Инструментальный дифференциальный усилитель

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Подольский институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

в г. Подольске Московской области

/Подольский институт (филиал) Университета машиностроения

Курсовой проект
по дисциплине.

“Электроника и микропроцессорная техника”
на тему.

<Операционные усилители и преобразователи сигналов на их базе>

 

 

Разработал: студент гр. 6-31 Быстров М.Ю.

Работу проверил: Григораш В.В.

 

 

Содержание.

Введение.

1-Общие сведения об операционных усилителях. -4
2- Система параметров, характеризующих операционный усилитель. -7
3-Диференциальный усилитель. -15
4- Биполярный транзистор. -17
5-Полевой транзистор. -27
6-Эммитерный повторитель. -33

 

Список литературы

Введение.

Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко

используемый в современных схемах формирования и преобразования

информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в

цифровой технике.

Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего

такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д.

Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.

Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.

Изложенное показывает целесообразность изучения принципов построения,

особенностей работы и применения операционных усилителей как элементов

различных устройств и систем обработки информационных сигналов. В настоящей работе предпринята попытка создать пособие по разделу «Операционные усилители и преобразователи на их базе» для самостоятельного изучения в рамках дисциплины «Электроника и микропроцессорная техника».

 

Система параметров, характеризующих операционный усилитель.

Операционные усилители (ОУ) – исторически сложившееся название, связанное с использованием этих усилителей для моделирования операций. Они относятся к классу усилителей постоянного тока (УПТ) прямого усиления. Характерными особенностями ОУ являются: большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивления, широкая полоса пропускания, дифференциальный вход. Перечисленные свойства, а также интегральная технология изготовления сделали ОУ одним из основных компонентов современных аналоговых электронных схем. ОУ также нашли широкое применение и в импульсной технике в качестве компараторов, релаксационных генераторов. Основой ОУ является дифференциальный каскад типа балансного УПТ, рассмотренный выше.

Условное графическое обозначение ОУ и его основные выводы показаны на рис. 63, ОУ по отношению к нулевому уровню имеет два входа и один выход.

Вход I, обозначенный знаком "+", называют неинвертиртирующим. Выходное напряжение ОУ совпадает по знаку со входным напряжением на этом входе.

Вход 2, обозначенный знаком "-", называют инвертирующим - выходное напряжение и входное напряжение на этом входе противоположны по знаку. Между входами 1 и 2 образуется дифференциальный вход усилителя.

Входы и выход ОУ обычно выполняют на нулевом уровне, т.е. в исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала напряжения на входах и на выходе равны нулю. При подаче входного сигнала напряжение на выходе может как увеличиваться, так и уменьшаться. Для этого для питания ОУ используют, как правило, два разнополярных источника питания +U_П и - U_П причём |+U_П|=|-U_П|. Входное напряжение подают на один из входов, а на второй вход подают постоянный, например, нулевой потенциал или на оба входа подают два разных напряжения от двух раздельных источников (рис.64 а,б). В обоих случаях на дифференциальном входе ОУ действует дифференциальный входной сигнал U_ВХ=U_ВХ2 - U_ВХ1. Этот сигнал может быть получен и от одного источника с незаземлённым выходом (рис. 64в).

Рис. 64. Схемы подачи входного сигнала на входы ОУ

Если входные напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 одинаковы и у них совпа­дают амплитуды и фазы, то их называют синфазными входными напря­жениями или синфазным сигналом U_ВХ.СХ.. При подаче синфазного сиг­нала входы I и 2 фактически являются объединёнными, и на них подаётся напряжение U_ВХ.СФ от общего источника (рис.65). Синфазные сигналы являются вредными и возникают в результате внеш­них наводок на цепи ОУ, при колебаниях напря­жений питания, окружающей температуры и т.д., поэтому синфазные сигналы иногда называют син­фазными помехами.

Рис. 65. Схема подачи синфазного сигнала

Общая структурная схема ОУ показана на рис.66. Для ОУ являются обязательными два, а иногда три, каскада усиления, которые обеспечивают большой коэффициент усиления, каскад сме­щения или сдвига уровня, который обеспечивает на выходе нулевой потенциал при отсутствии входного сигнала, и выходной каскад, обеспечивающий малое выходное соп­ротивление ОУ. Кроме этих, общих для всех ОУ, функциональных узлов в конкретных типах ОУ дополнительно применяют входные и междука­скадные эмиттерные повторители, цепи защиты входа ОУ от перенапряжений и выхода ОУ от короткого замыкания, а также цепи внутренней кор­рекции частотной характеристики ОУ.

Рис. 66.Структурная схема операционного усилителя

В первом каскаде усиления применяют балансный УПТ с симметричным дифференциальным входом. Для увеличения входного сопротивления ОУ в первом каскаде используются составные транзисторы и режимы малых коллекторных и базовых токов. В некоторых ОУ для увеличения входного сопротивления применяют дополнительные входные каскады - эмиттерные повторители на биполярных транзисторах и истоковые повторители на полевых униполярных транзисторах. В качестве второго каскада усиления используют или балансный УПТ с несимметричным выходом или реостатный усилитель. Простейшим выходным каскадом ОУ является эмиттерный повторитель, работающий в линейном режиме.

При использовании в электронных устройствах ОУ почти всегда охвачен обратной связью. Именно в совокупности с цепями обратных связей ОУ образует определённый функциональный узел и выполняет заданные операции, поэтому необходимо различать параметры собственно ОУ, как отдельного элемента, и параметры узлов, выполненных на базе ОУ. На высоких частотах образуется фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями, дополнительный к заданному изменению фазы на 180°. Суммарный сдвиг фаз может достигнуть в усилителе с обрат­ной связью 360°, обратная связь станет положительной, и при достаточно большом коэффициенте усиления ОУ может самовозбудиться. В связи с этим в ОУ предусматривают цепи коррекции частотной характеристи­ки. Эти цепи создают ООС, которая уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах. В большинстве ОУ предусмотрена внешняя коррекция при помощи внешних навесных элементов - резисторов и конденса­торов. В некоторых ОУ коррекция выполнена внутри интегральной микросхемы. Во всех случаях при расширении полосы пропускания ОУ уменьшают его коэффициент усиления и, наоборот, при необходимости увеличить усиление сужают полосу.

 

Система параметров характеризующих операционный усилитель.

Помимо приведенных выше общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических
показателей, к ним относятся:

• Uсм-напряжение смещения (1-10мВ) – приведенное ко входу напряжение, необходимое для смещения амплитудной характеристики в начало координат, т.е.приведения к нулю выходного напряжения ОУ при отсутствии входных сигналов в нормальных климатических условиях, напряжение смещения подаётся на один из входов ОУ или на специальный вход при настройке схемы,
• m= Δ Uсм/⁰С – температурный коэффициент напряжения смещения (10-50 мкВ/⁰С),
• Iвх = (Iвх1+Iвх2)/2 – входной ток ОУ, определяемый как полусумма входных токов каждого входа (10-200 нА),
• Δ Iвх= (Iвх1-Iвх2) –ток сдвига (1-100нА),
• n= Δ Δ Iвх/⁰С – температурный коэффициент тока сдвига (0,1-10 нА/⁰С),
• Ксф =Uвых.сф./Uвх.сф. –коэффициент передачи синфазного сигнала (1-10),
• Ксф.ос.=20lgК/Ксф (50-80 дб) –коэффициент ослабления синфазного сигнала, здесь К – собственный коэффициент усиления ОУ,
• V(10-50 В/мкс) – скорость нарастания напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса напряжения,
• ƒгр.-граничная частота полосы пропускания при которой Коу падает до 0,7 своего значения при нулевой частоте входного сигнала (10 –50 КГц)
• F₁ – частота единичного усиления (1-10 МГц) при которой Коу уменьшается до1.

Параметры ƒгр., F₁ позволяют определить реальную величину Коу на заданной частоте входного сигнала.

Примечание: в скобках указан примерный диапазон параметров, характерный для современных ОУ различных типов. Кроме того. нормируются также предельно допустимые величины напряжений питания ОУ, входных дифференциального и синфазного напряжений.

