Полупроводниковая электроника

1. Промышленная электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: резисторов, диодов, транзисторов, тиристоров и др. В этих приборах используется односторонняя проводимость электронно-дырочного р-n перехода. При анализе работы полупроводниковых приборов с р-n переходом нужно помнить, какая полярность приложенного напряжения будет прямой, а какая – обратной. Для этого следует запомнить следующее правило: когда к электроду р-типа присоединяют только положительный полюс, p-n переход проводит ток. Поэтому полупроводниковые диоды используются для выпрямления переменного тока, тиристоры являются управляемыми выпрямителями.

2. Транзистор (полупроводниковый триод) является электронным прибором, основанным на свойствах двух, расположенных весьма близко друг от друга электронно-дырочных p-n переходов. Они применяются в качестве усилителей слабых сигналов. Различают биполярные и полевые транзисторы. Наиболее распространены биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы могут включаться по схемам с общим эмиттером (ОЭ), коллектором (ОК) и базой (ОБ). Наиболее часто используют схему с ОЭ, с помощью которой осуществляют одновременно усиление по току, напряжению и мощности. Однако при этом выходное напряжение U_вых получается в противофазе со входным U_вх. Схема с ОБ применяется обычно на более высоких частотах, но эта схема имеет коэффициент усиления по току меньше единицы К_i < 1. Такие усилительные каскады из-за малого входного R_вх и сравнительно большого R_вых сопротивлений применяются очень редко. Схема включения с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению К_U мало отличающимся от единицы и сигнал U_вых совпадает по фазе с U_вх. Поэтому его часто называют эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель обладает большим входным R_вх и малым выходным R_вых сопротивлениями. Его применяют обычно для согласования высокоомного источника сигналов с низкоомным нагрузочным устройством. В табл. 2.2 дается сопоставление параметров различных схем включения транзисторов.

Таблица 2.2

3. Типовая схема усиленного каскада с общим эмиттером показана на рис. 2.19.

Рис. 2.19

Функции элементов схемы не всегда четко указываются в учебниках, поэтому кратко перечислим назначение каждого элемента схемы рис. 2.19 Конденсаторы С_Б и С_К являются разделительными, назначение которых отделять переменный (усиливаемый) сигнал от постоянных напряжений и токов, действующих внутри схемы. Делитель напряжения R₁R₂ предназначен для установления рабочей точки транзистора в состояние покоя. В зависимости от соотношения между плечами делителя R₁ R₂ на базе транзистора создается тот или иной потенциал, а следовательно, то или иное напряжение U_БЭ в состоянии покоя, которое, в свою очередь, определяет ток базы (см. входную характеристику транзистора) и ток коллектора (см. соотношение между токами базы и коллектора). Через резистор R_К на коллектор течет ток от источника питания Е_К; благодаря наличию этого резистора осуществляется динамический режим работы транзистора, при котором колебания коллекторного тока вызывают колебания напряжения на коллекторе. Эти колебания и являются полезным усиленным сигналом U_вых на сопротивлении нагрузки R_н. Резистор R_э служит для осуществления отрицательной обратной связи по постоянному току с целью температурной стабилизации. Однако если его установить без параллельно включенного конденсатора С_Э, то обратная связь будет осуществляться также по переменному току, что приведет к сильному уменьшению коэффициента усиления каскада. Конденсатор С_Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному сигналу. Действие его объясняется следующим образом. За период колебания тока даже самой низкой частоты, которую должен усиливать каскад, напряжение на обкладках конденсатора не должно успеть измениться при колебаниях тока. Для этого постоянная времени разрядки цепи R_ЭС_Э должна быть намного больше периода колебаний наименьшей частоты, т.е. для того, чтобы колебания тока не вызывали колебаний напряжения на эмиттере, переменная составляющая тока должна проходить не через резистор R_Э, а через параллельно включенный ему конденсатор С_Э. Для этого сопротивление конденсатора току даже наименьшей частоты должно быть намного меньше сопротивления резистора R_Э. Нетрудно видеть, что оба рассуждения приводят к одному и тому же условию.

