Биполярный транзистор и его устройство

Биполярный транзистор -- это полупроводниковый прибор, содержащий два взаимодействующих n-p перехода, в отличие от полевого транзистора в переносе электрической энергии участвуют два типа носителей заряда (электроны и дырки).

Биполярный транзистор -- трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n -- электронный тип примесной проводимости, p -- дырочный). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим n-p-n транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк). Коэффициент б, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=б Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0.9 -- 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в ??ироком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен в=б/(1-б)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Магнитный Усилитель - устройство для усиления электрических колебаний НЧ; содержит катушку с магнитопроводом из ферро- или ферримагнетика. Работа магнитного усилителя основана на изменении индуктивности катушки под действием усиливаемого напряжения. Используется в измерительных приборах, устройствах автоматики и т. д.

Магнитный усилитель, усилитель электрических сигналов, основанный на использовании присущей ферромагнитным материалам нелинейной зависимости магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н. Управляемыми элементами в М. у. являются индуктивности катушки с ферромагнитными сердечниками, в которых действуют 2 переменных магнитных поля; одно изменяется с частотой источника питания, другое -- с частотой усиливаемого сигнала. Простейший М. у. состоит из 2 замкнутых магнитопроводов, обмотки которых W1 включены последовательно и питаются от источника переменного напряжения ~ U (рис.). Вторичные обмотки W2 включаются последовательно и навстречу друг другу, поэтому замыкание обмоток W2 на небольшое сопротивление не вызывает какого-либо изменения силы тока i1 в первичных обмотках. Если по обмоткам W2 пропустить постоянный ток, то вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников динамическая магнитная проницаемость уменьшается и соответственно уменьшается индуктивность L1 первичных обмоток, при этом ток в обмотках возрастает. Устройство, собранное по схеме на рисунке (без сопротивления нагрузки RH), называется управляемым дросселем, который становится усилителем, если последовательно с его обмотками W1 включить RH, а вместо постоянного тока в обмотку W2 подать усиливаемый сигнал постоянного или медленно (по сравнению со скоростью изменения питающего напряжения = U) изменяющегося тока i2.

М. у. принципиально отличается от лампового и транзисторного усилителей тем, что усиливаемый сигнал изменяет не внутреннего сопротивление лампы (транзистора), а индуктивность L1, включенную последовательно с нагрузкой RH, в результате чего изменяется протекающий через нагрузку ток. М. у. по существу является модулятором, в котором ток в нагрузке более высокой частоты модулируется по амплитуде усиливаемым сигналом (низкой частоты). Для получения на выходе М. у. сигнала той же формы, что и усиливаемый сигнал, устройство дополняют выпрямителем в цепи нагрузки, выполняющим роль детектора.

Коэффициент усиления по току Ki и по мощности Кр для простейших М. у. равны:

где Ry -- активное сопротивление обмоток W2, Di1ср -- приращение тока нагрузки, соответствующее приращению тока сигнала Di2, n1 и n2 -- число витков в первичной и вторичной обмотках. По сравнению с ламповыми и полупроводниковыми усилителями М. у. имеют относительно высокую инерционность, которая объясняется главным образом отставанием во времени изменения тока i2 в управляющей обмотке от изменения напряжения, подаваемого на вход М. у. Поэтому их применяют преимущественно для усиления сигналов постоянного или медленно изменяющегося тока. Инерционность М. у. можно снизить (повысить быстродействие) введением гибкой обратной связи, увеличением числа каскадов усиления, а также включением дифференцирующего контура на входе М. у., шунтированнем нагрузки ёмкостью и др. Для расширения частотного диапазона усиливаемых колебаний в сторону более высоких частот целесообразно применять М. у. совместно с ламповыми, полупроводниковыми, электромашинными и другими типами усилителей.

Существуют сотни модификаций схем и конструкций М. у., отличающихся видом нагрузочной характеристики, способом осуществления обратной связи, числом и формой сердечников, видом усиливаемых сигналов, системой смещения, режимом работы. Выбор типа М. у. зависит от требуемых коэффициентов усиления, частоты усиливаемых колебаний, области использования. М. у. имеют самое разнообразное применение -- от точных измерит, приборов до устройств автоматического управления мощными производств. агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.). Широкое применение М. у. обусловлено преимуществами: большим сроком службы, высокой надёжностью, простотой обслуживания, значительным коэффициентом усиления, низким порогом чувствительности для сигналов постоянного тока (10-19--10-17 Вт), широким диапазоном усиливаемых мощностей -- от 10-13--10-6 Вт до нескольких десятков и даже сотен кВт, постоянной готовностью к работе, возможностью суммировать на входе нескольких управляющих сигналов, значительной перегрузочной способностью, пожаро- и взрывобезопасностью, стабильностью характеристик в процессе эксплуатации.

Усилитель мощности ЗЧ (УМЗЧ), выполненный по симметричной схеме. Комплементарные биполярные транзисторы его входного каскада включены по схеме двухтактного дифференциального усилителя, а следующего за ним - по схеме с общим эмиттером.

Существенно улучшить параметры такого УМЗЧ позволяет использование в его входных каскадах биполярных и полевых транзисторов (рис.1), включенных по каскодной схеме общий исток общая база (ОИ-ОБ).

