Динамический режим работы БТ

В практических схемах усилителей в выходную цепь БТ наряду с источником питания включают сопротивление нагрузки, а во входную – источник усиливаемого сигнала.

Режим работы БТ с нагрузкой называется динамическим.

В этом режиме напряжения и токи на электродах БТ непрерывно изменяются. Рассмотрим работу БТ по схеме ОЭ в динамическом режиме (рисунок а). В этой схеме напряжение источника питания Е_К распределяется между участком коллектор-эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлением R_Н так, что напряжение U _КЭ = Е_К - I _К R _Н

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, тока базы, а следовательно, и тока коллектора I_К. Это приводит к изменению напряжения на R_Н, и в результате изменяется напряжение U_КЭ.

Питание БТ осуществляется от одного источника Е_К. Напряжение на эмиттерный переход подаётся через резистор R_Б в цепи базы. Величина R_Б определяет исходную величину постоянного тока базы при отсутствии входного сигнала.

Характеристики БТ в динамическом режиме отличаются от статических характеристик, т.к. определяются не только свойствами транзистора, но и другими элементами схемы. 

На рисунке б представлены выходные статические характеристики и приведена выходная динамическая характеристика (нагрузочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки R_Н. Положение нагрузочной прямой однозначно определяется напряжением источника питания Е_К и сопротивлением R_Н.

Точка В соответствует I_К=0, в этом случае U_КЭ=Е_К. Точка А соответствует U_КЭ=0, при этом ток коллектора определяется по формуле

I_К=

Все промежуточные положения точек на линии нагрузки характеризуют возможные напряжения и токи в соответствующих цепях транзистора. Любому току базы соответствуют определённые значения тока коллектора и коллекторного напряжения. Например, если в режиме покоя (до поступления входного сигнала) был установлен ток базы I_Б3, то рабочая точка Р на нагрузочной прямой укажет соответствующие этому току значения I_Кр и U_КЭр.

Входная динамическая характеристика (рисунок в) представляет собой зависимость входного тока I_Б от входного напряжения U_БЭ в динамическом режиме. Чтобы построить эту характеристику, нужно для каждого напряжения на коллекторе (для которого имеется статическая входная характеристика) определить по выходной динамической характеристике соответствующий ток базы. Затем на входных статических характеристиках отметить точки, которые соответствуют найденным значениям токов базы. При соединении этих точек А ^/, P ^/, B ^/ плавной кривой получается входная динамическая характеристика.

 

Транзистор в режиме ключа

В современных схемах автоматики и вычислительной техники используются переключающие устройства. БТ является одним из наиболее распространенных элементов переключающих устройств. Режим работы транзистора в переключающем устройстве называют ключевым. Этот режим характерен тем, что БТ в процессе работы периодически переходит из открытого состояния (режима насыщения) в запертое (режим отсечки) и наоборот, что соответствует двум устойчивым состояниям переключающего устройства. На рисунке изображена простейшая схема ключа на p-n-p транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Запирание транзистора происходит, когда оба p-n перехода закрыты. Для этого достаточно, чтобы обратные напряжения на этих переходах были близки к нулю (около 0,05…0,1В). В запертом состоянии транзистор может находиться неограниченно долго. Вывести его из этого состояния можно подачей на вход запускающего импульса отрицательной полярности. При этом транзистор перейдёт во второе устойчивое состояние – режим насыщения (оба p-n перехода открыты).

На рисунке а приведены выходные статические характеристики БТ. В семействе характеристик проведена нагрузочная прямая АВ, выражающая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения при определённых значениях Е_К и R_Н. При некотором значении I_Бнас = I_Б4 коллекторный ток достигает максимальной величины – тока насыщения I_{К нас} (точка А).

Этому току соответствует величина насыщающего тока базы I_{Б нас} (рисунок б). Характеристика I_К=f(I_Б) имеет изломы на границах режима отсечки (I), активного режима (II) и режима насыщения (III).

 

Полевой транзистор (ПТ)

ПТ – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда через токопроводящий канал, управляемый электрическим полем.

Характерные особенности ПТ:

¾ в образовании тока участвуют носители заряда только одного знака;

¾ высокое входное сопротивление;

¾ высокие коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Все ПТ можно разделить на 2 группы:

¾ ПТ с p-n переходами (канальные или униполярные);

¾ ПТ с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

 

ПТ с p - n переходами

Рассмотрим конструкцию канального ПТ. Тонкий слой полупроводника n-типа, ограниченный с двух сторон p-n переходами, называется каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух электродов, один из которых называется истоком И, а другой – стоком С. Вывод, подсоединённый к областям p-типа, является управляющим электродом и называется затвором З.

Величина тока в канале зависит от напряжения U_С, приложенного между стоком и истоком, нагрузочного сопротивления и сопротивления полупроводниковой пластинки между истоком и стоком. Источник Е_ЗИ создаёт отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины p-n перехода и уменьшению токопроводящего сечения канала. При этом увеличивается сопротивление между стоком и истоком и снижается величина тока стока I_С. Подключив последовательно с Е_ЗИ источник усиливаемого переменного напряжения U_ВХ, можно изменять ток через канал по закону изменения входного напряжения. Ток стока, проходя через сопротивление нагрузки R_Н, создаёт на нём падение напряжения, изменяющееся по закону U_ВХ. При соответствующем подборе величины R_Н можно добиться повышения уровня U_ВЫХ по сравнению с U_ВХ, т.е. усилить сигнал.

УГО канального ПТ:

 

 

 

Характеристики канального ПТ. На рисунке а представлено семейство выходных (стоковых) характеристик

I_С=f(U_С) при U_ЗИ=const.

Пусть напряжение затвор-исток U_ЗИ=0. При увеличении положительного U_С ток стока будет возрастать. Вначале эта зависимость будет почти линейной (участок 0А). Однако с возрастанием I_С увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение p-n переходов (особенно вблизи стока), что ведёт к сужению токопроводящего канала и замедляет рост тока стока. В конечном итоге у стокового конца пластинки канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту I_С  (участок АВ).

Зависимость I_С=f(U_ЗИ) при U_С=const (рисунок б) называется стокозатворной характеристикой. При определённом отрицательном значении напряжения затвор-исток канал закрывается, ток стока прекращается. Это напряжение называется напряжением отсечки U_{ЗИ ОТС}.

 

МДП-транзистор

Полевой транзистор с изолированным затвором имеет структуру металл-диэлектрик (окисел)-полупроводник, поэтому называется МДП- или МОП-транзистором. Принцип его работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.