рефераты
рефераты
Главная
Рефераты по рекламе
Рефераты по физике
Рефераты по философии
Рефераты по финансам
Рефераты по химии
Рефераты по цифровым устройствам
Рефераты по экологическому праву
Рефераты по экономико-математическому моделированию
Рефераты по экономической географии
Рефераты по экономической теории
Рефераты по этике
Рефераты по юриспруденции
Рефераты по языковедению
Рефераты по юридическим наукам
Рефераты по истории
Рефераты по компьютерным наукам
Рефераты по медицинским наукам
Рефераты по финансовым наукам
Психология и педагогика
Промышленность производство
Биология и химия
Языкознание филология
Издательское дело и полиграфия
Рефераты по краеведению и этнографии
Рефераты по религии и мифологии
Рефераты по медицине
Рефераты по сексологии
Рефераты по информатике программированию
Рефераты по биологии
Рефераты по экономике
Рефераты по москвоведению
Рефераты по экологии
Рефераты по физкультуре и спорту
Топики по английскому языку
Рефераты по математике
Рефераты по музыке
Остальные рефераты
Рефераты по авиации и космонавтике
Рефераты по административному праву
Рефераты по безопасности жизнедеятельности
Рефераты по арбитражному процессу
Рефераты по архитектуре
Рефераты по астрономии
Рефераты по банковскому делу
Рефераты по биржевому делу
Рефераты по ботанике и сельскому хозяйству
Рефераты по бухгалтерскому учету и аудиту
Рефераты по валютным отношениям
Рефераты по ветеринарии
Рефераты для военной кафедры
Рефераты по географии
Рефераты по геодезии
Рефераты по геологии
Рефераты по геополитике
Рефераты по государству и праву
Рефераты по гражданскому праву и процессу
Рефераты по делопроизводству
Рефераты по кредитованию
Рефераты по естествознанию
Рефераты по истории техники
Рефераты по журналистике
Рефераты по зоологии
Рефераты по инвестициям
Рефераты по информатике
Исторические личности
Рефераты по кибернетике
Рефераты по коммуникации и связи
Рефераты по косметологии
Рефераты по криминалистике
Рефераты по криминологии
Рефераты по науке и технике
Рефераты по кулинарии
Рефераты по культурологии
Рефераты по зарубежной литературе
Рефераты по логике
Рефераты по логистике
Рефераты по маркетингу
Рефераты по международному публичному праву
Рефераты по международному частному праву
Рефераты по международным отношениям
Рефераты по культуре и искусству
Рефераты по менеджменту
Рефераты по металлургии
Рефераты по налогообложению
Рефераты по педагогике
Рефераты по политологии
Рефераты по праву
Биографии
Рефераты по предпринимательству
Рефераты по психологии
Рефераты по радиоэлектронике
Рефераты по риторике
Рефераты по социологии
Рефераты по статистике
Рефераты по страхованию
Рефераты по строительству
Рефераты по схемотехнике
Рефераты по таможенной системе
Сочинения по литературе и русскому языку
Рефераты по теории государства и права
Рефераты по теории организации
Рефераты по теплотехнике
Рефераты по технологии
Рефераты по товароведению
Рефераты по транспорту
Рефераты по трудовому праву
Рефераты по туризму
Рефераты по уголовному праву и процессу
Рефераты по управлению

Реферат: Биполярные транзисторы


Реферат: Биполярные транзисторы

Курс: Компьютерная системотехника

Тема: Биполярные транзисторы


1. Биполярные транзисторы

Определение.

Транзистор- ППП с 3-мя электродами, служащий для усиления сигналов (в общем случае по мощности) или их переключения.

2. Типы биполярных транзисторов и их диодные схемы замещения

Различают кремниевые (рис.1) и германиевые транзисторы (рис.2).

Рис.1. Рис.2.

На рис.1 и 2 показаны условные графические обозначения кремниевых (n-p-n) и германиевых (p-n-p) транзисторов и соответствующие им диодные схемы замещения.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n - или p - слоем. Электрод связанный с ним называется базой (Б). Дав других электрода называются эмиттером (Э) и коллектором (К). Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с его графическим обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистoра, но она дает возможность представлять действующие в нем обратные и прямые токи и напряжения.


3. Физические явления в транзисторах

Эмиттерная область транзистора является источником носителей заряда, а область улавливающая эти носители заряда называется коллектром. Область, которая управляет потоком этих носителей, называется базой.

При подключении прямого напряжения между эмиттером и базой происходит инжекция носителей зарядов через открытый (смещенный в прямом направлении) переход Э-Б, т.е. переход их из области эмиттера в область базы.

