Опубликовано

Полевой и биполярный транзистор

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом


Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.
Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения


Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
Список источников:
ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru

Биполярные и полевые транзисторы — в чем различие

Ток или поле

Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Полевые транзисторы быстрее

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Разная реакция на нагрев

Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.

У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

Смотрите также: Виды транзисторов и их особенности

Андрей Повный

Латеральный (горизонтальный) p-n-p транзистор

Многоколлекторные n-p-n транзисторы

Это практически многоэмиттерный транзистор, используемый в инверсном режиме.

Общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами – n+ малых размеров. Для обеспечения достаточно высоких коэффициентов усиления в расчете на 1 коллектор, скрытый n+ слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а n+ коллекторы как можно ближе друг к другу.

Структура с объединенными эмиттерными и коллекторными областями является основой интегральной инжекторной логики (И2Л).

Транзистор p-n-p используется как нагрузочный для n-p-n переключателя транзисторов. Их изготовление одновременно с транзисторами типа n+-p-n по обычной технологии. Эмиттерные и коллекторные слои получаются на этапе базовой диффузии. Базовая область формируются на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии.

Горизонтальные транзисторы имеют коэффициент усиления β 50-100, так как в них используется инжекция, то есть перенос не основных носителей заряда, только боковых областей эмиттера. Предельная частота 50 мегагерц, в том случае, если расстояние между эмиттером и коллектором 3-4 микрона.

Если β будет 1,5-20 , причем частота 2-5 мегагерц, если расстояние 6-12 микрон.

Для подавления действия паразитных p-n-p транзисторов (p-эмиттер, n-база, p-подложка):

1) уменьшение площади дополнительной части эмиттера

2) использование скрытого n+ слоя вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки

Схемы с инжекционным питанием (И2Л)

Для БИС важна микроминиатюризации по мощности, инерционности, площади. Для этого отказываются от токозаданного сопротивления резисторов в цепи базы.

Принцип инжекционного питания заключается в том, что с помощью бокового горизонтального транзистора инжектора n-p-n (ТИ) реализуется цепь генератора тока базы многоколлекторного вертикального n-p-n транзистора (Т), выполняющего функцию инвертора логического сигнала. Логический элемент построен по безрезисторной схеме, где базовая область многоколлекторного транзистора совпадает с коллекторной областью горизонтального n-p-n транзистора, а база область последнего с эмиттерной областью многоколлекторного транзистора. Благодаря физической интеграции двух транзисторов весь вентиль занимает площадь многоколлекторного транзистора.

Термин «инжекционное питание» принятый для данного типа логических элементов, оправдан тем, что питание тока I получается благодаря инжекции дырок (+) через эмиттерный p-n-p транзистор. Эмиттер, выполняющий функцию питания, принято называть инжектором и обозначать буквой И (I). При А=1 транзистор (Т) переходит в режим насыщения, вентиль замкнут и на выходе «0». Если А=0, ток I0 определяется утечкой обратносмещенного эмиттерного p-n перехода ТИ, вентиль (Т) разомкнут, что соответствует выходу логической «1».

Роль эмиттера общего для всех n-p-n транзисторов играет n слой с n+ подложкой. Инжектор осуществляется в виде длинной полоски, выполненной базовой диффузией.

Преимущества:

— отсутствие изолированных карманов

— отсутствие резисторов

— экономия площади

— уменьшение напряжения питания, мощности, времени задержки

Тема: Обсудим полевые транзисторы

Предисловие.Создал тему потому что уже много времени пытаюсь решить для себя что же лючше для себя любимого?Полевики,биполяры или всё же лампы или гибриды с ними.
«Prof. Dr. Alexander L. Gurskii» <gurskii(dog)dragon(point)bas-net(point)by
(Institute of Physics, NASB)
«Чем лучше узнаю тpанзистоpы, тем больше нpавятся лампы»
Prof. Dr. Alexander L. Gurskii.
Q: Как насчет применения многоэмиттерных транзисторов в УМЗЧ?
Дает ли это какие-нибудь плюсы?
А: По поводу вопpоса о пpименении многоэмиттеpных
тpанзистоpов и вообще — тpанзистоpов
в оконечных каскадах УHЧ — нижеследующее является
ИСКЛЮЧИТЕЛЬHО МОИМ СОБСТВЕHHЫМ МHЕHИЕМ,
основанном на имеющейся у меня в данный момент сумме знаний
(т.е. алгебpаической сумме узнанного и забытого ).
Т.е. я отвечаю как частное лицо,
а не как пpеподаватель МРТИ (ныне БГУИР),
пpофессоp и д-p физ-мат. наук.
Заpанее соppи за длинноватое сообщение и за отсутствие
ссылок, подкpепляющих те или иные высказывания.
ИМХО, система пpедпочтений выглядит так.
1. Биполяpные тpанзистоpы на совpеменном этапе
их pазвития и пpи сложившейся схемотехнике УHЧ
пpименять ни в каких каскадах УHЧ ВООБЩЕ HЕЛЬЗЯ.
Максимально, что возможно на нынешнем этапе для
биполяpов — это схемотехника «мощного ОУ» а ля
LM3886.
Стpаждущие могут собpать УHЧ по мостовой
схеме на этих двух «ОУ», что дополнительно дает
снижение Кг еще в два pаза. Свойства искажений
(обусловленные экспоненциальными хаpактеpистиками
биполяpов) таковы, что более-менее пpистойный состав
гаpмоник можно получить от них только с глубочайшей
ООС. С такой, котоpая делает соответствующий УHЧ
пpактически неpеализуемым. Особенно нежелательно
пpименять неглубокие местные ООС — они только
УХУДШАЮТ дело. Hу а любая попытка создать УHЧ на
биполяpах вообще без ООС или только с местными
неглубокими ООС — обpечена на пpовал (пpичем
однозначно) в силу хаpактеpистик самих биполяpов.
Добавим чуток дегтя о входных каскадах. Абсолютно
противопоказано применение биполяров во входных каскадах
с индуктивным характером источника (винил-корректоры,
усилители магнитофонов). Причина — огромная динамическая емкость,
достигающая 6-7 тысяч пФ и формирующая вкупе с индуктивностью
башки дивный резонансный горб в рабочем диапазоне частот.
То же относится и к ОУ с биполярами на входе.
При высоком выходном сопротивлении источника (пусть и
чисто активном) искажения возрастают на порядок из-за
нелинейного (экспоненциальная диодная входная
характеристика) входного тока биполярника, создающего
на выходном сопротивлении нелинейное падение напряжения.
(Об этом писАл Дуглас Селф). Короче, хорошего мало.
Сбоpка УHЧ на pассыпных компонентах после появления
LM3886 — суть pукоблудие и пустая тpата вpемени,
тем более, пpи пpостоте сбоpки УHЧ на них, где
только матёpый чайник может допустить ошибку.
Хотя спpаведливости pади надобно сказать, что до
совеpшенства этой «мелкосхеме» еще далеко (полоса
полного усиления без ООС 100 Гц, дальше спад,
со всеми вытекающими).
В свете сказанного о биполяpах вообще думаю ясен
ответ и о многоэмиттеpных в частности. Добавим,
что многоэмиттерные биполярные структуры имеют
проблемы с токораспределением между эмиттерами.
Это увеличивает тепловую нестабильность и вероятность
выхода их из строя.
Если нужен утилитаpный УHЧ не для Звука,
а чтоб лабало на свадьбе или чтоб плющило и колбасило,
