.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Условие для усилителя, усиления сигналов без искажением их формы

Рассмотрим характеристики схемы с ОЭ в статическом режиме, т. е. при короткозамкнутых зажимах сигнала и сопротивлении .

Для усиления сигналов без искажения их формы необходимо выбрать постоянное напряжение  такой величины, чтобы при изменении напряжение на входе  соответствовало почти горизонтальным участком выходных характеристик  при разных .

Входная характеристика есть зависимость тока  базы от напряжения база эмиттер при неизменном напряжении на коллекторе (рис. 15.13). Заметим, что в маломощных транзисторах ток базы составляет доли миллиампера (т. е. микроамперы). Характеристика при   (при котором коллектор соединен с эмиттером) представляет собой обычную диодную характеристику, снятую в прямом (пропускном) направлении. Если включить напряжение , то у новой характеристики при тех же напряжениях на базе ток базы окажется уменьшенным, ибо коллектор теперь перехватывает носители тока из области базы. При малом напряжении на базе ее ток даже становится обратным, так как в



 Рис. 15.13 Рис. 15.14

цепи начинает преобладать неуправляемый ток коллектора, идущий в провода базы навстречу нормальному. Если еще повысить напряжение на коллекторе   (на рис. 15.13 вместо 2 взять 5 В), то третья характеристика тока базы сместится незначительно, поэтому можно ограничиться одной единственной входной характеристикой, снятой при нормальном напряжении на коллекторе. Пусть для рис. 15.13 такой единственной характеристикой будет самая правая характеристика, которая снята при .

Выходная характеристика прибора при общем эмиттере есть зависимость тока коллектора от напряжения коллектор эмиттер при неизменном токе базы. Нижняя характеристика в выходном семействе соответствует разрыву цепи базы (). В этом случае от эмиттера к коллектору проходит сквозной ток , составляющий в маломощных транзисторах до сотен микроампер; иначе говоря, этот ток больше обычного обратного тока диода вследствие того, что часть напряжения коллекторэмиттер падает на эмиттерном переходе в пропускном направлении.

Если установить определенный ток базы (), то выходная характеристика располагается выше, чем при нулевом токе базы (рис. 15.14). Действительно, если увеличился ток базы, то увеличится и ток эмиттера, от которого ток базы составляет небольшую долю, а вместе с током эмиттера растет и ток коллектора. С ростом напряжения   при данном токе  ток на рабочем участке выходной характеристики несколько возрастет: ведь повышение напряжения на коллекторном переходе тем самым уменьшило бы ток базы; но мы поддерживаем , для чего увеличиваем соответственно ток базы и ток эмиттера изменением смещения . При следующем скачке тока базы получим новую характеристику, идущую выше и приблизительно параллельно предыдущей характеристике. Так можно снять семейство выходных характеристик, изображенное на рис. 15.14. Их рабочие участки несколько круче, чем у выходных характеристик при общей базе; значит, внутреннее (выходное) сопротивление транзистора при общем эмиттере меньше, чем при общей базе, и составляет единицы или десятки килоом. Зато из рассмотрения рис. 15.14 можно установить, что входное сопротивление составляет сотни и даже свыше тысячи ом.

Обратимся к усилительным свойствам транзисторной схемы  с ОЭ (рис. 15.10) . Она обладает возможностью усиливать ток сигнала. Действительно, если сопротивление резистора было бы равно нулю (короткое замыкание выходных зажимов), то амплитуда переменного тока коллектора  составила бы долю  от амплитуды переменного тока эмиттера . Входной же ток сигнала есть ток базы, который, как мы знаем, составит от тока эмиттера долю (). Схема с ОЭ позволяет усиливать не только тока и напряжение сигнала тоже.

