Классификация электронных устройств

Судовая электроника

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития судовых систем управления и контроля основывается на широком использовании достижений электроники. Все ответственные судовые технические средства оснащены электронными системами управления. Типичные примеры:

1. Системы управления судовой электростанцией, выполняющие функции стабилизации напряжения и частоты судовой сети, обеспечения параллельной работы генераторов, защиты генераторов и потребителей электроэнергии от аномальных режимов работы.

2. Системы дистанционного автоматизированного управления главными двигателями, обеспечивающие пуск и останов двигателя, поддержание заданной скорости судна путем изменения топливоподачи или шага винта, защиту двигателя от перегрузки.

3. Системы автоматического управления курсом судна.

4. Системы централизованного контроля, дистанционного измерения, предупредительной и аварийной сигнализации, охватывающие важнейшее судовое оборудование.

5. Системы управления технологическим оборудованием судна (промысловым, холодильным и т.п.).

6. Системы пожарной сигнализации.

Приведенный список далеко не является исчерпывающим. Общим для всех систем является то, что усиление и преобразование сигналов, реализация алгоритмов управления, формирование силовых воздействий на исполнительные механизмы, стабилизация питающих напряжений и множество других операций выполняются средствами полупроводниковой электроники. Поэтому неотъемлемой составной частью подготовки судового электромеханика является знание свойств полупроводниковых приборов, усвоение принципов работы электронных узлов и устройств, умение анализировать схемы, содержащиеся в судовой документации, владение методами производства измерений и поиска неисправностей.

В настоящее время на флоте эксплуатируются системы управления самых различных поколений. Иногда даже на одном судне можно встретить как простейшие транзисторные электронные устройства, так и программно-управляемые комплексы. В связи с этим судовые электромеханики и в особенности специалисты, занимающиеся ремонтом и наладкой судовой автоматики, должны обладать широким кругозором и познаниями практически во всех областях полупроводниковой схемотехники.

Дисциплина "Судовая электроника" дает необходимую основу для изучения последующих курсов, таких, как "Силовая преобразовательная техника", "Элементы и функциональные устройства судовой автоматики", "Системы управления энергети­ческими и технологическими процессами", "Микропроцессорные системы управления".

Материал дисциплины можно разделить на две части. В первой части будут изучаться известны физические основы электроники (начальные сведения изучены в курсе физики), основные типы полупроводниковых приборов (в первую очередь диоды и транзисторы) и их характеристики, схемы включения транзисторов, простейшие транзисторные усилители, понятия о технологии интегральных микросхем, пассивные компоненты электронных устройств (резисторы. конденсаторы, катушки индуктивности). Вторая часть может быть названа "Полупроводниковая схемотехника". Будем изучать основные классы электронных схем, применяемых в аппаратуре управления, измерения и контроля: усилители, преобразователи сигналов, ключевые и импульсные схемы, логические схемы, генераторы, источники вторичного электропитания.

Изучение дисциплины рассчитано на один семестр. Основной вид занятий – лекции (3 часа в неделю), кроме того предусмотрены ПЗ (решение задач по анализу схем) и ЛР. Предстоит курсовая работа, состоящая из нескольких заданий по анализу электронных схем и самостоятельной разработке и расчету электронного узла.

 

Литература

1. Основная литература

1.1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2008. – 768 с.

1.2. Геллер Б.Л. Судовая электроника: Учебное пособие. – Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011. – 228 с. [ И 2-е изд. 2015 г. ]

2. Дополнительная литература

2.1. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 768 с.

2.2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.

2.3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982. – 512 с.

2.4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/С. В. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др.; Под ред. С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.

2.5. Усатенко С.Г. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 325 с.

(Об избыточности литературы. Издания в интернете. Ориентироваться на лекции).

глава 1. основные понятия. история и современные направления развития электроники. классификация электронных устройств

ЭЛЕКТРОНИКА – это область науки и техники, занимающаяся исследованием и использованием явлений, связанных с движением заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах. Электроника включает в себя:

– изучение физических процессов;

– разработку электронных приборов (ламп, транзисторов, интегральных микросхем); сюда относится изобретение принципа работы прибора, разработка конструкции, разработка технологии изготовления;

– разработку устройств, в которых эти приборы применяют.

