Побудова та принцип дії транзистора

 

Реферат

 

 

Кількість аркушів        30

Кількість рисунків        7

Кількість літературних джерел     3

 

Ключові слова: біполярний транзистор, підсилюючий каскад, спільний колектор, спільний емітер, коефіцієнт підсилення, вхідний та вихідний опори, амплітуда вихідного сигналу, від’ємний зворотній зв’язок (ВЗЗ), конденсатор.

 

Основна частина: Робота присвячена розробці підсилювача низької частоти, призначеного для роботи із джерелом сигналу, яке має високий вихідний опір (≈100 кОм). Підсилювач містить два каскади. Перший каскад представляє собою емітерний повторювач, другий – підсилювач за схемою із спільним емітером. Перший каскад призначено для погодження внутрішнього опору джерела сигналу із порівняно низьким вхідним опором другого каскаду.

 

 

 

 

 

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………………………………………………3

Завдання  до курсового проекту та вихідні  дані………………………………………….…4

  1. Теоретичні відомості :
    1. Побудова та принцип дії транзистора…………………………………………………………...5
    2. Модель біполярного транзистора…………………………………………………..................5
    3. Підсилюючий каскад низької частоти за схемою із спільним емітером………………………………………………………………………………………………............7
    4. Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором…………………………….9
    5. Призначення компонентів схеми……………………………………………………………………
  2. Алгоритм розрахунку підсилювача із спільним емітером:
    1. Оцінка параметрів схеми………………………………………………………………………………10
    2. Методика попереднього розрахунку……………………………………………………..……11
  3. Алгоритм розрахунку підсилюючого каскаду за схемою із спільним колектором:
    1. Оцінка параметрів схеми……………………………………………………………………………..15
    2. Методика попереднього розрахунку…………………………………………………..………17
  4. Електрична принципова схема підсилювача…………………………………..…………..19
  5. Перелік елементів схеми…………………………………………………………………..………….20
  6. Висновок………………………………………………………………………………………………..………21
  7. Література…………………………………………………………………………………………..………….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

В сучасній електроніці все більша роль відводиться використанню досягнень  цифрової та (в дещо меншій мірі) аналогової мікросхемотехніки. Пристрої на мікросхемах (більш того, іноді тільки на мікросхемах) стали проникати навіть в ті області, де раніше нікому не приходило в голову їх використовувати через явно більшу собівартість в порівнянні з найпростішими транзисторними ланцюжками (різні датчики, іграшки, побутові та промислові індикатори і сигналізатори і т.п.). Знання способів включення і режимів роботи транзисторів, а також методик побудови та аналізу транзисторних схем є обов'язковим для будь-якого інженера – електронника.

Завдяки бурхливому розвитку техніки  в XX в. з'явилися енергетичні, технологічні, транспортні та інші машини і агрегати з автоматичним управлінням. Широке використання у виробничих процесах автоматичного й автоматизованого устаткування - це і є автоматизація  виробництва. Якщо механізація звільняє людину тільки від важкої фізичної праці, то автоматизація передбачає передачу автоматичним пристроям також  і функцій керування, регулювання  і контролю, які раніше виконував  чоловік.

ЕОМ стала необхідна на багатьох промислових підприємствах і на транспорті. При управлінні будь-яким об'єктом ЕОМ одержує інформацію від датчиків, контролюючих стан цього об'єкта. ЕОМ аналізує отримані дані і виробляє команди, які потім перетворяться в сигнали, що впливають на об'єкт.

  У сучасній промисловості широко використовуються системи та прилади автоматичного контролю та регулювання виробничих процесів. Їх основою є електронні схеми різноманітного призначення, побудовані на базі типових елементів.

Застосування ЕОМ дозволяє оптимізувати весь цикл розробки електронної схеми , її розрахунок та типологію.

 

 

 

 

Завдання до курсового  проекту та вихідні дані

 

Робота присвячена розробці підсилювача низької частоти, призначеного для роботи із джерелом сигналу, яке має високий вихідний опір (≈100 кОм). Підсилювач містить два каскади. Перший каскад представляє собою емітерний повторювач, другий – підсилювач за схемою із спільним емітером. Перший каскад призначено для погодження внутрішнього опору джерела сигналу із порівняно низьким вхідним опором другого каскаду.

