Из графиков видно, что с ростом частоты коэффициенты a и b начинают уменьшаться. Для определения граничной частоты берут уровень

v_a - верхняя граничная частота для схемы включения транзистора с общей базой.

v_b - верхняя граничнвя частота для схемы включения транзистора с общим эмиттером.

v_a>v_b т.к. С_кэ = (1+b)С_к

Вместо граничной частоты иногда дают постоянную времени

t_b=1¤w_b и t_a=1¤w_a

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером. В коллекторной цепи имеется нагрузка R_к. Выходное напряжение равно напряжению между коллектором и эмиттером U_вых=U_кэ. При этом считаем, что между базой и эмиттером приложено постоянное напряжение, т.е. задан режим работы транзистора на выходе.

Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа для выходной цепи:

Е_к=I_кR_к+U_кэ – это уравнение прямой линии.

Чтобы ее построить, зададим начальные условия. Предположим, что

U_кэ=0 отсюда I_к=Е_к/R_к – т.е. это ток насыщения

Предположим теперь, что

I_к=0 отсюда U_кэ=Е_к

Построим теперь эту прямую на выходных характеристиках транзистора. Эта прямая линия есть линия нагрузки.

Режим работы транзистора выбирают на пересечении нагрузочной прямой с вольтамперными характеристиками транзистора. Это режим задания работы транзистора по постоянному току. Точка А на графике – рабочая точка по постоянному току. Зная ее, можно определить ток коллектора I_к и напряжение на выходе U_кэ.

Нарисуем теперь входную характеристику. Зная ток базы I_б2, найдем рабочее напряжение на входе U_бэ.

Угол наклона зависит от величины нагрузочного сопротивления R_к. Это видно из уравнения:

U_кэ=Е_к - I_кR_к

Т.е. напряжение на выходе падает с ростом тока коллектора I_к.

Выходной ток I_к и выходное напряжение U_кэ в нагруженном режиме оказываются в противофазе.

На выходных вольтамперных характеристиках область I – это область отсечки, т.е. транзистор находится в закрытом состоянии. Для нее характерно, что I_к = I_кос»0, а U_кэ»Е_к. Для этого режима характерно также, что и эмиттерный, и коллекторный переходы – заперты.

Область II – область активного режима работы транзистора (режимы усиления, преобразования частоты). Характерно то, что эмиттерный переход – открыт, а коллекторный – заперт. В этом режиме I_к и U_кэ больше нуля.

Область III – область насыщения I_к®Е_к/R_к – току насыщения, а U_кэ®0. В этой области оба перехода (эмиттерный и коллекторный) – открыты.

Области отсечки и насыщения применяются для построения цифровых и импульсных схем.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (УНИПОЛЯРНЫЕ)

Полевые или униполярные транзисторы имеют носители заряда одного знака – или электроны или дырки – и управляются не входным током, а входным напряжением.

Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: с индуцированным и с встроенным каналом.

Рассмотрим структуру полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Структура n-типа служит каналом, через который осуществляется движение носителей от истока к правой части канала – стоку.

Технологически методом диффузии в пластине с помощью акцепторной примеси образуют области p-типа, которые называются затвором. На границе p-n-областей образуются p-n-переходы. (Аналогия с биполярным транзистором: исток – эмиттер, сток – коллектор, затвор – база.)

Если к этой структуре приложить внешнее напряжение Е_с, а напряжение на затворе U_з=0, то во внешней цепи появится ток стока, величина которого определяется концентрацией электронов в канале. Ток также будет зависеть и от размеров канала, т.е. его площади.

Пусть на затвор относительно истока приложен отрицательный потенциал, т.е. p-n-переходы оказываются включенными в обратном направлении. Потенциальный барьер при этом возрастает и p-n-переход становится шире.

Следовательно, площадь канала становится меньше, т.е. его сопротивление возрастает, что приводит к уменьшению выходного тока I_с. Можно подать на затвор такое напряжение, что канал полностью перекроется p-n-переходом, т.е. I_с=0, а данное напряжение на затворе называется напряжением отсечки U_з= U_{отсечки}.

Входная характеристика I_c=f(U_з) при U_c=const – это стокозатворная характеристика. Характеристика является нелинейной. I_с.нас. – это ток насыщения, он зависит от размеров канала и концентрации носителей.

Выходная характеристика I_c=f(U_с) при U_з=const имеет следующий вид и очень похожа на выходную характеристику биполярного транзистора. Выходной ток I_c почти не зависит от напряжения стока U_c, но сильно зависит от напряжения на затворе U_з.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

К ним относят крутизну стокозатворной характеристки

S=dI_c/dU_з при U_c=const

Сопротивление стока или канала

R_c=dU_c/dI_c при U_з=const

Статический коэффициент усиления по напряжению

m=dU_c/dU_з при I_c=const

Между этими параметрами существует связь

m=SR

Для полевого транзистора R_вх=U_з/I_о»100 кОм, т.е. входное сопротивление полевого транзистора на несколько порядков больше, чем у биполярного. Это является существенным преимущесвом полевого транзистора над биполярным.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ОБЩИМ ИСТОКОМ

В этой эквивалентной электрической схеме С_зи – входная емкость, т.е. это как правило барьерная емкость p-n-перехода, т.к. p-n-переход включен в обратном направлении.

SU – эквивалентный генератор тока

С_си – выходная емкость.

Вход и выход связаны между собой емкостью С_зс – проходная емкость. Все эти емкости являются паразитными, т.к. отрицательно влияют на частотный диапазон полевого транзистора и особенно сильно влияет С_зс – проходная емкость.

Различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Поскольку сток и исток являются абсолютно симметричными, то схемы с общим истоком и общим стоком абсолютно идентичны, т.е. являются одной и той же схемой.