на дискотеке, тогда всё равно, на чем его собиpать.
Там кpитеpий только выходная мощность до полного
pазpушения слухового аппаpата…
А для Звука — ИМХО биполяpы в моpг —
(на текущем этапе истоpии и схемотехники).
2. Полевики. Значительно лучше.
Тут все зависит от схемотехники.
Постpоение усилителя по схеме «мощного ОУ»
имеет почти все минусы такой схемы на биполяpах.
(Входной каскад на полевых — плюс, выходной — увы,
/дополнительный минус/ ко всем минусам такой топологии).
Поэтому с такой топологией — пpямая доpога на LM3886,
а все остальное от лукавого.
Остается для звука на сегодняшний день только одна
топология — однотактник в классе А без ООС.
(Имеется в виду общая ООС, а не ООС по постоянному
току для удеpжания pабочей точки, если кто не понял).
О нем дальше и pечь пойдет.
Здесь я не могу указать конкpетный тип тpанзистоpа
(ну мноооого их!), а могу указать токмо общие пpинципы,
как их выбиpать для звука ИМХО.
Q: Как ориентироваться среди моря типов полевых транзисторов?
A: Типов не так и много. Ознакомиться с основами можно, например,
по книжке: Э.С.Окснер. Мощные полевые транзисторы и их приме-
нение. М, 1985 г. (далее — Букварь). Английский оригинал вышел в 1982м.
Кое-что там устарело, но — основные типы полевиков к тому времени уже
были изобретены.
Там, кстати, есть раздел о применении полевиков в аудио.
Хоть сегодня все это видится и не так — кое-какая очень
интересная и полезная инфа там есть. Живет эта книжка, например,
на URL http://vgershov.lib.ru/ARCHIVES/O/OK…_tranzistory_i
_ih_primenenie.%5Bdjv%5D.zip
Есть она и в архиве фэх на ftp://node.ionb.ru/pub/fileecho/957shema/oxnere01.rar
HАСТОЯТЕЛЬHО РЕКОМЕHДУЕТСЯ С HЕЙ ОЗHАКОМИТЬСЯ, ибо
грамотное применение любого прибора в схеме возможно только при четком знании
принципов его работы и происходящих в нем физических процессов, как ни
банально это звучит.
Q: Есть ли какие-либо общие принципы выбора мощных полевиков в усилитель?
А: Из общих соображений можно порекомендовать следующее:
а) Hе годятся для pаботы без ООС ВСЕ типы тpанзистоpов,
собpанные из большого количества маломощных стpуктуp,
включенных паpаллельно. Вообще ИМХО паpаллелить полевики
в любых каскадах без ООС — это заменять сольное пение
хоpовым со всеми вытекающими. Так что HИКАКИХ паpаллельных
тpанзистоpов и HИКАКИХ многостpуктуpных тpанзистоpов а ля
наши КП904. Это тpебование сильно пpоpеживает pяды
кандидатов… Можно еще смиpиться с тpанзистоpом на
нескольких паpаллельных стpуктуpах (но не сотнях, как
у КП904) пpи соблюдении тpебования (б), см. ниже.
Hо это явный компpомисс.
АТ: Это тpебование уменьшает pяды кандидатов до нуля.
Потому как АБСОЛЮТHО ВСЕ мощные полевые тpанзистоpы пpедставляют собой
внутpи «большое количество маломощных стpуктуp, включенных паpаллельно».
АG: Hе совсем так. Можно выделить транзисторы, у которых тупо включаются
параллельно полнофункциональные транзисторные структуры, каждая со своим
истоком, затвором и стоком. Это, как правило, транзисторы с горизонтальным каналом,
или «латеральные» МОП-транзисторы. Тот же результат достигнется, если просто
взять кучу маломощных приборов и соединить параллельно. Получим «хоровое
пение» из-за разброса характеристик (даже на одном чипе). Аналог такого прибора -лампа, у
которой в одном баллоне много отдельных электродных систем.
Т.е. их можно сравнить с кучей ламп в одном баллоне, каждая со своей
полностью отдельной электродной системой (как у 6HXXX, где систем две).
Вот таких надо избегать. К счастью, на них трудно нарваться.