Індивідуальні дані:

Вихідні дані:

  • напруга живлення ;
  • опір навантаження ;
  • внутрішній опір джерела сигналу ;
  • діапазон частот ;
  • тип транзистора КТ 315 Г, структура n-p-n;
  • коефіцієнт підсилення струму .

Необхідно визначити:

  • амплітуду вихідного сигналу ;
  • вхідний опір ;
  • вихідний опір ;
  • коефіцієнт підсилення .

 

 

                       

 

 

 

 

  1. Теоретичні відомості

1.1Побудова та принцип  дії транзистора

Транзистор – це один з основних «активних» компонентів. Він є пристроєм, що може підсилювати вхідний сигнал з потужності. Збільшення потужності сигналу відбувається за рахунок зовнішнього джерела живлення. Відзначимо, що збільшення амплітуди сигналу не є в даному випадку визначальним. Так, наприклад, підвищуючий трансформатор – «пасивний» компонент, такий же, як резистор або конденсатор, забезпечує посилення з напруги, але не може підсилити сигнал з потужності. Пристрої, що мають властивість посилення з потужності, характеризується здатністю до генерації, зумовленої передачею вихідного сигналу назад на вхід.

Транзистор є невід’ємною частиною будь-якої електронної схеми, починаючи  від найпростішого підсилювача  або генератора до найскладнішої  цифрової обчислювальної машини. Інтегральні  схеми, що в основному замінили схеми, зібрані з дискретних транзисторів, є сукупністю транзисторів або інших  компонентів, побудованих на єдиному  кристалі напівпровідникового матеріалу.

Крім того, транзистор є основою  побудови міжз’єднань, як внутрішніх (між інтегральною схемою), так і  зовнішніх. І, нарешті, іноді (і навіть досить часто) трапляється, що необхідну  інтегральну схему промисловість  не випускає і доводиться застосовувати  схеми, зібрані з дискретних компонентів.

Біполярним транзистором називається  електроперетворювальний напівпровідниковий прилад, що має в своїй структурі два взаємодіючих pn-переходу і три зовнішніх виведення, і призначений, зокрема, для посилення електричних сигналів. Термін "біполярний" підкреслює той факт, що принцип роботи приладу заснований на взаємодії з електричним полем часток, що мають як позитивний, так і негативний заряд, - дірок і електронів.

Біполярні транзистори являють  собою структуру, що має в своєму складі два pn-переходу і дозволяє не просто розрізняти електричного сигнали  по їх полярності, але і підсилювати  їх. Така напівпровідникова структура  зображена на рис. 1.1, а. У ній чергуються три області з різними типами електропровідності водності, причому  середня область виконана дуже вузькою. Це дозволяє потоку носіїв зарядів, породженому  в першій області (на рис. 1.1, про ліворуч), проникати через бар'єр у вигляді  напівпровідника з іншим типом  електропровідності в третю область (на рис. 1.1, а праворуч) з незначними втратами (як буде показано в Надалі, величиною цих втрат ми можемо ефективно управляти, впливаючи  на середню область). Залежно від  комбінації застосовуваних напівпровідників можливі два види структури біполярного  транзистора: p-n-p і n-p-п. Крім того, перша і третя області напівпровідникової структури зважаючи конструктивних особливостей біполярних транзисторів не є однаковими, з чого випливає, що і властивості транзисторів не симетричні відносно центральної області (хоча і досить схожі).

Область, в якій породжується потік  носіїв зарядів (на рис. 1.1, а зображено  зліва), називається емітером (Е). Середня  область, через яку відбувається управління цим потоком, носить назву  бази (Б). І, нарешті, третя область, у  яку надходить урізаний керований  потік, називається колектором (К). Два  p-n-переходи, наявні в біполярному транзисторі, також отримали конкретні імена. Перехід між базою і емітером називається емітерним переходом (ЕП), а перехід між колектором і базою - колекторним переходом (КП). Зовнішні електроди транзистора називаються так само, як і області напівпровідникової структури, з якими вони з'єднані. Схемні позначення біполярних транзисторів типів p-n-p і n-p-n показані на рис. 1.1,6.

