И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

При построении рабочей характеристики используются статистические характеристики транзистора, которые, как известно, снимаются в измерительной схеме без сопротивления нагрузки и без управляющего входного колебания.

Наличие сопротивления нагрузки приводит к возникновению падения напряжения на этом сопротивлении за счет постоянной составляющей выходного тока, а подключение источника управляющего напряжения вызывает как изменение протекающего через транзистор тока, так и дополнительное падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Связь между токами и напряжениями в этом случае определяется именно рабочей характеристикой.

При определении рабочей (нагрузочной) характеристики при усилении переменных колебаний следует учитывать фактическое сопротивление нагрузки, которое для переменного тока может иметь другое значение, чем для постоянного тока.

Усилитель, работающий в схеме ОБ, представлен на рис. 4.10, а, а выходные характеристики Iк = f(Uкб) для Iэ = const — на рис. 4.15.

Для выходной цепи можно записать следующее уравнение:

IкRк + Uкб = Ек

которое говорит о том, что сумма падений напряжения на сопротивлении Rк и на переходе коллектор — база должна быть численно равна напряжению источника питания. Для Rк = 2 кОм и Ек = 12 В на основании этого уравнения получим два крайних значения: Uкб = 0, если Iк = 6 мА, и Uкб = 12 В, если Iк = 0.

На семействе характеристик Iк = f(Uкб) обозначим через Р1 и Р2 точки, соответствующие этим значениям, а затем проведем через них прямую, называемую нагрузочной прямой.

В рассматриваемом примере нагрузочная прямая одинакова для переменного и постоянного тока, поскольку в представленной на рис. 4.10, а схеме сопротивление нагрузки (резистивное) не зависит от частоты. Точка Р0, лежащая на этой прямой и соответствующая значениям Iк и Uкб в схеме при отсутствии сигнала на входе, называется рабочей точкой в состоянии покоя Р0. При заданных значениях Rк и Ек рабочая точка зависит от значений Rэ и Еэ, определяющих напряжение смещения перехода эмиттер — база, а следовательно, и ток Iэ. В режиме линейного усиления рабочую точку выбирают таким образом, чтобы она лежала вблизи середины нагрузочной прямой, проходящей через точки Р1 и Р2.

На семействе характеристик Iк = f(Uкб) можно нанести управляющее колебание. Если изменения мгновенного значения тока эмиттера, вызванные этим колебанием, будут находиться, в пределах от iэ мах до iэ min, то, двигаясь вдоль этой прямой, можем определить диапазон изменений тока и напряжения между коллектором и базой.

Когда сопротивление нагрузки для переменного тока имеет другое значение, чем для постоянного, на семействе характеристик строим две нагрузочные прямые: одну для постоянной составляющей, другую для переменной. Обе прямые всегда пересекаются в рабочей точке.

Рис. 4.15. Нагрузочная характеристика в семействе статических выходных характеристик схемы ОБ

Схема усилителя, работающего по схеме ОЭ, представлена на рис. 4.12, а, а примерные выходные характеристики Iк = f(Uкэ) для Iб = const на рис. 4.16, а. При построении рабочей характеристики принято Ек = 12 В, Rк = 2 кОм, а также использовано уравнение

IкRк + Uкэ = Ек

Затем построена нагрузочная прямая. Рабочая точка покоя Р0 выбрана для Iб = 80 мкА. Для точек Р1 и Р2 в этом случае имеем:

Iб(Р1) = 120 мкА; Iк(Р1) = 5 мА;

Iб(Р2) = 40 мкА; Iк(Р2) = 1,3 мА.

Используя нагрузочную прямую, можно вычислить некоторые параметры рассматриваемой схемы. Например, коэффициент усиления по току

Можно также рассчитать значение коэффициента передачи по напряжению. Для этого следует воспользоваться входной статической характеристикой Iб = φ(Uбэ) для Uкэ = const (рис. 4, 16, б, с учетом того, что для Uкэ выбираем значение, соответствующее рабочей точке Р0 на характеристике Iк = f(Uкэ) (рис. 4.16, а). Затем выбираем такое значение Eб или для заданного Еб такое сопротивление Rб, чтобы нагрузочная прямая пересекла эту характеристику в точке, соответствующей току базы для рабочей точки Р0 (рис. 4.16, а). Вдоль оси напряжения Uбэ определим Uбэ управляющего напряжения для токов базы от Iб(Р1) до Iб(Р2). Из рис. 4.16, а получим Uкб = 30 мВ, а из рис. 4.16, Uкб = ΔIкRк = 6 В, т. е. коэффициент усиления по напряжению для этого примера равен

KUЭ = Uкб/Uбэ = 6 В/30 мВ = 200.

Рис. 4.16. Нагрузочная характеристика в семействе выходных (а) характеристик схемы ОЭ и определение управляющего напряжения в схеме ОЭ (б)

Это транзистор, управляемый электрическим полем, в котором действует лишь одни вид тока, а именно созданный только основными носителями: электронами или дырками[13]. В биполярном транзисторе, как известно, действуют оба вида носителей — основные и неосновные, т. е. электроны и дырки. Полевые транзисторы называются также транзисторами на полевом эффекте, что следует из принципа их работы. Встречается также название — транзисторы FET, являющееся сокращением английского названия Field Effect Transistor. Полевые транзисторы делятся на две группы: транзисторы с р-n переходом и транзисторы с изолированным затвором — МДП или МОП транзисторы.

Структура полевого транзистора упрощенно представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Структура полевого МОП транзистора:

1 — металлический контакт истока; 2 — металлический контакт стока; 3 — подложка с собственной проводимостью или р-типа; 4 — изолирующий слой окисла; 5 — канал с зарядом электронов

На подложке из собственного или слабо легированного акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов (n-типа), называемые истоком и стоком и соединенные с металлическими контактами. В центральной части над подложкой находится изолирующий слой окисла, а над ним — металлический слой треть его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между истоком и стоком под затвором во время работы транзистора возникает канал, проводящий ток.

Действие подобного полупроводникового прибора заключается в следующем. При отсутствии напряжения на затворе подводимое между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению канала. При подведении к затвору положительного относительно истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в диэлектрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее электроны из участков металлизации истока и стока и направляющее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напряженности электрического поля. Это и есть полевой эффект.

Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа «нормально выключенный».