С точки зрения технических приложений в электронике можно выделить два направления: информационная электроника (приём, передача, обработка и хранение информации; используется для целей измерения, вычислений, управления, контроля) и энергетическая электроника (преобразование электроэнергии для нужд энергетики, электропривода, металлургии и т.д.). Предмет настоящей дисциплины – информационная электроника. Мы коснемся энергетической электроники только при рассмотрении электронных приборов, а применение этих приборов – в отдельной дисциплине.

В процессе развития электроники происходит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. Для успешного выполнения этих функций в первую очередь должны совершенствоваться сами электронные приборы (как говорят, элементная база). Развитие элементной базы идет по пути повышения надежности, уменьшения габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники, а вместе с ней, соответственно, и электронных устройств.

I поколение (1904–1950 гг.) характеризуется тем, что основу электронных устройств составляли электровакуумные приборы. В них пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой (стеклянной колбой), имеет высокую степень разрежения (вакуум) или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами). Таким образом, действие этих приборов основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные. Электронный электровакуумный прибор – прибор, в котором электрический ток создается только свободными электронами. Ионный (газоразрядный) электровакуумный прибор – прибор с электрическим разрядом в газе или парах.

Развитие электроники принято отсчитывать с 1904 г., когда англичанин Джон Флеминг создал первую электронную лампу с термокатодом (пояснить), которая называлась также: вакуумный диод, кенотрон. Спустя несколько лет в электронную лампу была добавлена управляющая сетка. и лампа получила название триод. Триод стал первым электронным усилителем и первым электронным ключом, т.е. основой цифровой техники. Триод был важнейшим изобретением в электронике в первой половине XX века, вплоть до изобретения транзистора в 1948 году.

Семейство электронных электровакуумных приборов весьма обширно и объединяет такие группы приборов, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектрические приборы и др. Наиболее широкое применение нашли электронные лампы – электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габариты и массу. Число элементов в единице объема (плотность монтажа) электронных устройств 1-го поколения составляло 0,001...0,003 эл/см³. Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную, путем соединения электровакуумных приборов между собой и с соответствующими пассивными элементами (резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами) с помощью проводов.

II поколение (1950-е – начало 60-х годов) характеризовалось применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Начало было положено в 1948 г., когда американскими учеными был изобретен первый полупроводниковый усилительный прибор – транзистор (п/п триод). Сборка электронных устройств II-го поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате – диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединенными между собой проводниками. Проводники выполнялись путем формирования медного слоя на плате по заранее заданному рисунку, соответствующему определенной электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II-го поколения за счет применения малогабаритных элементов составляла ~ 0,5 эл/см³.

С изобретением транзистора началась эпоха твердотельной электроники, т.е. началось использование приборов, принцип работы которых основан на протекании электрического тока в твердом теле, конкретно – в полупроводниковых материалах. Почти все современные электронные устройства являются твердотельными.

III поколение электронных устройств (1960–1980 гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники. Основой элементной базы этого поколения электронных устройств стали интегральные схемы.

Интегральная схема представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, кон­денсаторов и др.), которые изготовлены в едином технологическом цикле, т. е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), а наиболее совершенный вариант – на одном ПП кристалле, и которые выполняют определенную функцию преобразования информации.

Плотность монтажа электронных устройств III-го поколения составляет до 50 эл/см³.

Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритов, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том числе и за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовлении.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения БИС и СБИС, когда уже разнообразные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме, представляющей собой готовое электронное устройство приема, преобразования или передачи информации. Такие электронные устройства, выполненные в виде СБИС, в ряде случаев позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной информации и существенно повысить надежность их функционирования.

Плотность монтажа электронных устройств IV-го поколения 1000 эл/см³ и выше.

Р-n-переход

Место контакта двух ПП с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p-n -переходом.

На рис. 2.4 изображён контакт областей p - и n -типа; цветные кружочки – это дырки и свободные электроны.

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей. Свободные электроны переходят из n -области в p -область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p -области в n -область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном ПП около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном ПП (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой ABCD, внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим к p-n -переходу источник напряжения, подав «+» источника на n -полупроводник, а «–» на p -полупроводник (рис. 2.5). Такое включение p–n -перехода называется обратным.

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его сопротивление велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p-n -переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду их очень малой концентрации создаваемый ими ток пренебрежимо мал. В данном случае p-n -переход оказывается закрытым (запертым).

Теперь поменяем полярность подключения (рис. 2.6). Переход оказывается включенным в прямом направлении. В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p-n -переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается. Происходит массовое перемещение свободных электронов из n -области в p -область, а дырки, в свою очередь, устремляются из p -области в n -область. В цепи возникает ток I, вызванный движением основных носителей заряда.

Таким образом, в области p–n -перехода возникает очень важное явление – односторонняя проводимость.

Основные характеристики оптопар – это комбинация параметров входного и выходного элементов. Спектральные характеристики не важны и не приводятся, т.к. источник и приемник согласованы конструктором. Из специфических параметров важна электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями). Она зависит от конструкции прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в разных корпусах, для каждого характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Хорошим показателем считается 1500 – 3000 В.

Один из основных электрических параметров, характеризующих диодную оптопару – коэффициент передачи тока. Типично 1 – 2 %.

Показать УГО всех оптоэлектронных приборов.

Глава 4. транзисторы

Биполярные транзисторы

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления или переключения сигналов. Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

(Отдельные разновидности биполярных транзисторов могут иметь более двух переходов и более трех выводов).

Биполярные транзисторы состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности различают транзисторы р-n-р- и n-р-n- типов.

Физические процессы в транзисторах. Упрощенная структура
n - р - n -транзистора показана на рис. 4.1, а, условные обозначения n - р - n- и р-n-р -транзисторов с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме – на рис. 4.1, б,в.

Обычно напряжения к выводам биполярного транзистора прикладываются так, чтобы к одному переходу было приложено прямое напряжение, к другому — обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой — эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой — коллектором (К).Так же принято называть и выводы транзистора.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу — относительно высокоомной (десятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора. Ширину базы делают очень малой, так, чтобы она была в несколько раз меньше диффузионной длины (пояснить). Фактически это несколько микрон.

Все, что мы ранее говорили о единичном р-n-пе реходе, справедливо для каждого из p-n -переходов транзистора. В отсутствии приложенного напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый р-n -переход, и результирующие токи равны нулю.

Напряжения к выводам транзистора подают так, чтобы эмиттерный переход смещался в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рассмотрим процессы, происходящие при этом, для случая n - р - n -транзистора (у них преобладающее применение). Через отпертый эмиттерный переход в область базы происходит инжекция электронов. Так как удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. (Для р-n-р -транзистора соответственно поток дырок из эмиттера в базу существенно преобладает над потоком электронов из базы). Поток электронов образует эмиттерный ток транзистора I _Э.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда –дырками, образуя ток базы I_Б.

Если бы ширина база была достаточно большой, в несколько раз больше диффузионной длины L, то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного перехода. Однако так как ширина базы во много раз меньше диффузионной длины, то большинство электронов, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с дырками и, попав вблизи коллекторного перехода в ускоряющее поле, создаваемое напряжением U _КБ, втягиваются в коллектор (происходит экстракция электронов). Они образуют коллекторный ток I _К. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

I _к = αI _э. (4.1)

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

На самом деле выражение (4.1) не совсем точное, так как через запертый коллекторный переход течет обратный ток I _кб0, образованный потоком из n- в р -область неосновных для коллекторной области носителей заряда – дырок. Это ток суммируется с током, обусловленным экстракцией электронов из базы в коллектор. Однако, учитывая, что I _Э >> I _кб0, величиной I _кб0 можно на практике пренебречь.

Различают статический и дифференциальный коэффициенты передачи тока эмиттера. Выражение (4.3) определяет статический коэффициент: α = I _К / I _э. Но при анализе усилительных свойств транзистора в качестве входного и выходного сигналов рассматриваются изменения (приращение, переменная составляющая) токов. При этом оперируют дифференциальным коэффициентом передачи тока, т.е., определяют α следующим образом α = dI _К / dI _э., или приближенно α = Δ I _К / Δ I _э. Обычно в рабочем режиме значения этих коэффициентов близки, и мы их в дальнейшем различать не будем.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соот­ветствии с первым законом Кирхгофа представляет собой базовый ток

I _Б= I _Э – I _К. (4.2)

Заменив I _Э в (4.2) его значением из (4.1), получим

I _Б= I _К/ α – I _К = [(1– α) / α ] I _К.

или

I _К = b I _Б,(4.3)

где b = α / (1– α) – коэффициент передачи тока базы = коэффициент усиления транзистора по току.

Видно, что если α = 0,95…0,99, то b примерно равно 20…100.

Именно усиление тока базы является основным свойством транзистора, а величина b – важнейшим его параметром. Как и для α, в литературе иногда различают статический и дифференциальный коэффициенты передачи тока базы.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько МОм). Можно представить себе цепь коллектора как идеальный источник тока, т.к. ток коллектора в соответствии с (4.3) определяется только током базы и не зависит от сопротивления в цепи коллектора. Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями. Таким образом, подавая на базу малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольта), получаем в цепи коллектора большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода обычно составляет десятки вольт). То есть, транзистор может применяться для усиления напряжения. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. А мощность, потребляемая во входной цепи, оказывается существенно меньше (малое входное напряжение и малый базовый ток). Таким образом, транзистор является усилителем мощности.

Режимы работы. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора,

Нормальный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Именно этот режим работы мы только что рассматривали. Он соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока и обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала. Этот режим является основным, он используется в усилителях и вообще в аналоговых электронных устройствах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Между выводами коллектора и эмиттера – очень малое напряжение, поэтому режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала, т.е. транзистор используется в качестве электронного ключа (об этом позже).

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме, но дает очень малое напряжение между эмиттером и коллектором при работе транзистора в качестве электронного ключа.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные на­пряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов (ключ).

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа ивыхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОK).

Рассмотрим перечисленные схемы и определим их свойства и особенности. Основными параметрами каждой усилительной схемы являются:

– коэффициент усиления по току k_I = Δ I _вых / Δ I _вх;

– коэффициент усиления по напряжению k_U = Δ U _вых / Δ U _вх;

– коэффициент усиления по мощности k_Р = Δ Р _вых / Δ Р _вх;

– входное сопротивление R _вх = Δ U _вх / Δ I _вх;

– выходное сопротивление R _вых = Δ U _вых / Δ I _вых.

Схема с ОБ (рис. 4.2):

[Рассказать назначение источников питания (смещения), смысл обозначения корпуса, входной и выходной сигналы, как обеспечивается усиление]

Коэффициент усиления по току k_{I Б} = Δ I _К / Δ I _Э = α.

Входное сопротивление R _вхБ = Δ U _ЭБ / Δ I _Э. По сути R _вхБ – это сопротивление эмиттерного перехода; как уже сказано – десятки Ом.

Коэффициент усиления по напряжению

Так как R_Н >> R_вхБ, то k_UБ >> 1.

Таким образом, основные особенности включения с ОБ: малое входное сопротивление, нет усиления по току, большое усиление по напряжению.

Схема с ОЭ показана на рис. 4.3. Изображена только для n-p-n- транзистора; очевидно, что для p-n-p- транзистора меняются только полярности источников.

Коэффициент усиления по току k_{I Э} = I _К /I _Б = b.

Входное сопротивление

Таким образом, видно, что R _вхЭ >> R _вхБ .

Коэффициент усиления по напряжению

Т. обр., схема с ОЭ имеет значительно бóльшее по сравнению с ОБ входное сопротивление, и усиливает сигнал как по току, так и по напряжению.

Схема с ОК (рис. 4.4):

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

(чуть меньше единицы)

Входное сопротивление

Таким образом, схема с ОК имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Коэффициент передачи напряжения практически равен 1, поэтому эта схема чаще называется схемой эмиттерного повторителя. На практике она чаще всего используется в качестве согласующего устройства [пояснить]. Отметить, что любое сопротивление в цепи эмиттера ощущается в цепи базы как увеличенное в β + 1 раз. И обратно: любое сопротивление в цепи базы ощущается в цепи эмиттера как уменьшенное в β + 1 раз.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой функцио­нальную зависимость токов через транзистор от приложенного напряжения. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (припостоянном входном токе транзистора). Рассмотрим статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора для схем включения с ОЭ, т.к. это наиболее часто применяемая схема (с ОБ – рассмотреть самостоятельно).

На рис. 4.5 представлены типичные характеристики маломощного кремниевого транзистора.

 

Входная характеристика схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимость I _Б = f (U _БЭ); параметр – напряжение U _КЭ.

Если U _КЭ = 0, то это равносильно соединению коллектора и эмиттера накоротко. Тогда БЭ-переход и БК-переход открыты одновременно. Поэтому ток базы равен сумме токов переходов, и характеристика идет выше. При U _КЭ > 0 коллекторный переход заперт, и входная характеристика представляет собой ВАХ перехода, тогда она незначительно зависит от U _КЭ.

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I _К = f (U _КЭ) при параметре I _Б (рис. 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Из графика можно ориентировочно определить коэффициент усиления по току (порядка 100).

Идеализированные выходные характеристики транзистора, которые часто приводятся в литературе, представляют собой горизонтальные прямые, причем ток коллектора пропорционален току базы. Кривые на рис. 4.5, б более приближены к реальным. Обсудить: а) ограничение по мощности; б) увеличение тока при больших U _КЭ и при большой рассеиваемой мощности; зависимость β от тока.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером невелик благодаря тому, что I _К определяется током базы. Мы уже говорили, что транзистор с постоянным током базы ведет себя как источник тока, близкий к идеальному, т.е. его внутреннее сопротивление очень велико. Некоторый наклон все же есть, поэтому выходное сопротивление транзистора не ∞, а порядка 1 Мом.

Транзистор, как и любой четырехполюсник, может быть представлен системой уравнений, связывающих входные и выходные напряжения, входные и выходные токи. Из ТОЭ известно, что уравнения четырехполюсника могут быть записаны в одной из шести форм (a, y, z, h, g, b) в зависимости от того, какие переменные через какие выражаются. Для транзистора общепринято использовать h -форму, в качестве переменных используют приращения напряжений и токов:

Δ U ₁ = h ₁₁Δ I ₁ + h ₁₂Δ U ₂;

Δ I ₂ = h ₂₁Δ I ₁ + h ₂₂Δ U ₂.

Коэффициенты называются h -параметрами транзистора. Так как считается, что приращения малы (только в этом случае возможна линейная модель, получаемая линеаризацией характеристик в окрестности рабочей точки), то эти параметры называются малосигнальными.

Система уравнений может быть конкретизирована в зависимости от схемы включения. Так, для схемы с ОЭ уравнения имеют вид

Δ U _БЭ = h _11ЭΔ I _Б + h _12ЭΔ U _КЭ;

Δ I _К = h _21ЭΔ I _Б + h _22ЭΔ U _КЭ.

При этом h -параметры имеют следующий физический смысл: h _11Э – входное сопротивление; h _12Э – величина, обратная коэффициенту усиления по напряжению; h _21Э – коэффициент передачи тока базы;
h _22Э – величина, обратная выходному сопротивлению (выходная проводимость). На практике h -параметры применяют, как правило, для анализа низкочастотных схем.

С ростом частоты параметры транзистора меняются. Входные и выходные сопротивления транзистора оказываются шунтированными барьерными емкостями, а коэффициент усиления по току падает.

Полевые транзисторы

 

Полевой транзистор (ПТ) — полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, которые протекают через проводящий канал, и управляются электрическим полем (отсюда и название — полевой). Электрическое поле осуществляет изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора.

Управление электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.

ПТ в отличие от БТ иногда называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Поэтому в ПТ отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие БТ.

ПТ бывают двух видов: с управляющим p-n- переходом и с изолированным затвором. Последние называют также транзисторами со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-, МОП- или MOS-транзисторы; у немцев – FET).

Транзистор с управляющим р-n -переходом (рис. 4.6) представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов ко­торой сделаны два вывода (электроды). Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком И, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком С. Вдоль пластины выполнен p-n- переход, от которого сделан третий вывод — затвор З. Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору относительно истока, смещает электрический переход в обратном направлении.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим р-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения. Канал может быть почти полностью перекрыт, и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (от нескольких до десятков мегаом).

На рис. 4.7 показаны важнейшие характеристики полевого транзистора: передаточная (стокзатворная) I _c(U _зи) и выходная I _c(U _си).

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки U _отс. Строго говоря, при U _отс транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. В справочных данных транзистора всегда указывают, при каком токе стока произведено измерение U _отс (например, 10 мкА).

В рабочей области передаточной характеристики

(4.4)

При малых значениях напряжения U _си и малом I _с транзистор ведет себя как линейное управляемое сопротивление (управляется напряжением U _зи). По мере роста U _си выходная характеристика все сильнее отклоняется от линейной, и далее (правее пунктира) наступает так называемый режим насыщения,при котором с увеличением U