В якості вихідного напівпровідникового  матеріалу при виробництві транзисторів найчастіше використовуються: кремній (Si), германій (Ge), арсенід галію (GaAs) або фосфід індію (InP). Конструктивне виконання дискретних біполярних транзисторів може бути найрізноманітнішим. Існує довільно багато технологій їх виготовлення (в даний час переважають різні підвиди планарно-епітаксіальної технології) і ще більше видів корпусів, в які вони можуть поміщатися (металлокерамічні, пластмасові, керамічні і т.д.). Зовнішні габаритні розміри транзисторів взначаються в основному вимогами до допустимих електричним і тепловим режимам при роботі і монтажі приладу. Транзистори великої потужності мають великі габарити і спеціальні засоби для кріплення зовнішніх тепловідвідних радіаторів, транзистори малої потужності можуть виконуватися взагалі без корпусів або в корпусах мінімальних розмірів з дуже слабкими тепловідвідними властивостями, що захищають транзистор не настільки від перегріву кристала напівпровідника при роботі, скільки від перегріву підведених до нього контактів при пайку транзистору, а також від впливу на кристал агресивного навколишнього середовища.

 


 

 

 

Рис. 1.1 Плоска одномірна модель біполярного транзистора (а) і його умовні позначки (б)

Крім режиму роботи для експлуатації біполярних транзистори має значення те, яким чином транзистор включений  в каскад посилення. Розрізняють три основних способи (рис. 1.2): схема із загальним емітером (ОЕ), схема із загальним колектором (ОК) і схема з загальною базою (ПРО).


 



 


Рис 1.2 Схеми ввімкнення біполярних транзисторів (напрямок роботи відповідає активному режиму роботи ).

 

1.2 Модель біполярного  транзистора

Для аналізу роботи транзистора  в підсилювальних пристроях в  активному режимі часто використовують фізичні і формалізовані моделі транзистора при заданих значеннях  постійних напруг і струмів, сукупність яких визначає режим роботи транзистора  по постійному струму (або так звану  «робочу точку»), для невеликих (малих) змін змінних струмів і напружень  в околі цієї робочої точки. Саме для цих малих змін змінних  і будуються малосигнальні моделі транзистора. Однією з фізичних малосигнальних моделей є модель, основою якої є модель Еберса-Молла з двома  джерелами струму.

Розрізняють три режими роботи біполярного транзистора: активний, відсічки і насичення.

В активному (підсилювальному) режимі перехід емітер-база включений в прямому напрямку (відкритий), а перехід колектор-база - у зворотному (закритий) UЕБ>0;UКБ<0  (для транзистора p-n-p типу, для транзистора n-p-n типу умова буде мати вигляд UЕБ<0;UКБ>0).

У режимі насичення обидва p-n переходу зміщені в прямому напрямі (обидва відкриті). Якщо емітерний та колекторний р-n-переходи підключити до зовнішніх джерел в прямому напрямку, транзистор буде знаходитися в режимі насичення. Дифузійне електричне поле емітерного і колекторного переходів буде частково послаблюватися електричним полем, створюваним зовнішніми джерелами Uеб і Uкб. В результаті зменшиться потенційний бар'єр, обмежував дифузію основних носіїв заряду, і почнеться проникнення (інжекція) дірок з емітера і колектора в базу, тобто через емітер і колектор транзистора потечуть струми, звані струмами насичення емітера (IЕ.нас) і колектора (IК. нас).

У режимі відсічення обидва p-n переходу приладу зміщені у зворотному напрямку (обидва закриті). Режим відсічки транзистора виходить тоді, коли емітерний та колекторний р-n-переходи підключені до зовнішніх джерел у зворотному напрямку. У цьому випадку через обидва р-n-переходу протікають дуже малі зворотні струми емітера (IЕБО) І колектора (IКБО). Струм бази дорівнює сумі цих струмів і в залежності від типу транзистора знаходиться в межах від одиниць мікроампер - мкА (у кремнієвих транзисторів) до одиниць міліампер - мА (у германієвих транзисторів).