В настоящее время используют несколько десятков различных функциональных узлов, выполненных на базе ОУ.

На рис. 67 показан инвертирующий усилитель. В исходном состоянии напряжение на входе и выходе усилителя равны нулю. Внешние резисторы R₁, R₂ образуют цепь ООС, резистор R₃ используют для компенса­ции влияния входных токов ОУ, являющихся одной из причин дрейфа выходного напряжения (механизм этого влияния будет рассмотрен ниже).

Рис. 67. Инвертирующий усилитель.

анализе схем с ОУ используется понятие «идеальный ОУ», у которого К=¥, R_ВХ=¥, R_ВЫХ=0. Эти приближения позволяют сформулировать два правила для идеального ОУ: Uвх.дф.= Uвых/ = 0 (т.наз. эквипотенциальный нуль, когда потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов одинаковы, но сопротивление между ними очень велико) и Iвх = Uвх.дф/ R_ВХ = Uвх.дф/ ¥ =0 (ОУ по входам тока не потребляет).Эти правила существенно облегчают расчеты при приемлемом уровне погрешности, которая тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к идеальным, что имеет место у современных интегральных ОУ. Пользуясь указанными приближениями и основными выводами теории обратной связи, можно записать вместо очевидного соотношения i₁ = i_ос + i_вх уравнение i_1≈ i_ос , т.к. R_ВХ=¥ и i_вх = 0, тогда получим напряжение обратной связи и коэффициент обратной связи в виде:

;

Далее можно условно считать, что Rвх.ос. = Uвх/ i₁ = R_1, (т.к. Uвх.дф.=0), т.е. входное сопротивление схемы относительно невелико, что является особенностью инвертирующего ОУ. Внешний коэффициент усиления Квнеш. (применяется также обозначение Кос) найдем из следующих очевидных для идеального ОУ соотношений:

i₁ = Uвх/R₁; i_ос= Uвых./R₂; i₁ = i_ос= Uвх/R₁= Uвых./R₂ и Квнеш.= Uвых./ Uвх = - R₂/ R₁

(знак «-» отражает инвертирующие свойства данной схемы, в расчётах обычно не используется). Выходное сопротивление схемы приблизительно равно Rвых.ос.=Rвых.ОУ/2. Указанным способом можно получить вполне приемлемые для инженерных расчётов основные параметры схемы усилителя, имея ввиду, что допущенные погрешности будут скомпенсированы на этапе наладки при практической реализации схемы.

Если R₁=R₂, то K_ос=-1, т.е. этот усилитель будет выполнять роль инвертора - устройства, изменяющего только знак вxoдного сигнала без изменения его величины.

На рис.68 показан неинвертирующий усилитель. Здесь входной сигнал подают на неинвертирующий вход ОУ, сигнал на выхо­де имеет тот же знак. Так как в ОУ с ООС потенциалы входов V_А=V_Б, то на входе «б» при действии входного сигнала: U_Б=U_{ВХ .}. Следовательно можно считать, что

,

откуда

.

Входное сопротивление:

R_ВХ.ос» R_ВХ.ОУ т.е. оно гораздо больше, чем у инвертирующего усилителя. Выходное сопротивление R _ВЫХ.ос»R _ВЫХ./2.

Рис.68 Неинвертирующий усилитель.

На рис.69 показан повторитель сигнала - функциональный узел, в котором входной и выходной сигналы одинаковы по знаку и по величине. Коэффициент усиления повторителя К_ос=1. 0н получается из формулы для предыду­щей схемы, если учесть, что R₂=0, R₁=¥. Входное сопротивление R_{ВХ.ПОВТ.} »R_ВХ.ОУ×К, т.е. очень большое. Выходное сопротивление R_{ВЫХ.ПОВТ} » R_ВЫХ.ОУ/К»0. Такие параметры делают повторитель удобным каскадом согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Рис.69
Повторитель
на базе ОУ

На рис.70 показан двухвходовой инвертирующий сумматор. Здесь резисторы R_1.1, R_1.2 служат совместно с R₂ для об­разования ООС. Кроме того, резисторы R₁ служат для взаимной развязки друг от друга источников сигналов. При R₁=R₂, К_ОС=-1 и U_ВЫХ=-(U_ВХ1+U_ВХ2). Для каждого источника входное сопротивление сумматора R_ВХ.СУМ » R₁; выходное сопротивление R_{ВЫХ.СУМ} ≈R_ВЫХ /2.

Рис.70 Инвертирующий сумматор

На рис.71 показан интегратор. В цепъ ООС вместо R₂ включён конденсатор С. Так как для «идеального ОУ» i₁= ₂,i₁= -U_ВХ /R₁, , то . Входное сопротивление при этом R_ВХ = R₁, а выходное сопротивление R_{ВЫХ.ИНТ.} »R_ВЫХ.ОУ.

Рис.71 Интегратор

В частном случае, когда на вход интегратора подается импульс постоянного напряжения Uвх = Uм длительностью tи, на выходе образуется линейно изменяющееся напряжение:
Uвых = Uм*tи/t, где t = RC – постоянная времени цепи обратной связи.
Интегратор, работающий в указанном режиме часто используется в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), а также в схемах формирования пилообразного напряжения развертки.

На рис.72 показан компаратор, который служит для определения момента ра­венства двух напряжений. Здесь входное синусоидальное напряжение сравнивается с нулевым потенциалом. ОУ использован без обратной связи, что является особенностью данной схемы. Напряжение на выходе при­нимает два крайних значения ±U_НАС, где U_НАС - напряжение насыщения ОУ (максимально возможное напряжение на выходе, обычно ниже напряжения питания на 1-2В). При положитель­ном входном сигнале напряжение на выходе отрицательное. При переходе входного нап­ряжения через нуль выходное напряжение меняет знак.

Рис. 72 Компаратор

Широкое применение в измерительной технике находят так называемые активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему RC -фильтра активного элемента – в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра с целью получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики. Теория активных фильтров в настоящее время хорошо разработана, методика их расчетов доведена до таблиц и номограмм. Основная задача при этом сводится к аппроксимации передаточной характеристики полиномами Чебышева, Бесселя и др. Выбор коэффициентов этих полиномов, а, следовательно, и параметров элементов схемы фильтра, обеспечивает наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемым амплитудно-частотным характеристикам.

В качестве примера на рисунке 73 приведен двухполюсный (по числу конденсаторов) фильтр нижних частот (пропускает на выход сигнал в диапазоне частот от нуля до частоты среза).

Рис. 73 Активный НЧ фильтр

Здесь K_ОС - коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (элементы R и (K_ОС-1)×R). ОУ в неинвертирующем включении обеспечивает относительно плоскую передаточную характеристику в полосе пропускания и крутой спад на частоте среза при соответствующем выборе R, R₁, R₂, C₁, C₂. Последовательное соединение подобных схем (многополюсные фильтры) позволяет добиться необходимой формы передаточной характеристики.

Измерительный усилитель тока используется для измерения малых токов без внесения искажений в цепь за счет внутреннего сопротивления обычного микроамперметра. Схема такого усилителя показана на рис.74

Рис. 74 Схема измерения малых токов на базе ОУ

Источник измеряемого тока показан в виде эквивалентной схемы, содержащей источник ЭДС е_ВХ с внутренним сопротивлением R_U, которая выполняет роль резистора R₁ в обычной схеме инвертирующего усилителя (рис.67). Нетрудно показать, что в этом случае U_ВЫХ = -R₂I_ВХ, что легко выполнимо для ОУ, имеющего большой собственный (внутренний) коэффициент усиления. По этой же причине входное сопротивление схемы весьма мало и не оказывает влияния на величину измеряемого тока. Заменив в схеме (рис.74) резистор R₂ на конденсатор, получим интегратор входного тока (усилитель электрического заряда), удобный, например, для усиления сигналов пьезоэлектрических датчиков. В этом случае существенно снижается погрешность измерения по сравнению с обычной схемой усиления напряжения пьезоэлектрического датчика.

Свойство усилителя на базе ОУ поддерживать ток в цепи обратной связи равным току во входной цепи используется для прецизионных преобразователей сопротивления в напряжение (ПСН), особенно если резистивный датчик (обычно тензодатчик) находится на значительном удалении от измерительной части схемы. Принцип работы простейшего ПСН показан на рис.75.

Рис.75

Простейший ПСН

Rх,Rо –измеряемое и образцовое сопртивления,

r1,r2– сопротивления проводов длинной линии,
Uо – источник образцового напряжения.

Из вышеизложенного следует: Uвых.= -А*Rх при условии r1 = r2 =0, где А = Uо/Rо = =Const., реально Uвых.= Uо/Rо*(Rх + r1 + r2), т.е. вносится погрешность влияния сопротивления проводов соединительной линии. Существенно уменьшить эту погрешность можно используя трёхпроводную линию как показано на рис.76.

Рис.76 ПСН с трёхпроводной линией.

r3 – сопротивление третьего провода

В этом случае третий провод передаёт лишь потенциал на инвертирующий вход ОУ, поскольку его сопротивление исчезающе мало по сравнению с входным сопротивлением ОУ, сопротивление r2 обычно много меньше образцового Rо и также перестаёт существенно влиять на погрешность, кроме того справедливо и соотношение r1«Rх. При этих практически реальных условиях можно показать, что:

если при этом выполняется соотношение

,то результат измерения сопротивления будет близок к идеальному.

 

Дифференциа́льный усили́тель

 

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Схема дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевыми или баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов.

Применение

Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.

Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала с микрофона (применяется, например, в линиях с разъёмом XLR).

• С 1960-х годов дифференциальный усилитель применяется в цифровых микросхемах с эмиттерно-связанной логикой (ЭСЛ).
• Дифференциальный усилитель применяется в эмиттерно-связанных триггерах Шмитта.

Биполярный транзистор.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — 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.

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)
U_ЭБ>0; U_КБ<0 (для транзистора p-n-p типа), для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U_ЭБ<0;U_КБ>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 (I _Э.нас) и коллектора (I _К.нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_КЭ.нас) - это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог R_СИ.отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (U_БЭ.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 U _ЭБ<0,7 В, или I _Б=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.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току I _вых/ I _вх.
• Входное сопротивление R _вх = U _вх/ I _вх.

Схема с общим коллектором

I _вых = I _э
I _вх = I _б
U _вх = U _бк
U _вых = U _кэ

• Коэффициент усиления по току: I _вых/ I _вх = I _э/ I _б = I _э/(I _э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Входное сопротивление: R _вх = U _вх/ I _вх = (U _бэ + U _кэ)/ I _б.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• 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 r _э, r _к, r _б, которые представляют собой:
• r _э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
• r _к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
• r _б — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h -параметров

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h ₁₁ = U _m1/ I _m1, при U _m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h ₁₂ = U _m1/ U _m2, при I _m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h ₂₁ = I _m2/ I _m1, при U _m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h ₂₂ = I _m2/ U _m2, при I _m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U _m1 = h ₁₁ I _m1 + h ₁₂ U _m2;

I _m2 = h ₂₁ I _m1 + h ₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I _m1 = I _mб, I _m2 = I _mк, U _m1 = U _mб-э, U _m2 = U _mк-э. Например, для данной схемы:

h _21э = I _mк/ I _mб = β.

Для схемы ОБ: I _m1 = I _mэ, I _m2 = I _mк, U _m1 = U _mэ-б, U _m2 = U _mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h -параметрами, например для схемы ОЭ: ;

;

;

.

С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C _к. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода C _э также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода r _э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Применение транзисторов

• Усилители, каскады усиления
• Генератор сигналов
• Модулятор
• Демодулятор (Детектор)
• Инвертор
• Микросхемы на транзисторной логике

 

 

Полевой транзистор.

Мощный полевой транзистор с каналом N-типа

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, через который протекает поток основных носителей зарядов, регулируемый поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным между затвором и стоком или между затвором и истоком.

Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа (электронами или дырками), такие приборы ещё называют униполярными, тем самым противопоставляя их биполярным.

МОП-структура

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.