Электровакуумный триод: характеристики и применение

СХЕМОТЕХНИКА

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

 

Учебно-методическое пособие

 

Воронеж

Издательский дом ВГУ

2019

УДК 621.3(075.8)

ББК 32.85я7

К523

Авторы:

В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков, Е.Н. Бормонтов

 

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,

заведующий кафедрой радиофизики ВГУ Ю.Э. Корчагин,

 

доктор физико-математических наук,

доцент кафедры электроники ВГУ Г.К. Усков

 

Клюкин В.И.

К523      Схемотехника электронных устройств: учебно–методическое пособие / В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков, Е.Н. Бормонтов; Воронежский государственный университет. – Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2019. – 174 с.

 

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета. Материал пособия охватывает широкий круг вопросов – от физических основ построения элементной базы электронной техники до практического использования ее функциональных блоков: усилителей, компараторов, перемножителей, аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей, генераторов и источников питания. При этом особое внимание уделено возможности реализации этих устройств средствами интегральных технологий. Рекомендуется для самостоятельной работы студентов 3 и 4 курсов физического факультета, обучающихся по направлениям: 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника, 03.03.03 – Радиофизика.

УДК 621.3(075.8)

ББК 32.85я7

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 5

1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ.. 7

1.1. Электровакуумный диод. 8

1.2 Электровакуумный триод: характеристики и применение. 12

1.3 Многосеточные ЭВ лампы.. 16

1.4. ЭВП со скоростным управлением.. 20

1.5. Газоразрядные (плазменные) приборы.. 21

1.6. Контрольные вопросы и задания. 22

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.. 25

2.1. Физические основы полупроводниковой электроники. 25

2.2. Полупроводниковые диоды.. 28

2.3. Биполярные транзисторы.. 31

2.4. Униполярные (полевые) транзисторы.. 36

2.5. Силовые полупроводниковые приборы.. 39

2.6. Контрольные вопросы.. 44

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.. 45

3.1. Классификация и основные характеристики усилителей. 45

3.2. Однокаскадные усилители. 47

3.3. Двухкаскадные усилители. 52

3.3.1. Каскодный усилитель. 53

3.3.2. Дифференциальный каскад. 55

3.3.3. Токовое зеркало. 59

3.4. Обратная связь в электронных устройствах. 60

3.5. Контрольные вопросы и задания. 63

4. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АИС И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. 65

4.1. Операционные усилители. 66

4.2. Аналоговые компараторы напряжений. 77

4.3. Аналоговые перемножители напряжений. 80

4.4. Контрольные вопросы и задания. 89

5. ПРЕЦИЗИОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИС.. 92

5.1. Активные RC – фильтры.. 92

5.2. Активные преобразователи сопротивлений. 102

5.3. Аналого – цифровые ИС.. 106

5.3.1. Цифроаналоговые преобразователи. 106

5.3.2. Аналогоцифровые преобразователи. 110

5.4. Контрольные вопросы и задания. 118

6. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.. 122

6.1. Принципы построения автогенераторов. 122

6.2. Генераторы гармонических сигналов. 125

6.2.1. LC –генераторы.. 125

6.2.2. RC –генераторы.. 128

6.3. Генераторы релаксационных колебаний. 129

6.4. Кварцевые генераторы.. 130

6.5. Контрольные вопросы.. 132

7. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УТРОЙСТВ.. 134

7.1. Выпрямители. 134

7.2. Стабилизаторы напряжения и тока. 136

7.2.1. Параметрические стабилизаторы напряжения. 137

7.2.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения. 138

7.2.3. Стабилизаторы тока с заземленной и незаземленной нагрузкой. 139

7.3. Импульсные источники питания. 141

7.4. Контрольные вопросы.. 143

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 144

П1. СИГНАЛЬНЫЕ ГРАФЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. 144

П1.1. Основные определения. 145

П1.2. Решение графов. Формулы Мезона. 148

П1.3. Построение графов электрических цепей. 150

П1.4. Расчеты функций ЭЦ при помощи графов. 153

П1.5. Контрольные вопросы и задания. 156

П2. СИСТЕМЫ С ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ.. 159

П2.1. Структура и функционирование системы ФАПЧ.. 159

П2.2. Применение устройств с ФАПЧ.. 167

П2.2.1. Синтезатор сетки стабильных частот на основе одного опорного кварцевого генератора 167

П2.2.2. Детектор частотномодулированных сигналов. 168

П2.2.3. Система ФАПЧ, встроенная в ПЛИС 5578ТС024. 169

П2.3. Контрольные вопросы.. 171

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 172

ВВЕДЕНИЕ

 

Практически развитие электронной техники (ЭТ) началось с открытия явления электромагнитной индукции (М. Фарадей) и связано с именами крупных отечественных и зарубежных ученых – Ленца Э., Попова А.С., Котельникова В.А., Шеннона К., Шокли У., Алферова Ж.И. и других. В настоящее время ЭТ вышла за рамки техники связи и обработки данных, проникая во все новые области науки и техники, чему в значительной степени способствуют успехи технологий микро– и наноэлектроники.

Элементной базой ЭТ, помимо пассивных компонентов, являются (в широком смысле) активные электронные приборы (ЭП), использующие движение электрических зарядов в электрических и/или магнитных полях. Принцип действия большинства ЭП достаточно прост и сводится к управлению плотностью, скоростью и направлением движения электронного (ионного) потока, движущегося в вакууме, газе, полупроводнике или электролите, т.е. создание любого ЭП требует решения, по меньшей мере, двух проблем: 1) получение направленного потока электрических зарядов; 2) организации энергетически эффективного управления этим потоком.

Номенклатура ЭП достаточно велика, однако подавляющее их число делится на два основных класса: электровакуумные и полупроводниковые приборы, описанию принципов действия и области применения которых посвящены первый и второй разделы. В третьем разделе рассмотрены структура и характеристики электронных усилителей, включая повторители напряжения и тока, одно– и двухкаскадные усилители, а также типы обратных связей и их влияние на выходные параметры устройств.

Дальнейший материал пособия ориентирован, прежде всего, на методы проектирования и применения аналоговых интегральных схем (АИС), составляющих основу современной аналоговой электронной техники. Так, в разделе 4 представлены методы построения и особенности функционирования базовых элементов АИС – операционных усилителей (ОУ) и аналоговых перемножителей напряжения (АПН), а также их применение для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, модулирования и детектирования электрических сигналов. Раздел 5 посвящен описанию прецизионных АИС, параметры которых требуют тщательной настройки и повышенной устойчивости к влиянию дестабилизирующих факторов, – активных фильтров, преобразователей импеданса, аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. В разделе 6 изложены сведения, касающиеся принципов проектирования и стабилизации выходных параметров генераторов электрических сигналов, включая LC –, RC – и кварцевые генераторы, а в разделе 7 – методы реализации стабилизированных источников тока и напряжения, ориентированных на использование в ИС. В приложениях рассмотрены основные положения теории сигнальных графов, особенно эффективные при определении входных и передаточных функций аналоговых устройств, а также современные системы фазовой автоподстройки частоты, чаще всего используемые в качестве встроенных IP (Intellectual Property) – блоков ПЛИС.

При этом, несмотря на краткость изложения, рассмотренный материал (включая практические задания) может быть полезен как студентам вузов, так и работникам научных и промышленных организаций.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

 

Электровакуумные приборы основаны на явлении электронной эмиссии (ЭЭ) – излучении электронов с поверхности твердых или жидких тел при сообщении им энергии, превышающей работу выхода А_вых (~ несколько эВ), которая, в основном, зависит от расстояния между атомами в кристаллической решетке (чем больше расстояние, тем меньше А_вых). Различают следующие виды ЭЭ:

- термоэлектронная эмиссия, когда дополнительная энергия электронам сообщается путем нагревания тела;

- электростатическая эмиссия, которая возникает за счет большой напряженности электрического поля у поверхности тела;

- фотоэлектронная эмиссия, при которой поверхность тела подвергается освещению или рентгеновскому облучению;

- вторичная эмиссия, образующаяся при бомбардировке первичными электронами поверхности тела, когда из него выбиваются вторичные электроны.

В большинстве электронных приборов для создания электронного потока используется термоэлектронная эмиссия из специального электрода, называемого катодом. Ток термоэлектронного катода зависит от температуры, его плотность определяется уравнением Ричардсона – Дешмэна:

                                                    (1.1)

где A =120 А·см^-2·К^-2; T – абсолютная температура; j ₀ = W / q – удельная работа выхода электронов из катода; j _T = kT / q – тепловой потенциал; k = 1.38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; q – заряд электрона. Эффективность катода характеризуется отношением предельного тока катода к мощности, затрачиваемой на его нагрев до рабочей температуры, и измеряется в мА/Вт.

Катоды бывают прямого и косвенного накала. Катоды прямого накала выполняют из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, тантал в виде проволочек, ленточек, стерженьков. Они экономны и безынерционны, но применяются только для постоянного тока. Катоды косвенного накала состоят из тугоплавкой нити внутри тонкостенного цилиндра, покрытого металлом с малой работой выхода (например, барием). Сравнительные характеристики катодов из вольфрама и бария приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Материал	Температура, К	Плотность тока JЭ, А/см2	Эффективность катода, мА/Вт
Вольфрам	2600	0,2…0,7	2…10
Барий	1000	0,15…0,5	60…100

 

Заметим, что катоды косвенного накала инерционны (~ несколько секунд), то есть могут питаться током промышленной частоты (50 Гц, 60 Гц), а катоды прямого накала (вольфрам) при окислении значительно снижают свою эффективность (за счет увеличения А_вых почти вдвое)

Электровакуумный диод

Электровакуумный диод (ЭВД) – это лампа с двумя электродами (анод + катод), помещаемыми в стеклянный или керамический баллон, из которого откачивают воздух. Если напряжение на аноде положительно относительно катода, то возникает анодный ток, при отрицательном напряжении тока нет, т.е. диод имеет одностороннюю проводимость. Схемотехнические изображения электровакуумных диодов с прямым и косвенным накалом приведены на рис. 1.1.

Практическое применение ЭВД требует знания зависимости тока анода от напряжения на нем, т.е. вольтамперной характеристики (ВАХ). Для большинства конструкций диодов ВАХ описывается уравнением Чайльда – Ленгмюра:

                                                                                      (1.2)

где G – коэффициент, зависящий от конструкции лампы. Расчетная и реальные ВАХ ЭВД приведены на рис. 1.2, где имеющиеся расхождения обусловлены двумя допущениями, не выполняемыми на практике:

- эмиссия катода не ограничена;

- потенциал катода U _К = 0во всех его точках.

 

 

Основным необходимым для практики параметром ЭВД является дифференциальная проводимость S (крутизна), определяемая формулой:

                                                           (1.3)

откуда .                                                                           (1.4)

Иногда в качестве характеристик ЭВД используют внутреннее дифференциальное сопротивление  (реально в пределах от 20 до 1000 Ом), а также величину электрической мощности, рассеиваемой диодом, .

Применение электровакуумных диодов обычно ограничено выпрямлением переменного тока (кенотроны) и детектированием модулированных колебаний. Схема однотактного выпрямителя на диоде приведена на рис. 1.3, где для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения использован LC –фильтр. Диодный детектор амплитудно–модулированных сигналов представлен схемой на рис 1.4, использующей на выходе RC –фильтр нижних частот для подавления высокочастотного сигнала несущей частоты. Детекторные диоды работают при низких анодных напряжениях и токах, а также имеют небольшую емкость между анодом и катодом, что позволяет использовать их при малых уровнях сигналов на высокой частоте.

Условное обозначение диода состоит из ряда цифр и букв. Первые цифры указывают напряжение накала в вольтах. Затем следует буква, обозначающая назначение диода: Ц – кенотрон, X – детектор, Д – демпфер колебаний. Затем следуют цифры, указывающий порядковый номер разработки, в конце приводятся буквы, обозначающие тип корпуса и надежность диода: С – стеклянный, П – малогабаритный стеклянный (пальчиковый), К – керамический, Е – повышенной надежности, И – импульсный. Параметры некоторых типов серийных диодов приведены в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2

Тип диода	Назначение	Ток эмиссии катода, мА	Внутреннее сопротивление Ом	Емкость анод-катод, пФ	Предельная частота, МГц
6Х2П	Детектор колебаний	30	200	3,5	100
6Д20П	Демпфер (гаситель) колебаний	600	85	8,5	10
1Ц11П	Высоковольтный выпрямитель	4	300	0,8	10
6Ц4П	Кенотрон	300	100	50,0	1

 

Помимо рассмотренных в таблице параметров, в справочных данных иногда приводят и другие характеристики, существенные для применения диода. Например, для детекторного диода 6Х2П указывается начальный ток диода при U _АК = 0, обусловленный кинетической энергией эмиттируемых электронов, а для кенотрона 6Ц4П – предельно допустимое обратное (отрицательное) напряжение на аноде (~1000 В). Еще одной важной характеристикой ЭВД является надежность, характеризуемая средним значением времени наработки на отказ (т. е. выхода основных параметров за установленные пределы). Это время для ламп общего применения обычно составляет 500 часов, а для ламп повышенной надежности 2000 часов.

Многосеточные ЭВ лампы

К многосеточным лампам относятся: тетроды – с двумя сетками, пентоды – с тремя сетками, гексоды – с четырьмя сетками, гептоды – с пятью сетками и октоды – с шестью сетками. Наибольшее распространение получили тетроды и пентоды. В тетродах (лампах с двумя сетками) одна из сеток является управляющей и имеет отрицательное напряжение, другая сетка располагается либо между управляющей сеткой и катодом и называется катодной, либо между управляющей сеткой и анодом, и называется экранирующей (экранной). В тетродах с катодной сеткой (рис. 1.10 а) на катодную сетку подается небольшое положительное напряжение, однако благодаря близости к катоду ее влияние на I _А велико даже при малых U _А (ввиду высокой проницаемости), причем крутизна ВАХ, которые аналогичны ВАХ триода, также возрастает (рис. 1.11 а). Анодный ток тетрода с катодной сеткой можно определить по формуле

                                   ,                    (1.12)

где U_КС – напряжение на катодной сетке, D_С – проницаемость управляющей сетки.

В тетродах с экранной сеткой (рис. 1.10 б) она расположена между анодом и управляющей сеткой и имеет положительный потенциал, что вызывает распределение тока катода между ней и анодом. Основное преимущество такой структуры – снижение емкости анод–управляющая сетка до долей пФ, что увеличивает коэффициент усиления и расширяет полосу рабочих частот усилителей, снижая опасность их самовозбуждения. Основной недостаток – возникновение динатронного эффекта (участка с отрицательным сопротивлением) при низких U _А за счет вторичной эмиссии, когда вторичные электроны захватываются экранной сеткой, вызывая уменьшение I _А (рис. 1.11 б). Для исключения динатронного эффекта необходимо соблюдать условие U _А > U _Э.

Значение катодного тока такого тетрода можно определять по формуле

                   ,             (1.13)

где ввиду D_Э >> D_А, приближенно можно считать, что ток анода не зависит от анодного напряжения, хотя на практике эта зависимость слегка сохраняется (рис. 1.11 б). Тетроды с экранной сеткой используются исключительно как генераторные лампы, когда искажения анодной ВАХ не играют существенной роли.

Пентодом называют лампу с тремя сетками, где защитная (антидинатронная) сетка располагается между экранной сеткой и анодом. Напряжение на этой сетке обычно делают равным напряжению на катоде (иногда ее даже соединяют с катодом внутри), что препятствует захвату вторичных электронов экранной сеткой, в результате провал на анодных характеристиках устраняется.

Ток катода пентода определяется аналогично (1.13), с добавлением члена, обусловленного наличием защитной сетки:

                       ,        (1.14)

откуда при U_З = 0 и D_Э >> D_А следует

                                       .                      (1.15)

Видно, что ток I _К » I _А практически не зависит от U _А, а в основном определяется U _С и может регулироваться U _Э. Семейство типичных ВАХ пентода приведено на рис. 1.12, где динатронный эффект отсутствует, т.е. становится возможной работа пентода при низких U _А. Крутизна пентодов достаточно велика и лежит в пределах от 5 до 50 мА/В, а внутреннее сопротивление часто превышает 1 МОм. Благодаря этому коэффициент усиления пентода может быть больше 1000.