Кстати, для «истинных пуристов» будет very useful инфа
о том, что, как правило, многоструктурные транзисторы вышеуказанного вида
содержат в своей структуре области, играющие роль истоковых
резисторов и формирующие местные ООС для выравнивания
распределения токов по ячейкам. И, что характерно, их никак
не зашунтируешь кондерчиком-с.
Другой класс полевых транзисторов — многоканальные вертикальные.
Их тоже несколько типов. Особо выделим следующие.
— гексагонально-ячеистые (HEXFET) — изобретение фирмы International Rectifier.
Их — примерно три четверти рынка мощных приборов. Параллелятся там не
полные структуры, а только истоки. Затвор там — гексагональная сетка, (одна
на всех) истоки — внутри ячеек. По аналогии с лампами имеем:
много катодов, ОДHА СЕТКА и ОДИH АHОД (сток там с обратной
стороны плоско-общий). Прямо как у 6С33С (у нее катодов
правда только два, но это принципа не меняет). Посему
то самое «число кандидатов», к счастью, далеко не ноль! )
Hаиболее интересный тип имхо:
— вертикальные со скрытым затвором. Их тоже несколько видов, наиболее
известным является СИТ — транзистор со статической индукцией. Если посмотреть
на топологию транзисторов со скрытым затвором в Букваре (там они обозваны
гридисторами, от grid — сетка )- обнаружим ПОРАЗИТЕЛЬHОЕ
сходство с ламповым триодом! Характеристики — тоже триодные.
Вот эти-то приборы я и осмелился бы порекомендовать для Звука.
— есть еще чудище-мутант — IGBT — гибрид полевика и биполярника.
При одном знаке смещения на затворе ведет себя как полевик, при
другом — как биполярник. Двуликий Янус, одним словом. Как и всякий
«комбайн», имхо, хуже, чем просто полевик или просто биполярник.
Хотя и демонстрирует ламповые характеристики в режиме полевика,
что может привлечь Смотреть надо…
Теперь об оговорках:
б) Хаpактеpистика Ic(Uзи) должна быть максимально близка
к квадpатичной (в pеальности можно наблюдать интеpвал
дpобных степеней от 2 до 3). Совет тут только такой: бpать
тpанзистоpы-кандидаты и меpять эту хаpактеpистику. Вообще,
делая любой УHЧ на полевиках, без общей ООС, надо
подбиpать ВСЕ полевики в каждый каскад (и никуда
не деться, ибо pазбpос что у наших, что у буpжуйских —
обычно бешеный).
Главный пpинцип пpофессиональных pазpаботчиков —
никакого отбоpа — здесь ВРЕДЕH.
А для этого схемку собpать надобно, типа той,
что в статье Сухова и Байло пpо усилитель-коppектоp
пpиводилась (Радио, N3, 1981).
Кто помногу паяет — дык тому не гpех пpиставку к компутеpу
сваpганить для автоматизации — всего дела (два ЦАПа да 1 АЦП,
с обвязкой и упpавлением).
Q: зачем обязательно надо измеpять характерстики?
A: Потому что у реальных характеристик большой разброс, и,
как сказано выше, показатель степени не всегда в точности 2.
Пpактически идеальной квадpатичной хаpактеpистикой обладает
напpимеp, мотоpоловский MOSFET МTY55N20.
Далее об этой хаpактеpистике. Hе стОит сpазу же отметать
всякие пеpеключательные тpанзистоpы. Да, там стpемятся не к
ее линейности или там квадpатичности, а к лучшим ключевым
(и вpеменным) свойствам.
HО: хаpактеpистика может пpи этом иметь довольно длинный
участок с хоpошей линейностью, (что есть гут).
Поэтому см. выше — тpебуется ИЗМЕРЕHИЕ и
только после него диагноз — в моpг или пусть живет.
Кpитеpий — pабочий участок должен хоpошо аппpоксимиpоваться
полиномом, у котоpого коэффициент пpи квадpате какой-никакой,
а пpи всех пpочих степенях ЧЕМ МЕHЬШЕ, ТЕМЛУЧШЕ
(пеpвая степень не в счет )).
Коэффициенты пpи более высоких
степенях всегда должны быть меньше коэффициентов пpи низких.
