов и напряжений, действующими в цепях, и опираться на соответствующие модели, отражающие работу транзисторов и таких режимах. А вот для анализа поведения схем при подаче на них переменных сигналов указанный метод оказывается неудобным. Действительно, зачем проводить расчеты при полных напряжений и токов в цепях, да еще и изменяющихся во времени, если нас интересует только поведение небольшой переменной составляющей, отражающей уровень полезного сигнала.
Для решения указанной задачи проводится так называемый малосигнальный анализ цепей. При этом используют малосигнальные эквивалентные схемы и группы малосигналъных параметров. Основным допущением, используемым в такой модели, является требование об относительно небольшой величине переменной составляющей посравнению с действующими в цепях постоянными токами и напряжениями. Если это требование нарушается, то большинство результатов, полученных с помощью мало сигнального, анализ не отвечают действительным процессам в цепях — требуется расчет полных токов и напряжений.
 

Список литератуты
 
1.     Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. — М.: Радио и связь, 2005
 
2.     Булычев А.Л. и др. Электронные приборы: Учебник. — М.: Лайт Лтд., 2008
 
 
3.     Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. — М.: Горячая Линия — Телеком, 2009
 
4.     Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. — СПб.: Корона-принт, 2008
 
 
5.     Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.— М.: 2007
 
6.     Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.
 
 

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

7 + 7 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии