1. Избрани въпроси от електротехниката Аналогия между електрическо поле и полето на гравитация
Изтегляне 1.43 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- 3. Усилвателни стъпала 3.1. Биполярен транзистор
- 3.2. Полеви транзистори
- 3.3.Усилвателни свойства на транзисторите
Фиг. 2.20 Веригата E; D1; C1; E представлява еднополупериоден токоизправител за отрицателната полувълна, през която кондензаторът се зарежда с показаната полярност. При положителната полувълна диодът D1 се запушва. Източникът Е и кондензаторът С1 се оказват два последователно свързани източника на напрежение. Когато положителната полувълна на променливото напрежение преминава през максималната си стойност, към анода на D2 се прилага удвоената амплитудна стойност на напрежението на източника. Тогава той е отпушен и зарежда кондензатора С2 до тази стойност на напрежението. На Фиг. 2.21 е показан видът на изходното напрежение:
Недостатък на схемата е това, че кондензаторът С2 трябва да издържа цялото изходно напрежение, т.е. пробивното му напрежение трябва да бъде два пъти по-високо от това на С1. Схемите с удвояване на напрежение се използват обикновено в маломощни захранвания за високи напрежения. При тях възниква проблем от това, че при маломощните трансформатори разстоянията между изводите са малки и често пъти не достига пробивна якост на изолацията, а увеличаването на габаритите на трансформатора само заради тези разстояния е нежелателно.
Върху основата на Фиг. 2.20 е съставена схемата от Фиг. 2.22 Тя представлява четири каскадно свързани токоизправителя, всеки от които удвоява напрежението. В резултат се е получила схема на умножител на напрежението по 8. Така могат да се свързват произволен брой удвоители на напрежение и да се получат свръх високоволтови източници. Има обаче един проблем, който се изразява в следното. При първата полувълна на входното напрежение се зарежда първият кондензатор. При втората се зарежда вторият. При третата - третия и т.н., докато не се зареди последният. Това означава, че схемата има голяма инертност. Проблемът се решава, като се избере източник на захранващо напрежение с повишена честота. На практика това се постига, като схемата се захранва от собствен мощен електронен генератор. Честотата му трябва да бъде толкова по-висока, колкото е по-голям коефициентът на умножаване на напрежението. Схемата се използва там, където е необходимо високо напрежение и малък ток - електронни микроскопи, рьонгенови апарати, прахоуловители, медицински уреди и др. 3. Усилвателни стъпала 3.1. Биполярен транзистор Биполярният транзистор притежава полупроводникова структура с два P-N прехода. В зависимост от начина на подреждане на слоевете биват P-N-P и N-P-N. Всичко, което ще се каже в изложението за транзисторите със структура N-P-N, ще важи и за транзисторите със структура P-N-P с тази разлика, че токовете и напреженията са с обратен знак. На Фиг. 3.1 са показани структурите и условните означения на двата вида транзистори. Те притежават три извода, наричани съответно емитер, база и колектор. От фигурата се вижда, че колекторът и емитерът на пръв поглед са равноправни. На практика колекторът се изработва така, че да може да отдава към външната среда топлината, породена от разсейваната върху него мощност. Въпреки това е възможно така нареченото инверсно свързване на транзистора, при което той все пак ще работи, но не в съответствие с показателите, регламентирани от производителя.
Известно е, че когато един P-N преход се свърже в права посока, през него протича ток и P областта се насища със свободни електрони. Следователно докато тече ток, тази P област, в която при нормално състояние има недостиг на електрони, придобива свойствата на N област. Вместо P-N структура възниква структура N-N, т.е. целият кристал става N полупроводник, а N полупровозникът по свойства си е най-обикновен проводник. Същото се случва, когато се отпуши преходът база-емитер на транзистор. На Фиг.3.2. е показана схема, в която се открояват две вериги. В едната източникът е EБ. Свързан е с плюса си към Р областта на базата, а с минуса – към N областта на емитера, при което през прехода база-емитер трябва да протече ток IБ. P-областта на базата се насища със свободни електрони и придобива поведение на N-област. Докато тече базов ток, структурата става N-N-N, при което изчезва и колекторния P-N преход, т.е. целият кристал на транзистора придобива поведение на един общ N полупроводник. Транзисторът се отпушва и протича колекторен ток Iк. Това трае, докато протича базовия ток. Прекъсне ли се той, P-N преходите се възстановяват.