Условное обозначение транзистора с управляющим p-n-переходом.

ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

Рассмотрим сначала транзистор с встроенным каналом. Их еще называют МДП или МОП транзисторами. МДП транзистор – это аббревиатура структуры металл – диэлектрик – полупроводник. Т.к. в качестве диэлектрика используется окись кремния, то МОП транзистор – это аббревиатура структуры металл – окись – полупроводник.

Структура такого транзистора выглядит следующим образом. Берут подложку р-типа (или n-типа), изолируют ее от внешней среды окисью кремния (стекло), определяют места диффузии для формирования истока, стока и канала. Затем вытравливают окна в диэлектрике и диффузией в газовой среде в пластину кремния (подложку) вводят донорную примесь, получая тем самым две области n-типа – исток и сток и узкий канал того же типа проводимости.

После диффузии отверстия заполняют металлом и получают электроды истока и стока. На поверхность диэлектрика над каналом напыляют металлическую (обычно алюминиевую) пленку и припаивают вывод – затвор.

Если напряжение на стоке Е_с>0, то во внешней цепи будет протекать ток стока I_с>0, величина которого зависит от концентрации носителей и геометрических размеров. Это при условии, что напряжение на затворе U_з=0.

Приложим теперь к затвору напряжение (+ к затвору). Под действием положительного поля затвора неосновные носители заряда подложки (в данном случае электроны) притягиваются этим полем к подложке и расширяют канал. В этом случае увеличивается концентрация носителей в канале и его размеры, т.е. выходной ток стока I_c увеличивается. Чем больше напряжение на затворе U_з, тем больше ток стока I_с.

Пусть теперь напряжение на затворе меньше нуля U_з<0. В этом случае под действием отрицательного поля затвора электроны канала отталкиваются в глубь подложки, т.е. концентрация электронов в канале уменьшается и уменьшается ток стока I_с. Можно достичь такого напряжения на затворе U_з, что канал будет отсутствовать, т.е. ток стока I_с=0. Это напряжение называется напряжением отсечки U_{отсечки}.

Входная характеристика – это стокозатворная характеристика

I_c=f(U_з) при U_c=const.

Выходные характеристики имеют такой же вид как и для транзистора с управляющим p-n-переходом.

Основные параметры те же, что для транзистора с управляющим p-n-переходом: крутизна S, сопротивление стока или канала R_c, статический коэффициент усиления по напряжению m.

Входное сопротивление в этом случае определяется как

R_вх=U_з/I_{ут.диэл.}»(100 кОм – 1 МОм)

где I_{ут.диэл} – это ток утечки диэлектрика, который является очень малым, т.е. данный транзистор имеет более высокое входное сопротивление, чем транзистор с управляющим p-n-переходом (на один – два порядка).

Частотные свойства данного транзистора также выше, т.к. входная емкость С_вх, выходная – С_вых и проходная С_проход – имеют меньшую величину.

ТРАНЗИСТОР С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

Технология изготовления данного типа транзисторов наиболее простая. Берут подложку n-типа, изолируют ее окисью кремния, определяют места диффузии для истока и стока, вытравливают окна, проводят диффузию, отверстия после диффузии заполняют металлом, а над затвором напыляют металлическую пленку. Канала проводимости не создают, поэтому при напряжении на стоке Е_с<0 и Е_з=0, ток стока отсутствует,т.е.I_c=0, т.к. нет канала проводимости.

При Е_с<0 и Е_з<0 под действием отрицательного поля неосновные носители заряда (в данном случае дырки) притягиваются к затвору и образуют канал проводимости между истоком и стоком. Чем больше по абсолютной величине напряжение на затворе ½U_з ½, тем шире канал, тем больше ток стока.

Входная стокозатворная характеристика I_c=f(U_з) при U_з=const имеет следующий вид. Это самый экономичный МДП транзистор, т.к. при отсутствии напряжения на затворе нет тока в цепи стока.

Условные обозначения для транзисторов с встроенным каналом:

Для транзисторов с индуцированным каналом:

КЛАССИФИКАЦИЯ

Первая буква Г или цифра 1 означает германиевый транзистор, если буква К или цифра 2 – то кремниевый транзистор, если буква А или цифра 3 – то арсенид галлия.

Например ГТ – германиевый биполярный, КТ – кремниевый биполярный, КП – кремниевый полевой.

Далее идет серия 100 – 199 – маломощный низкочастотный транзистор

201 – 299 – маломощный средней частоты

301 – 399 - маломощный высокочастотный

401 – 499 – средней мощности низкочастотный

501 – 599 – средней мощности среднечастотный

601 – 699 - средней мощности высокочастотный

701 – 799 - большой мощности низкочастотный

801 – 899 – большой мощности средней частоты

901 – 999 – большой мощности высокочастотный

Расчет усилителей на транзисторах включает следующие основные этапы:

1. Выбор транзистора и элементной базы.

2. Расчет статического режима (т.е. расчет транзистора по постоянному току).

3. Расчет динамического режима (т.е. расчет транзистора по переменному току).

Как правило, на практике при проектировании усилителя инженеру даются исходные данные:

· входное (U_вх) и выходное (U_вых) напряжение усилителя (или коэффициенты усиления усилителя по току К_I и по напряжению K_U);

· входное сопротивление усилителя (R_вх);

· сопротивление нагрузки (R_н);

· полоса пропускания усилителя Df = f_в – f_н, где f_н, f_в – нижняя и верхняя граничные частоты усиления;

· диапазон рабочих температур Т₀±DТ;

· напряжение источника питания Е_к.

Число исходных параметров, формируемых потребителем, может быть больше, либо меньше приведенных.