Таким образом образуется эмиттерный ток (Iэ) через соответсвующий переход (ЭП- эмиттерный переход).

Как известно, при “дырочной" проводимости типа “p" основными носителями заряда являются “дырки”, а неосновными - электроны. Часть “дырок” пришедших в базовую область рекомбинируют в электроны, появляется ток базы (Iб), который очень мал по сравнению стоком эмиттера, так как только малая часть инжектированных “дырок” (носителей заряда) рекомбинирует.

Между коллектором и базой прикладывается обратное напряжение, поэтому говорят что носители заряда из области базы экстрагируются (втягиваются) в коллекторную область и за счет этого образуется ток коллектора (Iк).

Таким образом, на основании приведенных выше рассуждений можно записать следующие простые соотношения между токами эмиттера, базы и коллектора:

Iэ= Iб+Iк (1); Iб<<Iк (Iэ) (2); Iк @ Iэ (3);

Iк = a × Iэ ® a = Iк / Iэ » (0,9¸0,99) <1 (4);

Iк = a × Iэ + Iкбо (5),

где a × Iэ - управляемый ток, Iкбо - неуправляемый (обратный) ток, протекающий через переход Б-К в направлении противоположном прямому току Iк через этот переход.

Iк = b × Iб ® b = Iк / Iб (6);

Iк = b × Iб + Iкбо;

Uб » Uэ - Uэб (7);

b = a / 1 - a (8);

4. Подача напряжений питания

Обычно переход Э-Б смещен в прямом направлении, а К-Б - в обратном. Поэтому источники напряжений питания транзисторов должны быть включены, как показано на рис.3 и

Рис.3                                                                  Рис.4

Основная особенность транзисторов состоит в том, что коллекторный ток Iк является кратным базовому току Iб. Их отношение b = Iк / Iб называют коэфициентом усиления по току.

5. Схемы включения и статические параметры

Существуют три основные схемы включения транзисторов:

1) - ОЭ

2) - ОБ

3) - ОК

1) Схема с общим эмиттером применяется наиболее часто.

В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участку Б-Э, выходной сигнал снимается с резистора нагрузки, включенного в коллекторную цепь (потенциал эмиттера фиксирован).

Рис.5. Включение транзистора по схеме с ОЭ (а) и эквивалентная схема (б) для данного случая.

Вольт - амперные характеристики и режимы работы транзистора в данном случае приведены на рис.5.2.

Входные характеристики приведены на Рис.6а, выходные - на Рис.6б.

а)                                                                        б)

Рис.6. Входные и выходные вольт - амперные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ.

На семействе выходных характеристик выделяют три области:

1) Область линейного усиления;

2) Область наыщения:

3) Область отсечки.

В соответствии с этим транзистор может работать в трех режимах.

¨ В области линейного усиления, увеличение тока базы приводит к пропорциональному изменению тока коллектора, при этом динамическое сопротивление участка К-Э стремится к ¥

rкэ = vUк / vIк;

¨ В области насыщения, изменение тока коллектора не приводит к существенному изменению напряжения на коллекторе. Динамичнское сопротивление участка К-Э стремится к 0.

¨ В области отсечки Iк = Iкбо » 0. Динамическое сопротивление сопротивление участка К-Э стремится к ¥.

Величина Iк сверху ограничена допустимой рассеиваемой мощностью на участке К-Э. Превышение предельного тока Iк max ведет к разрушению транзистора, поэтому необходимо обеспечить схемные средства ограничения Iк. В простейшем случае это резистор в коллекторной (или эмиттерной) цепи фиксирующий ток коллектора на уровне Iк max = Eп / Rк. Но, в этом случае, потенциал коллектора изменяется при изменении тока коллектора (т.е. Uк = f (Iк)). Эта зависимость определяется так называемой нагрузчной прямой, отсекающей на осях координат два отрезка:

1) на оси абсцисс напряжение питания Еп при Iк = 0;

2) на оси ординат Iк max = Eп / Rк.

Пересечение нагрузочной прямой и выходной характеристики при конкретном токе базы дает, так называемую, рабочую точку.

Т.о. транзистор может работать в одном из следующих режимов (для n-p-n):

1) нормальный активный режим: Uбэ>0, Uкб>0

2) инверсный активный режим: Uбэ<0, Uкб<0

3) режим насыщения: Uбэ>0, Uкб<0

4) режим отсечки: Uбэ<0, Uкб>0

Нормальный активный режим.

В этом режиме переход Б-Э смещен в прямом направлении, а Б-К - в обратном.