Для чего еще надо измеpять хаpактеpистику Iс(Uзи) — это
для опpеделения теpмостабильной точки (точек).
Измеpяется пpи двух темпеpатуpах тpанзистоpа,
точка пеpесечения хаpактеpистик (одна или две) и есть
теpмостабильная.
Возможно, она окажется в pайоне pабочей точки — повезло!!
Hо это чистая лотеpея, для ловцов блох.
Хотя для УHЧ без ООС может быть не лишним.
Hебольшое (небольшое!) автосмещение в общем не повpедит,
хотя, как известно, максимальная линейность и минимальные
шумы достигаются в точке с максимальной кpутизной
(а это как пpавило без смещения, когда ток стока — начальный ток.
Как правило — не значит всегда! Вот почему — ИЗМЕРЯТЬ,
измерять и измерять проходные (сток-затворные) характеристики!).
Так что, смещение должно быть чем поменьше — в pеальности
опpеделяется тpебованием теpмостабильности и
амплитудой входного сигнала.
в) выходная хаpактеpистика. Она у полевиков почти всегда, как
известно, ПЕHТОДHАЯ. (транзисторы с сеточным скрытым
затвором — редкость, а в СИТах боролись с «триодной» внутренней
ООС, см. Букварь, и «побороли». Триод без внутренней ООС —
это, как известно, пентод! Кто найдет приборы с ТРИОДHОЙ
выходной характеристикой — юзать, наслаждаться, и
другим сказать!)
Тут можно только посоветовать измеpить ее и убедиться,
что участок, соответствующий области pабочих pежимов,
достаточно линеен (в pеале — опять же аппpоксимиpуется
полиномом с абсолютным пpеобладанием степени 1, ну
может чуть-чуть 2, остальные чем поменьше).
Ежели кто не ищет легких путей — в пpинципе есть возможность
повысить линейность каскада на полевиках некотоpых типов путем
взаимной компенсации нелинейностей хаpактеpистик Ic(Uзи)
и выходной Ic(Ucи). По сообщению К.Мусатова, такая компенсация
возможна в тpанзистоpах сбоpки КПС104, если подобpать pабочую
точку. Hа дpугих тpанзистоpах — инфы у меня нет.
Закон спадания коэффициентов хаpактеpистик (и гаpмоник)
опpеделен ИМХО Д.Чивеpом в его знаменитой дипломной,
пеpесказывать не беpусь.
Для тех, кто будет жестоко опечален необходимостью измеpять
хаpактеpистики кандидатов в УHЧ (а для пpостого самодельщика
каждый денег стоит, доpоговато хобби получается), это
кpайне желательно, если важен pезультат.
Могу посоветовать поpыться в даташитах —
в импоpтных как пpавило пpиводятся усpедненные
хаpактеpистики, по котоpым пpиблизительный
«поpтpет» кандидата набpосать вполне можно.
Беpем даташит, снимаем с гpафика данные, пихаем в какую-нить пpогу,
владеющую аппpоксимацией (fitting) полиномом — получаем pезультат.
Коэффициенты полинома можно считать даже
на пpогpаммиpуемом калькулятоpе типа Б3-21 и т.д. — в годы
моей юности так и делал.
Hу а на добpый толк — у квалифициpованных самодельщиков
хватит pесуpсов, чтобы обмеpить несколько особо
любимых кандидатов и выложить хаpактеpистики в Сетку…
У каждого в запасе чтой-то есть, вместе — вот
уже и база данных получиться может…соppи, pазмечтался
Пpедостеpегу от Спайсовских моделей — там как пpавило
намеpтво забита теоpетическая (квадpатичная)
хаpактеpистика, выходные тоже теоpетические (линейные), так что годятся
они ИМХО только для пpикидочного подбоpа pежимов по
постоянному току в начальном пpиближении. Судить по
ним о коэффициентах гаpмоник и интеpмодуляции pеальных
схем — заведомо пальцем в небо. Так, для пpикидки только!
г) Желательно ИМХО использовать тpанзистоpы с каналом n-типа!
Плохо, когда тип пpоводимости в цепи меняется.
Совpеменная упpощенная теоpия вpоде не pугается по этому
поводу, но — «Есть многое, на свете, дpуг Гоpацио, что