В состоянии покоя, т. е. в отсутствие входного переменного сигнала, через усилитель протекают следующие постоянные токи: 1) коллекторный ток I_К по цепи: положительный полюс источника питания, резистор R_Э, отрицательный полюс источника питания; 2) ток базы I_Б по цепи: положительный полюс источника питания, резистор R₁, транзистор (от базы к эмиттеру), резистор R_Э, отрицательный полюс источника питания; 3) ток делителя напряжения I_Д по цепи: положительный полюс источника питания, цепь R₁R₂, отрицательный полюс источника питания. Заметим, что через резистор R_Э протекает сумма токов I_К и I_Б, а через резистор R₁ – сумма токов I_Б и I΄_Д. Эти токи вызывают падения напряжения на резисторах в соответствии с законом Ома. На резисторе R_Э происходит падение напряжения U_Э=(I_К+I_Б)·R_Э, причем потенциал эмиттера положителен относительно заземленной точки. Потенциал базы также положителен, и в состоянии покоя U_БО = I_Д·R₂, следовательно, напряжение между базой и эмиттером транзистора U_БЭ = I_Д·R₂ - (I_К + I_Б) · R_Э. Это напряжение определяет рабочую точку в состоянии покоя на входной характеристике транзистора, а следовательно, и ток базы в состоянии покоя. От него зависит также коллекторный ток транзистора I_К в состоянии покоя (он приблизительно в β раз больше тока базы). Таким образом, именно делитель напряжения R₁R₂ в конечном счете характеризует состояние транзистора в отсутствие входного сигнала.

Предположим, что на вход усилителя подается синусоидальный сигнал небольшой амплитуды, при этом рабочая точка на входной характеристике перемещается по линейному участку характеристики. Ток базы будет колебаться в определенных пределах, и его можно представить как сумму тока базы в состоянии покоя и синусоидальной составляющей тока. Но ток коллектора в усиленном режиме приблизительно пропорционален току базы, поэтому изменения тока в цепи коллектора происходят в результате изменений тока базы, причем их амплитуда в β раз больше. Изменения тока в цепи коллектора приводят к изменениям потенциала коллектора, поскольку потенциал верхней точки резистора R_К фиксирован источником питания и равен Е_К, а падение напряжения на резисторе R_К пропорционально протекающему через него току и равно I_КR_К. Таким образом потенциал коллектора также можно представить как сумму постоянной и синусоидальной составляющих, амплитуда колебаний при этом меньше постоянной составляющей. Постоянное напряжение не передается через разделительный конденсатор в отличие от синусоидальной составляющей, которая является усиленным напряжением сигнала.

Следует обратить внимание на то, что каскад усиления изменяет фазу сигнала на 180˚. Действительно, допустим, что в данный момент времени на базе имеется положительная полуволна синусоидально изменяющегося напряжения; она увеличивает ток базы, следовательно, в этот момент времени ток коллектора также увеличен по сравнению с его значением в состоянии покоя; при этом по закону Ома на резисторе R_К падение напряжения увеличивается, а потенциал верхней точки резистора, как указывалось, фиксирован. Таким образом, на коллекторе и на сопротивлении нагрузки в этот момент времени имеется отрицательная усиленная полуволна напряжения.

Понять действие системы температурной стабилизации можно на таком примере. Пусть температура окружающей среды возрастает. Тогда ток транзистора будет увеличиваться (см. влияние температуры на статические характеристики транзистора). Стабилизировать работу транзистора – значит сделать так, чтобы коллекторный ток транзистора при этом не изменился. При некотором увеличении тока через резистор R_Э падение напряжения на нем U_Э возрастает, и разность потенциалов между базой и эмиттером, равная разности напряжений на резисторах R₂ и R_Э, уменьшается. Это снижает ток базы (см. входную характеристику транзистора) и, следовательно, ток коллектора. В результате ток коллектора практически остается неизменным. При этом важно, что потенциал базы в состоянии покоя, определяемый делителем R₁R₂, остается постоянным при изменении температуры. Возможную нестабильность тока коллектора можно оценить следующим образом. Напряжение U_БЭ, как уже отмечалось, в нормальном режиме не превышает нескольких десятых долей вольта, т.е. при изменении режима транзистора оно может измениться лишь на значение порядка 0,1В. Это означает, что на такое же значение изменяется и потенциал эмиттера, т.е. падение напряжения на резисторе R_Э. Но по закону Ома это падение напряжения пропорционально протекающему через резистор R_Э эмиттерному току. Если падение напряжения на резисторе R_Э составляет несколько вольт, то возможно относительно небольшое изменение тока, протекающего через транзистор.

