Параметры транзистора: Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Содержание

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так – для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер (U_{бэ}) и ток базы (I_{б}), а выходными – напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название

статических. Другими словами статические характеристики транзистора – это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

I_{КБО} (I_{CBO}) – обратный ток коллектора – ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.
I_{ЭБО} (I_{EBO}) – обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.
I_{КЭО} (I_{CEO}) – аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер – ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.
U_{БЭ} (V_{BE}) – напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.
U_{КБ \medspace проб} (V_{(BR) CBO}) – напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:
U_{ЭБ \medspace проб} (V_{(BR) EBO}) – напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.
U_{КЭ \medspace проб} (V_{(BR) CES}) – напряжение пробоя коллектор-эмиттер
при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.
Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер – U_{КЭ \medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ \medspace нас} (V_{BEsat}).
Конечно же, важнейший параметр – статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером – h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.
f_{гр} (f_{T}) – граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.
И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим – I_{К} (I_{C}) – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Характеристики транзистора- основные параметры

Характеристики транзистора – диаграмма, которая отображает взаимоотношения между электрическим током и напряжением транзистора в конкретной конфигурации. Учитывая, что схемы конфигураций транзисторов аналогичны по отношению к двухпортовым схемам, они могут быть проанализированы с использованием кривых для характеристик, которые могут быть следующих типов:

1. Характеристики входа: они описывают изменения в токе на входе с изменением значений напряжения на входе, удерживающим напряжение на выходе постоянным.

2. Характеристики выхода: это диаграмма, отображающая противостояние тока на выходе и напряжения на выходе при неизменном токе на входе.

3. Характеристики передачи тока: это кривая характеристик, показывающая изменение тока на выходе в соответствии с током на входе, при этом напряжение на выходе постоянное.

Транзистор, который включен по схеме с общей базой

При такой конфигурации базовый вывод транзистора будет общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 1. Данная конфигурация демонстрирует низкое полное сопротивление на входе, высокое полное сопротивление на выходе, высокий коэффициент усиления сопротивления и высокий коэффициент усиления напряжения.

Рисунок 1 Схема с общей базой

Характеристики входа

Рисунок 2 показывает характеристики входа схемы вышеописанной конфигурации, которые описывают изменение тока на эмиттере, IE с напряжением на базе-эмиттере, VBE удерживает напряжение на коллекторе-базе, VCB постоянно.


Выражение для сопротивления на входе выглядит следующим образом:

Характеристики выхода

Характеристики выхода для такой конфигурации (Рисунок 3) демонстрируют изменение тока на коллекторе, IC с VCB, где ток на эмиттере, IE является удерживаемой постоянной. Из показанного графика следует, что сопротивление на выходе может быть получено как:

Рисунок 3 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Рисунок 4 демонстрирует характеристики передачи тока для вышеназванной конфигурации, которые объясняют изменение IC с IE, удерживающим VCB постоянным. Получившийся коэффициент усиления тока имеет значение меньше единицы и может быть математически выражен следующим образом:

Рисунок 4 Характеристики передачи тока

Транзистор, который включен по схеме с общим коллектором

Эта конфигурация транзистора имеет общий вывод коллектора между выводами входа и выхода (Рисунок 5) и также имеет отношение к конфигурации эмиттера. Это обеспечивает высокое полное сопротивление на входе, низкое полное сопротивление на выходе, коэффициент усиления напряжения меньше единицы и значительный коэффициент усиления тока.

Рисунок 5 Схема с общим коллектором

Характеристики входа

Рисунок 6 демонстрирует характеристики входа для этой конфигурации, которые описывают изменение в IB в соответствии с VCB, для обеспечения постоянного значения напряжения на коллекторе-эмиттере, VCE.

Рисунок 6 Характеристики входа

Характеристики выхода

Рисунок 7 показывает характеристики выхода для данной конфигурации, которые демонстрируют изменения в IE против изменений в VCE для постоянных значений IB.

Рисунок 7 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Эти характеристики данной конфигурации (Рисунок 8) показывают изменение IE с IB, удерживающим VCE постоянным.

Транзистор, который включен по схеме с общим эмиттером

В данной конфигурации вывод эмиттера является общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 9. Эта конфигурация обеспечивает среднее полное сопротивление на входе, среднее полное сопротивление на выходе, средний коэффициент усиления тока и коэффициент усиления напряжения.

Рисунок 9 Схема с общим эмиттером

Характеристики входа

Рисунок 10 показывает характеристики входа для данной конфигурации, которая объясняет изменение в IB в соответствии с VBE, где VCE является постоянной.

Рисунок 10 Характеристики входа

Исходя из рисунка, сопротивление на входе может быть представлено как:

Характеристики выхода

Характеристики выхода у такой конфигурации (Рисунок 11) также рассматриваются как характеристики коллектора. Этот график показывает изменение в IC с изменениями в VCE, когда IB удерживается постоянной. Исходя из графика, можно получить сопротивление на выходе следующим образом:

Рисунок 11 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Эти характеристики данной конфигурации показывают изменение IC с IB, удерживающим VCE в качестве постоянной. Это может быть математически выражено как:

Это соотношение рассматривается как коэффициент усиления тока с общим эмиттером, и оно всегда больше единицы.

Рисунок 12 Характеристики передачи тока

Наконец, важно отметить, что несмотря на то, что кривые характеристик были объяснены касательно биполярных плоскостных транзисторов, аналогичный анализ является подходящим даже по отношению к полевым транзисторам.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Характеристики и параметры транзисторов | Основы электроакустики

Транзисторы разделяются на типы (подтипы) по классификационным параметрам. Например,маломощные низкочастотные и среднечастотные транзисторы классифицируются по таким параметрам, как коэффициент усиления по току и предельная частота усиления или генерации. В отдельных случаях особо выделяют шумовые свойства транзисторов, характеризуемые коэффициентом шума, или способность транзисторов работать при повышенных напряжениях на коллекторе.

Маломощные высокочастотные транзисторы классифицируются по статическому коэффициенту усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и модулю коэффициента усиления тока на частоте 10…20 МГц.

Мощные низкочастотные транзисторы классифицируются по максимальному обратному напряжению между коллектором и базой и статическому коэффициенту усиления тока в схеме с ОЭ.

При практическом использовании транзисторов используются следующие параметры.

Параметры постоянного тока используются для расчета режима транзистора по постоянному току. К этим параметрам относятся:

  •  Обратный ток коллекторного перехода Iко — ток через переход коллектор—база при отключенном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе.
  • Обратный ток эмиттерного перехода Iэо — ток через переход эмиттер—база при отключенном коллекторе и заданном напряжении на эмиттере.
  • Начальный ток коллектора Iкн — ток в цепи коллектора при замкнутых эмиттере и базе и заданном напряжении на коллекторе. В некоторых случаях указывается начальный ток коллектора при включении между базой и эмиттером заданного сопротивления.
  •  Ток коллектора запертого транзистора Iкз — ток коллектора при обратном смещении эмиттерного перехода и заданных напряжениях на эмиттере и коллекторе.

Параметры малого сигнала характеризуют работу транзисторов в различных усилителях. Переменные токи и напряжения на электродах транзисторов при измерениях этих параметров должны быть малыми по сравнению с постоянными токами и напряжениями, определяющими выбор начальной рабочей точки (начальное смещение). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в два раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений. Так как транзисторы имеют резко выраженные нелинейные свойства, параметры малого сигнала сильно зависят от выбора начального смещения. Для характеристики таких параметров чаще всего используется система Н-параметров в следующем составе:

  • входное сопротивление Н11 — отношение напряжения на входе к вызванному им изменению входного тока;
  • коэффициент обратной связи по напряжению h22 — отношение изменения напряжения на входе к вызвавшему его приращению напряжения на выходе;
  • выходная проводимость Н22 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения при условии холостого хода по переменному току на входе;
  • коэффициент усиления тока h31 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его приращению входного при условии короткого замыкания выходной цепи.

В зависимости от схемы включения к цифровым индексам добавляется буквенный: б — для схемы с ОБ, э — в схеме ОЭ, к — для схемы с ОК. Применяются и другие символы для обозначения коэффициента усиления по току: для схемы с ОБ — а, а для схемы с ОЭ — В или р.

Измерение Н-параметров, как правило, производится на низкой частоте (50… 1000 Гц). Они используются при расчетах низкочастотных усилителей, преимущественно первых каскадов, работающих на малых сигналах. На высокой частоте коэффициенты усиления тока становятся комплексными величинами (так же как и другие Н-параметры). Усилительные свойства транзисторов на высокой частоте характеризуются модулем коэффициента усиления тока ¦а¦, ¦h31б] или ¦В¦. Частота, на которой значение ¦h31бl уменьшается на 3 дБ (около 30%) по сравнению с Наш, измеренным на низкой частоте, называется предельной частотой усиления тока fa.

Модуль усиления тока в схеме ОЭ уменьшается с ростом частоты более заметно, чем в схеме ОБ. В некоторой области частот параметр ¦h31э¦ обратно пропорционален частоте: ¦h31э¦=Fт/F. Частота F, — граничная частота усиления тока базы. На этой частоте модуль ¦Н21э¦ равен 1. Имеет место приближенное соотношение: fа=mFт где т=2 для бездрейфовых и т=1,6 для дрейфовых транзисторов.

К малосигнальным параметрам относятся также емкости переходов транзистора.

  •  Емкость коллекторного перехода Ск — емкость, измеренная между коллекторным и базовым выводами транзистора при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе.
  •  Емкость эмиттерного перехода Сэ — емкость, измеренная между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере. Значения емкостей Ск и Сэ зависят от приложенного напряжения. Если, например, указано значение Ск при напряжении U, то емкость Скх при напряжении U, можно найти из приближенной формулы: Скх = Cк(U/Uх)m, где m определяется таким же образом, как и в формуле .
  • Максимальная частота генерации Fмакс — наибольшая частота автоколебаний в генераторе на транзисторе. С достаточной точностью можно считать, что Fмакc — частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.
  • Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к части мощности, вызываемой тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума выражается в децибелах. Его значение дается для определенного частотного диапазона. Для большинства транзисторов минимальные шумы наблюдаются при работе на частотах 1000.. .4000 Гц. На высоких и низких частотах шумы увеличиваются. Обычно минимальное значение Рш соответствует малым токам коллектора (0,1…0,5 мА) и малым коллекторным напряжениям (0,5… 1,5 В). Шумы резко увеличиваются при повышении температуры. Приводимые в справочных данных значения Рд, относятся к оптимальному внутреннему сопротивлению источника сигнала и режиму работы, которые и следует использовать при проектировании малошумящих усилителей.

Параметры большого сигнала характеризуют работу в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах. Эти параметры используются для расчета ключевых схем, предоконечных и оконечных усилителей низкой и высокой частоты, автогенераторов.

  • Статический коэффициент усиления по току: Вcт=(Iк-Iко)/(Iб+Iко). В рассматриваемом случае ток коллектора и ток базы существенно превосходят тепловой ток коллектора 1„„, поэтому на практике пользуются формулой: Вст=Iк/Iб.
  • Статическая крутизна прямой передачи Sст — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению на входе транзистора. Параметр Sст используется для транзисторов средней и большой мощности, работающих в схемах, где источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов или определенной глубине насыщения.
  • Глубина насыщения — это отношение прямого тока базы к току, при котором транзистор находится на границе насыщения.Напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при тех же условиях, что и напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.
  • Время рассасывания Тр — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе достигает уровня (0,1…0,3)Е„ — напряжение питания коллекторной цепи). Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора и измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов.

Параметры предельных режимов работы.

  •  Максимальная мощность, рассеиваемая прибором — Раакс- Так как в транзисторах подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода, то эта мощность практически равна максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе.
  • Максимальный ток коллектора — определяет максимальный ток коллектора при максимальном напряжении на коллекторе и максимально допустимой рассеиваемой мощности.
  • Максимальное обратное напряжение между коллектором и базой транзистора — Этот параметр используется обычно для расчета режима работы запертого транзистора или при включении его по схеме ОБ и генератора тока в цепи эмиттера.
  • Максимальное обратное напряжение на переходе эмиттер—база . Этот параметр используется для расчета режима работы, когда на входе действует запирающее напряжение (усилители в режиме В, различные импульсные схемы).
  • Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ макс при условии короткого замыкания эмиттера с базой. В ряде случаев этот параметр приводится при условии включения между базой и эмиттером резистора заданного сопротивления.Параметр Uкэ макс используется при расчетах режима работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и при отсутствии запирающего напряжения или когда оно мало, например, менее 1 В.
  • Максимальные значения токов, напряжений и мощности определяют границы области гарантированной надежности работы. Так как работа в предельном режиме соответствует самой низкой надежности, то использование предельных режимов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.

Практика показывает, что при использовании полупроводниковых приборов в облегченных режимах надежность их работы повышается в десятки раз по сравнению с надежностью в предельном режиме.

Тепловые параметры полупроводниковых приборов устанавливают допустимые пределы или диапазоны температуры окружающей среды и самих приборов, при которых гарантируется их надежная работа Параметры предельных режимов устанавливают­ся исходя из условий обеспечения надежной работы транзисторов. Чтобы радиотехнические устройства на транзисторах работали безот­казно, рабочие режимы транзисторов выбирают такими, при которых ток, напряжения и мощность не превышают 0,8 их максимально до­пустимых значений.

Предельно-допустимые параметры транзистора — КиберПедия

Максимально-допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max. Превышение этого напряжения приведет к пробою транзистора.

Максимально-допустимый ток коллектора Iк max. Превышение этого тока вызовет его перегорание.

Предельно-допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Pк max доп. Если мощность, выделяемая на коллекторе в виде тепла, превышает мощность рассеивания, то транзистор перегреется и сгорит.

Полевые транзисторы

В отличие от биполярных транзисторов в полевых транзисторах управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением.
Устройство одного из типов полевых транзисторов показано на рисунке.

Его основу составляет полупроводник n-типа, с противоположной стороны которого методом диффузии образована область р-типа. На границе р- и n-областей образуется p-n-переход, обладающий большим сопротивлением. Слой полупроводника n-типа, лежащий справа от p-n-перехода, называется каналом. Если между р- и n-областями включить источник напряжения Uзи, то p-n-переход окажется включенным в обратном направлении и его толщина увеличится, что приведет к уменьшению толщины канала. Но чем тоньше канал, тем меньше его поперечное сечение и тем больше сопротивление. Значит, изменяя обратное напряжение между р- и n-областями, можно управлять сопротивлением канала. Поэтому р-область называют управляющим электродом, или затвором полевого транзистора.
Если к каналу подключить второй источник напряженияUси, то через канал потечет ток, созданный движением электронов от нижней к верхней части n-области. Участок n-области, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а участок этой области, к которому они движутся,— стоком.
Ток, протекающий через канал полевого транзистора, зависит от его сопротивления, которое, в свою очередь, определяется толщиной канала. Следовательно, при изменении напряжения затвора Uзи изменяется и ток, протекающий через канал.
Транзистор, структура которого представлена на рисунке, называется полевым транзистором с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Если в качестве исходного материала взять полупроводник p-типа, получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа. У такого транзистора затвор будет образован n-областью, а полярности источников питания Uзи и Uси должны быть противоположны.
Основными характеристиками полевого транзистора с управляющим р-n-переходом являются сток-затворные и стоковые (или выходные) характеристики.

При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается, и ток, протекающий через него, становится близким к нулю. Это напряжение затвора называют напряжением отсечкиUзи.отс.
Кроме полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (их еще называют полевыми транзисторами с р-n-затвором) имеются полевые транзисторы с изолированным затвором. Области истока, стока и канала у них создаются в объеме полупроводника, а затвор выполняется в виде тонкой металлической пленки, расположенной на поверхности полупроводника и отделенной от него диэлектрической пленкой. Таким образом, полевой транзистор с изолированным затвором имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник, и их называют МДП-транзисторами. В качестве диэлектрической пленки часто используется пленка из оксида кремния, полученная при окислении поверхности полупроводника. Такие транзисторы называют также МОП-транзисторами.
МДП-, или МОП-транзисторы могут быть с индуцированным и со встроенным каналами.
Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом показана на рисунке.


В нем р-области стока и истока отделены друг от друга n-областью подложки и образуют с ней два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому независимо от полярности напряженияUси один из p-n-переходов всегда оказывается закрытым, т. е. смещенным в обратном направлении, и ток в цепи сток — исток практически равен нулю. Для того чтобы в этой цепи стал протекать ток, необходимо на затвор подать отрицательное напряжение. Под действием электрического поля, возникшего в подложке у поверхности под затвором, свободные электроны начинают двигаться в глубь подложки. При некотором значении отрицательного напряжения Uзи у поверхности подложки дырок будет больше, чем оставшихся электронов. Произойдет инверсия типа электропроводности приповерхностного слоя под затвором, т. е. в приповерхностном слое образуется область с электропроводностью p-типа, называемая каналом, соединяющая сток и исток. Толщина канала зависит от величины напряжения Uзи.Изменяя Uзи, приложенное к затвору, можно регулировать толщину канала, т. е. сопротивление участка между стоком и истоком, и ток в цепи источника Uси .
Сток-затворные и стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа даны на рисунке.

Напряжение затвора, при котором возникает инверсия электропроводности в приповерхностном слое подложки (появляется канал между стоком и истоком), называют пороговым Uзи.пор.. Стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом существуют только при Uзи.> Uзи.пор .
МДП-транзистор со встроенным каналом в отличие от МДП-транзистора с индуцированным каналом имеет тонкий канал, соединяющий области стока и истока при (Uзи = 0). Подавая на затвор напряжение той или иной полярности, можно увеличивать или уменьшать толщину
этого канала, регулируя тем самым силу тока, протекающего через канал (ток стока).

 

Усилительные свойства полевого транзистора зависят от его малосигнальных параметров, к которым относятся:
крутизнаS, определяемая как отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при постоянном напряжении сток — исток (в мА/В):

внутреннее (дифференциальное) сопротивление переменному току, определяемое как отношение изменения напряжения сток — исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвора (в Ом):

статический коэффициент усиления, рассчитываемый по формуле: μ= Sri

Условно графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке:

 

Методика определения параметров PSPICE-моделей IGBT-транзисторов

В последних версиях программы схемотехнического моделирования PSPICE IGBT-транзистор представлен встроенной моделью [1]. В библиотеках системы PSPICE указываются параметры некоторых типов IGBT-транзисторов для этой модели, однако расчет по ней, как правило, дает большие погрешности [2]. Модель описывается следующими параметрами (на примере транзистора IRGBC30F, для которого представлены достаточно полные справочные данные, а его параметры имеются в стандартной библиотеке):

.MODEL IRGBC30F NIGBT (TAU=264.07E-9 KP=1.6985 AREA=60.000E-6 AGD=7.7500E-6 VT=4.7055 KF=1.9385 CGS=990.49E-12 COXD=3.7832E-9 VTD=-7.2340)

В справочниках приводятся: проходная характеристика Ic от Vge, характеристика насыщения Vce от Ic, зарядная характеристика Vg от Qg, а также времена переключения Tdp, Trs, Tdf, Tfl, энергия включения Eon и полная энергия Etotal для типовой схемы.

На рис. 1 приведены справочные и рассчитанные в PSPICE статические характеристики стандартной модели транзистора IRGBC30F с библиотечными параметрами.

Рис. 1. Статические характеристики IGBT-транзистора IRGBC30F
(сплошной розовой пинией отображены справочные характеристики,
синей прерывистой— расчетные характеристики встроенной модели с библиотечными параметрами,
зеленой прерывистой—расчетные характеристики встроенной модели с параметрами из Model Editor)

Времена переключения и энергии измерялись в типовой схеме [3], изображенной на рис. 2. Результаты сопоставлены со справочными и сведены в таблице 1.

Рис. 2. Типовая схема включения IGBT-транзистора для расчета времен и энергий переключения

Таблица 1.

Как видно из рис. 1 и таблицы 1, библиотечные параметры модели неплохо описывают статические характеристики, но дают очень большую (66%) относительную среднеквадратичную ошибку при расчете времен переключения и энергий.

Для самостоятельного получения параметров приборов в PSPICE применяется программа Model Editor. В ней параметры встроенной модели определяются по справочным характеристикам: проходной характеристике, характеристике насыщения, зарядной характеристике и времени заднего фронта тока Tfl.

Ниже приведены параметры транзистора IRGBC30F, определенные с помощью программы Model Editor:

.MODEL IRGBC30F_ME NIGBT (TAU=240.28E-9 KP=2.0430 AREA=15.500E-6 AGD=6.2000E-6 VT=5.2781 KF=1.0153 CGS=5.3323E-9 COXD=18.116E-9 VTD=-5)

Рассчитанные в PSPICE статические характеристики модели с параметрами из Model Editor приведены на рис. 1.

Результаты измерений времен переключений и энергий с этими параметрами также приведены в таблице 1. Относительная среднеквадратичная ошибка в этом случае немного меньше, но все равно достаточно велика (49%).

Как показывает опыт, подобная же ситуация возникает и с прочими IGBT-транзисторами, содержащимися в стандартной библиотеке.

Таким образом, показано, что имеющиеся параметры приборов и методика определения их параметров при проверке дает низкую точность.

Кроме того, имеющийся в стандартной библиотеке PSPICE набор транзисторов относительно невелик и на сегодняшний день уже устарел. Транзисторов новых поколений в нем нет.

Что делать, если мы хотим использовать при моделировании новые приборы? Модели новых приборов можно отыскать в Интернете на сайтах ведущих фирм-производителей. Однако насколько расчет по найденным таким образом моделям согласуется со справочными данными?

Возьмем для примера с сайта International Rectifier модель транзистора четвертого поколения IRG4PC50F. Текст модели здесь не приводится, так как он довольно объемный, эту модель, как и многие другие модели продукции IRF, можно скачать по адресу http://www.irf.com/ product-info/models/spice/spice.zip. Отметим, однако, что эта модель является не встроенной, а составной, состоящей из МДП и биполярного p-n-p транзисторов. Структура подобной модели подробнее рассмотрена ниже.

На рис. 3 приведены справочные и рассчитанные в PSPICE статические характеристики IRF-модели транзистора IRG4PC50F.

Рис. 3. Статические характеристики IGBT-транзистора IRG4PC50F (сплошной розовой линией отображены справочные характеристики, синей прерывистой — расчетные характеристики по составной модели с параметрами, рассчитанные в МС, зеленой прерывистой — расчетные характеристики по модели с сайт IRF)

Времена переключения и энергии, измеренные в той же типовой схеме, сопоставлены со справочными данными и сведены в таблице 2.

Видно, что динамические свойства модели с сайта IRF плохо соотносятся со справочными данными. Относительная среднеквадратичная ошибка 77%.

Таким образом, видна плохая точность предлагаемых моделей при моделировании переключения IGBT-транзисторов.

Чтобы уменьшить ошибку при моделировании, предлагается использовать известную составную модель IGBT-транзистора [2], состоящую из МДП и биполярного p-n-p транзисторов — подобную той, что используется в модели с сайта IRF (рис. 4). Причем биполярный транзистор работает или в отсечке, или в активной области, а МДП-транзистор — и в отсечке, и в активной, и в насыщении.

Рис. 4. Составная модель IGBT-транзистора

Вообще говоря, такая модель описывается большим числом параметров, что позволяет более гибко настраивать ее характеристики.

Некоторые шаги в этом направлении уже были предприняты ранее [2], однако, как кажется авторам, исследования, опубликованные в этой статье, имеют ряд недостатков. К числу недостатков можно отнести: сопоставление только времен выключения — не учитывались прочие времена и энергии, а главное — отыскание параметров осуществлялось методом подбора.

Используемые параметры биполярного транзистора: Is, Nf, Bf, Vtf, Xtf, Tf. Прочие в списке параметров не указываются.

Параметры МДП-транзистора, используемые в модели: Kp, Vto. Прочие в списке параметров не указываются.

Также в качестве параметров задействованы сопротивления Ron, Rgg, индуктивность эмиттера Le, постоянная емкость Cge=Cgs и параметры нелинейных емкостей Cce и Cgc.

Проходная нелинейная емкость Crss = Cgc = = Cgd здесь записывается как источник тока, зависящий от потенциалов dd-gg следующим образом:

где C0, C1, V1, V2 — параметры нелинейной емкости. Нелинейную емкость Cgd можно задавать и иными способами, например табличным методом. Функция арктангенса была взята здесь только из-за ее плавности и возможности получать постоянное значение емкости при отрицательном напряжении (см. рис. 5).

Рис. 5. Справочные емкостные зависимости и их аппроксимации для транзистора IRG4PC50F

Роль нелинейной емкости Cce здесь играет емкость диода, которая определяется параметрами Cjo, M, Vj.

Параметры составной модели предлагается определять в универсальной математической системе MathCad (МС) следующим образом:

Значение параметров емкостей IGBT-транзи-стора определяется из справочных зависимостей Crss, Ciss, Coss от напряжения и из зарядной характеристики. Емкость Cgs = Ciss — Crss считается постоянной Cgsa и примерно равной первому наклону зарядной характеристики.

Проходная емкость Crss, в основном определяемая емкостью МДП-транзистора Cgd, аппроксимируется с использованием плавной функции atan:

Следует заметить, что практически все IGBT-транзисторы имеют емкостные характеристики, которые трудно аппроксимировать плавными функциями, поэтому провести аппроксимацию по всем точкам справочной зависимости не удается. Однако это не столь существенно — важна верная аппроксимация максимального значения проходной емкости Cgdx при отрицательном напряжении.

Рис. 6. Расчетная и справочная зарядные характеристики транзистора IRG4PC50F

Это максимальное значение Cgdx находится из второго наклона зарядной характеристики:

Емкость Cds = Coss — Crss не столь важна и аппроксимируется обычной степенной функцией, как для диода:

Чтобы определить параметры емкостей в МС, необходимо приравнять значения аппроксимации значениям справочных характеристик и воспользоваться блоком given-minerr. Начальные условия: M = 0.5, V = 1, Co = 1n, C1 = C0 = 0.1, V1 = V2 = 1.

Для транзистора IRG4PC50F значения этих параметров получились следующими: V1 = -0.637, V2 = 0.564, C0 = 4.039n, C1 = 2.57n, Cdso = 2.181n,   Vjds = 2.321,   Mds = 0.886, Cgs = 4.224n, Cgdx = 8.265n.

На следующем графике изображена зарядная характеристика, рассчитанная по емкостным параметрам и соотнесенная со справочной.

Статические параметры определяются в МС на основе кусочно-линейного анализа модели IGBT-транзистора [1]:

Два этих выражения описывают характеристику насыщения и проходную характеристику IGBT-транзистора. Beta = 0,5xKpxW/L, то есть при W = 2u, L = 1u Beta становится равной Kp.

Чтобы определить параметры Is, Nf, Ron, Bf, Beta, Vto в МС, необходимо приравнять значения аппроксимации значениям справочных характеристик и воспользоваться блоком given-minerr.

Начальные условия: Is = 10e -12, Nf = 1.5, Ron = 0.01, Bf = 2, Beta = 2.5, Vto = 5. Следует отметить, что ток МДП-транзистора составляет значительную долю от тока всей структуры, поэтому коэффициент усиления Bf не может быть большим и должен быть сравним с Beta.

Для транзистора IRG4PC50F значения параметров получаются следующие: Is = 3.42e-8, Beta = 1.914, Bf = 2.352, Ron = 0.018, Nf = 1.914, Vto =5.005.

Выключение IGBT происходит так: первым выключается МДП-транзистор, обрывая базу биполярному транзистору, и выключение всего IGBT определяется выключением p-n-p транзистора с оборванной базой. Заряд выводится из него путем рекомбинации, процесс происходит экспоненциально, с постоянной времени Tau. Этап спада Tfp заканчивается, когда ток достигает уровня 0.1 от максимального, откуда Tau:

где Tfp — справочное время спада тока.

Tf связано с Tau следующим образом: Tf = Tau/Bf. Внутреннее сопротивление затвора можно определить из справочной задержки включения, определяемой «полевой» частью IGBT-транзистора:

Здесь Tg — фронт импульса генератора. Начальные условия Rg = 10, Tg = 10ns.

Для транзистора IRG4PC50F значения параметров получаются следующие: Tf = 28.366ns, Rgg = 6.707.

На рис. 3 приведены рассчитанные в PSPICE статические характеристики составной модели с параметрами, определенными в МС. Заметно, что они совпадают лучше, чем характеристики модели с сайта IRF.

Времена переключения и энергии, измеренные в той же типовой схеме, для составной модели с параметрами, определенными в МС, приведены в таблице 2. Видно, что относительная среднеквадратичная ошибка почти вдвое меньше ошибки IRF-модели (30%).

Составная модель обладает большим, нежели было рассмотрено, числом параметров, что придает ей большую гибкость. Однако не все параметры можно определить в МС из-за чрезмерного усложнения аппроксимирующих выражений, которые необходимо записывать в аналитическом виде. Так, например, в МС очень трудно учесть влияние индуктивности, в то же время индуктивность эмиттера Le оказывает большое влияние на динамические процессы. Также большое влияние на динамику оказывают параметры динамического насыщения биполярного транзистора Vtf, Xtf, неучтенные при расчете в МС. Приведенные здесь формулы для расчета Tf и Rgg носят весьма приближенный характер. Кроме того, на динамику оказывает влияние соотношение между параметрами усиления транзисторов Kp и Bf. Если уточнить все вышеперечисленные параметры, то модель может быть настроена еще точнее. Как это сделать?

Подобную настройку можно осуществить при помощи программы параметрической оптимизации PSPICE Optimizer.

Вообще говоря, определение статических параметров Is, Nf, Bf, Ron, Kp, Vto по справочным характеристикам также можно осуществлять в этой программе по характеристике насыщения и проходной характеристике. Для этого указанные параметры внутри модели задаются варьируемыми, в одном проекте помещаются две модели транзистора, подключенные к одному варьируемому источнику напряжения. Для моделирования проходной характеристики источник напряжения является переменным напряжением на затворе, при этом снимается ток транзистора. Для моделирования характеристики насыщения источник напряжения, подключенный к коллектору транзистора через сопротивление, является переменным током коллектора, при этом снимается ток и напряжение коллектора.

В программе Optimizer задаются справочные характеристики Ic от Vge и Vce от Ic, а затем путем варьирования статических параметров снимаемые характеристики приближаются к справочным.

Подбор емкостных параметров при желании также можно осуществлять в этой программе.

Таблица 3.

Однако особенно ценен Optimizer там, где сложно использовать МС — при уточнении параметров Tf, Vtf, Xtf, Bf, Rgg, Le по справочным временам задержек и переключения Tdon, Tr, Tdoff, Tf, а также энергии включения Eon и полной энергии Etotal. Для этого в другом проекте в модели транзистора указанные параметры задаются варьируемыми. Причем, поскольку произведение Bf хKp = 6.599, найденное в МС, определяет статические характеристики, уже верно  нами настроенные,  это  произведение меняться не может. Поэтому в модели МДП-транзистора нужно указать Kp = 6.599/{Bf} и менять только параметр Bf. Модель IGBT-транзи-стора помещается в режим, соответствующий справочному переключению (рис. 2). Снимается осциллограмма тока, по ней фиксируются расчетные значения времен переключения. Кроме того, в проект помещается источник напряжения, пропорциональный произведению тока транзистора и напряжения на нем и подключенный к интегратору, на выходе которого мы имеем напряжение, пропорциональное энергии. Это напряжение снимается при двух моментах времени: после включения транзистора (Eon) и в конце периода (Etotal).

В Optimizer при помощи целевых функций задаются четыре справочных значения времен и два значения энергии, и путем варьирования параметров модели из второй группы расчетные времена и энергии приближаются к справочным. В качестве начальных значений уточняемых параметров берутся параметры, определенные в МС.

Времена переключения и энергии с параметрами, уточненными в Optimizer, приведены в таблице 2. Как видно, относительную среднеквадратичную ошибку удалось уменьшить до 16%.

Таким образом, составная модель IGBT-транзистора, описанная здесь, является более гибкой, чем встроенная модель, в силу большего числа параметров (в статье использовались основные, но не все параметры модели) и может использоваться для моделирования новых типов современных IGBT-транзисторов. Предложенная здесь методика отыскания и уточнения параметров этой составной модели при помощи программ MathCad и Optimizer для моделирования IGBT-транзисторов позволяет получать более достоверные результаты, нежели те, что достигаются при использовании библиотечных параметров или параметров, доступных в Интернете.

Литература
  1. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: «Солон». 1999.
  2. Колпаков А. Моделирование транзисторов IGBT с помощью PSPICE // Компоненты и технологии. 2002. № 8.
  3. Catt J., Chokhawala R., Pelly B. Введение по применению модулей БТИЗ в корпусах 600В, ADD-A-PAK и INT-A-PAK. Силовые полупроводниковые приборы. Книга по применению International Rectifier. AN-988. Пер. с англ. под ред. Токарева В. В. Воронеж. 1995.
  4. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MATHCAD 7.0 в математике, физике и в Internet // М: «Нолидж». 1999.

H-параметры транзистора

Недостатком Т-образной схемы является невозможность непосредственного измерения ее параметров, так как в реальном транзисторе внутренняя общая точка, соединяющая ветви Т-образной схемы, недоступна для присоединения измерительных приборов. Этот недостаток устраняется, если представить транзистор в виде линейного четырехполюсника с парой входных и парой выходных зажимов (рис. 21). Биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник только при усилении переменных сигналов малой амплитуды. Если к транзистору подведено питание постоянного тока и этим задана рабочая точка П на его ВАХ, то при наложении на протекающие токи малых переменных сигналов транзистор в отношении этих сигналов можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи. Эквивалентная схема, приведенная на рис. 21, позволяет нелинейные ВАХ заменить аналитическими линейными выражениями, что дает возможность привлечь компьютерную технику к расчетам электронных схем. Такой четырехполюсник удобно описывать системой h-параметров:

;

.

Чтобы определить h-параметры и выяснить их физический смысл, необходимо осуществить режим холостого хода на входе четырехполюсника и режим короткого замыкания на выходе, что как раз легко выполнить для транзисторов:

– входное сопротивление транзистора

– коэффициент усиления по току

– коэффициент обратной связи по напряжению

– выходная проводимость транзистора

Существует связь между h-параметрами и физическими параметрами транзистора. Для этого необходимо выполнить режим короткого замыкания и холостого хода в Т-образной схеме. Тогда для схемы с ОБ получим:

.

Для схемы с ОЭ:

.

Так как ток базы в раз меньше тока эмиттера (см. выражение (4)), то:

.

Тема 5. Полевые транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, ток в которых обусловлен дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в таком приборе осуществляется за счет изменения проводимости полупроводника с помощью поперечного электрического поля (отсюда название – полевые транзисторы).

В отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы переноса зарядов обусловлены как основными, так и неосновными носителями, в полевом транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных для данного типа полупроводника носителей заряда. Именно этим явлением объясняется второе название транзистора – униполярный.

В настоящее время получили применение две основные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы). Схемные обозначения и графики вольт-амперных характеристик сведены в таблицу и приведены на рис. 22.

Рис. 22. Схемные обозначения и проходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

На рис. 23 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. В исходную пластину полупроводника n-типа на противоположных сторонах методом сплавления (или диффузии) вводятся акцепторные примеси таким образом, чтобы образовались области p-типа. Между областями с противоположными типами проводимости образуется p-n-переход. Область n-типа, заключенная между двумя p-n-переходами, образует проводящий канал. Область, от которой начинают движение основные носители в канале, называется истоком И. Область, к которой движутся основные носители, называется стоком С. Области p-типа, используемые для управления током в канале, образуют затвор З. Между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, чтобы оно создавало обратное смещение p-n-перехода, а напряжение между стоком и истоком имеет такую полярность, чтобы основные носители двигались от истока к стоку.

При увеличении обратного смещения на p-n-переходе область обедненного слоя расширяется и распространяется в область полупроводника n-типа, поскольку для основных носителей в слоях всегда соблюдается условие. Так как в обедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, то электрический ток может быть только в проводящем канале, расположенном между обедненными слоями. Изменяя напряжение, можно изменять поперечное сечение проводящего канала, его проводимость и управлять током транзистора. Другими словами, полевой транзистор можно рассматривать как управляемый резистор.

Сткозатворные (проходные) и стоковые (выходные) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 24, а и б.

а)

б)

Рис. 24. Стокозатворные (а) и стоковые (б) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом

Рассмотрим стокозатворные характеристики. Если напряжение на затворе достаточно велико, то происходит смыкание обедненных областей и ток транзистора становится равным нулю. Напряжение , при котором происходит перекрытие канала, называется напряжением отсечки. При нулевом напряжении на затворе ток транзистора максимальный – ток насыщения стокана рис. 24,а. Изменяя управляющее напряжение в пределах , можно в широких пределах изменять ток стока.

Стоковые характеристики имеют ярко выраженные крутой (область I) и пологий (область II) участки, III – область пробоя. Усилительному режиму транзистора соответствует пологий участок, на котором ток стока практически не зависит от напряжения. Последнее объясняется тем, что ток стока вызывает падение напряжения в самом канале, которое создает дополнительное обратное смещение на управляющем p-n-переходе, в результате чего проводимость канала уменьшается. Имеет место эффект модуляции проводимости канала (эффект самовыравнивания канального тока) за счет внутренней отрицательной обратной связи – с ростом напряжениянаблюдается увеличение напряженияи ток стокаснижается. Выходные характеристики имеют некоторый наклон в основном за счет токов утечки.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (или МДП-транзисторы) имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (представлена на рис. 25). МДП-транзисторы могут изготавливаться либо на полупроводниковой, либо на диэлектрической подложке. В рассматриваемом случае подложкой служит кремний n-типа. Путем окисления кремния на поверхности подложки образуется тонкий изолирующий слой диэлектрика из диоксида кремния SiO2. По этой причине МДП-транзисторы часто называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Через специальные отверстия в диэлектрике методом диффузии в подложке создаются две области p-типа. Межу областями p и n образуются два электронно-дырочных перехода. Одна из p-областей используется в качестве стока, а другая – в качестве истока. Подложку (ее вывод) обычно соединяют с истоком. Полярности приложенных напряжений при нормальном включении транзистора показаны на рис. 25.

При подаче на затвор отрицательного смещения электроны, находящиеся в подложке на границе с диэлектриком, вытесняются вглубь полупроводника и в поверхностном слое подложки образуется проводящий канал p-типа (дырки p притягиваются электрическим полем). От подложки канал отделен изолирующим p-n-переходом (обедненным слоем), смещенным в обратном направлении. Следует отметить, что канал индуцируется только при некотором пороговом значении напряжения . Увеличение напряжения на затвореприводит к увеличению концентрации подвижных носителей (дырок) в канале и ток стока возрастает. В результате стокозатворная ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом будет иметь вид, показанный на рис. 26 (кривая1).

Помимо МДП-транзисторов с индуцированным каналом изготавливаются МДП-транзисторы со встроенным каналом, у которых ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе (рис. 26, кривая2). При подаче на затвор транзистора с каналом p-типа отрицательного смещения возрастает концентрация дырок в канале (режим обогащения) и ток стока увеличивается. При положительном смещении на затворе (режим обеднения) ток уменьшается и при напряжении отсечки становится равным нулю.

Рис. 26. Стокозатворные характеристики МДП-транзисторов с индуцированным (1) и встроенным (2) каналами

Таким образом, управляющее напряжение МДП-транзисторов со встроенным каналом может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку в этих транзисторах проводящий канал существует уже при .

Стоковые характеристики МДП-транзисторов по виду подобны аналогичным характеристикам транзисторов с управляющим p-n-переходом.

В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор управляется напряжением и характеризуется аналогично электронной лампе следующими дифференциальными параметрами:

крутизной характеристики

;

внутренним (выходным) сопротивлением

;

коэффициентом усиления

;

входным сопротивлением

.

Ток затвора для транзистора с управляющим p-n-переходом определяется обратной ветвью ВАХ p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Сопротивлениетаких транзисторов составляет 106-109 Ом. Для МДП-транзисторов входное сопротивление определяется сопротивлением слоя диэлектрика и может достигать 109-1014 Ом.

Полевые транзисторы подвержены влиянию температуры в меньшей степени, чем биполярные, так как в процессе переноса зарядов неосновные носители не участвуют. Аналогично биполярным транзисторам полевые могут включаться тремя различными способами: по схеме с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Схема с ОЗ самостоятельного применения не имеет и используется в качестве составной части более сложных каскадов. Полевые транзисторы очень чувствительны к электростатическому пробою, поэтому необходимо применять специальные защитные меры при эксплуатации этих приборов.

описание, типы, устройство, маркировка, применение.

В  этой статье рассказывается об важно элементе радиоэлектронике — транзисторах. Про принцип действия диодов и их характеристики читайте по ссылке — http://www.radioingener.ru/diody-i-ix-primenenie/

Что такое транзистор.

Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами.

Биполярный (обычный) транзистор

Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем.  В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода.

Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Устройство и структура.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором.

Это три электрода транзистора. Во время работы эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в структуре p — n — р) или электроны (в структуре n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером.

Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n — от базы.

Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — эмиттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными.

Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2).

Изготовление транзисторов.

Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус прибора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах данной серии. Существуют другие способы изготовления, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 — Устройство и конструкция сплавного слева и диффузионно — сплавного справа транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

  • Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
  • Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
  • Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
  • Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность прибора данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений по этой системе :

ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А;

ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г;

КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В.

Применение транзисторов

Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д.

Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты.

Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные приборы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты.

Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты.

Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения.

КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Советую просмотреть обучающий фильм:

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

 

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

 

  • Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств.

  • Включение прибора схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с полупроводником, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
  • Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

  • Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
  • Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении полупроводник включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный прибор.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Рк.max — мощность, превращающуюся в тепло.

 

Полевой транзистор

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G).

И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например — КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы.

Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением.

Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала.

В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных.

Кодовая и цветовая маркировка транзисторов

Все картинки кликабельны. Вы можете нажать и сохранить их себе на ПК, чтобы в дальнейшем пользоваться. Или просто сохраните данную страницу нажав в браузере добавить в закладки.

 

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5 — КТ315, КТ361

И так сказать на закуску классификацию корпусов, чтобы при заказе или обозначении на схеме иметь представление о внешнем виде транзистора

 

Важные параметры транзистора для выбора правильного транзистора для вашего приложения

Транзистор — это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое используется в качестве усилителя или переключателя в электронных схемах. Из этих трех выводов входное напряжение или ток подается на одну пару выводов транзистора, а контролируемое выходное напряжение / ток можно получить через другую пару выводов.

Существуют тысячи различных типов транзисторов, и каждый транзистор имеет разные параметры.Транзисторы сложнее, чем резисторы и конденсаторы, потому что вы можете выбрать резистор или конденсатор в соответствии с требуемым сопротивлением или значением емкости, но при выборе транзистора вы должны искать многие параметры транзистора . Поэтому выбрать подходящий транзистор для вашей схемы — непростая задача.

Ниже приведены некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выборе транзистора.

1. Типовой номер

Типовой номер транзистора — это уникальный номер, присвоенный каждому транзистору.Используя номер типа транзистора, мы можем искать его характеристики и особенности. Существует три основных системы нумерации: JIS, Pro Electron и JEDEC . JIS используется японским промышленным стандартом, Pro Electron — европейским стандартом, а JEDEC — американским стандартом. Если вы создаете схему из Интернета, то ее можно выбрать напрямую, используя типовое количество транзисторов, используемых в исходной схеме.

2. Коэффициент усиления по току (β)

В любой схеме коэффициент усиления транзистора по току является важным параметром.Коэффициент усиления по току обычно обозначается как β или h fe . Ток — это отношение тока базы к току коллектора и мера усилительной способности транзистора. Если вы хотите использовать транзистор в качестве усилителя, выберите транзистор с более высоким коэффициентом усиления по току.

3. Напряжение коллектор-эмиттер (В CEO )

В CEO — это максимальное напряжение, с которым может работать переход коллектор-эмиттер транзистора.Для большинства транзисторов напряжение V CEO обычно составляет 30 В или более и измеряется при разомкнутой цепи базы. Подача напряжения выше V CEO может повредить транзистор. Поэтому перед использованием транзистора проверьте максимальное значение V CEO по даташиту.

4. Напряжение эмиттер-база (В EBO )

В EBO — максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу эмиттер-база. Напряжение выше V EBO может повредить или разрушить ваш транзистор.V EBO относительно меньше, чем V CEO . Максимальное напряжение V EBO обычно составляет 6 В или более для большинства транзисторов и измеряется при разомкнутой цепи коллектора.

5. Напряжение коллектор-база (В CBO )

В CBO — это максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу коллектор-база, и оно измеряется при разомкнутой цепи эмиттера. V CBO обычно составляет 50 В и более.V CBO относительно выше, чем V CEO , потому что напряжение между коллектором и базой часто выше, чем напряжение между коллектором и эмиттером.

6. Ток коллектора (I C )

Коллекторный ток — это максимальный ток, который может протекать через коллектор. Обычно он измеряется в миллиамперах, но для мощных транзисторов он определяется в амперах. Ток коллектора не должен превышать максимальное значение, иначе можно повредить транзистор.Вы можете использовать резистор для ограничения тока коллектора.

7. Общая рассеиваемая мощность (Ptot)

Это полная мощность, рассеиваемая транзистором. Рассеиваемая мощность меняется от транзистора к транзистору. Для небольших транзисторов номинальная мощность составляет порядка нескольких сотен милливатт, но для мощных транзисторов она определяется в ваттах. Рассеивание мощности на устройстве можно рассчитать, умножив ток коллектора на напряжение на самом устройстве.

Итак, вот некоторые основные параметры для выбора подходящего транзистора для вашего приложения. Если вы используете печатную плату, вам также следует проверить тип корпуса транзистора.

Учебное пособие по биполярным транзисторам

, БЮТ-транзистор

В обучающих материалах по диодам мы увидели, что простые диоды состоят из двух частей полупроводникового материала и образуют простой pn-переход, а также узнали об их свойствах и характеристиках.

Если мы теперь соединим два отдельных сигнальных диода друг за другом, это даст нам два PN-перехода, соединенных вместе последовательно, которые будут иметь общий вывод Positve , (P) или Negative , (N).Объединение этих двух диодов дает трехслойное устройство с двумя переходами и тремя выводами, образующее основу биполярного транзистора или для краткости BJT .