Обикновено базата се изработва много тънка така, че малък брой електрони да са в състояние да я наситят. С други думи малък базов ток е в състояние да управлява големия колекторен ток през транзистора. Зависимостта е правопропорционална с коефициент на пропорционалност β, който е важен параметър на биполярния транзистор. Нарича се коефициент на усилване по ток и се задава в справочниците. По често вместо β, в справочниците фигурира h21E, което е същото, но е един от така наречените h параметри на транзистора, когато той се разглежда като четириполюсник. 
Коефициентът β се приема за постоянен параметър макар, че температурата и стареенето му оказва влияние в известни граници. По-голямо влияние оказва обаче честотата на усилвания сигнал. До определени честоти параметърът β действително е постоянен. От определена честота нататък той започва да намалява и достига честотата fT, при която коефициентът на усилване по ток β става равен на единица (Фиг.3.3.).
Поради тази причина се въвежда понятието динамичен коефициент на усилване по ток, който за наклонения участък на графиката се определя по формулата:  ,
където fT е транзитната честота, fP е работната честота. На Фиг. 3.4 е начертана зависимостта Iк=f(Uб). Тя наподобява съотвенвата волт-амперна характеристика на диода, но умножена по ординатната ос с коефициента β.
Вижда се, че при ниски стойности на базовото напрежение Uб, колекторен ток не протича. Транзисторът е запушен. До каква стойност продължава това, зависи от материала, температурата и технологията на производство на транзистора. Силициевите маломощни транзистори се отпушват от напрежение около 0,6V. При по-нататъшно увеличаване, токът расте и от около 0,65V нарастването става много бълзо. При напрежение над около 0,7V колекторният ток става много голям и опасността от прегряване на транзистора става голяма. Температурата на корпуса му зависи от разсейваната мощност върху колектора: 
В справочниците се регламентира максималната допустима разсейвана мощност, която зависи и от условията за охлаждане. 
Фиг. 3.5 На Фиг. 3.5 е показана друга важна зависимост на транзистора IK=f(UK). Тя показва, че колекторният ток не зависи от напрежението на колектора, с изключение на началният участък, където колекторното напрежение е с много малка стойност. И тук може да се дефинира диференциално съпротивление за хоризонталния участък: 
Като се има предвид границите на изменение на двете величини, може да се направи изводът, че колекторната верига на транзистора има голямо диференциално съпротивление. Това го прави подходящ за реализиране на източник на ток. Този ток може да се управлява чрез задаване на различни стойности на базовия ток Iб. Това се вижда и от графиката, където са показани семейство от характеристики, снети при различни стойности на базовия ток. С прекъсната крива е показана на графиката границата на допустимата мощност, разсейвана на колектора Pк. Тази граница може да се разшири, ако се постави радиатор или по някакъв друг начин се подобрят условията за охлаждане. Чисто практически, за нормално загряване на силициев полупроводников елемент се смята температурата, която все още може да се търпи при пипане. Това е около 600С. Материалът издържа до 1200С, но над 600С на корпуса не трябва да се разчита.
На Фиг. 3.6 е показан силициев кристал от Р-тип, върху който чрез дифузия са оформени две N+ и една N област, наречена канал. Областите N+ са силно легирани N области, т.е. с повишена концентрация на примеси от пета валентност. По химичен път е окислена част от повърхността на силициевия кристал, където се получава тънък слой от SiO2. Върху него се поставя метална пластина. Така се получават три подредени слоя: Метал - Окис - Силиций, от където тези транзистори носят името МОС-транзистор. 