15.4. Усилители мощности. Выходные каскады

усилителей низкой частоты

Выходными каскадами в радиоприемниках, телевизорах, электропроигрывателях и ряде других устройств являются усилители мощности. Выходная мощность   таких усилителей находится в пределах от долей ватта до нескольких киловатт и сравнима с мощностью питания , подводимой к активному нелинейному элементу (транзистору, электровакуумной лампе) от источника постоянного тока. Важными характеристиками усилителя мощности являются коэффициент полезного действия и коэффициент гармоник Кг. В современной высококачественной аппаратуре Кг не превышает долей процента, в низкокачественной достигает 10% 15%.

15.4.1. Потребителей мощности низкой частоты

Выходные (оконечные) каскады в радиовещательных приемниках и в звуковых трактах телевизоров предназначены для отдачи необходимой мощности сигнала громкоговорителю или группе громкоговорителей. Эта мощность должна отдаваться выходным каскадам при возможно меньшем расходе энергии источников питания и допустимых значениях искажений. Для того чтобы дать представление о свойствах потребителей мощности низкой частоты, скажем несколько слов о громкоговорителях.

Наиболее распространенным типом громкоговорителя  (по принципу действия) является электродинамический громкоговоритель, основанный на механическом взаимодействии проводника, несущего ток, с полем постоянного магнита. Его магнитная система представляет собой сильный постоянный магнит с кольцеобразным воздушным зазором. В воздушном зазоре расположена так называемая «звуковая» катушка (к ее зажимам с выхода усилителя подводится ток сигнала звуковой частоты), скрепленная с диффузором (отлитым из бумажной массы). Диффузор имеет форму круглого, или эллиптического конуса. В пределах упругости креплений катушка вместе с диффузором может совершать перемещения вправо и влево, не касаясь полюса магнитной системы. Именно такие колебания и совершает упругая система за счет взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей при прохождении переменного тока по виткам звуковой катушки. Диффузор излучает в пространство звуковые волны.

Потребителем энергии для выходного каскада усилителя служит звуковая катушка громкоговорителя, совершающая движения. Активное сопротивление ее с учетом преобразования электрической энергии в звуковую обычно составляет единицы ом (реже до сотен ом). Такое сопротивление потребителя обычно отличается от выходного сопротивления лампы или транзистора. Для того чтобы усилительный каскад получил необходимое сопротивление нагрузки, громкоговоритель включают через трансформатор. В том случае, когда приемник имеет два громкоговорителя ( на более высокие частоты, a  на более низкие), их включают в общий трансформатор Тр через фильтры верхних () и нижних () частот соответственно (рис. 15.15).

 Рис. 15.15

Рис. 15.15 показан включение двух громкоговорителей на разные полосы частот.

15.4.2. Однотактный усилитель мощности

Наиболее простым усилителем мощности является однотактный усилитель, изображенный на рис. 15.16. Если заменить транзистор схемой замещения, то получим эквивалентную схему выходной цепи усилителя (рис. 15.17).


 Рис. 15.16 Рис. 15.17

Сопротивление нагрузки Rн громкоговорителя, акустической системы (колонки) и т. д. обычно много меньше выходного сопротивления   транзистора. Например, стандартное сопротивление акустической системы равно 4 Ом.

Чтобы максимальную энергию усиленного сигнала передать от транзистора в нагрузку, надо осуществить согласование по мощности сделать равными выходное сопротивление транзистора  и пересчитанное сопротивление нагрузки, включенной через согласующий трансформатор. Поскольку потери энергии в трансформаторе очень малы, можно считать, что вся мощность сигнала, поступающего на вход трансформатора , равна мощности сигнала на сопротивлении нагрузки . Отсюда имеем, что входное сопротивление трансформатора равно , где  коэффициент трансформации трансформатора, N1 число витков первичной обмотки, N2 число витков вторичной обмотки.

Для согласования необходимо выполнение условия:

 .

Отсюда можно определить требуемый коэффициент трансформации:

  . 