Для обозначения тетродов используется буква Э, маломощных пентодов – буквы Ж или К, а мощных – буква П. Основные параметры некоторых серийных тетродов и пентодов приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Тип прибора	Назначение	Крутизна, мА/В	Коэффициент усиления	Внутреннее сопротивление, кОм	Ток анода, мА
6Э6П (тетрод)	Широкополосный усилитель	30	450	15	45
6Ж20П (пентод с катодной сеткой)	–	40	1500	90	16
6Ж50П (пентод с антидинатронной сеткой)	–	6	3000	90	25

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым (п/п) диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p – n переходов. Все п/п диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного напряжения, делятся на: НЧ, ВЧ, импульсные – по частоте и форме напряжения; плоскостные и точечные – по конструкции; сплавные, диффузионные, эпитаксиальные – по технологии изготовления. Рабочие частоты сплавных диодов – до 5 кГц, диффузионных – до 100 кГц, эпитаксиальных (с барьером Шоттки) – до 500 кГц, арсенидгаллиевых – до 10 МГц.

Вольт – амперная характеристика диода аналогична ВАХ p–n перехода (рис. 2.2 б) и определяется выражением

                                              ,                                      (2.5)

где R – последовательное объемное сопротивление диода. При включении диода в цепь (рис. 2.3 а) положение его рабочей точки А(U _д, I _д) (рис. 2.3 б) определяется из закона Ома для полной цепи E = IR + U _д => U _д = E – IR, т.е. пересечением нагрузочной прямой BC ó U = E – I R с ВАХ диода.

 

К специальным диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p–n -переходов:

- управляемая напряжением п/п емкость – варикапы и варакторы;

- Зенеровский и лавинный пробой – стабилитроны;

- туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды;

- фотоэффект – фотодиоды, светодиоды;

- многослойность – динисторы и тиристоры;

- контакт металла с п/п – диоды с барьером Шоттки, имеющие более низкое прямое падение напряжения (~ 0,3…0,4 В) и малое время рассасывания неосновных носителей t _p.

Условное и схематическое изображения некоторых типов диодов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип (условное обозначение) диода	Назначение, технология изготовления	Схематическое изображение
Д247	Выпрямительный, сплавной
KД213	Выпрямительный, диффузионный
KД2998	Выпрямительный, эпитаксиальный с барьером Шоттки
KB117A	Варикап (КВС111, 120 – сдвоенный)
KC168A	Стабилитрон (односторонний и двухсторонний)
	Туннельный
ФД24К	Фотодиод (с открытым p–n – переходом)
	Светодиод (на PAs или GaAs)

 

Применение полупроводниковых диодов достаточно обширно: выпрямительные диоды (рис. 2.3) – в выпрямителях и детекторах; варикапы – в модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной перестройкой, параметрических усилителях и генераторах; стабилитроны – (при U_ст = 5…6 В и ТКН 0) – в стабилизаторах напряжения (рис. 2.4), для ограничения импульсов напряжения и тока, а также для защиты различных элементов схем от пробоя; туннельные диоды – в генераторах (рис. 2.5 а) при выполнении двух условий: рабочая точка выбирается на участке отрицательного сопротивления (рис. 2.5 б) и 1/ G > R_н (отрицательное сопротивление больше R_Н); обращенные (вырожденные туннельные) диоды – для выпрямления малых напряжений на сверхвысоких частотах (СВЧ); фотодиоды – в приемниках оптического излучения; светодиоды – в индикаторах, светодиодных матрицах и дисплеях; светодиоды с монохроматическим излучением – в инжекционных лазерах.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор с двумя p–n – переходами, в котором толщина базы меньше длины свободного пробега неосновных носителей в ней, что гарантирует достижение эмиттированными носителями коллектора. Устройство n – p – n транзистора и его условное обозначение приведены на рис. 2.6 а,б соответственно. В зависимости от полярности напряжения на электродах транзистора различают четыре основных режима его работы: линейный (активный) (E_э <0; E_к >0), когда эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлении; насыщения (E_э <0; E_к <0), когда оба перехода смещены в прямом направлении; отсечки (E_э >0; E_к >0), когда оба перехода смещены в обратном направлении; инверсный активный (E_э >0, E_к <0), когда эмиттер и коллектор меняются местами. Ввиду несимметричности структуры реальных транзисторов инверсный активный режим практически не используется.