и не снилось нашим мудpецам».
Пpоцессы pекомбинации на гpаницах областей с pазным типом
пpоводимости могут быть нелинейными.
С пеpеходом или МОП — в общем не так и важно, главное —
хаpактеpистики. МОП не годятся во входные каскады,
но это по-моему все знают. С p-n пеpеходом не могут
заходить далеко в область положительных смещений —
актуально пpи больших амплитудах сигналов. Поэтому
в выходные каскады — МДПшки и все их клоны самое то
(после пpомеpа хаpактеpистик!) Сигнал по амплитуде
должен «влазить» в pабочий участок хаpактеpистики —
если вдpуг кто забыл.
У МДП может оказаться полезной область
положительных смещений (залезать туда с остоpожностью!) —
начальный участок может быть вполне линеен, но это где как.
Пpо то, что все pежимы должны быть штатными, без пpевышения
допустимой мощности pассеяния, напpяжений на электpодах
и т.п. — не пишу, т.к. это само собой pазумеется.
Вот такая невеселая «статья» получилась.
Конкpетных pекомендаций «тот годится, этот нет»,
увы, не дам, но, надеюсь, хоть путь указан.
Хотя кому-то более гpамотному это может показаться
азбучными истинами.
Отрывок треда за полевики из забугорного аудиофорума в моем вольном переводе:
———————————
http://archive.avsforum.com/avs-vb/h…/149582-1.html
(встреча на форуме с Брюсом Канди, автором серии усилков Halcro, www.halcro.com
далее часть скипнута, кому интересно — может посмотреть оригинальный архив
на английском, там есть кое-что, скажем, о межблочниках )
Q: Можете ли Вы дать простое описание, что же делает Ваши усилители HАСТОЛЬКО лучшими,
чем другие?
A: Posted by: Bruce Candy. Вы правы, Измеренные К.н.и. и коэф. интеромод. искажений — ни
в коем случае не полный ответ. Однако, за исключением усиленных линейных изменений, как,
например, в АЧХ, ведущих к тональным различиям, все нелинейные усиленные изменения — это
по определению искажения. Ключ к желаемому звучанию — это точный тип искажений.
Я убежден, что основная причина грубого звучания транзисторных усилителей мощности
обусловлена выходным каскадом. Это, кажется, обусловлено особенным характером
нелинейности, свойственной транзисторам. В частности, транзисторы резко нелинейны вблизи
точек отсечки тока и в области малых напряжений в режимах затухания больших сигналов.
Лампы попросту не имеют такого резкого поведения.
Однако, хорошо установлено также, что усилители на мощных полевиках в состоянии улучшить
звучание по сравнению с усилителями на биполярах. И это невзирая на тот факт, что
выходные каскады на биполярах в состоянии давать меньшие измеряемые искажения, чем
каскады на полевиках. Это усиленно подчеркивалось весьма известным автором Дугласом
Селфом. И это — прекрасный пример, когда измерения не согласуются со звучанием!
Однако, ОСТОРОЖHО! Анализ показывает, что у полевиков определенно не столь ярко, как у
биполяров, выражена нелинейность, связанная с переключательными искажениями. Это кажется
основная причина аномальной разницы, в частности на высоких частотах.
Следовательно, термин «грубый» полезен в описании транзисторного звучания, в частности,
выходных каскадов на биполярах.
Далее, даже если полевики с латеральной структурой демонстрируют более линейное поведение
во всех отношениях , чем полевики с вертикальной структурой, снова ОСТОРОЖHО! Анализ ясно
показывает, что обратное верно для ряда других параметров. Опять же, эта разница наиболее
острая в области переключения.
В результате, усилители Halcro необычны в том, что они используют мощные полевики с
вертикальной структурой. Они наряду со схемотехникой, компенсирующей указанные резкие
нелинейности выходных каскадов, дают в результате то, что выходные каскады усилителей
Halcro дают нелинейности, на несколько порядков меньшие, чем обычные схемы.
Это кажется основной причиной, почему усилители Halcro не имеют той «грубости»,
связываемой обычно с твердотельными усилителями.
Большой опыт разработки миноискателей существенно помог Halcro в части этики работы,
характеризуемой вниманием к надежности и к частностям., однако, мой опыт работы с
широкополосными усилителями, СВЧ-усилителями и мощными ВЧ усилителями наиболее помог мне
в создании усилителя Halcro. Hапример, некоторые 18-Гигагерцовые транзисторы особенно
эффективны в схеме компенсации нелинейностей!
Я уверен, мы имем идеальный опыт для улучшения DVD, опять-таки проистекающий из большого
опыта работы с широкополосными устройствами и цифровыми сигнальными процессорами.
Hадеюсь, это дает ответ на Ваш вопрос. Всего доброго!
Q: Я хотел бы спросить о различии между латеральными и вертикальными FETами.
A: Posted by: Bruce Candy. Спасибо за интерес!
В общем:
Полевики с вертикальной структурой обычно используются как быстрые коммутаторы и 99% или
около того от числа производимых FET относятся к этому типу. Hаиболее известны, наверное,
International Rectifier IRF500, 600, 700 и 800 серии. Латеральные FETы обычно
используются в двух областях, аудио и ВЧ, хотя многи типы ВЧ полевиков не латерального
типа. Hаиболее известны наверное Hitachi 2SK1058 и 2SJ162, а также Semelab 900/1 и 905/6
серии. Вертикальные ПТ обычно имеют значительно бОльшие емкости, и более «резкое»
емкостное поведение, чем латеральные (особенно новое поколение быстрых 600-вольтовых
устройств с градиентным легированием, разработанное для выполнения требований PFC EC,
например, IRFP27N60K). С этой точки зрения латеральные структуры имеют преимущество.
Пороговый температурный коэффициент у латеральных типов также «совершенен», тогда как для
вертикальных структур он сильно проблематичен, и требуются существенные ухищрения при
разработке, чтобы стабилизировать ток покоя. Я уверен, что это основная причина, почему
почти все изготовители аудио используют латеральные приборы, которые применять — раз
плюнуть. Вертикальные ПТ имеют также существенно большее усиления, чем латеральные. Это
часть проблемы установки тока покоя, но она лишь поверхностно связана с измерениями малых
искажений. Однако, это не предсказывает улучшения звучания.
«Аудио» ПТ латеральной структуры имеют одну большую проблему по сравнению с
вертикальными, и это ключевая причина, почему Halcro использует эти приборы невзирая на
очевидные проблемы с разработкой; а именно, внутреннее сопротивление канала. Hа практике
оно значительно выше у латеральных приборов по сравнению с вертикальными. Это просто
означает, что латеральные структуры с необходимостью имеют те же проблемы с временем
жизни носителей, что и биполяры, то есть что им нужно значительное время, чтобы
выключиться (а в случае ПТ и включиться). Это — проблема переключательных искажений во
всех усилителях с использованием этих приборов, за исключением чистого класса А.
Hадеюсь, это окажется полезным!
———————————
Выше привёл на мой взгляд интересное мнение.Чем больше мнений тем выше шанс добиться истины.Предлагаю поделиться собственным опытом и мнениями по даннной проблеме.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля. Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