Транзисторы — это активные устройства с тремя выводами, изготовленные из различных полупроводниковых материалов, которые могут действовать как изолятор или проводник при приложении небольшого напряжения сигнала. Способность транзистора переключаться между этими двумя состояниями позволяет ему выполнять две основные функции: «переключение» (цифровая электроника) или «усиление» (аналоговая электроника).Тогда биполярные транзисторы могут работать в трех разных регионах:

  • Активная область — транзистор работает как усилитель и Ic = β * Ib
  • Насыщение — транзистор «полностью открыт», работает как переключатель и Ic = I (насыщение)
  • Отсечка — транзистор полностью выключен, работает как переключатель и Ic = 0

A Типичный биполярный транзистор

Слово «Транзистор» — это комбинация двух слов «Варистор передачи», описывающая их режим работы еще на заре развития электроники.Существует два основных типа конструкции биполярных транзисторов, PNP и NPN, которые в основном описывают физическое устройство полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, из которых они сделаны.

Базовая конструкция биполярного транзистора состоит из двух PN-переходов, образующих три соединительных вывода, причем каждой клемме присвоено имя, чтобы отличить ее от двух других. Эти три терминала известны и обозначены как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) соответственно.

Биполярные транзисторы

— это устройства регулирования тока, которые регулируют величину тока, протекающего через них от эмиттера к клеммам коллектора, пропорционально величине напряжения смещения, приложенного к их базовым клеммам, таким образом действуя как переключатель с управляемым током. Поскольку небольшой ток, протекающий через клемму базы, управляет гораздо большим током коллектора, формирующим основу работы транзистора.

Принцип работы двух типов транзисторов PNP и NPN абсолютно одинаков, с той лишь разницей, что они отличаются смещением и полярностью источника питания для каждого типа.

Конструкция биполярного транзистора

Конструкция и обозначения схем для биполярных транзисторов PNP и NPN даны выше, где стрелка в обозначении схемы всегда показывает направление «обычного протекания тока» между выводом базы и выводом эмиттера. Направление стрелки всегда указывает от положительной области P-типа к отрицательной области N-типа для обоих типов транзисторов, точно так же, как для стандартного символа диода.

Конфигурации биполярных транзисторов

Поскольку биполярный транзистор представляет собой трехполюсное устройство, существует три основных способа его подключения к электронной схеме, при этом одна клемма является общей для входных и выходных сигналов. Каждый метод подключения по-разному реагирует на входной сигнал внутри схемы, поскольку статические характеристики транзистора меняются в зависимости от расположения схемы.

  • Конфигурация с общей базой — имеет усиление по напряжению, но без усиления по току.
  • Конфигурация с общим эмиттером
  • — имеет коэффициент усиления по току и напряжению.
  • Конфигурация с общим коллектором
  • — имеет усиление по току, но без усиления по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Как следует из названия, в конфигурации Common Base или заземленной базы соединение BASE является общим как для входного, так и для выходного сигнала. Входной сигнал подается между базой транзистора и выводами эмиттера, в то время как соответствующий выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора, как показано.Клемма базы заземлена или может быть подключена к некоторой фиксированной точке опорного напряжения.

Входной ток, протекающий в эмиттер, довольно велик, так как он является суммой как базового тока, так и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что дает коэффициент усиления по току для этого типа схемы «1. (Единица) или меньше, другими словами, общая базовая конфигурация «ослабляет» входной сигнал.

Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой схему неинвертирующего усилителя напряжения, в которой напряжения сигналов Vin и Vout являются «синфазными».Этот тип транзисторов не очень распространен из-за его необычно высоких характеристик усиления по напряжению. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода с прямым смещением, а выходные характеристики соответствуют характеристикам светодиода.

Также этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет высокое отношение выходного сопротивления к входному или, что более важно, «нагрузочное» сопротивление (RL) к «входному» сопротивлению (Rin), что дает ему значение «Resistance Gain». Тогда коэффициент усиления по напряжению (Av) для конфигурации с общей базой, следовательно, определяется как:

Коэффициент усиления общей базы

Где: Ic / Ie — коэффициент усиления по току, альфа (α) и RL / Rin — коэффициент усиления сопротивления.

Схема с общей базой обычно используется только в схемах однокаскадных усилителей, таких как микрофонный предусилитель или усилители радиочастоты (Rƒ), из-за ее очень хорошей высокочастотной характеристики.

Конфигурация общего эмиттера (CE)

В конфигурации с общим эмиттером или заземленным эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал берется между коллектором и эмиттером, как показано. Этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для усилителей на базе транзисторов и представляет собой «нормальный» метод подключения биполярных транзисторов.

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов. Это в основном связано с тем, что входное сопротивление НИЗКОЕ, поскольку оно подключено к PN-переходу с прямым смещением, а выходное сопротивление ВЫСОКОЕ, поскольку оно снимается с PN-переходом с обратным смещением.

Схема усилителя с общим эмиттером

В этом типе конфигурации ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен токам, текущим в транзистор, поскольку ток эмиттера задается как Ie = Ic + Ib.

Поскольку сопротивление нагрузки (R L ) подключено последовательно с коллектором, коэффициент усиления по току в конфигурации транзистора с общим эмиттером довольно велик, так как это отношение Ic / Ib. Коэффициент усиления транзистора по току обозначается греческим символом Beta (β).

Поскольку ток эмиттера для общей конфигурации эмиттера определяется как Ie = Ic + Ib, отношение Ic / Ie называется Alpha, учитывая греческий символ α. Примечание: значение Alpha всегда будет меньше единицы.

Поскольку электрическая связь между этими тремя токами, Ib, Ic и Ie определяется физической конструкцией самого транзистора, любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к гораздо большему изменению тока коллектора (Ic ).

Тогда небольшие изменения тока, протекающего в базе, будут управлять током в цепи эмиттер-коллектор. Обычно для большинства транзисторов общего назначения Beta имеет значение от 20 до 200. Таким образом, если транзистор имеет значение бета, скажем, 100, то один электрон будет течь от вывода базы на каждые 100 электронов, проходящих между выводом эмиттер-коллектор.

Комбинируя выражения для Alpha, α и Beta, β, математическая взаимосвязь между этими параметрами и, следовательно, текущее усиление транзистора может быть задано как:

Где: «Ic» — ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» — ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — ток, протекающий через вывод эмиттера.

Тогда немного резюмирую. Этот тип конфигурации биполярного транзистора имеет больший входной импеданс, ток и коэффициент усиления мощности, чем у конфигурации с общей базой, но его коэффициент усиления по напряжению намного ниже.Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Это означает, что результирующий выходной сигнал имеет фазовый сдвиг 180 o относительно входного сигнала напряжения.

Конфигурация общего коллектора (CC)

В конфигурации с общим коллектором или с заземленным коллектором коллектор подключается к земле через источник питания, таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Входной сигнал подключается непосредственно к клемме базы, а выходной сигнал берется через резистор нагрузки эмиттера, как показано.Этот тип конфигурации обычно известен как цепь повторителя напряжения или повторителя эмиттера .

Конфигурация с общим коллектором или эмиттерным повторителем очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень высокого входного импеданса, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Схема транзистора с общим коллектором

Конфигурация с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по току, приблизительно равный значению β самого транзистора.Однако в конфигурации с общим коллектором сопротивление нагрузки подключено последовательно с выводом эмиттера, поэтому его ток равен току эмиттера.

Поскольку ток эмиттера представляет собой комбинацию тока коллектора и базы, сопротивление нагрузки в этом типе конфигурации транзистора также имеет как ток коллектора, так и входной ток базы, протекающий через него. Тогда текущий коэффициент усиления схемы определяется как:

Коэффициент усиления общего коллектора

Этот тип конфигурации биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны».Конфигурация с общим коллектором имеет коэффициент усиления по напряжению около «1» (единичное усиление). Таким образом, его можно рассматривать как буфер напряжения, поскольку коэффициент усиления по напряжению равен единице.

Нагрузочное сопротивление транзистора с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, что дает большое усиление по току (как в конфигурации с общим эмиттером), следовательно, обеспечивая хорошее усиление тока с очень небольшим усилением по напряжению.

Рассмотрев три различных типа конфигураций биполярных транзисторов, мы можем теперь суммировать различные отношения между отдельными токами постоянного тока транзисторов, протекающими через каждую ветвь, и их коэффициентами усиления постоянного тока, приведенными выше в следующей таблице.

Взаимосвязь между постоянным током и коэффициентом усиления

Обратите внимание, что хотя здесь мы рассмотрели конфигурации биполярного транзистора NPN , транзисторы PNP можно использовать в каждой конфигурации, поскольку все вычисления будут такими же, как и для неинвертирования усиленного сигнала. Единственная разница будет заключаться в полярностях напряжения и направлениях тока.

Обзор биполярных транзисторов

Подводя итог, можно сказать, что поведение биполярного транзистора в каждой из вышеперечисленных схем сильно различается и дает разные характеристики схемы в отношении входного импеданса, выходного импеданса и усиления, будь то усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности, и это кратко изложено в таблице ниже.

Конфигурации биполярных транзисторов

с обобщенными характеристиками различных конфигураций транзисторов, приведенными в следующей таблице:

Характеристика Обычный
Базовый
Общий
Излучатель
Общий
Коллектор
Входное сопротивление Низкий Средний Высокая
Выходное сопротивление Очень высокий Высокая Низкий
Фазовый сдвиг 0 или 180 или 0 или
Коэффициент усиления напряжения Высокая Средний Низкий
Коэффициент усиления по току Низкий Средний Высокая
Коэффициент усиления Низкий Очень высокий Средний

В следующем руководстве о биполярных транзисторах мы рассмотрим NPN-транзистор более подробно при использовании в конфигурации с общим эмиттером в качестве усилителя, поскольку это наиболее широко используемая конфигурация из-за ее гибкости и высокого коэффициента усиления.Мы также построим графики кривых выходных характеристик, обычно связанных со схемами усилителя, в зависимости от тока коллектора и тока базы.

Модели и параметры транзисторов

| r-Параметры

Модели и параметры транзисторов

:

T-Equivalent Circuit — Поскольку транзистор состоит из двух pn-переходов с общим центральным блоком, должна быть возможность использовать две эквивалентные схемы pn-перехода переменного тока в качестве моделей и параметров транзистора.На рисунке 6-9 показана эквивалентная схема переменного тока для транзистора, подключенного по схеме с общей базой. Резистор r e представляет сопротивление перехода BE, r c представляет сопротивление перехода CB, а r b представляет сопротивление области базы, которое является общим для обоих переходов. Емкости перехода C BE и C BC также включены.

Если в эквивалентной схеме «Модели и параметры транзисторов» просто оставить комбинацию сопротивлений и емкостей, она не сможет учесть тот факт, что большая часть эмиттерного тока вытекает из клеммы коллектора как ток коллектора.Чтобы представить это, генератор тока включен параллельно с r c и C BC . Генератору тока присвоено значение αI e , где α = I c / I e .

Полная схема известна как Т-эквивалентная схема или эквивалентная схема с r-параметром. Эквивалентная схема может быть преобразована в конфигурацию с общим эмиттером или общим коллектором.

Токи на рис. 6-9 обозначены I b , I c и I e (вместо I B , I C и I E ), чтобы указать, что они величины переменного тока, а не постоянного тока.Параметры схемы r c , r b , r e и α также являются величинами переменного тока.

р-Параметры:

Ссылаясь на рис. 6-9, r e представляет сопротивление переменного тока смещенного в прямом направлении BE перехода, поэтому оно имеет низкое значение сопротивления (обычно 25 Ом). Сопротивление обратносмещенного перехода CB (r c ) высокое (обычно от 100 кОм до 1 МОм). Сопротивление базовой области (r b ) зависит от плотности легирования основного материала.Обычно r b находится в диапазоне от 100 Ом до 300 Ом.

C BE — это емкость pn-перехода с прямым смещением, а C BC — емкость обратносмещенного перехода. На средних и низких частотах емкостями перехода можно пренебречь. Вместо генератора тока (αI e ), параллельного r c , можно использовать генератор напряжения (αI e r c ) последовательно с r c . Две модели транзисторов с r-параметром показаны на рис.6-10.

Определение r e :

Поскольку r e — это сопротивление переменному току смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер BJT, его можно определить из графика зависимости I E от V BE . Как показано на Рис. 6-11,

Это аналогично определению динамического сопротивления (r d ) для диода с прямым смещением. Также, как и в случае диода, сопротивление переменному току для перехода BE транзистора может быть рассчитано с точки зрения тока, проходящего через переход.

Как и в случае r ‘ d для диода, r ’ e не включает сопротивление полупроводникового материала устройства. Следовательно, r ’ e немного меньше фактического измеренного значения r e для данного транзистора.

Уравнение 6-2 применимо только к транзисторам при температуре 25 ° C. Для определения r ’ e при более высоких или более низких температурах уравнение должно быть изменено.

h-Параметры:

Было показано, что схемы моделей и параметров транзисторов могут быть представлены схемой r-параметра или T-эквивалентом.В схемах, включающих более одного транзистора, анализ по r-параметрам может быть практически невозможен. Гибридные параметры, или h-параметры, намного удобнее для анализа схем. Они используются только для анализа цепей переменного тока, хотя коэффициенты усиления постоянного тока также выражаются как It-параметры. Модели транзисторов с h-параметрами упрощают анализ транзисторных схем, разделяя входные и выходные каскады анализируемой схемы.

На рис. 6-12 эквивалентная схема с h-параметром с общим эмиттером сравнивается со схемой с r-параметром с общим эмиттером.В каждом случае включен внешний коллекторный резистор (R C ), а также напряжение источника сигнала (v s ) и сопротивление источника (r s ). Обратите внимание, что генератор выходного тока в цепи r-параметра имеет значение αI e , что равно βI b .

Вход в схему h-параметра представлен как входное сопротивление (h , т.е. ), включенное последовательно с источником напряжения (h re υ ce ). Глядя на схему r-параметра, видно, что изменение выходного тока I c вызывает изменение напряжения на r e .Это означает, что напряжение подается обратно с выхода на вход. В схеме h-параметра это напряжение обратной связи представлено как часть h re выходного напряжения υ ce . Параметр h re соответственно обозначается как коэффициент передачи обратного напряжения .

Выход схемы h-параметра представлен как выходное сопротивление (1 / h oe ), подключенное параллельно генератору тока (h fe I b ), где I b — (вход) базовый ток.Итак, h fe I b создается входным током I b , и он делится между выходным сопротивлением устройства 1 / h oe и резистором коллектора R C . I c — ток, передаваемый на R C . Это можно сравнить с эквивалентной схемой с параметром r, где часть тока генератора (βI b ) протекает через r c . Параметр генератора тока (h fe ) обозначается как коэффициент прямого передаточного тока .Выходная проводимость составляет h oe , так что 1 / h oe является сопротивлением.

r π Эквивалентная схема:

Примерная модель h-параметра транзисторной CE-схемы показана на рис. 6-13 (a). В этом случае генератор обратной связи (h re υ ce на рис. 6-12 (b)) не используется. Влияние h re υ ce обычно настолько мало, что им можно пренебречь для большинства практических целей.

Примерная схема h-параметра воспроизведена на рис.6-13 (б) с компонентами, обозначенными как r-параметры; r π = h , т.е. , βI b = h fe I b , и r c = 1 / h oe . Эта схема, известная как гибридная π-модель, иногда используется вместо схемы с h-параметром.

Определение h-параметров:

Буква e в нижнем индексе h , т.е. идентифицирует параметр как величину общего эмиттера, а i означает, что это входное сопротивление.Входные сопротивления с общей базой и общим коллектором обозначены соответственно h ib и h ic .

