Принцип усиления

ЛЕКЦИЯ- ПЭ № 7 От 26.11.2014 г

Биполярный и полевой транзисторы и их усилительные свойства

Биполярный транзистор (БПТ), принцип усиления.

2. Полевой транзистор (ПТ) и его усилит. св-ва.

Усилительный каскад (УК) на БПТ

4. Домашнее задание на простейший расчет УК на БПТ

Определение. Биполярным транзистором (БПТ) называется П-пр прибор с двумя p-n переходами и тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), предназначенный для усиления, генерирования и преобразования эл. сигна-лов.

Существуют два типа БПТ с переходамиn-p-n и p-n-p, у которых два вида носителей зарядов (основные и неосновные) и которые одновременно участвуют в функционировании БПТ.

Основные (в эмиттере) – это п - электроны в n-p-n или р - дырки – в БПТ типа p-n-p. Противоположные в полярности заряды (в базе) считают соответственно неосновными. Эти два вида носителей заряда и определяют название «биполярный». В идеале БПТ - это встречное соединение двух диодов: одного – в проводящем направлении (эмиттер – база), а другого – в обратном (запорном) – коллектор-база, при этом на эмиттере полярность внешнего напряжения при работе БПТ должна соответствовать знаку заряда основных носителей, а на двух остальных электродах (базе и коллекторе) – должна быть противоположной (см. рис. 1).

Рис1. Графический символ, структура и диодный эквивалент

Принцип усиления

Например, в БПТ n-p-n (рис.2) (в котором на базе «+») положительная полуволна входного сигнала добавляет положительный потенциал (плюс) на базе транзистора, повышая электропроводность перехода база-эмиттер, вследствие чего ток базы увеличивается. Этот процесс интенсивного введения электронов из основной области (эмиттера) в неосновную (базу) называется инжекцией. Так возникает эмиттерный ток . Но электроны этого тока не успевают рекомбинировать с дырками базы из-за ее малой толщины и оптимально малой концентрации в ней дырок. Поэтому мгновенно вступает в действие процесс экстракции - интенсивное втягивание этих электронов в положительно заряженный коллектор благодаря его сильному электрическому полю. Возникает коллекторный ток

(1)

Усиление обусловлено тем, что большой выходной экстрактируемый ток , зависящий от большого напряжения питания Е_к, во много раз больше малого инжекционного (управляющего) тока в силу соответствующей несораз-мерности величин напряжений . При этом выходное напряжение , отбираемое от источника питания , изменяется по закону изме-нения входного сигнала и определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи в соответствии с уравнением (2), названным в усилитель-ной технике выходной динамической характеристикой или нагрузочной прямой.

(2)

Рис. 2. Упрощенная схема, характеризующая принцип усиления в БПТ

Из этого выражения видно, что выходной сигнал инвертирован (перевернут по фазе), так как увеличение разностного члена I_кR_н понижает напряжение на нагрузке U_кэ = U_вых = U_н и, наоборот, его уменьшение - увеличивает U_кэ.

Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:

(3)

В усилителе на БПТ с дырочной электропроводностью, т.е. типа p-n-p, работа происходит аналогично, однако, все полярности на электродах транзистора противоположны. Простейшая схема рис.2 называется схемой с общим эмиттером. Название «с общим эмиттером» и другими (с ОБ или ОК) означает, что данный электрод является общим для входной и выходной цепей УК, рис. 3.

Рис. 3. Упрощенные схемы трех включений БПТ (ОБ,ОЭ,ОК)

2

Полевой транзистор (ПТ) и его усилит. св-ва.

Определение. Полевым транзистором (ПТ) называется П-пр. прибор с одним обратно смещенным p-n-переходом и тремя выводами – истоком, затвором и стоком, выходной ток которого обусловлен не инжекциейэлек-тронов (дырок) (как у БПТ), а расширением или сужением p-n перехода за счет потенциала (поля) затвора, предназначенный для усиления и преобра-зования электрического сигнала.

В отличие от БПТ, в ПТ носители тока только одного типа: дырки в ПТ со структурой p-n, либо электроны в ПТ со структурой n-p, поэтому полевые транзисторы часто называют униполярными (рис. 4). Третье название ПТ – канальные, так как ток транзистора протекает в канале «исток-сток», поперечное сечение которого перекрывается за счет расширения поля затвора.

Основное же названию «полевой» обусловлено электрическим полем, возникающем за счет напряжения U_зи между затвором и истоком, который управляет током через канал.

Рис. 4. Схема включения (а) и символы структуры ПТ с каналами n- и p-типов (б)

В усилительном режиме отрицательная полуволна входного напряжения добавляет «минус» на затворе, (рис.4-а) и запирающий слой p-n-перехода расширяется, т.е. ширина n-канала уменьшается, что эквивалентно увеличению его сопротивления и прекращению протекания тока через канал от истока к стоку. При этом, как и в БПТ, небольшие управляющие напряжения на затворе вызывают большие изменения падения напряжении на сопротивлении нагрузки, т. е. в стоковой цепи, т.е. имеет место усиление входного сигнала. Аналогичная биполярному транзистору выходная хар-ка имеет вид:

U_вых = U_си = Е_си – I_с ∙ R_н

Описанный принцип действия ПТ характеризуется так называемый транзистор с управляющим p-n-переходом. Существуют также другие типы полевых транзисторов, например, типов МДП и МОП («металл-диэлектрик-полупроводник» и «металл-окисел-полупроводник»), структуры с индуцированными и встроенными каналами, диффузионными и изолированными затворами и т.д.

ПТ аналогично УК на БПТ может работать в трех схемах включения (рис.5):

Рис. 5. Схемы включения полевого транзистора:
а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

3.

Дата добавления: 2015-07-07