Что такое область активного усиления насыщения отсечки

Что такое область активного усиления насыщения отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Режимы насыщения и отсечки используются при использовании транзисторов в ключевом режиме в дискретных устройствах, а также в электронных преобразователях энергии.

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора [1] . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

При использовании транзисторов в составе усилительных устройств применяют разные варианты включения. Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рисунке 2.19. Эта схема является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.


Рис. 2.19 — Схема включения транзистора с общим эмиттером

Услительные свойства транзистора характеризует статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (Rк = 0). Численно он равен:

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент ki всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменных напряжений. Входным является переменное напряжение uб-э, а выходным — переменное напряжение на резисторе, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное может достигать сотен вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E2). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности может быть равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление Rвх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°, т. е. является инвертором.

К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например,в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ). Схема ОБ изображена на рисунке 2.20.

Рис. 2.20. Схема включения транзистора с общей базой

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше еденицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

Этот коэффициент всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ и может быть от десятков до сотен. Усиление по мощности равно усилению по напряжению. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Читайте также:  Уголок для фартука и столешницы

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. При усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ, также частотные свойства гораздо лучше, чем в схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 2.21. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

Рис. 2.21. Схема включения транзистора с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным–- потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки и сотни килоом), а выходное — сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника,на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1, а на выходе напряжение u2 и ток i2. Для транзисторов чаще всего используются h–параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Схема активного четырехполюсника приведена на рисунке 2.22.

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

Рис. 2.22. Схема транзистора в виде активного четырехполюсника.

Учитывая, что транзистор является нелинейным элементом для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические выходные и входные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.
Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис.2.23).

Рис. 2.23.Эквивалентная схема включения транзистора с ОЭ (а), входные характеристики (б), выходные характеристики (в).

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы β

Величина β лежит в интервале значений β =10…1000.

Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора

и выходная дифференциальная проводимость

Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость — 10 —4 -10 -5 Сим.

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения Uбэ от входного тока Iб, Uбэ =f1(Iб) при заданном напряженииUкэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.2.23 б). При Uкэ =0 тепловой ток Iк0 в цепи коллектора отсутствует и зависимостьUбэ =f1(Iб) соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода, включенного в прямом направлении. ПриUкэ>0 в цепи коллектора появляется ток-Iк0, направленный навстречу току Iб. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток Iб=Iк0, приложив соответствующее напряжение Uбэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считается зависимость Iк =f2(Uкэ)при заданном токе Iб(рис.1.6в). Если Uбэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора Iк0 = -Iб) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При Uкэ=0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжения Uбэи Uкэнаправлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8926 — | 7234 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 6.18).

Первая область – активная область или активный режим.

Вторая область – область отсечки.

Третья область – область насыщения или режим насыщения.

Читайте также:  Утепление наружной стены здания

Рис. 6.18. Семейство выходных характеристик

Первый режим – активный (режим малого сигнала). Ток на выходе зависит от тока на входе.

Эмиттерный переход П1 смещен в прямом направлении, а коллекторный П2 – в обратном.

Активная область используется при работе транзистора при усилении и генерировании монотонно изменяющихся сигналов с малой амплитудой.

Второй режим. Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует и биполярный транзистор усилительными свойствами не обладает. Для обеспечения режима отсечки необходимо: на эмиттерный переход подать запирающее напряжение при запертом коллекторном переходе, через оба перехода протекает ток IКО.

За счет модуляции базы переход П1 смещается в прямом направлении. Для обеспечения его надежного запирания предусмотрена цепь смещения для получения положительного потенциала базы относительно эмиттера (для транзисторов p-n-p-типа).

Третий режим. Открыты оба перехода, через транзистор протекает прямой ток, ограничиваемый внешним сопротивлением.

В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть биполярные транзисторы работают в режиме переключения из области насыщения (соответствующая включенному состоянию – кривая А (рис. 6.21)) в область отсечки (соответствующая выключенному состоянию – кривая Б), кратковременно находясь в активном режиме в процессе переключения.

Режим ключа – сочетание режимов отсечки и насыщения, то есть режим большого сигнала. Режим работы биполярного транзистора с включенной нагрузкой выходной цепи называется режимом нагрузки. При работе биполярного транзистора в этом режиме в его входную цепь подают переменный (гармонический или импульсный) сигнал, а в выходную – включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле.

Схема включения биполярного транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи, входным переменным сигналом и источником питания в коллекторной (выходной) цепи и цепи смещения на входе, называют усилительным каскадом (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Схема усилительного каскада

Рис. 6.21. Семейство выходных характеристик

Для выходной цепи, по второму закону Кирхгофа, можно записать уравнение равновесия

Из этого уравнения следует, что с увеличением тока коллектора Iк, напряжение Uкэ уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, изменение напряжения и тока входной цепи приводит к одновременному изменению не только выходного тока, но и выходного напряжения Uкэ.

Это уравнение является уравнением нагрузочной прямой, которая строится на выходных характеристиках по двум точкам, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания.

Прямая АВ (рис. 6.21) – нагрузочная прямая, рабочий ее участок А / В / . По нагрузочной прямой строится входная нагрузочная характеристика по соответственным токам базы и напряжениям UКЭ.

По точкам пересечения нагрузочной прямой со статистическими выходными характеристиками можно найти параметры работы транзистора в режиме нагрузки при UКЭ=const, RК= const и разных токах базы.

Рис. 6.22. Семейство входных характеристик

За входную нагрузочную характеристику принимается одна из статических (обычно для UКЭ= -5В). Для полного воспроизведения на выходе усиливаемого входного сигнала источника тока iвх, с помощью источника смещения постоянного тока напряжением UБЭ, задают точку покоя (рабочую точку) усилительного каскада, которой соответствует определенный постоянный ток покоя на входе IБ(0) и на выходе IК(0) при отсутствии переменного сигнала.

Выбором значения UБЭ можно задать необходимый режим (класс) усиления. Выходные характеристики имеют ограничения по максимальным значениям тока коллектора, напряжения UКЭ и мощности, рассеиваемой на коллекторе.

Дата добавления: 2015-08-08 ; просмотров: 994 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов

Цель работы: Цель работы: исследование вольт-амперных и динамических характеристик работы полупроводниковых диодов и транзисторов, а также общих принципов их использования в электронных цепях.

Полупроводниковые диоды

Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых называют анодом (А), а другой – катодом (К). Различают дискретные диоды в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой.

Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия.. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через р-n-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода имеет вид

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.1 а, а его структура на рис. 1.1 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, под­ключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.1 в.

Рис. 1.1 Условное обозначение полупроводникового диода (а),его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

· падение напряжения Unpна диоде при некотором значении прямого тока;

· обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;

Читайте также:  Высокое напряжение в блоке питания

· среднее значение прямого тока Iпр.ср;

· импульсное обратное напряжение Uoбpм.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

· время восстановления tвособратного напряжения;

· время нарастания прямого тока tнар;

· время рассасывания избыточного заряда базы tрас.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 1.1 в

Динамические характеристики диода

Рис. 1.2 Работа диода в режиме переключений

Время обратного восстановлениядиода tвосявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпрна заданное об­ратное напряжение Uобр.Графики такого переключения приведены на рис. Схема испытания, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку и питаемый от источ­ника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение Um. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени tнар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после tнар становится равным Unp. В момент времени t1в цепи устанавливается стационар­ный режим, при котором ток диода i=Iн — Um/Rн.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t2, когда поляр­ность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противополож­ное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n -перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывани начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих свойств

Стабилитроны

Стабилитрон – это диод с точно заданным напряжением пробоя, рассчитанный на непрерывную работу в области пробоя и предназначенный для стабилизации или ограничения напряжения. Напряжение пробоя UBR стабилитронов обозначается символом UZ и у стандартных образцов составляет UZ ≈ 3…400 В. Условное графическое обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона представлены на рис. 1.3 .

Рис. 1.3 Стабилитрон: а – условное обозначение; б – вольтамперная характеристика

Напряжение зенеровского пробоя UZ зависит от температуры. Температурный коэффициент описывает относительное изменение напряжения пробоя при постоянном токе:

Дифференциальное сопротивление в области пробоя rZ соответствует обратной величине наклона вольтамперной характеристики.

Рис. 1. 4. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона: а – схема; б – вольтамперная характеристика

Биполярные транзисторы

Транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p-n-p и типа n-p-n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показано на рисунке 4.2.

Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером(Э), а наружный слой, принимающий заряды, – коллектором(К).

На переход эмиттер – база напряжение источника Еэ подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Еэ возникает значительный ток эмиттер – база Iэ. На переход коллектор-база напряжение источника Ек подается в обратном направлении.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p (рисунок 1.5) (транзистор типа n-p-n работает аналогично). При отсутствии источника Еэ эмиттерный ток Iэ=0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов Iк о= 0,1 . 10 мкА).

При подключении источника Еэ возникает эмиттерный ток Iэ: дырки преодолевают переход эмиттер-база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы Iб. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Ек проходит коллекторный p-n-переход. В цепи база-коллектор протекает ток Iк=IэIб.

Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока

Так как DIк 0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме.

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе­ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис.. В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия Ubэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разом­кнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис.1.7 б. В соответ­ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ro и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 1.6а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при Iб=0.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector