Варикап

Варикап – кремниевый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости от обратного напряжения. Предназначен для применения в качестве управляемой емкости. Применяется в схемах автоматической подстройки частоты, частотной модуляции, в параметрических усилителях. Условное обозначение варикапа приведено на рисунке 37.

Варикап в схему включается под обратное напряжение. Емкостная характеристика варикапа приведена на рисунке 38.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения отличается у варикапа от обычного диода более широким изменением емкости.

В арикапы главным образом применяются для настойки колебательных контуров. На рисунке 39 показана схема включения варикапа в колебательный контур.

Рисунок 39 – Схема включения варикапа

Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменить резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 имеет большое сопротивление. Она включена для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно с уменьшением сопротивления потенциометра R. Конденсатор С_Р является разделительным. Он не пропускает постоянный ток. Конденсатор служит для того, чтобы сопротивление катушки L не снижало емкость варикапа.

Параметры варикапа

Статические:

С_Н – номинальная емкость, емкость между выводами при заданном обратном напряжении.

К_С – коэффициент перекрытия: отношение максимальной емкости к минимальной, при двух значениях обратного напряжения.

Q – добротность – отношение реактивного сопротивления к полному сопротивлению потерь.

Предельные:

U_MAX – максимальное значение одиночных напряжений,

P_MAX - максимально допустимая мощность.

ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ

Импульсный диод – диод с малой длительностью переходных процессов и предназначен для работы в различных электронных схемах в качестве электронного ключа.

Простейший схема импульсного ключа и временные диаграммы приведены на рисунке 40. Диод соединен последовательно с нагрузкой, на вход подается импульсное напряжение.

В начальный момент времени диод находится под прямым напряжением, его сопротивление мало (ключ замкнут). Через нагрузку протекает ток. За время положительного импульса проходит накопление неосновных носителей заряда.

Рисунок 40 – Схема электронного ключа и временные диаграммы

При смене полярности на обратную (ключ разомкнут) избыточная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается постепенно, что вызовет в первый момент времени резкое увеличение тока и постепенное его уменьшение до своего установившегося значения, только после уменьшения концентрации зарядов.

Интервал времени от момента переключения диода с прямого на обратное в течение, которого обратное сопротивление восстанавливается до своего определенного значения называется временем восстановления обратного сопротивления (_восст).

Процесс накопления неосновных носителей заряда называется инжекцией.

Процесс уменьшения этой концентрации называется рассасыванием.

Во время рассасывания избыточного заряда (_расс) сохраняется высокое значение обратного тока диода. Когда избыточный заряд становится равным нулю, обратный ток спадает до своего стационарного значения, обратное сопротивление восстанавливается. В импульсных диодах время рассасывания очень мало. Уменьшить его время восстановления обратного сопротивления (_восст) можно путем уменьшения емкости p-n перехода и ускорение процесса рассасывания зарядов.

Параметры импульсных диодов такие же, как и у обычных диодах, но есть еще и специальные:

U_ПР.И – прямое импульсное напряжение на диоде.

I_ПР.И – максимальный прямой импульсный ток.

_ВОСТ. – время восстановления обратного сопротивления.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ

Предназначен для работы на частотах до 100 МГц. Используются точечные диоды с емкостью p-n перехода 1-2 пФ, из-за чего максимальное выпрямленное напряжение ВЧ диода не превышает десятка миллиампер, а максимальное допустимое обратное напряжение десятка вольт.

СВЧ ДИОДЫ

Предназначены для работы в сантиметровых и миллиметровых волнах (10⁸ – 10⁹ Гц) те же недостатки, что и у высокочастотных диодов. В настоящее время применяются СВЧ диоды с PIN структурой (см. рисунок 41).

Рисунок 41 – СВЧ диод с PIN структурой

Между p- и n- областью находится I-область, полупроводник с собственной электропроводностью. Данная структура позволяет понизить барьерную емкость и уменьшить запирающий слой, а также может использоваться для выпрямления достаточно большого тока.

Конструктивно СВЧ диоды имеют специальные вывода, которые позволяют уменьшить индуктивность между выводами диода, так как индуктивность этих выводов влияет на сопротивление диода на сверхвысоких частотах и на частотную характеристику. Наибольшее распространение получили СВЧ диоды коаксиального и патронного типа.

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ ДИОДОВ

Она состоит из 5-ти элементов:

1 элемент – обозначает исходный материал (цифра или буква)

Г (1) – германий,

К (2) – кремний,

А (3) – арсенид- галлия.