В линейном режиме (при открытом переходе база–эмиттер) происходит инжекция носителей в область базы, которые на пути свободного пробега достигают коллектора, образуя его ток, который связан с напряжением U _БЭ уравнением Эберса–Молла:

                                          ,                                    (2.6)

где I ₀ – ток коллектора при его обратном смещении.

Анализ выходных и входной ВАХ БТ (рис. 2.6 в,г) показывает, что в линейной области D I_K ~ D I _Б, I_K практически не зависит от U _КЭ, а U _БЭ не зависит от U _КЭ и слабо зависит от I _Б, откуда при некотором упрощении следует его схема замещения (рис. 2.7 а) при работе в усилительном каскаде (рис. 2.7 б) по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Из этой модели легко рассчитать коэффициент усиления схемы по напряжению:

.

Для более точных расчетов используются уточненные схемы замещения (эквивалентные схемы) БТ, среди которых наиболее популярной является Т – образная (рис. 2.8), где указанные параметры определяют как статические, так и динамические свойства транзисторов. При этом к статическим параметрам относятся:

 –                                                                        (2.7)

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (при T = 300 K, I_Э = 1 мА; r _Э =25 Ом); С_Э – барьерная емкость эмиттерного перехода; – (2.8)

коэффициент обратной связи по напряжению (~10^-4), учитывающий модуляцию ширины базы (эффект Эрли); r _Б – объемное сопротивление базы (~100…200 Ом); С_К – барьерная емкость коллекторного перехода;

 –                                                                    (2.9)

дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (~10⁶ Ом);

 –                                                                               (2.10)

дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока в нормальном активном режиме. В зависимости от толщины базы a = 0,95…0,99.

Динамическими параметрами БТ являются:

в ключевом режиме – его временные характеристики (рис. 2.9), а в усилительном режиме – его амплитудночастотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики, определяемые комплексной формой зависимости коэффициентов усиления по току a и b от частоты

                                                 (2.11)

где a ₀ = a (w =0), w _a – предельная частота a в схеме с общей базой (ОБ), и

                                     (2.12)

где b ₀ = b (w =0), w _b – предельная частота b в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

 

 

Заметим, что в режиме малого сигнала основными параметрами БТ являются α, β, r_Э, r_Б, r_К, C_ЭБ, C_БК. При этом в зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) и величин сопротивлений генератора и нагрузки (R _Г, R_H) БТ можно рассматривать в качестве одного из типов управляемых источников (рис. 2.10): источника напряжения, управляемого напряжением (ИНУН), источника напряжения, управляемого током (ИНУТ), источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) или источника тока, управляемого током (ИТУТ).

По электрическим и эксплуатационным параметрам БТ разделяются на маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3…3 Вт) и мощные (свыше 3 Вт), по рабочей частоте – на низкочастотные (f_гр ≤ 10 МГц), средней частоты (f_гр = 10…100 МГц) и высокочастотные (выше 100 МГц). Эти особенности (с учетом материала полупроводника) находят свое отражение в маркировке БТ, которая состоит из букв и цифр: первая буква (цифра) Г или 1 – германиевые, К или 2 – кремниевые, А или 3 – арсенидгаллиевые; вторая буква Т – транзистор; следующие цифры 1, 2, … 9 – группа по мощности и частоте; две последние цифры – порядковый номер разработки. Например, КТ201…299 – кремниевые транзисторы малой мощности средней частоты. Если в разработке у идентичных транзисторов имеются различия в некоторых параметрах, то в конце маркировки ставятся буквы А, Б, В, Г, Д, ….

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Однокаскадные усилители

Обобщенная схема усилителя, содержащая входную и выходную цепи, управляемый источник и цепь ОС, приведена на рис. 3.2, но в реальных схемах некоторые из этих узлов могут отсутствовать. Рассмотрим сначала однокаскадные усилители, среди которых наибольшее распространение получили повторители напряжения, повторители тока и усилители напряжения.