Фиг.3. 6 От съответните области са изведени изводи, които се наричат сорс, гейт, дрейн и подложка. На фигура 3.6 е показано и условното означение. Този тип транзистор се нарича полеви транзистор с вграден N канал и по отношение на захранващите напрежения е аналог на N-P-N транзистор. Посоката на стрелката е навътре, защото подложката е от Р тип, а канала - от N тип. Силициевият двуокис е отличен изолатор, поради което гейтът е изолиран галванически от канала. Каналът осигурява галваническа връзка между сорса и дрейна, и ако се осъществи затворена верига, ще протече ток. Между подложката обаче и всички N области се формира P-N преход, който действа като изолатор. За това този преход трябва винаги да бъде свързан в обратна посока, поради което подложката винаги се свързва към маса или към сорса на транзистора. Всичко казано дотук, важи и за полевия транзистор с вграден Р канал, където във всички области полупроводниците са от инверсен тип. По отношение на захранващите напрежения той е аналог на P-N-P транзистора. Действието на полевия транзистор с вграден N-канал е следното. Когато през канала преминават електрони и на гейта се приложи отрицателно напрежение, се проявява явлението електростатична индукция. Силовите линии на електростатичното поле преминават през окисния слой и създават за електроните сили на отблъскване. С увеличаване силата на полето, респективно отрицателното напрежение на гейта, силите на отблъскване става все по-големи и каналът обеднява на електрони. От това се увеличава неговото съпротивление и токът намалява. При достигане на определена стойност на отрицателното напрежение на гейта, каналът се запушва напълно. Тази стойност зависи от конструкцията на конкретния транзистор и се дава в справочниците.
На Фиг. 3.7 е показана зависимостта ID=f(UG) за полеви транзистор с вграден N канал. Режимът на обедняване е във втори квадрант, където токът ID намалява с увеличаване отрицателното напрежение на гейта и при -UGo транзисторът се запушва. В първи квадрант е така нареченият режим на обогатяване. Когато гейтът стане положителен, силите на електростатичното поле привличат допълнително количество електрони от N+ областите, каналът се обогатява и токът в дрейна расте.
На Фиг. 3.8 е показано устройството и условното обозначение на полеви транзистор с индуциран N канал. Конструкцията е същата, както при полевия транзистор с вграден канал, с тази разлика, че между двете N+ области няма галваническа връзка, т.е. каналът не съществува. Те се оказват изолирани помежду си с по един P-N преход. Когато на гейта се приложи положително напрежение, електростатичното поле придава допълнителна енергия на електроните от двете N+ области и те навлизат по-дълбоко в Р-подложката, при което P-N преходът се разширява. При още по-високо напрежение на гейта, P-N преходът продължава да се разширява и така, докато двата P-N прехода се срещнат. Тогава се оказва, че електрон от едната N+ област има достатъчно енергия, за да премине в другата N+ област, т.е. възникнал е канал, който съществува, докато напрежението на гейта е достатъчно високо. Този канал се нарича индуциран, защото е възникнал благодарение на явлението електростатична индукция.
На Фиг. 3.9 е показана зависимостта ID=f(UG) за полеви транзистор с индуциран N-канал. Вижда се, че при малки напрежения на гейта ток през транзистора не тече. Когато се надхвърли праговото напрежение UG0, токът бързо нараства. Докато при биполярните транзистори праговото напрежение е постоянна величина, при полевите транзистори то може да се определя от производителя чрез вариране например с разстоянията. Също така може да се варира с формата на канала и да се получават и линейни, и нелинейни характеристики. Това е едно голямо предимство на полевите транзистори.
Третият вид полеви транзистор, който има също широко приложение, е полевият транзистор с P-N преход. Той може да бъде с P канал и с N канал. На Фиг. 3.10 е показано устройството и условното обозначение на такъв транзистор с N канал. Той представлява N полупроводников кристал, върху който е оформена една Р област. Между двете области възниква P-N преход. Ако на P областта не се приложи никакво напрежение, транзисторът е отпушен и през канала може да протича ток. Ако към Р-областта (гейта) се приложи отрицателно напрежение, P-N преходът се разширява и напречното сечение на канала намалява. От това неговото съпротивление се увеличава и токът през дрейна намалява. С увеличаване на отрицателното напрежение на гейта каналът става все по-тесен и при определена стойност на това напрежение, напълно се прекъсва. На Фиг. 3.11 е графически илюстриран този процес. Към гейта на полеви транзистор с N канал не бива да се прилага положително напрежение! Тогава P-N преходът се отпушва и транзисторът става неуправляем.