2 элемент – буква, указывает подкласс прибора:

Д – выпрямительный диод, ВЧ диоды,

А – СВЧ диод,

С – стабилитрон,

И – туннельный диод,

В – варикап,

Ц – выпрямительные столбы.

3 элемент – цифра, указывающая на назначение прибора и его электрические свойства.

4 элемент – двухзначное число, обозначающее порядковый номер разработки (кроме стабилитронов, для стабилитронов эти цифры указывают напряжение стабилизации).

5 элемент – разновидность прибора в данной серии изготовления.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами. Существуют два типа транзисторов: полевой и биполярный. Биполярным называется из-за того, что используются носители зарядов двух типов (дырки и электроны).

Биполярный транзистор представляет собой пластину, в которой созданы три области с различной электропроводностью (см. рисунок 42). Две крайних области имеют одинаковый тип электропроводности, между ними создана область с противоположной электропроводностью. В зависимости от чередования областей различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p.

Две крайние области имеют различную концентрацию примеси. Область с наибольшей концентрацией примеси называется эмиттером (Э), служит для инжекции (введения) носителей заряда. Другая крайняя область – коллектор (К), имеет меньшую концентрацию примеси, служит для собирания носителей заряда. Между ними, находится тонкий слой базы (Б) с очень малой концентрацией примеси, толщина этого слоя не больше единиц микрометров. Делается настолько малым для хорошей работы транзистора.

Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом (ЭП), между коллектором и базой – коллекторным переходом (КП).

Условно-графическое изображение биполярного транзистора в электрических схемах приведено на рисунке 43.

Стрелка показывает направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении эмиттерного перехода.

Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности приложенного напряжения на переходы биполярного транзистора различают три режима работы:

1. Активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, на коллекторный – обратное. Данный режим используется в усилительных устройствах, т.к. дает наибольшее усиление сигнала по мощности.

2. Режим отсечки – на эмиттерный и на коллекторный переходы подано обратное напряжение. Данный режим применим в импульсных устройствах.

3. Режим насыщения – на эмиттерный и на коллекторный переходы подано прямое напряжение.

Физические процессы в транзисторе в активном режиме

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие в том, что в транзисторе p-n-p типа ток от эмиттера через базу в коллектор переносится дырками, а в n-p-n – электронами.

Рассмотрим процессы, происходящие в биполярном транзисторе на основе p-n-p транзистора. Графическое пояснение процессов, происходящих в биполярном транзисторе, приведено на рисунке 44.

Рисунок 44 – Процессы, происходящие в транзисторе в активном режиме

При отсутствии напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах образуется потенциальный барьер. При подаче прямого напряжения на эмиттерный переход и обратного на коллекторный (активный режим) потенциальный барьер в нем понижается, что вызовет перемещение дырок из эмиттера в базу, где они становятся неосновными носителями заряда. Концентрация дырок в базе вблизи границы эмиттерного перехода становится гораздо больше, чем у коллекторного перехода, возникает ток диффузии дырок к границе коллекторного перехода, где они попадают под действие ускоряющего электрического поля коллекторного перехода и втягиваются из базы в коллектор. В области базы вводимые дырки частично рекомбинируют с электронами и часть дырок ответвляется в области базы, но так как область базы очень мала, то основная часть дырок из области эмиттера перейдет в область коллектора.

Токи в транзисторе, баланс токов в БТ

Рисунок 45 – Токи в транзисторе, при подключении источника:

а – только коллекторного, б – только соединение коллектора с базой, в – эмиттерного и коллекторного

Рассмотрим токи, протекающие в транзисторе. Если подать напряжение только на коллекторный переход, то через транзистор будет протекать небольшой коллекторный ток I_КБ0 (см. рисунок 45 а).

Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход подано напряжение, а напряжение на коллекторном переходе равно нулю. Через транзистор протекает большой эмиттерный ток, который имеет две составляющие

I_Э = I_ЭР + I_ЭN

I_ЭN - ток дырок, I_ЭР - ток электронов. Дырочная и электронная составляющая тока не одинакова I_ЭN << I_ЭР. Электронной составляющей можно пренебречь.

Дырки перемещаются из эмиттера в область базы, в результате тока диффузии, и далее перемещаются в область коллектора. Из-за малой толщины слоя базы только небольшая часть дырок рекомбинирует в слое базы (I_{Э РЕК}), основная же часть перебросится в область коллектора. На коллекторе протекает ток(I_КР), почти равный току эмиттера.

I_КР = I_ЭР - I_{Э РЕК}  I_Э

При этом для него будет соответствовать равенство

Iкp = Iэ,

где  - коэффициент передачи тока эмиттера.

Если теперь подать напряжение на коллектор (см. рисунок 45 в), то под действием коллекторного напряжения будет еще протекать небольшой обратный ток коллектора (I_КБ0). Обратный ток коллектора будет состоять из двух составляющих

I_К = I_Э + I_КБ0

Ток I_КБ0 является третьей составляющей тока базы, причем он направлен навстречу току базы

I_Б = I_ЭN + I_{Э РЕК} – I_КБ0

Ток базы незначителен. Он является вредным для транзистора, и стараются его уменьшить, так как если бы слой базы имел большую толщину, то большое количество дырок рекомбинировало бы в слое базы и они не дошли бы до коллекторного перехода (толщина слоя базы 10-20мкм.), соответственно, ток коллектора был бы малым. Уменьшить толщину слоя базы можно увеличением обратного напряжения на коллекторном переходе, что приводит к увеличению запирающего слоя. Но чрезмерное увеличение обратного напряжения может привести к уменьшению эмиттерного и коллекторного перехода, транзистор перестанет работать.

В транзисторе выполняется баланс токов:

I_К = I_Б + I_{Э РЕК}

Эффект усиления в активном режиме

Пусть на эмиттер подается прямое напряжение E₁, а на коллекторный переход обратное U_КБ >> U_ЭБ. Если теперь увеличить напряжение на U_ЭБ < U_КБ при этом расходуется мощность:

P_Э = U_ЭБ I_Э

Напряжение Е₁ влияет на I_К, так как чем больше Е₁, тем больше I_Э, а следовательно больше I_К, изменение самого эмиттерного тока при этом незначительно. Таким образом, E₁ управляет I_К. На этом свойстве основано явление усиления сигналов.

Способы включения биполярного транзистора

Различают две электрические цепи: входную, в которую включают источник сигнала, и выходную, в которую включают нагрузку. В теории электронных приборов рассматриваются схемы включения транзистора относительно источника питания. При этом один из электродов транзистора является общим для входа и выхода. Соответственно различают три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором.

Схема включения с общим эмиттером

Общим для входа для входа и выхода является вывод эмиттера (см. рисунок 46).

Входной ток равен току базы (I_ВХ = I_Б), выходной ток равен току коллектора (I_ВЫХ = I_К), входное напряжение равно напряжению между зажимами база-эмиттер (U_ВХ = U_БЭ), выходное напряжение равно напряжению между зажимами эмиттер-коллектор (U_ВЫХ = U_КЭ).

Коэффициент усиления по току, представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) входных и выходных переменных токов:

К_i = I_ВЫХ / I_ВХОД = I_К / I_Б

Коэффициент усиления по току обеспечивает усиление в 10…100 раз.

Статический коэффициент усиления по току (дифференциальный коэффициент усиления тока базы):

 = i_К / i_Б

При нагрузке равной нулю К_i  , так как при включении нагрузки ток I_К уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) входных и выходных переменных напряжений:

К_U = U_ВЫХ / U_ВХОД = U_КЭ / U_БЭ

Коэффициент усиления по напряжению обеспечивает усиление в 10…100 раз.

Коэффициент усиления по мощности напряжению представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) входной и выходной переменной мощности:

К_Р = К_i К_U

Коэффициент усиления по мощности обеспечивает усиление в 100…1000 раз.

Входное сопротивление представляет собой отношение амплитуд входного напряжения на входной ток:

R_ВХ = U_ВХ / I_ВХ = U_БЭ / I_Б

Входное сопротивление находится в пределах 100…1000 Ом.

Выходное сопротивление представляет собой отношение амплитуд выходного напряжения на выходной ток:

R_ВЫХ = U_ВЫХ / I_ВЫХ = U_КЭ / I_К

Выходное сопротивление находится в пределах 1…10 кОм

Достоинства схемы: дает наибольшее усиление по мощности, обладает усиление и по току и по напряжению, не требует 2- х источников питания, т.к.потенциал на входе и входе совпадает.

Недостатки схемы: худшие температурные и частотные свойства, переворачивает фазу входного напряжения на 180⁰.

Схема включения с общей базой

Общим для входа для входа и выхода является вывод базы (см. рисунок 47).