В качестве входного сопротивления переменному току h , то есть , можно определить как входное переменное напряжение, деленное на входной переменный ток.

Обычно обозначается как,

Это означает, что напряжение коллектор-эмиттер (V CE ) должно оставаться постоянным при измерении h , т.е. .

Входное сопротивление также может быть определено с точки зрения изменения уровней постоянного тока;

Уравнение 6-5 может использоваться для определения h , то есть , исходя из входных характеристик транзистора с общим эмиттером.Как показано на рис. 6-14, ΔV BE и ΔI B измеряются в одной точке характеристики, и вычисляется h , т.е. .

Коэффициент обратной передачи h re также может быть определен в терминах величин переменного тока или как отношение изменений постоянного тока. В обоих случаях входной ток (I B ) должен поддерживаться постоянным.

Коэффициент передачи прямого тока h fe может быть аналогичным образом определен в терминах величин переменного тока или как отношение изменений постоянного тока.В обоих случаях выходное напряжение (V CE ) должно поддерживаться постоянным.

Уравнение 6-8 можно использовать для определения h fe из характеристик усиления тока CE. На рисунке 6-15 показано измерение ΔI C и ΔI B в одной точке характеристик для расчета h fe .

Выходная проводимость h fe — это отношение переменного тока коллектора к переменному напряжению коллектор-эмиттер, и его значение можно определить по выходным характеристикам общего эмиттера (см.рис.6-16).

Общая база и общий коллектор h-параметр:

H-параметры с общей базой и общим коллектором определяются аналогично h-параметрам с общим эмиттером. Они также могут быть получены из характеристик CB и CC. Параметры с общей базой обозначены как h ib , h fb и т. Д., А параметры с общим коллектором обозначены как h ic , h fc и так далее.

Параметры Взаимосвязи:

Производители устройств не указывают значения всех параметров в технических паспортах транзисторов.Обычно указываются только h-параметры CE. Однако h-параметры CB и CC могут быть определены из h-параметров CE. r-параметры также могут быть вычислены из h-параметров CE. Таблица 6-1 показывает взаимосвязь параметров.

Параметры

BJT

Параметры BJT
Верх Параметры биполярного переходного транзистора
Elliott Sound Products

Авторские права © 2018 — Род Эллиотт (ESP)
Страница создана в декабре 2018 года
Обновлено в феврале 2020 года (Коммутационные транзисторы)


Указатель статей
Главный указатель

Содержание
Введение

В транзисторах есть много вещей, которые сбивают с толку как новичка, так и не новичка.Некоторые схемы просты и не требуют большего, чем закон Ома, в то время как другие кажутся намного сложнее. Парадоксально, но часто самые простые схемы вызывают наибольшее количество проблем. Прекрасным примером является схема усилителя BJT, в которой используется только один транзистор и пара резисторов (как показано на рисунке 1). Хотя эту топологию легко превзойти даже самый обычный операционный усилитель для большинства задач, она предлагает довольно простой способ определения параметров транзистора. Есть даже приложения, где это полезно, особенно там, где в цепи нет операционных усилителей, и вам нужен каскад усиления.

Для определения коэффициента усиления по постоянному току требуется всего несколько простых вычислений (он же β / h FE ), с тем преимуществом, что вы можете установить фактические рабочие условия транзистора при настройке теста. Это полезный инструмент, который позволяет вам понять, как работает транзистор, и легко адаптируется к задаче согласования устройств, если вам это нужно. Хотя большинству схем не нужны согласованные устройства, в некоторых случаях это улучшает производительность.

В схемах, показанных ниже, входной разделительный конденсатор выбран так, чтобы обеспечить низкую частоту -3 дБ около 10 Гц.Это не является частью процесса определения характеристик постоянного тока и необходимо только для измерения характеристик переменного тока. Хотя это не обязательно, я ожидаю, что большинство читателей захотят запустить тесты AC, и они информативны (даже если на самом деле не очень полезны). По крайней мере, для определения общей линейности полезен тест переменного тока, который включает в себя измерения искажений — действительно линейная схема не вносит искажений.

Транзистор может находиться в одном из трех возможных состояний: отключенном (ток коллектора незначительный или отсутствует), активном (или «линейном») и насыщенном (напряжение коллектора минимально возможное).Для усиления нам нужно находиться в активной области. Области отсечки и насыщения важны только в схемах переключения. В этих случаях обычно считается, что ток базы должен составлять около 1/10 тока коллектора, независимо от β транзистора. Это означает, что почти любой транзистор будет работать, если он рассчитан на ток и напряжение, используемые в цепи. Хотя часто можно увидеть вопросы о заменах, если вы знаете эти основные факты, вы можете решить для себя, что будет (или не будет) работать.

Бета; β: Это основное обозначение коэффициента усиления прямого тока транзистора.
h fe : Это коэффициент усиления по току для транзистора, выраженный как параметр h (гибридный). Буква «f» означает, что это прямой перевод. характеристику, а буква «е» указывает, что это для общей конфигурации эмиттера. Маленькая буква «h» указывает на небольшое усиление сигнала. h fe и малый сигнал Beta — это то же самое.
h FE : Параметр h FE описывает усиление прямого тока в установившемся режиме постоянного или большого сигнала. Он всегда меньше h fe .

Терминология может быть разной в зависимости от того, какой исходный материал вы просматриваете. Не все согласны с тем, что указанные термины представляют характеристики, и h fe и h FE часто используются как взаимозаменяемые. В конечном счете, терминология не имеет большого значения, если вы понимаете концепцию текущего усиления.Транзисторы — это, по сути, преобразователи тока в ток, поэтому небольшой базовый ток управляет большим током коллектора. Ток эмиттера , всегда , равный сумме токов базы и коллектора.

Примечание: Эта статья предназначена не для того, чтобы показать способ построения простого транзисторного усилителя, а для того, чтобы позволить вам определить параметры транзистора. Схема, показанная на рисунке 1, определенно будет работать как усилитель, но для нее требуются входные и выходные конденсаторы, а входное сопротивление очень низкое.Как показано (и, возможно, удивительно), входное сопротивление составляет около 660 Ом — намного ниже, чем можно было ожидать. Это связано с обратной связью R2, которая действует как для AC , так и для DC. Обратная связь по постоянному току стабилизирует рабочие условия, а обратная связь по переменному току снижает входное сопротивление. Если бы транзистор имел бесконечное усиление, входной импеданс был бы равен нулю !


1 — Определяющие характеристики

В настоящее время мы проигнорируем производительность переменного тока и просто рассмотрим требования к смещению.Схема показана ниже, и ее довольно легко проанализировать, поскольку она очень проста. Однако внешность обманчива. Не требуется много предварительных знаний, чтобы определить, что схема, показанная на Рисунке 1, будет находиться в активной области. Вам нужно только посмотреть номиналы резисторов в цепях коллектора и базы. Поскольку R2 в 24 раза больше значения R1, отсюда следует, что базовый ток будет примерно в таком же соотношении. Если транзистор имеет β около 250 (совсем не редкость), схема должна смещаться к центру диапазона питания (т.е.е. где-то между 5В и 7В).


Рисунок 1 — Смещение обратной связи коллектор-база

Проблема анализа заключается в слове «обратная связь». Все, что происходит на коллекторе, отражается обратно в базу, поэтому напряжение коллектора зависит от тока базы, который, в свою очередь, зависит от … напряжения коллектора ! Транзистор h FE изменяет соотношение между коллектором и базой, и, не зная заранее одного из параметров, просто невозможно точно предсказать, что будет делать схема.

Будет ли напряжение коллектора равным или близким к напряжению питания (отключено), заземлению (насыщено) или где-то посередине (активно)? Единственное, что мы знаем наверняка, — это то, что он будет где-то посередине между двумя крайностями. При условии, что транзистор исправен (это должно быть задано), напряжение на коллекторе не может упасть до нуля или достичь напряжения питания. В первом случае базе всегда требуется некоторый ток для транзистора, чтобы проводить, а во втором случае, если транзистор имеет ток базы, он должен потреблять ток коллектора.Следовательно, на резисторе коллектора всегда должно быть некоторое напряжение (даже небольшое).

Даже знание коэффициента усиления транзистора не очень помогает, потому что процесс является итеративным. Вам нужно будет сделать предположение о напряжении коллектора и выполнить несколько расчетов, чтобы увидеть, дает ли это разумный ответ, а затем скорректировать свое предположение в большую или меньшую сторону, пока вы не придете к окончательному значению. Гораздо проще построить (или смоделировать) схему, чем пытаться угадать (несколько нелинейную) сеть обратной связи.

Как правило, можно с уверенностью предположить, что напряжение коллектора будет примерно вдвое меньше напряжения питания для транзисторной схемы, предназначенной для использования в качестве линейного усилителя. Конечно, могут быть исключения, и фактическое напряжение коллектора может сильно отличаться от вашего первого предположения. Снова посмотрите на рисунок 1 и примите β равным 240 для Q1 (на основе отношения между R1 и R2). Это означает, что его базовый ток составляет 1/240 тока коллектора. Поскольку на R1 (коллекторный резистор) около 6 В, ток должен быть около 6 мА.Это означает, что базовый ток можно оценить в 25 мкА. Напряжение на R2 (коллектор к базе) можно рассчитать по закону Ома (но мы проигнорируем напряжение база-эмиттер) …

V = I × R = 25 мкА × 240 кОм = 6 В

Если бы это было ваше первое предположение, вы были бы очень близки ! Ваша первоначальная оценка может оказаться невозможной, если вы недооцените усиление, потому что мы знаем, что напряжение на R2 не может быть больше, чем Vce — Vbe (около 5,3 В). Например, если ваше первое предположение об усилении было 150, напряжение на R2 будет слишком высоким (около 9.6 В при 40 мкА). Если вам не нужно точное определение (которое не является ни необходимым, ни полезным), этого на самом деле достаточно ! Я знаю, что поначалу это может не казаться так, но учтите, что в производстве транзисторы одного и того же базового типа имеют «разброс» усиления, что означает, что никакие два транзистора не гарантируют одинаковых результатов. Напряжение между базой и эмиттером также варьируется — обычно оно составляет 650 мВ (0,65 В), но это зависит от конкретного транзистора, тока базы и температуры.

Важно то, что большая точность не имеет значения. Если схема спроектирована правильно (а на самом деле сложно сделать это «неправильно» с этой конкретной топологией схемы), она будет работать так, как задумано, почти независимо от используемого транзистора. Никогда не следует ожидать, что такая схема будет иметь выходное напряжение переменного тока более 500 мВ — 1 В (среднеквадратичное значение), при этом ее искажения должны оставаться ниже 1%.


2 — Согласование транзисторов

Может не быть очевидным, что схема, показанная на рисунке 1, может быть исключительно полезной.Это не будет как усилитель, но он позволяет очень точно согласовывать транзисторы. В первую очередь необходимо определить ожидаемый ток коллектора, и знание напряжения коллектор-база, которое будет применяться в цепи, требующей согласованных устройств, также может помочь. Например, усилитель мощности может использовать шины питания ± 35 В, а входной каскад может работать с общим током , равным 4 мА () (задается «хвостовым» током длинно-хвостовой пары). Однако на самом деле вам не нужно обеспечивать полное напряжение коллектор-база, которое в конечном итоге будет использоваться.

Теперь вы знаете, что ток через каждый транзистор должен быть 2 мА. Источник питания 20 В отлично подойдет для большинства тестов, но хорошие результаты все же можно получить при более низком напряжении. Основываясь на таблице данных транзистора, вы можете получить разумную первоначальную оценку h FE и использовать коллекторный резистор, который упадет примерно на 2 В при 2 мА (1 кОм). Затем выберите соответствующий резистор коллектор-база или обманите и используйте резистор 1 МОм последовательно с потенциометром 1 МОм. Транзистор следует установить в три гнезда гнезда ИС или использовать беспаечный макет.Например, если у используемых транзисторов h FE = 200, то вы знаете, что сопротивление резистора должно быть около 1,72 МОм.

Если у вас есть настройка потенциометра, при которой на резисторе 1 кОм падает 2 В, ток составляет 2 мА. Затем просто устанавливайте транзисторы, пока не найдете пару с одинаковым падением напряжения на сопротивлении коллектора и тем же напряжением база-эмиттер. Неизбежно возникнет небольшое несоответствие, потому что найти два, которые на идентичны , маловероятно, но если они находятся в пределах (скажем) 5% друг от друга, это вполне приемлемо.При установке в печатную плату два транзистора должны быть термически связаны, и это гарантирует, что тепловые изменения одинаково влияют на оба устройства.


3 — Характеристики переменного тока

В моделировании с тремя разными типами транзисторов (2N2222, BC547 и 2N3904) выходное напряжение переменного тока составляет 161 мВ, 170 мВ и 132 мВ (среднеквадратичное значение) для входа 1 мВ от источника 50 Ом. Отклонение от максимального к минимальному усилению составляет лишь часть 2 дБ, а это очень разных устройств.Поучительно взглянуть на их таблицы данных, чтобы увидеть, насколько они разные, но все они работают почти так же хорошо, как и другие, без изменения схемы. 2N3904 имеет меньшее усиление, но два других работают почти одинаково. Искажения не вызывают нареканий, но этого ожидают от каскада с высоким коэффициентом усиления без обратной связи.

Обратите внимание, что одноступенчатый усилитель, такой как этот, представляет собой , инвертирующий , и не имеет значения, используете ли вы вентиль (вакуумную лампу), BJT, JFET или MOSFET. При работе с заземленным эмиттером, катодом или источником все устройства инвертируют.Положительный вход вызывает отрицательный выход и наоборот.


Рисунок 2 — Смещение обратной связи коллектор-база (измерения переменного тока)

Заманчиво думать, что усиление по переменному току транзисторного каскада определяется усилением по постоянному току (β или h FE ). Это совсем не так, хотя они связаны. Транзистор функционирует как преобразователь тока в ток, где небольшой ток на базе управляет большим током в коллекторе (и эмиттере).Хотя это описывает действия, которые происходят внутри самого устройства, мы, как правило, прикладываем большую часть наших усилий к усилителям напряжения и . Однако одно без другого не существует.

Например, мы можем легко вычислить, что β 2N3904 составляет около 200, однако, если коллектор питается от очень высокого импеданса, мы можем довольно легко получить усиление переменного напряжения более 3300. Этот метод на удивление распространен и используется почти во всех усилителях мощности в качестве каскада «усилителя класса A» (также известного как VAS — «усилитель напряжения»).Питание коллектора осуществляется от источника постоянного тока. Это обеспечивает желаемый ток, но с исключительно высоким импедансом. («Идеальный» источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление.)

Выше я говорил, что показанные здесь схемы включают обратную связь. Это может быть не сразу очевидно, но R2 (коллектор к базе) является резистором обратной связи. Обратная связь отрицательная, поэтому, если напряжение коллектора пытается подняться, доступен больший базовый ток (через R2), и транзистор включается немного сильнее, пытаясь сохранить стабильное напряжение коллектора.Эта обратная связь действует как на сигналы переменного, так и на постоянный ток, а входное сопротивление очень низкое. Фактически, входной импеданс показанной схемы составляет менее 1 кОм (в диапазоне от 650 до 750 Ом), что делает его полезным только для источников с низким импедансом. Это одна из многих причин того, что показанная схема не является распространенной — схемы с очень низким входным сопротивлением и высокими искажениями обычно не считаются полезными для большинства аудиоприложений.