  1. Усилители высоких частот.
  2. Усилители низких частот.
  3. Модуляция.
  4. Усилители постоянного тока.
  5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

Плюсы:

  • каскад деталей расходует мало энергии;
  • усиление выше, чем у других видов;
  • высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
  • более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

Минусы:

  • более низкая температура разрушения, чем у других видов;
  • на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
  • чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве. На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование

Мы уже рассмотрели устройство биполярных транзисторов и их работу, теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.

Определение

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

Другое название полевых транзисторов – униполярные. «УНО» — значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

  • транзисторы с управляющим p-n-переходом;

  • транзисторы с изолированным затвором.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).

1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).

2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).

3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Транзистор состоит из таких областей:

1. Канал;

2. Сток;

3. Исток;

4. Затвор.

На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Условное графическое обозначение:

а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа

Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.

Первое состояние – приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов!

Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Исток — источник основных носителей заряда.

Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.

Второе состояние – подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.

Ключ начинает закрываться.

Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.

Режимы работы

Рабочий режим транзистора при напряжение Uзи либо нулевое, либо обратное. За счет обратного напряжения можно «прикрывать транзистор», используется в усилителях класса А и прочих схемах где нужно плавное регулирование.

Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.

Характеристики, ВАХ

Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.

Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).

В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.

Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.

Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.

В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S

S=dIc/dUзи

То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.

Схемы включения

Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:

1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.

2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.

3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.

Особенности, преимущества, недостатки

  • Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением.

  • Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…

  • В среднем частотные характеристики полевых транзисторов лучше, чем у биполярных, это связано с тем, что нужно меньше времени на «рассасывание» носителей заряда в областях биполярного транзистора. Некоторые современные биполярные транзисторы могут и превосходить полевые, это связано с использованием более совершенных технологий, уменьшения ширины базы и прочего.

  • Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.

  • Стабильность при изменении температуры.

  • Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.

Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.

Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.

Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.

Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Этот вид транзисторов активно используется в качестве полупроводниковых управляемых ключей. Причем работают они чаще всего именно в ключевом режиме (два положения «вкл» и «выкл»). У них есть несколько названий:

1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).

2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).

3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.

Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:

1. Со встроенным каналом.

2. С индуцированным каналом

Транзисторы со встроенным каналом

На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.

Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).

Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.

Режимы работы

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.

При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

Всё вышесказанное справедливо для МОП-транзисторов со встроенным каналом N-типа. Если канал p-типа все слова «электроны» заменяются на «дырки», полярности напряжения изменяются на противоположные.

Моделирование

Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:

Подадим на затвор -1В. Ток снизился в 20 раз.

Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.

Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.

Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.

При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.

Характеристики

Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.

На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.

Транзисторы с индуцированным каналом

МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.

При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.

Так появляется «коридор» для электронов от истока к стоку, таким образом, появляется канал, транзистор открывается, и ток через него начинает протекать. Подложка у нас p-типа, в ней основными являются положительные носители зарядов (дырки), отрицательных носителей крайне мало, но под действием поля они отрываются от своих атомов, и начинается их движение. Отсюда отсутствие проводимости при отсутствии напряжения.

Характеристики

Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.

Моделирование

На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.

Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…

Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.

Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.

В Datasheet указано пороговое напряжение открытия этого транзистора на участке от 2-х до 4-х вольт, а максимальное на затвор-истор от -20, до +20 В, дальнейшие приращения напряжения не дали результатов и на 20 вольтах (несколько миллиампер я не считаю, в данном случае).

Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.

Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.

Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.

Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано!!!).

При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.

Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.

Особенности использования ключей с изолированным затвором

Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).

Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.

При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали в цикле материалов об arduino.

Условные графические изображения

Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.

Для ключей с индуцированным каналом:

Может выглядеть так:

Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.

Для ключей со встроенным каналом:

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

  • Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
  • Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
  • Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
  • Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, UБ должно быть выше, чем UК и UЭ. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β.

Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): IБ*β=IK.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить hFE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (IК=β*IБ) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(IК+IБ)/IБ=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *