Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Рис. 3.19. Схема диодного детектора (а) и формы входного (б) и выходного напряжений без емкости (в) и с емкостью (г)

Что такое диодные вентили?

Это схемы с диодами, часто встречающиеся в цифровой технике. В них диоды используются как элементы, отпирающие либо запирающие путь для сигнала со входа на выход. Разработано много различных схем вентилей. Более подробно они будут рассмотрены в гл. 12.

Глава 4

ТРАНЗИСТОРЫ И ТРИОДЫ. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ

Что такое транзистор?

Это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который обладает свойством усиления электрического сигнала. По принципу работы транзисторы делятся на биполярные и униполярные или полевые, а по технологии на плоскостные (с р-n переходом) и точечные. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения технологии также подразделяются на дрейфовые, диффузионные, планарные, сплавные, меза и др. С точки зрения используемого полупроводникового материала транзисторы делятся на германиевые, кремниевые и арсенидо-галлиевые.

Транзистор является активным элементом, который в большинстве электронных схем полностью заменяет ранее используемые вакуумные приборы (электронные лампы). По сравнению с электронной лампой транзистор обладает следующими преимуществами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность, высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора (по сравнению с лампами) — ограниченные мощность и рабочее напряжение, большая чувствительность к изменениям температуры и меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к коротким замыканиям и искрениям.

Что такое биполярный плоскостной транзистор?

Это транзистор, образуемый при соединении двух переходов, т. с. состоящий из трех областей; р-n-р или n-р-n. В таком транзисторе существует два вида носителей: основные и неосновные, отсюда название — биполярный. Электроды транзистора имеют следующие названия: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К), причем эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а база, разделяющая эмиттер и коллектор, — противоположный. Транзисторы типа n-р-n и р-n-р, а также их графическое обозначение представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структуры транзисторов

а — n-р-n; б — р-n-р и их графические изображения

Как работает биполярный транзистор?

В типичных условиях работы транзистор подключен к источнику постоянного тока таким способом, что переход эмиттер — база (эмиттерный переход) смещен в проводящем направлении, а переход коллектор — база (коллекторный переход) в обратном направлении (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Прохождение носителей зарядов в биполярном транзисторе

При таком смещении в случае р-n-р транзистора из области эмиттера в область базы переходят дырки, являющиеся основными носителями области эмиттера p-типа. Большинство дырок диффундирует через базу и достигает коллектора. Часть дырок исчезает в базе вследствие рекомбинации (повторного соединения) с основными носителями базы, т. е. электронами. В эмиттере также происходит рекомбинация дырок с электронами, проходящими из базы к эмиттеру. Электронный ток базы в общем значительно меньше дырочного тока эмиттера, поскольку база тонкая и легирована значительно меньше эмиттера. Ток коллектора создает дырки, приходящие от эмиттера, его значение (обычно несколько миллиампер) зависит непосредственно от напряжения смещения на переходе эмиттер — база (обычно около 0,2 В) и мало зависит от напряжения, смещающего в обратном направлении коллекторный переход (Uкэ около 10 В). От напряжения Uбэ зависит как ток эмиттера, так и ток базы (обычно несколько десятков микроампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора зависит от малого тока базы, т. е. малые изменения тока базы вызывают большие изменения тока коллектора.

Почему биполярный транзистор усиливает сигналы?

Рассмотрим это на примере, воспользовавшись упрощенной схемой усилителя на транзисторе (рис. 4.3, а). Переход база-эмиттер смещен в проводящем направлении, для этого между базой и эмиттером имеется напряжение смещения около 0,5–1,0 В. Переход коллектор — база смещен в обратном направлении, для этого между коллектором и базой существует напряжение смещения около 10–20 В (обычно 12 В). Между базой и эмиттером находится источник управляющего сигнала, например синусоидального, напряжением около нескольких десятков милливольт.

Напряжение между базой и эмиттером изменяется в соответствии с изменениями мгновенного управляющего напряжения и в каждый момент равно сумме постоянного напряжения от источника смещения и мгновенного значения управляющего напряжения (рис. 4.3, б). Для одного полупериода управляющего напряжений получен рост напряжения, смещающего базу в проводящем направлении, и увеличение тока базы, для другого — наоборот. Увеличение проводимости в переходе база — эмиттер вызывает рост тока через транзистор (от эмиттера до коллектора). Ток коллектора составляет обычно несколько миллиампер и при изменениях тока базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на несколько миллиампер. Пои сопротивлении нагрузки в цепи коллектора, равном нескольким килоомам, диапазон мгновенных изменений падения напряжения на этой нагрузке составит несколько вольт.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению, определенный как отношение изменения напряжения на сопротивлении нагрузки (несколько вольт) к изменению напряжения в цепи базы (несколько десятков вольт), составит несколько десятков.

Коэффициент усиления по току, определяемый отношением изменений (приращений) токов, т. е. несколько миллиампер для тока коллектора и несколько десятков микроампер для тока базы, составит примерно 100. Следовательно, коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициента усиления по току на коэффициент усиления по напряжению, будет равен нескольким тысячам.

Рис. 4.3. Упрощенная схема транзисторного усилителя (а) и изменение мгновенного напряжения на его входе (б):

1 — наибольшая проводимость перехода (максимальные токи базы, эмиттера, коллектора); 2 — наименьшая проводимость перехода (минимальные токи базы, эмиттера, коллектора)

Как обозначаются токи и напряжения в транзисторных схемах?

В типичной транзисторной схеме одновременно имеются как постоянный, так и переменный ток. Часто приходится помимо постоянного тока определять и обозначать переменный (мгновенное, максимальное, действующее, среднее значение) либо их полные значения, являющиеся результатом суммирования постоянного и переменного токов (полное среднее, полное максимальное). Это осложняет вопрос обозначений и может приводить к недоразумениям. Поэтому во многих странах, в том числе и в ПНР, принята единая система обозначений.

Для обозначения токов и напряжений в транзисторных схемах используются буквы i, I, а также u, U с соответствующими индексами. В общем случае малые буквы относятся к мгновенным значениям, а большие используются для обозначения величин, определенных индексом, а также для обозначения постоянного тока.

Буквы в индексе определяют электрод транзистора (К, к — коллектор; Э, э — эмиттер; Б, б — база), а также среднее значение (СР, ср) — либо максимальное (m, max). Малые буквы в индексе относятся только к самой переменной составляющем, а большие — к постоянному току и к полным значениям.

Подробнее «расшифровка» системы буквенных обозначений для токов приведена на рис. 4.4. Для напряжений часто используется дополнительная буква в индексе, обозначающая электрод, относительно которого определяется напряжение, например uбэ, Uбк, Uкэ max и т. д.

Рис. 4.4. Обозначения токов в биполярных транзисторных схемах:

tк — мгновенное значение тока коллектора; IКр — ток коллектора в рабочей точке; IКmax — максимальное значение коллекторного тока; IКд — действующее значение; IКm — амплитудное значение тока; ΔIКр — приращение постоянной, составляющей при наличии переменного сигнала; t1 — время, в течение которого отсутствует переменный сигнал; t2 — на входе действует переменный сигнал