При таком построении каскада с помощью стабилитронов VD1-VD2 удается поддерживать постоянство потенциалов баз транзисторов VT1, VT4 (а следовательно, истоков VT2, VT3) и таким образом исключить их перегрузку и возможность выхода из строя.

При соответствующем выборе режима работы входного каскада можно получить нулевой потенциал в точке соединения резисторов R8, R9 и через резистор R12 ввести сюда глубокую ООС по постоянному току, обеспечив тем самым высокую термостабнльность усилителя.

Из других достоинств усилителя следует отметить высокую частоту среза АЧХ, низкий уровень шумов, хорошую устойчивость. Основной недостаток такого входного каскада - довольно значительная чувствительность к пульсациям питающего напряжения, что требует применения стабилизированного источника питания.

При необходимости расчета каскада следует задаться током покоя Io через его транзисторы VT1-VT4. Сопротивления резисторов R8, R9 находят из следующих соотношений: R8=|Uзи отс2|*(1-(Io/Iн2)0,5)/Io; R9=|Uзи отс3|*(1-(Io/Iн3)0,5)/Io, где Uзи отс2, Uзи отс3 - напряжения отсечки, а Iн2, Iн3 - начальные токи стока транзисторов VT2 и VT3 соответственно.

Например, при одинаковых параметрах этих транзисторов (Uзи отс2=Uзи отс3=2,4 В, Iн2= Iн3=6мА) и токе покоя Io=3 мА сопротивления резисторов R8=R9=240 Ом.

Второй каскад УМЗЧ выполнен на транзисторах VT5-VT8, включенных также по каскодной схеме ОИ-ОБ.

Основные технические характеристики усилителя

Номинальное входное напряжение, В . . . 0,8

Входное сопротивление, кОм . . . 100

Максимальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом, Вт . . . 10

Номинальная выходная мощность, Вт, при Кг<0,1 %

в диапазоне частот 20...20000 Гц . . . 6

Номинальный диапазон частот (без R2C1), Гц . . . 10...400 000

Скорость нарастания выходного напряжения (без R2C1), В/мкс . . . 75

Отношение сигнал/шум, дБ . . . 94

Рис. 1 Схема усилителя мощности на полевых транзисторах

В усилителе можно использовать резисторы СП3-16 (R6, R15) и МЛТ (остальные), конденсаторы КТ1 (С1, С4), МБМ (С2, С7), К50-6 (С3, С5, С6). Транзисторы КП303Д можно заменить на КП303Г(Е); КП103М -КП103Л; KT3102A - КТ3102Б; КТ3107А - КТ3107Б; КП904А - КП904Б.

Транзисторы VT2 и VT3 необходимо предварительно подобрать. Для этого их следует включить в соответствии со схемой, изображенной на рис.2. При подборе транзистора VT2 необходим источник положительного напряжения, а транзистора VT3 - отрицательного,

Для работы в усилителе пригодны транзисторы, при включении которых падение напряжения на резисторе R1 находится в пределах 1...1,1 В. Полевые транзисторы VT5, VT8 нуждаются в подборе по начальному току стока, который при напряжении сток-исток 8 В должен лежать в пределах 5,5...7 мА. Остальные транзисторы в подборе не нуждаются.

Перед налаживанием усилителя движок резистора R15 следует установить в среднее положение. Начинают налаживание с установки резистором R6 нулевого напряжения на выходе усилителя. После чего прогревают усилитель в течение 5 мин и резистором R15 устанавливают ток покоя транзисторов выходного каскада в пределах 150...200 мА. Затем, подавая на вход усилителя прямоугольные импульсы частотой 1 кГц, подбором конденсатора С4 добиваются отсутствия выбросов на переходной характеристике при изменении выходного напряжения от 0,1 до 9 В на нагрузке сопротивлением 8 Ом.

Макет усилителя испытывался при работе на громкоговоритель от радиолы "Симфония-2-стерео". В ходе испытаний входной каскад описанного УМЗЧ (VT1-VT4) заменялся на двухтактный дифференциальный каскад на комплементарных биполярных транзисторах (при соблюдении равенства коэффициентов усиления обоих каскадов с целью сохранения одинаковой глубины общей ООС). Затем на место второго каскада УМЗЧ (VT5-VT8) включался усилительный каскад, выполненный на биполярных транзисторах по каскадной схеме ОЭ-ОБ (опять же при сохранении прежней ООС).

В обоих случаях было подтверждено существенное преимущество усилительных каскадов с использованием полевых транзисторов, проявлявшееся в лучшей "разборчивости" и "прозрачности" звучания. Объясняется это, вероятнее всего, тем, что полевые транзисторы имеют близкие к квадратичным переходные характеристики, которые способствуют снижению интермодуляционных искажений.

И наконец, сравнивалось звучание описанного УМЗЧ, при замене его второго каскада каскадами, выполненными по схеме ОЭ-ОБ и ОЭ (первый каскад был выполнен по схеме ОИ-ОБ, и глубина ООС не изменялась). При сравнении звучания этих вариантов УМЗЧ было выявлено преимущество каскада ОЭ-ОБ, при использовании которого отмечалось более естественное звучание высших звуковых частот, что связано, очевидно, с частичной компенсацией искажений каскадом, выполненным по каскадной схеме ОЭ-ОБ.

Рис. 2 Схема для подбора транзисторов VT2 и VT3