Повторители напряжения (ПН) – это усилители с коэффициентом передачи по напряжению К _U»1. Их часто используют для усиления сигнала по току, а также в качестве буферных усилителей для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением. ПН могут быть выполнены на транзисторах, электронных лампах и ОУ. Простейшей схемой ПН является эмиттерный повторитель (ЭП) – частный случай ПН на БТ, включенным по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3 а), и эквивалентной схемой для режима малого сигнала (РМС) (рис. 3.3 б), из которой видно, что U _вых = U _вх, т.е. K_U = 1.

Из этой же схемы, полагая I _К = b I _Б, нетрудно получить

                     ;              (3.1)

                                                    (3.2)

          или, с учетом влияния R _Э,

                                           .                                    (3.3)

В реальности, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8), значение K_U будет несколько меньше единицы,

                                             ,                                       (3.4)

однако значительное усиление по току (b = 50…200), большое входное (сотни кОм) и малое выходное (доли Ома) сопротивления обеспечивают этому ПН неплохие буферные свойства.

Аналогично, в качестве ПН могут использоваться катодный (ПН на ЭВТ, рис. 3.4 а) и истоковый (ПН на ПТУП, рис. 3.4 б) повторители, имеющие практически одинаковую схему замещения (рис. 3.4 в), из которой

                                     ,                               (3.5)

где S – крутизна выходной ВАХ. Следует заметить, что по сравнению с ЭП повторители на ЭВТ и ПТ имеют очень большое R _вх (сотни МОм) и довольно высокое R _вых (500…1000 Ом), что необходимо учитывать при их использовании в качестве буферных каскадов.

Иногда при использовании ЭП усиление по току одного транзистора (b) оказывается недостаточным. В этих случаях вместо одного БТ можно использовать составной транзистор (схему Дарлингтона, рис. 3.5), для которого эмиттерный ток Т₁ равен базовому току Т₂, а общий коэффициент усиления по току равен

                                               ,                                         (3.6)

т.е. значения K_I, R _вх и R _вых ЭП будут определяться теми же формулами (3.1) – (3.3) с заменой b на b _S. Далее, поскольку Т₁ работает в микрорежиме (b ₁< b ₂), то быстродействие схемы будет несколько хуже. Поэтому для ускорения переходных процессов в Т₂ часто параллельно его переходу база–эмиттер включают дополнительное сопротивление R _Д (рис. 3.5).

Повторители тока (ПТ) – это усилители с коэффициентом усиления по току K_I = 1. Простейшая схема повторителя тока на БТ, включенным по схеме с общей базой (ОБ), приведена на рис. 3.6 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.6 б.

Из схемы замещения видно, что эмиттерный ток и коэффициент усиления ПТ по току определяются согласно

             ,      (3.7)

а коэффициент усиления по напряжению –

                           .                     (3.8)

При этом, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8),

                                      R _вх» r _Э; R _вых = r _К || R_H.                                 (3.9)

Характеристики ПТ на ЭВТ и полевых транзисторах аналогичны (3.7) – (3.9), т.е. обеспечивают низкое R _вх, высокое R _вых и K_I» 1, а также отсутствие фазового сдвига между U _вх­ ­ (I _вх) и U _вых­ ­ (I _вых).

Усилители напряжения (УН) – могут быть выполнены на БТ, ПТ, электронных лампах, а также на ИС операционных усилителей (ОУ). Простейшая схема однокаскадного усилителя напряжения на БТ, включенным по схеме с общим эмиттером (ОЭ), представлена на рис. 3.7 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.7 б, из которой (без учета С_Э) следует

, т.е. в предположении I _Б» 0 коэффициент усиления схемы                                                            

                                         ,                                 (3.10)

 или, с учетом внутреннего сопротивления эмиттера r _Э,

                                             .                                     (3.11)

Из (3.11) следует, что при R _Э = 0 К _U будет иметь конечное значение . Следует отметить, что знак минус в формулах (3.10), (3.11) соответствует сдвигу фазы U _вых по сравнению с U _вх на 180°.

Если использовать Т–образную схему замещения БТ (рис. 2.8), то без учета С_Б, С_Э можно получить

               .       (3.12)

  Учет влияния С_Б, С_Э и частотных свойств самого БТ приводит к «завалу» АЧХ усилителя напряжения на нижних и верхних частотах (рис. 3.8), поскольку R _вх и r _Э приобретают комплексный характер, отражающийся на поведении , который на ни