Входной ток равен току эмиттера (I_ВХ = I_Э), выходной ток равен току коллектора (I_ВЫХ = I_К), входное напряжение равно напряжению между зажимами база-эмиттер (U_ВХ = U_ЭБ), выходное напряжение равно напряжению между зажимами база-коллектор (U_ВЫХ = U_КБ).

Коэффициент усиления по току

К_i = I_ВЫХ / I_ВХОД = I_К / I_Э

Коэффициент усиления по току меньше 1.

Статический коэффициент усиления имеет величину, порядка 0,96…0,99.

• = I_К / I_Э

Коэффициент усиления по напряжению:

К_U = U_ВЫХ / U_ВХОД = U_КБ / U_ЭБ

Коэффициент усиления по напряжению обеспечивает усиление 10…100 раз.

Коэффициент усиления по мощности:

К_Р = К_i К_U

Коэффициент усиления по мощности обеспечивает усиление в 10…100 раз.

Входное сопротивление:

R_ВХ = U_ВХОД / I_ВХОД = U_БЭ / I_Э

Входное сопротивление находится в пределах 1…10 Ом.

Выходное сопротивление:

R_ВЫХ = U_ВЫХ / I_ВЫХ = U_КБ / I_К

Выходное сопротивление находится в пределах 100 кОм…1 МОм.

Достоинства схемы: вносит меньшие искажения, чем схема с общим эмиттером, лучшие частотные и температурные свойства, сохраняет фазу входного напряжения.

Недостатки схемы: не дает усиления по току. Малое входное сопротивление и большое выходное сопротивление, поэтому необходимы согласующие устройства.

Схема включения с общим коллектором

Общим для входа для входа и выхода является вывод коллектора (см. рисунок 48). Коллектор является общей точкой для входа, т.к. источник питания шунтируется конденсатором большой емкости.

Входной ток равен току базы (I_ВХ = I_Б), выходной ток равен току эмиттера (I_ВЫХ = I_Э), входное напряжение равно сумме падений напряжений на транзисторе между зажимами база-эмиттер и на сопротивлении нагрузки (U_ВХ = U_БЭ + U_RН), выходное напряжение равно падению напряжения на нагрузке (U_ВЫХ = U_RН).

Коэффициент усиления по току:

К_i = I_ВЫХ / I_ВХОД = I_Э / I_Б

Коэффициент усиления по току обеспечивает усиление в 10…100 раз

Коэффициент усиления по напряжению:

К_U = U_ВЫХ / U_ВХОД = U_RН / U_БЭ + U_RН

Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по мощности:

К_Р = К_i К_U

Коэффициент усиления по мощности примерно равен коэффициенту усиления по току.

Входное сопротивление:

R_ВХ = U_ВХ / I_ВХ = U_ЭБ + U_RН / I_Б

Входное сопротивление порядка 10 кОм.

Выходное сопротивление:

R_ВЫХ = U_ВЫХ / I_ВЫХ = U_RН / I_Э

Выходное сопротивление находится в пределах 100 Ом…10 кОм.

Достоинства схемы: большое входное сопротивление, малое выходное - это достоинство нашло применение в усилительных каскадах, хорошие частотные и температурные свойства, сохраняет фазу входного напряжения.

Недостаток схемы: не дает усиления по напряжению.

Статические характеристики

Характеристики, отражающие взаимосвязь между соответствующими токами и напряжениями в статическом режиме (постоянный ток и напряжение), называются статическими характеристиками.

Различают входные и выходные статические характеристики. Изучают только статические характеристики, снятые по схеме с ОБ и ОЭ. Каждая из двух схем имеет свои семейства характеристик.

Входной статической характеристикой транзистора называется графически выраженная зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном значении выходного напряжения.

Выходной статической характеристикой называется графически выраженная зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

1. Статические характеристики схемы с общим эмиттером

Схема с ОЭ приведена на рисунке 49. Входные характеристики для схемы с общим эмиттером представляет собой зависимость тока базы (I_Б) от напряжения на базе (U_БЭ) при неизменном напряжении на коллекторе (U_КЭ).

I_Б = f (U_БЭ), при U_КЭ = const

Входные статические характеристики, для схемы с ОЭ, приведены на рисунке 50.

Входная характеристика, снятая при U_КЭ = 0В представляет собой ВАХ диода при его прямом включении. При увеличении выходного напряжения (U_КЭ=-5В) характеристика проходит ниже. Это связано с тем, что увеличение обратного напряжения, приложенного к КП (в активном режиме),вызовет увеличение потенциального барьера, т.е. КП расширяется и занимает некоторую часть базы. Она сужается и ток через неё уменьшится.

Выходная статическая характеристика для схемы с общим эмиттером представляет собой зависимость тока коллектора (I_К) от напряжения на коллекторе (U_КЭ), при неизменном токе на базе (I_Б).

I_К =f (U_КЭ), при I_Б = const

Выходная статическая характеристика приведена на рисунке 51.

При малом напряжении на коллекторе ток резко возрастает и с дальнейшим увеличением напряжения не изменяется, величина его зависит от тока базы.

2. Входная статическая характеристика для схемы с общей базой

Схема с ОБ приведена на рисунке 52.

Входная статическая характеристика представляет собой зависимость тока эмиттера (I_Э) от напряжения базы (U_ЭБ), при неизменном напряжении на коллекторе (U_КБ).

I_Э = f (U_ЭБ), при U_КБ = const

Входные статические характеристики, для схемы с ОБ, приведены на рисунке 53.

Входная характеристика, при U_КБ = 0В представляет собой ВАХ диода при прямом включении. При увеличении выходного напряжения характеристика проходит выше. Это связано с тем, что увеличение обратного напряжения вызывает расширение коллекторного перехода, в результате чего уменьшается толщина области базы, при этом увеличивается количество свободных носителей заряда, переходящих из эмиттера в базу и уменьшается рекомбинация в области базы.

Выходная статическая характеристика в схеме с общей базой приведена на рисунке 54.

Выходные статические характеристики представляют собой зависимость тока коллектора (I_К) от напряжения на коллекторе (U_БЭ), при неизменном токе эмиттера (I_Э).

I_К =f (U_БЭ), при I_Э = const

Выходная статическая характеристика приведена на рисунке 54. Характеристика идет почти параллельно оси напряжения, т.е. ток коллектора (I_К) слабо зависти от напряжения на коллекторе, что говорит о большом выходном сопротивлении транзистора. При увеличении входного напряжения тока коллектора увеличивается за счет уменьшения толщины слоя базы, в результате уменьшается рекомбинация в области базы, а ток коллектора увеличивается.

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Параметры транзистора

Понятие эквивалентная схема

При анализе и расчете транзисторных схем обычно пользуются эквивалентной схемой транзистора.

Эквивалентной схемой называется схема, которая по своему действию равнозначна реальной, которую она должна заменить. Эквивалентная схема содержит все составляющие реальной схемы.

В эквивалентную схему транзистора входят сопротивления и емкости. Также транзистор обладает усилительными свойствами, для чего вводят эквивалентные генераторы переменной ЭДС или эквивалентный генератор тока, включенный в выходную цепь.

Все эквивалентные элементы характеризуются свойствами самого транзистора и являются его первичными параметрами.

Эквивалентная схема с общей базой с управляемым генератором ЭДС

На рисунке 55 приведена эквивалентная схема транзистора с ОБ с управляемым генератором ЭДС.

r_Э – сумма сопротивлений области эмиттера и эмиттерного перехода (10 Ом).

r_К – сумма сопротивлений коллектора и коллекторного перехода (100 кОм).

r_Б – сопротивление области базы (100 Ом).

С_К – емкость коллектора и коллекторного перехода.

Данная схема служит для расчета при низкой частоте до 20 Гц.

Усиливаемое переменное напряжение на выходе получаем от некоторого эквивалентного генератора ЭДС (е =  i_К r_К), где  - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Эквивалентная схема транзистора с общим эмиттером с генератором тока

На рисунке 56 приведена эквивалентная схема транзистора с ОЭ с управляемым генератором тока.

r

i_К

_Э – сумма сопротивлений области эмиттера и эмиттерного перехода (10 Ом)

r_К – сумма сопротивлений коллектора и коллекторного перехода (100 кОм)

r_Б – сопротивление области базы (100 Ом)

С_К – емкость коллектора и коллекторного перехода

Усиливаемый переменный ток на выходе получаем от некоторого эквивалентного генератора тока (i =  i_Б), где  - коэффициент передачи тока базы.

Сопротивление коллекторного перехода снижено на 1+, это объясняется тем, что в этой схеме некоторая часть напряжения коллектор-эмиттер приложена к эмиттерному переходу и усиливает в ней инжекцию, вследствие этого значительное число инжектированных носителей переходит к коллекторному переходу и его сопротивление снижается.

При анализе схем можно перейти от одного коэффициента передачи к другому:  =  / (1+).