Чтобы рассматриваемый усилитель работал с малыми нелинейными искажениями, надо выбрать рабочую точку на линейном участке проходной характеристики транзистора , т. е. на таком участке, который можно аппроксимировать отрезком прямой. В этом случае приращение тока будет соответствовать приращению напряжения , т. е.  и усиление сигнала будет происходить практически без искажений. Однако постоянная составляющая тока коллектора   в этом случае велика, как и мощность, получаемая от источника питания , и соответственно мал КПД.


Этот режим работы нелинейного элемента (транзистора) называется режимом класса А.

 Рис. 15.18 Рис. 15.19

В выходном каскаде транзистор включают либо по схеме с ОБ, либо по схеме с ОЭ. Включение с ОБ выгоднее в том отношении, что заданная мощность выделяется в громкоговорителе при меньших нелинейных искажениях: это можно объяснить большей прямолинейностью входных и выходных характеристик. Но включение по схеме с ОЭ обеспечивает заданную мощность при меньших амплитудах колебаний на входе (или при меньшей «раскачке»). Остановимся на схеме с ОЭ по тем соображениям, что она применяется очень часто в «двухтактном» варианте, о котором будет сказано ниже. Этот вариант позволяет уменьшить на выходе нелинейные искажения путем взаимной компенсации гармоник.

Схема выходного каскада с ОЭ, с эмиттерной стабилизацией исходного режима и с трансформаторным выходом представлена на рис. 15.16. Эта схема не требует пояснений. На рис. 15.19 даются выходные характеристики конкретного мощного транзистора.

На семействе характеристик определяем точку т исходного режима. Полагая, что напряжение источника питания , и пренебрегая (с известной погрешностью) сопротивлением первичной обмотки трансформатора для постоянного тока, ищем точку т на вертикали, соответствующей  (разумеется, в транзисторе рпр это напряжение отрицательно). Если допустимая мощность рассеяния в транзисторе составляет, например, , то мы должны ограничить ток коллектора значением . Остановимся на значении , определив тем самым положение точки т и, следовательно, потребляемую мощность питания каскада: .

Теперь определим нагрузочное сопротивление цепи коллектора. Для этого проведем через точку т динамическую характеристику в виде наклонной прямой, которая опиралась бы нижним концом на характеристику,  соответствующую минимальному (неуправляемому) току коллектора (точка ), а верхним концом на точку сгиба статической характеристики (точка k); при этом отрезки km и тп по возможности должны быть равны. Можно утверждать, что ;пр,и изменениях напряжения на базе в пределах от 0,8 до 0,2 В, т. е. при амплитуде входного напряжения Uml = 0,3 В, будет достигнуто хорошее использование выходного каскада. Очень приближенно полезная мощность

 .

Но неравенство отрезков km и тп (причиной которого оказывается нестрогая параллельность реальных статических характеристик) приводит к нелинейным искажениям, которые можно наблюдать на развернутых во времени изменениях тока коллектора  и напряжения па коллекторе .

Что касается выгодного сопротивления нагрузки Rн, то в данном примере она составляет лишь около 20 Ом. Таким образом, коэффициент трансформации не будет сильно отличаться от единицы. Более того, иногда оказывается возможным включать электродинамический громкоговоритель в цепь коллектора вовсе без трансформатора. «Низкоомная» нагрузка характерна для мощных транзисторов, так как в них при низких коллекторных напряжениях значительная полезная мощность получается за счет больших токов.

Описанные виды выходных каскадов, работающие в режиме А, можно назвать «однотактнымн» каскадами в отличие от «двухтактных», о которых мы будем говорить дальше. Мощность, которую способны отдать потребителю транзистор при допустимых искажениях, может оказаться недостаточной. Тогда, желая сохранить тип электронного прибора, можно включить два транзистора параллельно между собой, соединив накоротко их одинаковые электроды. При этом, разумеется, выбор деталей схем будет иным, но попрежнему придется обеспечивать режим А. Значительно выгоднее при использовании в одном каскаде двух ламп или двух транзисторов включить их по двухтактной схеме, так как в этом случае возможна взаимная компенсация искажений.