Не то, чтобы это мешало использовать его в те времена, когда транзисторы были дорогими и все еще находились в процессе понимания большинством разработчиков.Однако даже тогда он использовался только для «нетребовательных» приложений, где его ограничения не были замечены. Сегодня большинство людей не станет беспокоиться, потому что есть операционные усилители, которые настолько дешевы, гибки и точны, что нет смысла использовать непредсказуемую схему с таким количеством ограничений.


4 — Результаты измерений

Ради удовольствия, я установил схему выше, как показано на рисунке. Источник питания был 12 В постоянного тока, и я использовал несколько транзисторов. Большинство из них были типа BC546 (показаны только результаты 4 тестов), но от двух разных производителей, и я также протестировал несколько устройств BC550C.Я даже тестировал BC550C с перевернутыми эмиттером и коллектором (в конце концов, это биполярные транзисторы ). Результаты измерений представлены в таблице (искажения не измерял). Напряжение база-эмиттер (Vbe) составляло около 680 мВ для тестов BC546, но не измерялось для BC550.

В CE (постоянный ток) ч FE (вычислено) Выход переменного тока (среднеквадратичное значение) Коэффициент усиления переменного тока
BC546
5.94 В 276 1,52 В 152
5,80 В 291 1,52 В 152
5,77 В 293 1,52 В 152
7,20 В 177 1,24 В 124 (-1,8 дБ)
BC550C
4,36 В 498 2,04 В 204
4.31 В 508 2,04 В 204
3,65 В 675 2,12 В 212 (+0,3 дБ)
4,83 В 414 1,92 В 192 (-0,5 дБ)
BC550C Перевернутое положение !
8,39 В 112 255 мВ 25,5
Таблица 1 — Измеренные характеристики постоянного и переменного тока

Результаты интересные.Совершенно очевидно, что при измерении низкого напряжения коллектора транзистор имеет высокий коэффициент усиления (постоянный ток) и наоборот. Что не так очевидно, так это причина изменения выходного напряжения переменного тока при входном среднеквадратичном значении 10 мВ от генератора 50 Ом. Точно так же несколько транзисторов показывают одинаковый коэффициент усиления по напряжению, даже если очевидно, что их h FE отличается. Вы можете ожидать, что усиление переменного напряжения будет связано с транзистором h FE , но, очевидно, здесь есть нечто большее.

Частично причиной является собственное сопротивление эмиттера « r e » (обычно известное как «маленький r e»), которое составляет примерно 26 / Ie (в миллиамперах).Если ток эмиттера составляет 2,6 мА, тогда против составляет 10 Ом. Это неточная цифра, но в целом она достаточно близка для грубых расчетов. Поскольку он изменяется с током эмиттера, отсюда следует, что коэффициент усиления по напряжению также изменяется вместе с током эмиттера, поэтому коэффициент усиления отличается для положительного входного сигнала (который увеличивает Ie) и отрицательного входного напряжения (который уменьшает Ie). В результате r e изменяется с уровнем сигнала, вызывая искажения. Также стоит отметить, что тест с «настоящими» транзисторами и моделирование дают удивительно близкие ответы.

Во многих ранних звуковых конструкциях использовались сравнительно высокие напряжения питания, чтобы минимизировать изменение r e за счет уменьшения изменения тока для заданного выходного напряжения. Большая часть этого стала ненужной, когда более совершенные схемы с высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура и отрицательной обратной связью заменили простые транзисторные каскады. Они подробно описаны в статье «Альтернативы операционным усилителям».

Конечным результатом всего этого является то, что вы можете определить параметры транзистора, установив его в схему, подобную показанной здесь.Вам не нужен тестер транзисторов, и результаты, которые вы получите, будут настолько точными, насколько вам когда-либо понадобится. Это базовый анализ схем, который помогает вам понять более сложные схемы и оценить значение основных математических функций. В большинстве случаев для определения характеристик транзистора требуется немного больше, чем закон Ома.

Главный параметр (и тот, который, кажется, интересует большинство людей) — это усиление постоянного тока — h FE или β. Вам нужны только два показания напряжения, чтобы можно было определить коэффициент усиления (при условии, что напряжение питания является фиксированным и известным значением, например 12 В).Измерьте напряжение на коллекторе и базе, общей точкой является эмиттер (в конце концов, — это каскад с общим эмиттером ). Теперь у вас есть все, что нужно для получения прибыли.

Сначала определите ток коллектора Ic. Это устанавливается напряжением на R1, которое составляет Vcc — Vce (предположим, что Vcc составляет 12 В для этого примера). Затем отработайте коллекторный ток. Я буду использовать Vce равным 6 В, но оно редко будет ровно половиной напряжения питания.

Ic = (Vcc — Vce) / R1
Ic = (12-6) / 1k = 6 мА

Теперь вы измеряете базовое напряжение и определяете ток через R2 (240 кОм).Для примера предположим, что 0,68 В. Ток в R2 — это базовый ток.

Ib = (Vce — Vb) / R2
Ib = (6 — 0,68) / 240k = 22,17 мкА

Усиление — это просто Ic / Ib, то есть 6 мА / 22,17 мкА, что составляет 270. Это коэффициент усиления по постоянному току транзистора. Да, это утомительнее, чем считывание с тестера транзисторов, но это точная цифра, полученная в тестируемой цепи. Он будет меняться в зависимости от температуры и тока коллектора, поэтому в данном конкретном случае применяется только .В конечном счете, точная цифра не особенно полезна. Это даже не очень полезно в качестве «показателя качества», потому что коэффициент усиления переменного напряжения схемы не сильно меняется, даже если h FE отличается.

Вы можете использовать такую ​​схему для согласования транзисторов, как описано в разделе 2, если это необходимо для схемы, которую вы строите. Обратите внимание, что Vbe по-прежнему является переменной, и ее необходимо сопоставить независимо от h FE .


5 — Стабилизация усиления напряжения

В большинстве случаев требуется определенный коэффициент усиления, который достигается добавлением еще одного резистора.На рисунке ниже я добавил эмиттерный резистор 100 Ом. Теперь коэффициент усиления определяется отношением R1 к R3 плюс против (внутреннее базовое сопротивление). При 100 Ом, как показано, теоретическое усиление составляет около 9,57, но это не совсем так, потому что транзистор имеет конечное усиление, поэтому обратная связь не может дать точный результат. Однако это не так уж плохо и гораздо более предсказуемо, чем можно было бы ожидать в противном случае.


Рисунок 3 — Резистор эмиттера стабилизирует усиление

Как видно из рисунков, в идеале цепи должны быть повторно смещены, чтобы получить напряжение коллектора, близкое к 6.5 В (на резисторе эмиттера падает небольшое напряжение). Однако даже с одной и той же партией очень разных транзисторов разница между максимальным и самым низким коэффициентом усиления теперь составляет всего 0,15 дБ. Искажения также уменьшаются, но не в той же пропорции, что и уменьшение усиления. Добавление эмиттерного резистора называется дегенерацией эмиттера, и это не то же самое, что отрицательная обратная связь. Это эффективно для стабилизации усиления (например), но не уменьшает искажения, а также «истинную» отрицательную обратную связь.Шум от R3 фактически усиливается этой схемой и всеми подобными устройствами, поэтому, несмотря на уменьшение усиления, шум не будет уменьшен пропорционально.

Не сразу очевидно, что входное сопротивление намного выше, более 11 кОм для каждого моделируемого транзистора. Входное сопротивление (очень грубо) определяется сопротивлением эмиттера (как внутренним, так и внешним), умноженным на коэффициент усиления постоянного тока. Однако на него также влияет отрицательная обратная связь через R2, поэтому это непростой расчет.

Коэффициент усиления дополнительно уменьшается при добавлении внешней нагрузки, поскольку она фактически включена параллельно резистору коллектора (R1). Выходное сопротивление (почти) равно значению R1. На самом деле это немного меньше из-за отрицательной обратной связи через R2 (около 990 Ом при моделировании). Вырождение эмиттера не влияет на выходное сопротивление, в отличие от отрицательной обратной связи, которая уменьшает его пропорционально коэффициенту обратной связи.

Замерил искажения как с эмиттерным резистором, так и без него.При уровне сигнала всего около 230 мВ без R3 искажение составляло 2,5%. Когда был включен R3. усиление упало до 9, и даже при выходе 900 мВ искажение составляло «всего» 0,25%. Хотя это выглядит довольно значительным улучшением, учтите, что ни один из когда-либо созданных операционных усилителей не имеет такого большого искажения на любом уровне выходного сигнала. Также стоит отметить, что симулятор на удивление хорошо оценивает искажения — для тех же условий симулятор показал около 0,24%, что очень близко к измеренному значению.


6 — Ранний эффект

Эффект Раннего назван в честь его первооткрывателя Джеймса Эрли. Это вызвано изменением эффективной ширины базы в BJT из-за изменения приложенной базы к напряжению коллектора. Помните, что при нормальной работе переход база-коллектор имеет обратное смещение, поэтому большее на обратное смещение на этом переходе увеличивает ширину обеднения коллектор-база. Это уменьшает ширину несущей части базы и увеличивает коэффициент усиления транзистора.

Эффект раннего транзистора имеет некоторое влияние на характеристики (для переменного и постоянного тока). При напряжении коллектора 5 В коэффициент усиления почти точно равен 200 (при моделировании, Ib = 20 мкА), при 10 В он возрастает до 215, а при 50 В — до 317. Как видно из графика, наклон довольно линейный. . Отсюда следует, что с изменением напряжения коллектора изменяется и эффективное значение h fe . Графики показаны для трех различных базовых токов — 15 мкА, 20 мкА и 25 мкА (в схеме показан только источник тока 20 мкА).Ток коллектора ниже 2 мА (при напряжении коллектора менее 500 мВ) не отображается, поскольку здесь он не имеет значения. Форма волны переменного тока не включена в тестовую схему или график. Примечательно, что даже при напряжении коллектора 500 мВ транзистор работает нормально.


Рисунок 4 — Схема тестирования раннего воздействия (2N2222)

Существует также изменение r e по мере изменения тока коллектора, но я не пытался количественно оценить это в показанных тестах (это становится актуальным только тогда, когда ожидается напряжение усиление).Нагрузочный резистор коллектора не используется, поскольку базовый ток поддерживается на постоянном (и очень низком) значении. Во всем показанном ниже диапазоне коэффициент усиления по переменному току изменяется примерно в 1,6: 1 для диапазона тока, показанного на рисунке 5, и при напряжении коллектора от 1 до 50 В. Коэффициент усиления переменного напряжения почти прямо пропорционален току коллектора. Коэффициент усиления по переменному току был измерен, хотя это и не показано в тестовой схеме или графике. При подаче в базу сигнала 1 мкА (пика) коэффициент усиления по переменному току изменяется с минимума примерно 110 при токе коллектора 4 мА до 165 при 6.Ток коллектора 5 мА. Коэффициент усиления по напряжению не имеет отношения к этому тесту, потому что контролируется только ток.


Рисунок 5 — Ранний эффект (2N2222)

Хотя изучение Early Effect — интересное наблюдение, оно не особенно полезно для простых каскадов усиления. В более сложных схемах (особенно линейных ИС) обычно напряжение коллектора транзистора поддерживается постоянным, насколько это возможно. Это можно увидеть, например, на входном каскаде большинства усилителей мощности, где значительная часть усиления всей схемы создается во входном каскаде.Когда для входа используется пара с длинным хвостом, напряжение коллектора входных транзисторов не меняется очень сильно (если вообще изменяется), поэтому колебания усиления из-за напряжения коллектор-база сводятся к минимуму — но только при использовании в инвертирующей конфигурации.

Это относится к , а не к , когда операционный усилитель работает в неинвертирующем режиме. Следовательно, для усилителя с единичным усилением напряжение между коллектором и базой может варьироваться от примерно 28 В (пиковое отрицательное входное напряжение) до всего 2 В (пиковое положительное входное напряжение).Эта модуляция напряжения может привести к изменению усиления входных транзисторов на ± 10% или более из-за эффекта Раннего (хотя, вероятно, это не единственная причина повышенных искажений). Более высокие искажения в неинвертирующей конфигурации — хорошо известное явление для операционных усилителей, хотя в компетентных устройствах любое искажение, которое добавлено и , остается значительно ниже порога слышимости. Некоторые устройства имеют настолько низкие искажения, что их практически невозможно измерить независимо от топологии.

Также стоит отметить, что если для переключения используется транзистор, вам необходимо обеспечить гораздо больший базовый ток, чем вы могли бы подумать. Это связано с тем, что при очень низких напряжениях коллектора коэффициент усиления транзистора по току намного ниже, чем указано в таблице данных. «Здравый смысл» состоит в том, чтобы гарантировать, что базовый ток для схемы переключения составляет примерно 1/10 тока коллектора, хотя при низком токе часто можно обойтись меньшим током. Для показанного 2N2222, если коммутируемый ток коллектора составляет 50 мА, вы должны обеспечить базовый ток около 5 мА, чтобы гарантировать, что напряжение коллектора во включенном состоянии не превышает 100 мВ.В таблице данных указано, что напряжение насыщения (транзистор полностью открыт) составляет 300 мВ, ток коллектора составляет 150 мА, а базовый ток — 15 мА. Это указывает на то, что h FE всего 10, чтобы получить полное насыщение. В техническом описании вы только дошли до этого места, и вам нужно провести собственные тесты, чтобы получить реалистичные цифры. Очень важно проверить несколько устройств — тест, основанный на одном транзисторе, не покажет вам вероятных результатов с разными устройствами, даже если все они из одной партии.


7 — переключающие транзисторы

Раньше BJT были преобладающей технологией для коммутации в цифровых системах (TTL — транзисторно-транзисторная логика). В то время как устройства CMOS (дополнительные металлооксидные полупроводники) заняли львиную долю в цифровых схемах, транзисторные переключатели остаются очень распространенным явлением. Для высокой мощности мы склонны думать о MOSFET как о наиболее распространенном переключателе, но IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) теперь являются лучшим вариантом для приложений с высоким напряжением и током.

Транзисторы, используемые в коммутационных приложениях, не работают в линейном режиме — это для усилителей. Транзистор либо выключен (нет тока коллектора, кроме небольшого тока утечки, который почти всегда можно игнорировать), либо он полностью включен в состоянии, известном как насыщение. Бета (или h FE ) важна только для того, чтобы позволить разработчику определить, какой базовый ток необходим для принудительного насыщения. Все коммутационные системы будут подвергаться большему, чем ожидалось, рассеиванию энергии в момент включения или выключения.Это потому, что переходы не мгновенные. В основном это не проблема, но это может стать важным, если сигнал переключения (управляющий транзистором) имеет медленные переходы. Если в активной области проводится слишком много времени (между включенным и выключенным), пиковое рассеивание может быть намного выше ожидаемого.

Транзисторные переключатели очень часто используются для включения светодиодов и реле, а также для многих других простых коммутационных приложений. Транзисторы NPN или PNP могут использоваться в зависимости от полярности, и многие простые схемы в значительной степени полагаются на BJT в качестве переключателей.Есть несколько сюрпризов, и схемы обычно легко рассчитать, чтобы получить соответствующий базовый ток, соответствующий нагрузке. Следующая схема распространена в проектах из бесчисленных источников, а также используется для переключения реле с выходов микроконтроллера (часто только 3,3 В при довольно низком токе).


Рисунок 6 — Базовая схема переключения

Нагрузка показана как реле, но это может также быть вентилятор постоянного тока, светодиод или небольшая лампа накаливания. Мы будем знать напряжение питания и (обычно) ток нагрузки.Используя пример реле, если катушка имеет сопротивление 250 Ом и рассчитано на 12 В, мы можем определить ток по закону Ома (48 мА). Если мы используем микроконтроллер с выходами 3,3 В, нам нужно знать только «худший случай» усиления (h FE ) для транзистора, чтобы определить значение R b . Если Q1 — это BC546, мы можем взглянуть на таблицу и увидеть, что он может выдерживать 65 В (V CEO ) при токе до 100 мА. Минимальное значение h FE равно 110, поэтому для управления реле базовый ток должен быть на как минимум на , вдвое больше минимально допустимого (большинство разработчиков стремятся к 5-10-кратному расчетному базовому току).При нагрузке 48 мА базовый ток не превышает 436 мкА, поэтому допустим 2 мА. Это немного меньше предложенного × 5, но все же вполне нормально.

Поскольку напряжение база-эмиттер будет 0,7 В, а у нас есть базовое «питающее» напряжение 3,3 В от микроконтроллера, закон Ома говорит нам, что значение R b должно быть 1,3 кОм (2,6 В при 2 мА). Для удобства мы будем использовать ближайшее стандартное значение 1,2k (или 1k). Это простое упражнение демонстрирует, насколько легко определить значения, необходимые для 100% надежной работы.Любое другое приложение переключения так же просто.

Одна из интересных особенностей простых транзисторных ключей (в отличие от пар Дарлингтона или Шиклая) заключается в том, что напряжение коллектор-эмиттер упадет всего до нескольких милливольт. Вы можете ожидать, что напряжение коллектора будет основано на напряжении база-эмиттер, но это не так. При описанных значениях напряжение V CE будет около 110 мВ, но с увеличением тока базы оно еще больше упадет. Даже как показано на рисунке, мощность, рассеиваемая в Q1, составляет всего 5.28 мВт, что незначительно.

Конечно, это не всегда так, потому что транзистор имеет конечное время переключения, а в худшем случае — когда он «наполовину включен» (т.е. напряжение коллектора 6 В при повышении или понижении). В показанной схеме будет нагрузка 24 мА при напряжении коллектора 6 В, поэтому пиковая рассеиваемая мощность составляет 144 мВт. Это намного меньше, чем максимальное непрерывное рассеивание (500 мВт), и нам не нужно ничего менять. 144 мВт — это переходное состояние, которое обычно длится менее 100 мкс, если вход переключается достаточно быстро.

Точно такой же набор простых вычислений можно использовать для любой схемы переключения транзисторов. Эти схемы очень легко спроектировать, но необходимо соблюдать все шаги, чтобы гарантировать надежность. Если бы реле было заменено вентилятором, потребляющим 200 мА, в техническом паспорте говорится, что BC546 нельзя использовать (максимум 100 мА), и выбранному транзистору потребуется больший базовый ток. BC639 может справиться с текущим и худшим случаями рассеивания мощности. Однако минимальное усиление (согласно таблице данных) составляет всего 40, поэтому вам понадобится базовый ток не менее 5 мА, но предпочтительно 10 мА.Это может быть больше, чем может предоставить микроконтроллер (или другой источник), и я оставляю это в качестве упражнения для читателя, чтобы выработать способ достижения желаемых результатов.

Помните, что для переключения вам необходимо подать , как минимум, на , вдвое превышающий ожидаемый базовый ток, и обычно обеспечивают до десяти раз больше, чтобы вызвать полное насыщение транзисторного ключа. Схемы переключения BJT становятся менее привлекательными при очень высоком токе, потому что базовый ток эффективно «тратится».Он не влияет на ток нагрузки и является просто еще одной частью схемы, которая должна питаться от источника питания. Использование транзистора Дарлингтона является (или использовалось раньше) обычным явлением, поскольку h FE очень велик (до 1 кОм), поэтому для насыщения требуется гораздо меньший базовый ток. Однако , Дарлингтон не может снизить напряжение коллектора до уровня ниже 700 мВ, а при высоком токе оно может достигать 3 В.

Например, TIP141 рассчитан на ток коллектора 10 А и усиление 1000 при 5 А.Напряжение насыщения при токе коллектора 5 А и базовом токе 10 мА составляет 2 В, поэтому он будет рассеивать 10 Вт даже при переходе в режим насыщения. Это потраченная впустую мощность, которую должен обеспечивать источник питания, но она не может использоваться нагрузкой. Время переключения также довольно велико, поэтому работа на высоких скоростях не рекомендуется. Транзистор должен быть установлен на радиаторе для поддержания безопасной рабочей температуры.

Это одна из многих причин, по которым полевые МОП-транзисторы предпочтительны для переключения с высоким током.Современный МОП-транзистор может иметь сопротивление во включенном состоянии (R DS на ) примерно 40 мОм, а при нагрузке 5 А напряжение на устройстве будет всего 200 мВ, рассеивая 1 Вт. Ток затвора равен нулю в установившемся режиме, но должен быть достаточно высоким во время переключения (до 2 А или около того, в зависимости от скорости переключения). Однако этот высокий ток длится очень короткий период, обычно значительно ниже 100 мкс. Пиковое рассеивание (во время переключения) может достигать 15 Вт с описанной схемой, но в среднем будет менее 600 мВт.Сравните это с рассеянием 10 Вт для транзистора Дарлингтона, и легко понять, почему полевые МОП-транзисторы стали выбором №1 для коммутации. При таком низком общем рассеивании небольшого участка плоскости печатной платы обычно достаточно в качестве радиатора !


Выводы

Главное здесь — продемонстрировать основы самого простого смещения транзистора и выяснить, сколько всего можно узнать из некоторых простых наблюдений. Хотя я настоятельно рекомендую создать и протестировать его, я рекомендую использовать вместо , если для чего-нибудь.Его можно использовать для согласования, но основная цель — узнать, как транзистор работает в цепи. Реальная топология не имеет значения для транзистора. Он может выполнять только одну задачу — преобразовывать небольшой базовый ток в гораздо больший ток коллектора. Создавая его, вы узнаете, что он делает на самом фундаментальном уровне.

Также поучительно посмотреть на характеристики переменного тока. В частности, обратите внимание, что вырождение эмиттера (также известное как «местная обратная связь») не так эффективно для уменьшения искажений по сравнению с «истинной» отрицательной обратной связью.В то время как два показанных теста показывают, что коэффициент усиления по переменному току снижается примерно в 17 раз (коэффициент усиления по напряжению снижен со 160 до 9,3), искажения уменьшаются менее чем в 6. При отрицательной обратной связи улучшение примерно пропорционально коэффициенту уменьшение коэффициента усиления разомкнутого контура. Не менее важно, что отрицательная обратная связь также снижает шум , в то время как дегенерация эмиттера часто усугубляет его.

Ни в одну из вышеперечисленных не включены попытки количественно оценить коэффициент отклонения источника питания (PSRR) цепей.Это показатель того, насколько хорошо схема может ослаблять шум источника питания, пульсации и т. Д. Он не был включен по одной простой причине — он настолько плох, что означает, что стабилизированный (или очень хорошо сглаженный) источник питания имеет важное значение. Напряжение шины питания должно быть полностью свободным от каких-либо шумов, потому что полные 50% от всех шумов питания попадают на выход.

Транзисторы гораздо более линейны, чем принято считать, если напряжение и / или ток коллектора не меняются. Это невозможно в реальной схеме, но большинство входных каскадов усилителей мощности и операционных усилителей работают с почти постоянным напряжением, и изменяется только ток.Ситуация меняется в каскаде усилителя класса A (он же VAS — каскад усилителя напряжения), но он всегда работает с (близким к) постоянным током, и на этот раз изменяется только напряжение. Большинство входных каскадов усилителей мощности и операционных усилителей вносят значительный вклад в усиление и работают только с небольшими (часто незначительными) изменениями напряжения из-за сигнала, а также с очень небольшими изменениями тока. Когда вы вынуждены работать в широком диапазоне напряжений, синфазное входное напряжение значительно изменяется, что приводит к более высоким искажениям (синфазным искажениям).

Выполнение тестов, подобных описанным здесь, важно не только для вашего собственного понимания, но и для обеспечения согласованности результатов, если схема будет построена другими (возможно, в рамках проекта). Например, все проекты, опубликованные на сайте ESP, учитывают обычные варианты транзисторов. Поскольку мы знаем, что никакие два компонента никогда не будут идентичными, разработчик должен учитывать типичный разброс параметров частей, полученных конструкторами. Если бы это было не так, многие проекты ESP не работали бы !

Обратите внимание, что крики «Я знал это — JFET (или клапаны / вакуумные лампы) звучат лучше!» неуместны, потому что их искажение обычно выше, чем у BJT, и здесь задействованы различные нелинейные эффекты.Нет сомнений в том, что полевые транзисторы (и, в меньшей степени, IMO, клапаны) имеют свое место в схемотехнике (в том числе в операционных усилителях), но «превосходное» качество звука не входит в их достоинства. Нельзя сказать, что операционные усилители на входе JFET звучат «плохо» с любой точки зрения — есть несколько таких операционных усилителей с отличными характеристиками (и качеством звука). Каждое известное усилительное устройство является нелинейным, и различны только причины (и способы устранения). Использование ламп в схемах с очень низким уровнем искажений обычно обеспечивает производительность, даже не приближающуюся к приличному операционному усилителю.

Коммутационные схемы остаются очень распространенными, и для работы с низким током трудно превзойти BJT. Базовый ток низкий, и он может быть получен от низкого напряжения. Если у вас есть доступное напряжение более ~ 1,5 В, легко создать надежный коммутатор, который легко выдерживает напряжение до 100 мА. Процесс проектирования прост, и результат обычно очень надежный, если конструкция оптимизирована. Они также легкодоступны и дешевы — два фактора, которые обычно желательны (особенно для крупносерийного производства).В большинстве случаев замена проста, если оригинальная деталь не известна или снята с производства.


Список литературы

Эта статья была частично вдохновлена ​​Гарри Пауэллом (адъюнкт-профессором и ассоциированным кафедрой программ бакалавриата) из UVA (Университет Вирджинии) и основана (частично) на лаборатории «Основы 2» в области электротехники и компьютерной инженерии. Оригинал называется «Лаборатория ECE 2660 для модуля 6». Направленный материал был связан с тем, что Гарри увидел статью, описывающую тестер постоянного тока коллектора h FE для транзисторов — проект 177.

  1. Ранний эффект (Википедия)
  2. Разработка с низким уровнем искажений с помощью высокоскоростных операционных усилителей (Джеймс Л. Карки — Texas Instruments SLYT113)
  3. Электроника Примечания

Нет других ссылок, потому что показанные методы довольно распространены, а представленные данные были результатами моделирования и экспериментов на рабочих станциях для проверки результатов.



Основной индекс
Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2005. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана и авторские права © декабрь 2018 г./ Обновлено в феврале 2020 г. — добавлены переключающие транзисторы.


«Параметры супер-бета-транзистора», автор Ho-An Au

Абстрактные

Транзисторы с коэффициентом усиления по току от 1 000 до 10 000 при уровне тока коллектора всего 1 мкА теперь могут быть выполнены в дискретной и монолитной форме. Эти устройства обычно называют супер-бета-транзисторами или транзисторами с супер-усилением. Хорошо известно, что малая ширина базы дает транзистор с высоким бета-коэффициентом.По мере того, как эмиттер распространяется глубже в базу, уменьшая ширину базы, коэффициент усиления по току увеличивается. Но есть компромисс между напряжением пробоя и усилением тока. Когда эмиттер сильно рассеян, обедненная область перехода коллектор-база может проникать в базу и доходить до эмиттера, что приводит к короткому замыканию коллектор-эмиттер. Однако, остановив диффузию эмиттера во времени, можно практически создать супер-бета-транзистор. Недостатком супер-бета-транзистора является пробой напряжения коллектор-эмиттер менее 5.0 вольт. Это необычно низкое напряжение пробоя не позволяет использовать его в стандартных схемах. Однако он может быть изготовлен одновременно с высоковольтными транзисторами. Было показано, что доступны схемные методы, а именно самонастройка и каскодные соединения, которые используют преимущества сильноточного усиления одного типа транзистора и высокого напряжения пробоя другого типа, создавая эквивалент высоковольтного устройства с высоким коэффициентом усиления. Этот транзистор — новое устройство. Он имеет применение в первом каскаде операционного усилителя.Для устройства требуются низкие токи смещения, поэтому нежелательное выходное напряжение смещения может быть минимизировано, а высокий коэффициент усиления по току может быть важным для минимизации шума. Целью этого исследования является изучение параметров характеристик супер-бета-транзистора, поведения слабого сигнала, поведения большого сигнала и шума — чтобы лучше понять устройство. В этом исследовании используются два типа супер-бета-транзисторов. Оба они являются дискретными устройствами npn; двойной монолитный кремниевый планарный транзистор супер-бета типа IT124 и супер-бета-транзистор типа PR1.IT124 производится Intersil Incorporated и доступен на коммерческой основе; Тип PR1 — это опытный образец производства National Semiconductor.

Рекомендуемое цитирование

Ау, Хо-Ан, «Параметры супер-бета-транзистора» (1972). Электронные диссертации . 4623.
https://openprairie.sdstate.edu/etd/4623

Транзисторы

— обзор | Темы ScienceDirect

8.4.3 Силовые транзисторы

Транзистор представляет собой трехслойное трехполюсное устройство.Это может быть биполярный переходной транзистор (BJT) или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET). Транзисторы обычно классифицируются производителем в соответствии с их областью применения:

Малосигнальные транзисторы общего назначения предназначены для работы с малой и средней мощностью (менее 1 Вт) или для коммутации.

Силовые транзисторы предназначены для работы с большими токами и / или большими напряжениями.

Транзисторы RF (радиочастоты) предназначены для высокочастотной работы, например, в системах связи.

BJT представляет собой транзистор NPN или PNP, показанный на рис. 8.40, с тремя выводами: базой, коллектором и эмиттером. BJT иногда считают двумя диодами, соединенными последовательно, чтобы получить структуру n-p-n или p-n-p.

Рисунок 8.40. BJT: структура (вверху) и символ схемы (внизу), транзистор NPN (слева) и транзистор PNP (справа)

Протекание тока базы (I B ) позволяет увеличить ток коллектора (I C ) для поток.Ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. BJT действует как усилитель тока, хотя во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя BJT с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать усиление как тока, так и напряжения.

MOSFET представляет собой транзистор nMOS или pMOS, показанный на рис. 8.41, с тремя выводами: затвор, сток и исток. Некоторые полевые МОП-транзисторы также имеют четвертое соединение, основную часть или подложку, но с трехконтактным устройством основная часть внутренне соединена с истоком транзистора.

Рисунок 8.41. MOSFET: структура (вверху) и обозначение схемы (внизу), nMOS-транзистор (слева) и pMOS-транзистор (справа)

Приложение напряжения между затвором и истоком (V GS ) MOS-транзистора (напряжение больше чем пороговое напряжение для транзистора) позволяет протекать току стока (I D ). Вход затвора в транзистор является емкостным, и в устройстве протекает только небольшой ток затвора (ток утечки в неидеальном конденсаторе). (В простом анализе предполагается, что этот ток затвора равен нулю для идеального конденсатора.) МОП-транзистор использует входное напряжение для управления выходным током. Во многих случаях этот ток пропускается через резистор для создания напряжения. Соединяя полевой МОП-транзистор с резисторами (и конденсаторами), полученные схемы могут обеспечивать выход напряжения и тока.

И BJT, и MOSFET могут использоваться для создания схем усилителя или аналоговых фильтров (линейные приложения) или коммутационных приложений (нелинейные приложения). Примеры приложений для силовых транзисторов:

Управление двигателем постоянного тока

Управление двигателем переменного тока

Управление шаговым двигателем

выходной каскад аудиосигнала усилителя, управляющего динамиками)

импульсных источников питания

Для силового транзистора безопасная рабочая область (SOAR) определяет безопасные пределы работы транзистора с точки зрения рабочих напряжений и токи для непрерывной работы (уровни постоянного тока и напряжения), а также для уровней, которые превышают область непрерывной работы в течение ограниченного периода времени.При использовании в качестве переключателя (особенно применимо для управления двигателем) время включения и выключения также необходимо учитывать, чтобы гарантировать правильную работу схемы, в которой используется транзистор. Если схема пытается слишком быстро включать и выключать транзистор, транзистор не может реагировать достаточно быстро, и результатом будет неправильная работа схемы.

Выбор силового транзистора для использования зависит от ряда факторов:

наличие транзистора, способного работать до требуемых уровней напряжения, тока и температуры

максимум транзистора рассеиваемая мощность

подходящий корпус — корпус транзистора (два примера показаны на рисунке 8.42) требуется для крепления транзистора к печатной плате или корпусу и для отвода тепла, выделяемого внутри корпуса.

Рис. 8.42. Примеры корпусов силовых транзисторов

размер транзистора

материал корпуса (пластик, керамика или металл) — когда в корпусе корпуса используется металл, один из выводов устройства должен быть электрически подключен к корпусу

Сопротивление включения и выключения — когда полевой МОП-транзистор используется в качестве переключателя

стоимость

Когда транзистор используется в качестве усилителя, создается схема усилителя. один из пяти классов усилителя (Таблица 8.13). Каждый класс имеет рейтинг эффективности, который описывает количество мощности, подаваемой на нагрузку схемы (например, электродвигателя), в процентах от мощности, подаваемой на усилитель. 100-процентный КПД означает, что усилитель не рассеивает мощность (в виде тепла), но 100-процентный КПД недостижим.

Таблица 8.13. Классы усилителя

Класс усилителя Описание
Класс A Транзистор проводит в течение всего периода входного сигнала.КПД низкий, максимум 25%.
Класс B Транзистор проводит в течение одной половины периода входного сигнала. КПД выше, максимум около 78%.
Класс AB Усилитель работает где-то между классом A и классом B.
Класс C Транзистор проводит менее половины периода входного сигнала. КПД приближается к 100%, но дает большие искажения входного сигнала.
Класс D Транзистор используется в качестве переключателя (ВКЛ или ВЫКЛ) и производит усилитель с хорошим КПД. Их часто называют переключающими усилителями или переключаемыми усилителями.

Силовые транзисторы могут использоваться в управлении двигателем, чтобы обеспечить управление скоростью, положением или крутящим моментом двигателя. Пример схемы транзисторного усилителя для управления скоростью электродвигателя постоянного тока показан на рисунке 8.43:

Рисунок 8.43. Регулирование скорости двигателя без обратной связи

Схема работает от двухканального источника питания, где + V S — положительное напряжение источника питания, а –V S — отрицательное напряжение источника питания.

Пользователь устанавливает положение потенциометра для получения напряжения, которое представляет требуемую скорость двигателя.

Выход потенциометра буферизируется с помощью операционного усилителя.

Выход операционного усилителя управляет усилителем класса B.

Усилитель класса B управляет двигателем постоянного тока.

В усилителе класса B используется один транзистор NPN и один транзистор PNP.Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) положительно (по отношению к общему узлу), NPN-транзистор проводит. Ток течет от положительного источника питания к общему узлу через двигатель, и двигатель вращается в одном направлении. Когда входное напряжение (выходное напряжение операционного усилителя) отрицательное (по отношению к общему узлу), транзистор PNP проводит. Ток течет от общего узла к отрицательному источнику питания через двигатель, и двигатель вращается в другом направлении.Два диода с обратным смещением подключены к узлам коллектор-эмиттер транзистора и используются для защиты транзисторов от высоких напряжений, которые могут возникнуть из-за быстро меняющихся токов в индуктивных катушках двигателя.

Это пример системы без обратной связи, в которой напряжение, приложенное к двигателю от схемы контроллера, заставляет двигатель вращаться. Изменение напряжения двигателя приведет к тому, что двигатель будет вращаться с другой скоростью. Одна потенциальная проблема с этой компоновкой заключается в том, что скорость двигателя изменяется в зависимости от различных нагрузок, подключенных к выходному валу двигателя, даже когда приложенное напряжение является постоянным.

Если скорость вала двигателя измеряется с помощью тахогенератора, напряжение генерируется в соответствии с фактической скоростью двигателя. Если это напряжение затем подается обратно в схему контроллера, как показано на рисунке 8.44, создается замкнутая система, и этот сигнал обратной связи может использоваться для автоматической регулировки скорости двигателя вверх или вниз. Здесь усилитель мощности (символ треугольника) представляет собой схему транзисторного усилителя. Пользовательский ввод устанавливает требуемую скорость, а схема контроллера автоматически регулирует скорость двигателя до правильного значения.Динамика результирующей системы управления зависит от динамики двигателя и используемого алгоритма управления.

Рисунок 8.44. Управление скоростью двигателя с обратной связью

Система управления, показанная на рисунке 8.44, может быть реализована путем разработки цифровой схемы управления с аналоговым входом и выходом. Базовая компоновка показана на Рисунке 8.45. Здесь CPLD реализует алгоритм цифрового управления, такой как пропорционально-интегральное (PI) управление. Скорость двигателя устанавливается пользователем с помощью аналогового напряжения.Полярность вводимой команды определяет направление вращения вала двигателя, а величина определяет скорость вращения вала двигателя.

Рисунок 8.45. Пример управления двигателем постоянного тока через CPLD

Цифровой выход контроллера обеспечивает ввод данных в n-разрядный ЦАП. Выходное напряжение ЦАП подается через схему преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая обеспечивает вход для усилителя класса B. Схема преобразования сигнала на основе операционного усилителя вырабатывает выходное напряжение в диапазоне, требуемом для каскада усилителя мощности.Выход усилителя обеспечивает напряжение и ток, необходимые для вращения двигателя в любом направлении.

Тахогенератор вырабатывает напряжение постоянного тока с полярностью, определяемой направлением вращения вала двигателя, и величиной, определяемой скоростью вращения вала двигателя. Это напряжение служит входом для схемы преобразования сигнала на базе операционного усилителя, которая изменяет уровни напряжения тахогенератора до уровней, требуемых n-разрядным АЦП. АЦП преобразует напряжение обратно в цифровое значение, которое обеспечивает цифровое представление напряжения аналогового тахогенератора.

Схема в CPLD обеспечивает функции цифрового алгоритма управления, который управляет напряжением, подаваемым на двигатель.

Каждый АЦП и ЦАП в конструкции требует своего собственного опорного сигнала (обычно напряжения).

Последней частью схемы является источник питания, который получает доступное напряжение источника питания и выдает уровни напряжения источника питания, необходимые для каждой части конструкции.

Примером коммерческого биполярного силового транзистора является транзистор 2N3772 NPN от ST Microelectronics.Это мощный кремниевый транзистор, помещенный в металлический корпус TO-3, и находит применение в таких областях, как линейные усилители и устройства индуктивной коммутации. В Таблице 8.14 приведены типичные абсолютные максимальные номинальные значения для силового транзистора в различных условиях эксплуатации.

Таблица 8.14. Типовой лист технических данных Абсолютные максимальные значения

An352 Примером коммерческого силового МОП-транзистора является N-канальный транзистор STF2NK60Z от ST Microelectronics.Это мощный кремниевый транзистор, доступный в следующих корпусах: TO-92, TO-220, IPAK и TO-220FP. Внутри транзистора находятся защитные стабилитроны. Приложения включают маломощные зарядные устройства, импульсные источники питания и управление люминесцентными лампами.

Определения МОП-транзисторов

Определения МОП-транзисторов
  • МОП n-типа: основными носителями являются электроны.
  • МОП p-типа: большинство носителей — дырки.

  • Положительное / отрицательное напряжение, приложенное к затвору (по отношению к подложке), увеличивает количество электронов / дырок в канале и увеличивает проводимость между истоком и стоком.

  • V т определяет напряжение, при котором МОП-транзистор начинает проводить. Для напряжений менее В т (пороговое напряжение) канал отключен.
  • При нормальной работе положительное напряжение, приложенное между истоком и стоком ( В DS ).
  • Нет тока между истоком и стоком (I DS = 0) с V GS = 0 из-за двусторонних p-n переходов.

  • Для n-MOS, с V GS > V tn , электрическое поле притягивает электроны, создавая канал.
  • Канал представляет собой кремний p-типа, который превращается в n-тип электронами, притягиваемыми электрическим полем.
  • Три режима на основе величины V GS : накопление, истощение и инверсия.
  • С V DS отличным от нуля, канал становится меньше ближе к стоку.

  • Когда V DS <= V GS — В т (е.грамм. V DS = 3 В, В GS = 5 В и В т = 1V) канал доходит до стока (т.к. V gd > V т ).

  • Это называется линейный , резистивный или ненасыщенный область. Я DS является функцией как V GS и V DS .
  • Когда V DS > V GS — В т (например, V DS = 5В, В GS = 5 В и В т = 1В) канал ущипнул выкл рядом со сливом (начиная с V gd т ).

  • Это называется насыщенной областью.Я DS является функцией V GS , почти не зависит от V DS .
  • МОП-транзисторы можно смоделировать как переключатель, управляемый напряжением. Я DS — важный параметр, определяющий поведение, например, скорость переключателя.

  • Какие параметры влияют на величину I ? DS ? (Предположим, V GS и V DS фиксированы, т.е.грамм. 5В).
  • Расстояние между истоком и стоком (длина канала).
  • тип = диск>
  • Ширина канала.
  • тип = диск>
  • Пороговое напряжение.
  • тип = диск>
  • Толщина оксидного слоя затвора.
  • тип = диск>
  • Диэлектрическая проницаемость изолятора затвора.
  • тип = диск>
  • Подвижность носителей (электронов или дырок).
  • тип = диск>

  • Сводка характеристик нормальной проводимости:
  • Отрезной : накопление, I DS по существу равен нулю.
  • тип = диск>
  • Ненасыщенный : слабая инверсия, I DS зависит от обоих V GS и V DS .
  • тип = диск>
  • Насыщенный : сильная инверсия, I DS идеально не зависит от V DS .
  • тип = диск>
  • V т тоже важный параметр. Что влияет на его стоимость?

  • Большинство из них связано со свойствами материала. Другими словами, V т в значительной степени определяется во время изготовления, а не условиями схемы, как I DS .

  • Например, параметры материала, влияющие на V т включают:
  • Материал проводника затвора (поли или металл).
  • тип = диск>
  • Изоляционный материал затвора (SiO 2 ).
  • тип = диск>
  • Толщина материала ворот.
  • тип = диск>
  • Канальная концентрация легирования.
  • тип = диск>

  • Однако V т также зависит от
  • V сб (напряжение между источником и подложкой), которое в цифровых устройствах обычно равно 0.
  • тип = диск>
  • Температура: изменяется на -2 мВ / градус Цельсия для низких уровней легирования подложки.
  • тип = диск>
  • Выражение для порогового напряжения дается как:
  • Пороговое напряжение (продолж.):

  • Типичные значения V т для транзисторов с каналом n и p +/- 700 мВ.
  • Из уравнений можно изменить пороговое напряжение, изменив:
  • Концентрация легирования (N А ).
  • тип = диск>
  • Оксидная емкость (C бык ).
  • тип = диск>
  • Заряд состояния поверхности (Q FC ).
  • тип = диск>

  • Как видите, часто приходится регулировать V т .
  • Распространены два метода:
  • Изменить Q FC путем введения небольшой легированной области на границе оксид / подложка посредством ионной имплантации.
  • тип = диск>

  • Изменить C бык за счет использования другого изоляционного материала для ворот.
  • тип = диск>
    • Слой Si 3 4 (нитрид кремния) с относительной диэлектрической проницаемостью 7,5 сочетается со слоем диоксида кремния (относительная диэлектрическая проницаемость 3,9).
    • Это приводит к относительной диэлектрической проницаемости около 6.

    • Для диэлектрического слоя такой же толщины C бык больше при использовании комбинированного материала, что снижает V т .
  • В цифровых схемах подложка обычно находится на нуле.
    • Источники n-канальных устройств, например, также удерживаются на нуле, за исключением случаев последовательного соединения, например.г.,
  • Источник-подложка (V сб ) может увеличиваться при этих соединениях, например V сбН1 = 0, но V сбН2 / = 0.
  • V сб добавляет к потенциалу канал-подложка:
  • Идеальное уравнение первого порядка для отрезной регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для линейный регион:

  • Идеальное уравнение первого порядка для насыщенность регион:
  • со следующими определениями:
  • Факторы, зависящие от процесса: .

  • Факторы, зависящие от геометрии: W и L.

  • Вольт-амперные характеристики n- и p-транзисторов.
  • Пример расчета бета транзистора:
    • Типичные значения для n-транзистора в технологии 1 микрон:

    • Как эта бета сравнивается с p-устройствами:

  • Коэффициент усиления n-транзистора составляет примерно 2.В 8 раз больше, чем у p-транзисторов.
  • Характеристики инвертора постоянного тока
  • Регион C — самый важный регион. Небольшое изменение входного напряжения, В в , приводит к БОЛЬШОМУ изменению выходного напряжения, В из .

  • Такое поведение описывает усилитель, вход усиливается на выходе.Усиление называется усилением транзистора, которое дается бета-коэффициентом.

  • И n-, и p-канальные транзисторы имеют бета-версию. Изменение их соотношения изменит характеристики выходной кривой.
  • Таким образом,
  • НЕ влияет на коммутационные характеристики.

  • Какой фактор может служить аргументом в пользу отношения 1 к ? ?

  • Время, необходимое для зарядки или разрядки емкостной нагрузки, равно .

  • Поскольку бета зависит от W и L, мы можем отрегулировать соотношение, изменив размеры ширины канала транзистора, сделав транзисторы с каналом p-типа шире чем n-канальные транзисторы.
  • Параметр, определяющий максимум шум напряжение на входе затвора, что позволяет выходу оставаться стабильным.

  • Два параметра, низкий запас шума (NM L ) и высокий запас шума (NM H ).

  • NM L = разница в величине между максимальным НИЗКОМ выходным напряжением управляющего затвора и максимальным НИЗКОМ входным напряжением, распознаваемым управляемым затвором.
  • Идеальная характеристика: V IH = V IL = (V ОН + V ПР ) / 2.

  • Это означает, что передаточная характеристика должна резко переключиться (высокий коэффициент усиления в переходной области).

  • V IL найдено путем определения точки единичного усиления от V ОН .
  • Следовательно, форма передаточной характеристики и V ПР инвертора влияет соотношение .
  • В общем, низкий запас шума значительно хуже, чем высокий запас шума для Pseudo-nMOS.

  • Псевдо-nMOS был популярен для высокоскоростных схем, статических ПЗУ и PLA.
  • Пример: Расчет запаса шума:
  • Кривая передачи для инвертора псевдо-nMOS может использоваться для расчета запаса помехоустойчивости идентичных инверторов псевдо-nMOS.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Весь товар подлежит гарантии и сертифицирован!Все права защищены .RU
Символ Параметр Единицы
В CE0 Напряжение коллектор-эмиттер (I E = 0) В В В В В CEV Напряжение коллектор-эмиттер (для установленного ненулевого значения В BE ) В
В CB0 Напряжение коллектор-база (I B = 0) В
В EB0 Напряжение эмиттер-база (I C = 0) В
I c Ток коллектора A
I см пиковый ток A
I b Базовый ток A
I bm Базовый пиковый ток A
P tot Общая рассеиваемая мощность при заданных температурных условиях (T C ) Вт
T stg Температура хранения ° C