На Фиг. 3.12 е показано семейството характеристики ID=f(UD) при различни стойности на напрежението на гейта. Видът им е еднакъв за трите вида, и е аналогичен на биполярните транзистори. И тук, когато процесът е извън режима на отсечка (т.е. началният участък на характеристиката), токът на дрейна почти не зависи от напрежението на дрейна. 
Фиг. 3.12 Полевите транзистори имат огромни предимства пред биполярните, но имат и един много съществен недостатък, поради който не се използват толкова често, колкото заслужават. Това е опасността от пробив при статично електричество. В името на минималния обем, силициевият двуокис се изработва изключително тънък, поради което той издържа напрежения не по-големи от 1516V. Ако МОС транзистор попадне в среда със статично електричество, този слой много лесно пробива и между канала и гейта възниква галваническа връзка, т.е. транзисторът се поврежда. Статично електричество може да се получи просто от докосване. За това при съхранение на такива транзистори, техните крачета трябва винаги да бъдат свързани накъсо. Това става или с метален проводник, с който се увиват крачетата, или със специална проводяща пластмасова подложка, подобна на гума, върху която са прободени крачетата. Тази подложка се премахва едва когато транзисторът е запоен на печатната платка и между сорса и гейта е осъществена галваническа връзка чрез резистор или бобина. (При полевите транзистори с P-N преход няма такъв проблем.) За защита от статично електричество се изработват полеви транзистори с два противопосочно свързани ценерови диоди. Така се създава стабилизатор за двуполярно напрежение. Ако напрежението на гейта не надхвърля определена граници, ценеровите диоди са запушени и не влияят на работата на транзистора (Фиг. 3.13). 
Фиг. 3.13 Най-голямото предимство на полевите транзистори е високото им входно съпротивление. Това на практика означава, че лесно се управляват. През силициевия двуокис ток не тече и макар на гейта да има напрежение, управляващата мощност е нула, т.е. полевият транзистор не консумира практически енергия от източника на сигнал. При МОС транзисторите входното съпротивление е от порядъка на 10М, а при полевите транзистори с P-N преход - около 1М. При високи честоти обаче входното съпротивление намалява, защото се проявява паразитният капацитет между гейта и канала. В този случай през силициевият двуокис протича капацитивен ток. МОС транзисторите, към чийто вход са поставени защитни диоди, имат по-малко входно съпротивление. Друго предимство е ниското ниво на собствен шум. За това са предпочитани като първо усилвателно стъпало при нискочестотни усилватели и при радио-приемни устройства. Транзисторите с ценерови диоди на входа обаче нямат това предимство, защото диодите са източник на шум. Трето предимство е това, че производителите имат значителна свобода да варират с параметрите и могат да произвеждат полеви транзистори с разнообразни характеристики. Полевият транзистор с индуциран канал е много подходящ за транзисторен ключ. За това той намира приложение най-вече в импулсната и цифровата техника за изработка на логически МОС-интегрални схеми. На пазаря се предлагат вече и мощни високоволтови полеви транзистори.
Много важен параметър на полевите транзистори е така наречената стръмност на характеристиката S. Този параметър отразява наклона на характеристиката в линейния участък. Определя се от зависимостта ID =f(UG) (Фиг. 3.14). Отчита се ID и UG, след което се намира тяхното отношение по формулата:  
Стръмността на характеристиката има отношение към коефициента на усилване по напрежение. Колкото е по-голяма стръмността, толкова по-голямо усилване може да се получи от съответния транзистор. Прекалено голямата стръмност обаче, води до опасност от самовъзбуждане на усилвателните стъпала. Коефициентът на усилване по ток на полевите транзистор е огромен.
Беше установено, че с много слаб базов ток може да се управлява силен колекторен ток. Това свойство го отразява коефициентът на усилване по ток β. Беше обаче установено също, че токът може да се преобразува чрез съпротивление в пропорционално напрежение. Протичащият през съпротивлението ток предизвиква спад на напрежението в крайщата му в съответствие със закона на ом. Ако на пътя на колекторния ток на транзистора се постави резистор между колектора и плюса на източника, напрежението в крайщата му ще бъде пропорционално на тока през колектора. Този ток от своя страна е пропорционален на базовия ток. Ако базовият ток се променя в такт с входно напрежение, в такт със същото това напрежение ще се променя и колекторния ток, а заедно с него и спадът върху резистора. Това е илюстрирано с графиката на Фиг. 3.15.