При анализе основных схем включения транзисторов (здесь ОЭ, а далее ОБ и ОК) воспользуемся упрощенным (эквивалентным) представлением биполярного транзистора для низких частот, изображенном на рис.5. б.

Входная цепь представлена динамическим входным сопротивлением rбэ, а в коллекторной цепи использован управляемый источник тока коллектора (Iк = S × Uбэ),

где

При этом внутреннее динамическое сопротивление включено параллельно этому источнику тока, как и следует из теории электрических цепей (Теорема Теверена об эквивалентном генераторе). При определении основных характеристик и параметров схемы здесь и далее будем считать, что идеальные источники напряжений питания (Еп) и входного сигнала (Uвх).

Ток коллектора

1) Iк = a / 1 - a × Iб + 1/1 - a × Iкбо = b × Iб + (1+b) × Iкбо » b × Iб,

где: a - коэфициент передачи по току (т.е. коэфициент передачи тока из эмиттерной цепи в коллекторную) в схеме с ОЭ. Т. к. b>>1, то в схеме с ОЭ возможно усиление по току (потому, что Iб<<Iк!).

2) Ток базы закрытого транзистора. При Uбэ = 0 (транзистор закрыт) Iб » Iкбо, т.е. из базы вытекает ток, » обратному тепловому току перехода К-Б.

3) Входное сопротивление

Тогда ток базы, который также зависит и от Uбэ можно примерно определить так:

Iб = Iк × b, где b = h21 э

4) Коэфициент усиления по напряжению

5) Коэфициент усиления по току

6) Выходное сопротивление

Режим насыщения

В этом режиме оба перехода смещены в прямом направлении.

Внешним проявлением режима насыщения является отсутствие зависимости Iк от Iб. Для схемы с ОЭ существует некоторый “граничный” ток Iбн, при котором достигается насыщение коллекторного тока

Iкн = b × Iбн

При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается и может быть введен некоторый коэфициент, характеризующий:

1) Степень насыщения

N = Iб / Iбн Þ Iкн = N × Iк

2) Входное сопротивление

Rвхн = Rвх / b,

где Rвх - входное сопротивление в активной линейной области.

3) Выходное напряжение

Uвых = Uкэн » Uбэ

Это так называемое остаточное напряжение на участке К - Э, слабо зависящее от величины коллекторного тока.

4) Выходное сопротивление

Rвых » rкэ » Rвых / b » Rк / b,

где Rвых - выходное сопротивление в активной линейной области.

Режим отсечки

В этом режиме оба перехода смещены в обратном направлении.

1) Iэ » 0

2) Iк » Iкбо

3) Iб » - Iкбо

Границей режима отсечки является обратное напряжение (напряжение отсечки) на переходе Б-Э (Uбэобр), при котором Iэ = 0!

В большинстве цифровых схем Uбэобр такое, при котором Iб уменьшается в 100-200 раз!!

2) Схема с общей базой

В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участку Э-Б, а входной сигнал снимается с резистора нагрузки, вкюченного в коллекторную цепь. Потенциал базы при этом фиксирован, а потенциал Э должен быть меньше потенциала Б, если переход Б-Э смещен в прямом направлении.

а)                                                                        б)

Рис.7

На рис.7 показана схема включения транзистора с ОБ и ее эквивалентная схема на низких частотах.

Вольт - амперная характеристика и режимы работы

а)                                                               б)

Рис.8 Входные а) и выходные б) характеристики.

Нормальный активный режим.

В этом режиме, как и в схеме с ОЭ, переход Б-Э смещен в прямом направлении, переход К-Б в - обратном.

1) Iк = a × Iэ + Iко (eUкб/Uт -1) = a × Iэ + Iкбо » a × Iэ

Т. к. a<1, то усиление по току в такой схеме невозможно Iк = b × Iб.

2)

3) Ki = a » 1

4) Rвх » rбэ / ÙUвх / Ù Iвх, т.е. в b раз меньше чем всхеме с ОЭ!!

5)

,

т.е. такое же как и в схеме с ОЭ.

Режим насыщения

в данной схеме возможно только при Uк < Uб, что недостижимо при фиксированной полярности питания. Т.е. режима насыщения нет.

3) Схема с общим коллектором

Это по сути частный случай схемы с ОЭ при Rк = 0! Поэтому, практически все соотношения для токов транзистора и потенциалов на его переходах, характерные для схемы с ОЭ, могут быть применим и в данном случае.

В этой схеме управляющее напряжение приложено к участку Б-Э, выходной сигнал снимается с резистора нагрузки, включенного в эмиттерную цепь. Потенциал коллектора при этом фиксирован!

Причем, в этой схеме, также как и в схеме с ОБ, отсутствует режим насыщения, поскольку потенциал коллектора никогда не может быть ниже потенциала базы!!

Параметры схемы в режиме отсечки аналогичны таковым в схеме с ОЭ!!

На рис.8 приведены схема включения и ее эквивалентная схема.

Рис.8

1)

2)

3) Rвх = rбэ + b × Rэ, т.е. во много раз больше чем Rвх в схемах с ОЭ и ОБ! (десятки и сотни кОм).

4)

Т. е. такая схема имеет высокий Ki, малое Rвых и большое Rвх!!

6. h и Y параметры транзисторов

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник где

Uвх = U1,Iвх = I1, Uвых = U2, Iвых = I2.

h11э = ÙUбэ / ÙIбэ ÷ Uк = const = Rвх

h12э = ÙUбэ / ÙUк ½Iб = const -

коэффициент внутренней ОС (очень малая величина, которой в инженерной практике пренебрегают и принимают = 0)

h21э = ÙIк / ÙIб ½Iб = const = b

h22э = ÙIк / ÙUк ½Iб = const -

Выходная проводимость

([Сименс] = 1/Ом)

Rвых = 1/ h22э

В настоящее время для практических расчетов h и y параметры практически не используются!

7. Влияние температуры на статистические характеристики транзистора. Динамические параметры

Это параметры, которые совместно с такими же параметрами других компонентов схемы определяют вид АЧХ линейной схемы или характер переходных процессов в ключевых схемах.

Частотные свойства транзистора в активном режиме определяются:

инерционностью процессов распространения подвижных носителей в транзисторной структуре (в основном на базе);

наличием емкостей переходов (в частности барьерной емкостью коллекторного перехода) и конечным значением внутренних сопротивлений;

эффектами накопления и рассеивания зарядов.

Обычно, для упрощения анализов динамических процессов, большую часть источников инерционности процессов в транзисторе сводятся к эквивалентным емкостям (зависящим, в общем случае, от напряжения и частоты). За счет этого получают достаточно простые эквивалентные схемы транзистора на переменном токе, приведенные на рис.5.6.

Рис.9. Эквивалентные схемы для активного режима а) и режима отсечки б).

Коэффициент передачи по току может быть представлен характеристикой ФНЧ первого порядка

,

где wb - частота среза.

Во временной области эта зависимость имеет вид:

,

где tb = 1/wb - постоянная времени изменения коэффициента передачи по току.

Граничной частотой усиления (или “частотой единичного усиления”) называют частоту, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается до

В практических в расчетах используется соотношение

wгр = b × wb

ta = tb / (1+b) или tb = (1+b) ta » b × ta,

где ta = 1/2pfa, fa - граничная частота усиления для схемы с ОЭ, которая приводится обычно в справочных данных!

Кроме fa в справочных данных приводятся значения ta и tb, а также величины емкостей эмиттерного (С*эо) и коллекторного (С*ко) переходов при Uкб=0, Uэб=0, Uкк и Uэк - контактная разность потенциалов переходов К-Б и Э-Б.

Особенности переходных процессов в ключевом режиме работы транзистора включенного, например, по схеме с ОЭ заключается в наличии времени рассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе при протекании тока в отрытом и насыщенном состоянии. Причем, с увеличением Iкн увеличивается tр!

Iк (t) = b (t) × Iб

Iкн = bо × Iбн ® Iбн = S × Iбо

9. Предельно допустимые параметры

1) Uэбобр - электрический (Зенеровский) или тепловой пробой перехода Б-Э

2) Uкбобр

Это max допустимые обратные напряжения на переходах Э-Б и К-Б. Причем,

Uэбобр < Uкбобр (иногда в 2 раза!)

3) Uкэmax

4) Pрmax - максимально допустимая рассеиваемая мощность

Pр » Uкэ × Iк

В паспорте обычно указывается Pрmax при температуре корпуса, равной 25оС. С увеличением tоС необходимо уменьшение Pр ниже Pрmax!


Литература

1.         Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М., 2005. - 530с.

2.         Лысенко А.П. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора и его зависимость от режима и температуры. Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики. М., 2005. - 29 с.

3.         Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 1. Издательство: РадиоСофт, 2000. - 512с.

4.         Петухов В.М. Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 4. Издательство: КУбК-а, 1997. - 544с.

5.         Чижма С.Н. Основы схемотехники. СПб., 2008. - 424с.



© 2009 РЕФЕРАТЫ
рефераты