В активному режимі колекторний  струм залежить від напруги між  базою і емітером . Ця залежність може бути виражена за допомогою формули Еберса-Молла (вона також описує залежність струму діоду від напруги)

,     (1.1)

де  – тепловий струм через емітерний перехід, утворений за рахунок неосновних носіїв при =0;

 – тепловий потенціал,  при 20°С  25,3 мВ;

 – стала Больцмана; 

 – абсолютна температура; 

 – заряд електрона.

В активному режимі і тому членом -1 можна знехтувати

.    (1.2)

Слід пам’ятати, що струм  колектора  залежить від напруги між базою і емітером і не залежить від струму бази .

Струм бази в грубому наближенні визначається = – коефіцієнтом підсилення струму бази у схемі із спільним емітером.

Струм бази

,      (1.3)

тобто також залежить від  .

Розрізняють стаціонарний коефіцієнт підсилення струму бази за схемою із спільним емітером і динамічний . Для більшості практичних цілей їх можна вважати рівними. При розрахунках не слід прив’язуватися до параметра тому, що для різних транзисторів одного і того ж типу його величина може змінюватися від 50 до 300. Він також залежить від струму колектора , напруги між колектором і емітером і температури. Схему можна вважати поганою, якщо на її характеристики впливає величина .

На основі моделі Еберса-Молла можна  отримати деякі залежності , які  зручно використовувати при аналізі  та розробці схем.

1. Визначимо динамічний опір емітерного переходу . Та як  , то для цього скористаємося формулою (1.4), звідки

.     (1.5)

Візьмемо тепер похідну 

.    (1.6)

Отже 

 

,     (1.7)

Це власний опір емітера, він  виступає у якості послідовного опору  в емітерній ланці (в усіх транзисторних  схемах).

2. Із рівняння Еберса-Молла випливає, що треба збільшити на 60 мВ при кімнатній температурі для того, щоб струм колектора збільшився в 10 раз.

3. Розглянемо температурну залежність. Відомо, що залежить від температури, напруга  зменшується на -2,1 мВ/°С. Це призводить до того, що колекторний струм при фіксованому потенціалі бази відносно емітера при підвищенні температури на кожні 30°С буде збільшуватися в 10 разів.

 

1.3 Підсилюючий каскад низької частоти за схемою із спільним

емітером

При побудові підсилювачів найбільше  поширення отримати каскади на біполярних транзисторах, які використовують схему  включення транзистора із спільним емітером. Рідко використовуються схеми  включення із спільним колектором. Схеми включення із спільною базою мають вузьке використання, переважно у високочастотних схемах.

Розглянемо класичну схему підсилюючого каскаду за схемою із спільним емітером, яка представлена на рис.1.3.

 

Рисунок 1.3 – Підсилюючий каскад за схемою із спільним емітером

1.4 Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором

Емітерним повторювачем називається каскад, охоплений 100% послідовним ВЗЗ. Призначення  емітерного повторювача полягає  в узгоджені імпедансів джерел сигналів і навантажень.

Наявність 100%  ВЗЗ зв’язку передбачає, що в емітерному повторювачі вихідний сигнал і сигнал зворотного зв’язку  рівні. Типова схема емітерного повторювача показана на рис.1.4. Видно, що в схемі відсутній резистор , а вихідний сигнал знімається безпосередньо з резистора зворотного зв’язку . Така трансформація змінює схему включення транзистора, перетворюючи її в схему із спільним колектором (вважається, що джерело живлення є ідеальним джерелом напруги із =0).

На відміну  від підсилювача за схемою із спільним емітером, схема із спільним колектором не інвертує вхідний сигнал. Дійсно, якщо до входу емітерного повторювача  прикласти напругу, рівень якої збільшується, то це призведе до збільшення емітерного струму і відповідного збільшення вихідної напруги.

Рисунок 1.4 – Емітерний повторювач

1.5. Призначення компонентів  схеми

Резистор  сумісно з джерелом живлення утворює основне коло підсилення.

Резистори і утворюють дільник напруги для подачі фіксованого зміщення на базу для того, щоб задати робочу точку і транзистор знаходився у активному режимі.

Резистор утворює напругу послідовного від’ємного зворотного зв’язку (ВЗЗ) за постійним струмом для стабілізації робочої точки транзистора (стабілізації відносно змінювання температури, змінювання напруги джерела живлення, заміни транзистора). Стабілізуючу дію можна пояснити наступним чином. Наприклад, із підвищенням температури збільшився струм спокою колектора , при цьому також відповідно збільшиться і струм емітера . Напруга на емітері зросте.  Так як , а напруга на базі фіксується дільником , , то це призводить до зменшення і відповідного зменшення струму колектора.

Конденсатор шунтує за змінним струмом на частотах сигналу для зменшення від’ємного зворотного зв’язку за змінним струмом.

Конденсатори  , з розділяючими (блокуючими):  розв’язує джерело сигналу і підсилювач за постійним струмом (щоб внутрішній опір джерела сигналу не шунтував );    розв’язує підсилювач і навантаження за постійним струмом.

 

  1. Алгоритм розрахунку підсилювача із спільним емітером
    1. Оцінка параметрів схеми

 

Оцінимо коефіцієнт підсилення спочатку за постійним струмом, для цього будемо вважати, що конденсатори і в схемі відсутні. Якщо , тоді

 

 

і практично не залежить від струму колектора.

Оскільки конденсатор  шунтує за змінним струмом, то коефіцієнт підсилення за змінним струмом можна оцінити за формулою

 

 

Знак «–» вказує на те, що вихідний сигнал є протифазним вхідному.

 

 

Тут паралельність  і витікає з того, що опір транзистора становить порядку 1 МОм (перехід база-колектор зсунуто у зворотному напрямку), а джерело живлення є ідеальним джерелом напруги .

Конденсатор обирають таким чином, щоб у робочій смузі частот ним можна було знехтувати. Вхідний опір схеми являє собою паралельне з’єднання ( і вхідного опору транзистора з боку бази

 

 

А вхідний  опір транзистора з боку бази за постійним струмом з урахуванням  буде дорівнювати

 

 

Таким чином, вхідний опір схеми  підсилювача можна оцінити за виразом

 

 

Так як шунтує конденсатором за змінним струмом на частотах сигналу.

Вихідний опір схеми визначається як паралельне з’єднання  і вихідного опору транзистора з боку колектора. Останній порівняно великий (порядку 1 МОм), тому

 

 

 

2.2 Методика попереднього розрахунку

  • – опір навантаження;
  • – амплітуда вихідного сигналу;
  • – нижня частота робочого діапазону;
  • – верхня частота робочого діапазону.

При розрахунках  зручно вважати: =0,6 В (для кремнієвих транзисторів), =100 (для малопотужних транзисторів).

1. Напруга живлення , обирається із ряду номінальних значень 1,2; 1,5; 2,4; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0; 5,2; 6,0; (6,3); 9,0; (10,0); 12,0; 12,6; 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 30,0; 36,0; 48,0; 60,0; 80,0 В. (Номінальні значення, указані в дужках використовуються після погодження із замовником). Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги . Нелінійні викривлення зменшуються при посилені цієї нерівності. Зазвичай обирають

.    (2.8)

З заданих даних напруга живлення (E) дорівнює 6,3 В.

;

 

2. Для погодження опорів в НЧ схемах вихідний опір підсилювача повинен перевищувати опір навантаження, достатньо щоб

;     (2.9)

Rk = 5/4 = 1,25 кОм.

3. Добрі результати по стабілізації дає вибір опору емітерного резистора

=0,1 ;     (2.10)

RE = 0,1∙1,25 = 0,125 кОм.

4. Так як повинен шунтувати на частотах сигналу для зменшення ВЗЗ за змінним струмом, то його ємність вибирається із нерівності

     (2.11)

(« » – на порядок менше, за звичай =6-10 мкФ).10-6

 

5. З вхідним опором підсилювача утворює ФВЧ (диференцююче RC-коло), тому його ємність вибирається із нерівності

;     (2.12)

 

 

 

 

Отже, знайдемо :

 

 

6. Конденсатор утворює із навантаженням ФВЧ, тому його ємність вибирається із нерівності

  .     (2.16)

 

 

7. Струм дільника і повинен набагато перевищувати струм бази, щоб змінювання струму бази в процесі роботи не впливало на напругу зміщення. Для чого || . Тому опори резисторів і знаходять, вирішуючи систему рівнянь:

,     (2.18) 

де  ;

|| ,    (2.19)

де  . Приймаємо Iko = 5мА

 

 

 

 

 

 

8. Тип транзистора для цієї схеми обирають насамперед за призначенням та за значеннями гранично допустимих параметрів. Це гранична частота ( частота, на якій модуль коефіцієнта передачі у схемі із спільним емітером екстраполюється до 1), максимально допустима напруга колектор-емітер , максимально допустимий струм колектора .

  • Гранична частота  підсилення транзистора має бути в 3…5 раз вище верхньої частоти спектра сигналу.
  • Рекомендують обирати транзистор з =(1,1…1,25) .
  • Повинна задовольнятися умова ≥ , де – амплітудне значення струму через навантаження.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором:
    1. Оцінка параметрів схеми

 

Так як ; , то вихідний сигнал, який знімається з емітера, менше вхідного на величину . Таким чином, коефіцієнт підсилення за напругою дещо менше одиниці .

Вхідний опір, як і в попередній схемі, являє собою паралельне з’єднання () і вхідного опору транзистора з боку бази . Тоді

 

 

 

 

Цей вираз говорить про те, що в  емітерному повторювачі можна отримати дуже велике значення вхідного опору. Це є одним із основних достоїнств цього каскаду.

Для визначення вихідного опору схеми спочатку оцінимо опір з боку емітера без  врахування , і (рис.3.1).

 

Рисунок 3.1 – Схема для оцінки вихідного опору емітерного повторювача

 

 

 

Оскільки , то значення можна не враховувати при паралельному з’єднанні. З урахуванням дільника , вихідний опір емітерного повторювача дорівнює

 

 

 

Залежність  вихідного емітерного повторювача  від внутрішнього опору джерела  сигналу є певним недоліком даної  схеми.

    1. Методика попереднього розрахунку

 

Вихідними даними розрахунку емітерного повторювача  є

  • – опір навантаження;
  • – амплітуда вихідного сигналу;
  • – нижня частота робочого діапазону;
  • – верхня частота робочого діапазону.

 

1. Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги 
. Нелінійні викривлення зменшується при посиленні цієї нерівності. Зазвичай обирають

 

 

2. Значення  обирають виходячи із того, щоб у стані спокою падіння напруги на ньому дорівнювало . Чим менше , тим очікується менший вихідний опір схеми . Зазвичай обирають колекторний струм спокою 1 мА, чи кілька мА. Враховуючи, що , тоді

 

 

3. – мають таке ж саме призначення, що і в схемі підсилювача за схемою із спільним емітером, і розраховуються за формулами

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

 

 

Виконавши попередній розрахунок транзисторного підсилювача, та насамперед, визначивши значення гранично допустимих параметрів, я обрав n-p-n транзистор загального призначення КТ 315 Г, який є аналогом зарубіжного транзистора BC108. В даній роботі розраховано транзисторний підсилювач низької частоти за схемою із спільним емітером та за схемою із спільним колектором. А саме визначено вихідний опір сигналу , вхідний та вихідний опори, коефіцієнт підсилення , відповідно на обох схемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

 

 

1. Дмитрів, Електроніка і мікросхемотехніка [Текст]: лабораторний практикум / В. Т. Дмитрів, В. М. Шиманський. – Л.: Афіша, 2008. – 104 с.

2. Колонтаєвський, Промислова електроніка  та мікросхемотехніка: теорія  
і практикум [Текст]: навчальний посібник / Ю. П. Колонтаєвський,  
А. Г. Сосков, за ред.. А. Г. Соскова. – К.: Каравела, 2003. – 368 с.

3. Оксанич,  Комп’ютерна електроніка [Текст]: навчальний посібник / А. П. Оксанич, С. Е. Притчин, О. В. Вашерук. – Х.: Компанія СМІТ, 2006. – 200 с.


Побудова та принцип дії транзистора