Точка А от графиката в случая се нарича работна точка и тя съответства на стойността на колекторния ток при зададено напрежение на прехода база-емитер, когато липсва входен сигнал. Изборът на работна точка и свързаният с нея така наречен постояннотоков режим е изключително важен предварителен етап при изработване и ремонт на каквото и да било транзисторно стъпало. Образно казано това съответства на настройка струните на музикален инструмент. След това на този инструмент може да се изсвири всичко, но ако не е настроен правилно, нищо не може да се изсвири. В зависимост от избора на място на работната точка се различават няколко режима на работа, които ще бъдат изяснявани по-нататък в изложението. Режимът клас А се характеризира с това, че работната точка е избрана в линейния участък от характеристиката. Използва се най-често при маломощните усилвателни стъпала, защото при липса на сигнал колекторният ток е значителен. От там консумацията на електроенергия също е значителна, а така също и разсейваната мощност върху корпуса на транзистора. Клас В се характеризира с избор на работната точка в началото на характеристиката, т.е. напрежението база-емитер се избира такова, че транзисторът е малко под прага на отпушване. Съществува и междинен режим кпас АВ, както е показано на фигура 3.15. Режим клас С се характеризира с това, че на базата се прилага такова напрежение, че транзисторът да бъде категорично запушен при липса на сигнал. Понякога това напрежение бива дори отрицателно. Отпушването става само при много голяма амплитуда на входния сигнал и то само за част от него. Има редица случаи, при които не само, че това е допустимо, но е и полезно.
На фиг. Фиг. 3.16 е показана схема на усилвателно стъпало с биполярен транзистор. За осигуряване на работната точка се използва един източник, който захранва и базовата, и колекторната верига. Напрежението за базовата верига е достатъчно да бъде от порядъка на 0,66V, докато за колекторната верига захранващото напрежение трябва да бъде много по-високо. За това е поставено съпротивлението Rб, което има за задача да поеме разликата от напреженията върху себе си. Токът, който протича през отпушения преход база-емитер създава спад на напрежението върху това съпротивление, който може да се определи от втория закон на Кирхов: 
При изчисления напрежението Uбе се приема около 0,65V. Ако е зададено захранващото напрежение Е и се знае, какъв да бъде базовият ток Iб, може да се определи какво съпротивление Rб ще осигури този базов ток. Базовият ток се определя, като се избере работната точка от графиката и се види по ординатната ос на какъв колекторен ток отговаря. След това се използва зависимостта:
Ако се замести в горната формула, ще се получи: 
Кондензаторът Сб има задачата да не позволява на токът Iб да се отклонява към източника на сигнал. Този източник може да бъде например динамичен микрофон, който представлява подвижна бобина в магнитно поле. Индуктивното съпротивление на тази бобина за правия ток Iб клони към нула. То е много по малко от входното съпротивление на прехода: 
поради което базовият ток вместо към базата, би се отклонил към източника. Това ще съсипе постояннотоковия режим и транзисторът не би могъл да работи като усилвател. През кондензатора Сб обаче променливият сигнал минава безпрепятствено. Положителната му полувълна се сумира с постоянната съставка на Iб и базовият ток расте. Отрицателната полувълна пък се изважда от Iб и токът през базата намалява. За този процес се казва, че променливото напрежение на сигнала модулира постоянната съставка на базовия ток и неговата стойност започва да се променя в такт с входния сигнал. В такт с входния сигнал започва да се изменя и колекторния ток. Върху колекторното съпротивление Rк се образува спад на напрежението: 
от където: 
Колекторният ток се избира в зависимост от големината на съпротивлението на товара RТ. Това съпротивление може да бъде входното съпротивление на следващо усилвателно стъпало. Може да бъде и бобина на слушалки, на магнетофонна глава и др. При повечето случаи съществува опасност постоянната съставка на колекторния ток да се отклони към съпротивлението на товара, което би нарушило постояннотоковия режим на транзистора. За това е поставен разделителния кондензатор Ск, чиято задача е аналогична на тази на Сб Важен момент е изборът на Uке. Това е илюстрирано на Фиг. 3.17.
Изтегляне 1.43 Mb. Сподели с приятели:
|