Оценка параметров слоя

Полагая известными концентрацию No, толщину слоя xo, закон распределения примеси в слое, определяют все (или почти все) другие недостающие параметры.

Удельную объемную электропроводность (σ) для равномерно легированных слоев определяют по формуле

σ ≈ q× Mn,p × No (2.8)

или применяют графические зависимости (см. рис. 2.2) для слоя электронного или дырочного типа проводимости.

Для неравномерно легированных слоев применяют аналитический и графоаналитический способы определения.

 Для аналитического способа пользуются соотношением

 q×∫(M(Nc(x))×Np(x)dx

  σ ≈ —————————, (2.9)

 (x2 – x1)

где M(Nc(x)) — зависимость подвижности основных носителей от суммарной концентрации Nc примеси в слое;

Np(x) — разностная концентрация примеси в слое;

x2, x1 — пределы интегрирования числителя (0≤ x1<x2);

q =1,6×10–19 к — заряд электрона.

Графоаналитический расчет выполняется с применением графических планшетов, построенных на основе табулированных значений, рассчитанных по формуле (2.9). Примеры планшетов (известных под названием планшетов Ирвина) приведены на рисунке 2.17. Координатами планшетов являются поверхностная концентрация Nо в слое и удельная усредненная по слою электропроводность σ.

Параметром графиков на планшете являются градации отношения x1/x2. Множество планшетов разделено на подмножества, различающиеся:

типом проводимости слоя (n-, p-тип);

законом распределения примесей в слое (Гаусса, дополнительная функция ошибок);

значением исходной концентрации примеси в пластине до внесения легирующей примеси (Nисх).


Выбором подмножества планшетов (или подходящего одиночного планшета) по поверхностной концентрации и расположению границ x1, x2 по графикам определяется значение удельной электропроводности σ.

Поверхностное сопротивление слоя R□ определяется через удельную электропроводность и толщину слоя Xo = x2 – x1 по формуле

 R□ = 1/(Xo × σ). (2.10)

Удельное сопротивление омического контакта Rо[Ом·см–2] металлизации соединений с полупроводниковым слоем является важным параметром, определяющим дополнительные вносимые сопротивления в соединяемые цепи. Значение Rо зависит от металла контактной пары и степени легирования полупроводника в контактном слое.

В таблице 2.3 позиции, отмеченные символом (в), соответствуют выпрямляющему контакту. Прочерк в позиции соответствует контактам с существенно нелинейной характеристикой. Зависимость Ro от степени легирования кремния в контактной паре представляется выражением вида

 Rо = А×ρk, (2.11)

где А =3,3; k= 1,3.

Диффузионная длина носителей заряда L n,p либо известна как первичный параметр по результатам измерений, либо оценивается по формуле

L n,p = √ D n,p ×T n,p, (2.12)

где D n,p = Ft· M n,p [см2/ сек] — коэффициент диффузии носителей заряда;

Ft = кТ/q = 25 мВ при Т = 293 °К.

 

 Таблица 2.3— Удельные сопротивления Rо[мкОм·см–2] контактных пар на кремнии

Вид

структуры

Удельное

сопротивление кремния, Ом×см

Al

Mo

Ti

Cr

Pt5Si2

Р

n

0,001

0,01

0,1

1,0

0,001

0,01

0,1

1,2

23

110

1000–2000

2–9

600 (в)

6

3 00

8

500 (в)

2

4 00

1

400

4

800 (в)

20000 (в)

3

300 (в)

1…4

70…100

400

1000–2000

1–2

10–30

4000 (в)

Подвижность носителей заряда M n,p электронов и дырок зависит от концентрации примесей по закону, для которого справедливы аппроксимации вида

 1320

 M n = —————— + 65; (2.13)

 1 + (N / N1)0,72

  440

 M p = ——————— + 44; (2.14)

 1 + (N / N2)0,72

где N1 = N2 = (0,7–0,85)×1017см–3;

N — текущее значение концентрации.


На главную