Следовательно, чем больше напряжение на резисторе R_Э, тем лучше стабилизирована схема. Однако это падение напряжения уменьшает напряжение питания транзистора, вычитаясь из напряжения источника Е_К, что снижает коэффициент усиления и максимальную амплитуду усиленного напряжения. Таким образом, для стабильной работы усилителя необходимо «пожертвовать» некоторой долей напряжения источника питания, зависящей от того, насколько высокая стабильность требуется. Обычно напряжение на резисторе R_Э составляет 10 – 30 % от напряжения источника питания.

4. Свойства транзисторов в рабочем (динамическом) режиме оцениваются по их характеристическим параметрам линейного активного четырехполюсника, представляющим собой величины, которые устанавливают связь между малыми изменениями токов и напряжений. Наиболее распространена система h-параметров, выражающая функциональную зависимость между входными и выходными напряжениями и токами на линейных участках входных и выходных характеристик транзисторов.

5. В малосигнальных усилителях низкой частоты при известных значениях сопротивления нагрузки R_н и генератора сигналов R_г и известных значениях h-параметров транзистора в избранной схеме включения в соответствующей рабочей точке основные параметры одиночного каскада могут быть рассчитаны по следующим формулам [6]. Коэффициенты усиления:

по току ;

по напряжению ;

по мощности К_р = К_i K_u.

Сопротивления :

входное ;

выходное ,

где h₁₁ – входное сопротивление транзистора; h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению; h₂₁ – коэффициент усиления по току; h₂₂ – выходная проводимость транзистора.

6. Если известны h-параметры, соответствующие другой схеме его включения, то пересчет h-параметров транзистора при включении его по данной схеме производится по формулам:

с общим эмиттером (ОЭ): ; ; ; ;

с общей базой (ОБ): ; ;

; ;

с общим коллектором (ОК): ; ; ; .

Основные h-параметры для схемы включения транзистора, например, с ОЭ, можно определить с помощью характеристик треугольников, построенных на семействе входных и выходных статических характеристик транзисторов. По входным определяют входное сопротивление транзистора и коэффициент обратный связи по напряжению . Из семейства выходных характеристик – коэффициент усиления по току и выходную проводимость транзистора . Значения h-параметров обычно приводятся в справочниках, где указываются их усредненные значения.

Литература [1] § 10.1 – 10.9, 10.14 – 10.15; [6] §6.1; [10] §2.1 – 2.6; 3.1 – 3.4; 6.1 – 6.3.

Пример: Определить коэффициенты усиления по току K_i, напряжению К_U и мощности К_Р, а также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления каскада усилителя, выполненного на транзисторе по схеме с общим эмиттером. В рабочей точке транзистор имеет входные сопротивления h₁₁ = 1,1 кОм, коэффициент усиления по току h₂₁ = 32, выходную проводимость h₂₂=18,5·10^-6 Сим, коэффициент обратной связи по напряжению h₁₂=2,8·10^-4, нагрузочные сопротивления R_н=2кОм, сопротивление генератора сигналов R_г=15Ом.

Решение: коэффициент усиления:

по току ;

по напряжению

по мощности К_р = К_i K_U=31·57 = 1770.

Сопротивления:

входное:

выходное:

=

=95564Ом = 95,6 Ком.

Вопросы для самопроверки

1. Как происходит процесс происхождения тока через р-n переход?

2. Основные схемы выпрямления переменного тока.

3. Что называется коэффициентом усиления по току, по напряжению? Каковы их значения для транзисторов, включенных по схемам с ОБ, ОЭ и ОК?

4. Принцип действия транзисторного усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.

5. Что такое h-параметры и как они определяются?

6. Полевые транзисторы, тиристоры. Их характеристики.

7. Принципы работы импульсных устройств.

8. Чем вызван переход на интегральные схемы?

9. Что собой представляет микропроцессор?