Схемо- и системотехника электронных средств

1. СХЕМО- И СИСТЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАППАРАТУРЫ
Кривин Николай Николаевич
(старший преподаватель КИПР, канд. техн. наук)
СХЕМО- И СИСТЕМОТЕХНИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СЭС.
Биполярные транзисторы

2. ИЕРАРХИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС
ИЕРАРХИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
© КРИВИН Н.Н. 2017
2

3. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

АЛГОРИТМ ИЗУЧЕНИЯ НОВОГО ДЛЯ ВАС
ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТА
Определение
Классификация
Назначение (функция) и области применения
Основные параметры и их расчетные формулы
Принцип работы (ФЭ)
Отличительные особенности работы в экстремальных режимах
эксплуатации
Внешний вид
Условно-графическое и позиционное обозначения
Маркировка и кодировка номиналов
Эквивалентные схемы и схемы замещения
Типовая схема включения, примеры использования в схемах
© КРИВИН Н.Н. 2017
различных ФУ
3

4. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ИСТОЧНИКИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО
ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТАМ
НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО
ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРАМ
ГОСТ, ОСТ, ТУ, ФОРМУЛЯР, ПАСПОРТ, ЭТИКЕТКА, ИНСТРУКЦИИ
ПО МОНТАЖУ, НАЛАДКЕ, РЕГУЛИРОВКЕ…
РУКОВОДСТВА ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ (ПРИМЕНЕНИЮ) ОТ
ЗАВОДА-ПРОИЗВОДИТЕЛЯ (DATASHEET)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПРАВОЧНИКИ ПО НОМЕНКЛАТУРЕ ЭРЭ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПРАВОЧНИКИ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЭРЭ
ОТРАСЛЕВЫЕ ЖУРНАЛЫ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОДПИСНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ИЗДАНИЯ
© КРИВИН Н.Н. 2017
4

5. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
© КРИВИН Н.Н. 2017
5

6. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
© КРИВИН Н.Н. 2017
6

7. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТРАНЗИСТОР – радиоэлектронный компонент
из полупроводникового материала, обычно с
тремя выводами, способный с помощью
небольшого
входного
сигнала
управлять
значительным током в выходной цепи, что
позволяет его использовать для усиления,
генерирования, коммутации и преобразования
электрических сигналов.
В настоящее время транзистор является основой
схемотехники
подавляющего
большинства
электронных устройств и интегральных микросхем.
© КРИВИН Н.Н. 2017
7

8. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ОСНОВНОМУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМУ МАТЕРИАЛУ*
*МРБ 1190 А.И.Аксенов, А.В.Нефедов. Элементы схем БРА. Диоды. Транзисторы 1992
НАПРИМЕР:
КРЕМНИЕВЫЕ (КТ315А; 2Т312; КП303)
ГЕРМАНИЕВЫЕ (ГТ313Б; 1Т313А; )
© КРИВИН Н.Н. 2017
8
АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫЕ (3П325)

9. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ
© КРИВИН Н.Н. 2017
9

10. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ
© КРИВИН Н.Н. 2017
10

11. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ЧАСТОТЕ И МОЩНОСТИ
© КРИВИН Н.Н. 2017
11

12. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ЧАСТОТЕ И МОЩНОСТИ
© КРИВИН Н.Н. 2017
12

13. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных
свойств транзистора. В этом режиме прямо смещенным оказывается эмиттерный
переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном
режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому
часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратно
смещенным является эмиттерный переход, а прямо смещенным — коллекторный. В
таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за
конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные
свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме
активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора
находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может
управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения
используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов,
а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим
также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора
практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.
© КРИВИН Н.Н. 2017
13

14.

Биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типа
Структурная схема и условно-графическое обозначение

15. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
© КРИВИН Н.Н. 2017
15

16. I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СХЕМОТЕХНИКИ ЭС

ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО p-n-p ТРАНЗИСТОРА
© КРИВИН Н.Н. 2017
16

17. Включение биполярного n-p-n транзистора по схеме с ОЭ

Включение
биполярного
n-p-n
транзистора
по схеме с ОК
Включение
биполярного n-p-n
транзистора по
схеме с ОБ

18. Процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме

18

19.

iЭ iK iБ ;
1
iK iЭ ;
т.к.
iK iЭ ;
1
- коэффициент передачи (усиления) тока эмиттера
iK (iK iБ );
iK
iБ ;
1
1
1
1
iK
1
iБ
- коэффициент передачи (усиления) тока базы

20. Схемы включения БТ

ОЭ
обладает высоким
усилением как по
напряжению, так и
по току. У нее самое
большое усиление
по мощности. Это
самая
распространенная
усилительная схема
ОБ
усиливает напряжение
(примерно, как и схема с ОЭ), но
не усиливает ток. Схема находит
применение в усилителях ВЧ и
СВЧ. Схема с ОБ не дает
значительного усиления, но
обладает хорошими частотными и
температурными свойствами.
Применяется не так часто, как
схема с ОЭ. Коэффициент
усиления по току схемы с ОБ
всегда немного меньше еденицы:
ОК
Эмиттерный повторитель: не
усиливает напряжение, но
усиливает ток. Основное
применение – согласование
сопротивлений источника
сигнала и низкоомной
нагрузки. Входное
напряжение полностью
передается обратно на вход,
т. е. очень сильна
отрицательная обратная
связь.

21.

Параметры биполярного транзистора
собственные
(первичные, физические)
вторичные
характеризуют
свойства самого
транзистора
различны для
различных схем
включения

22.

Удобство физических параметров заключается в
том, что они позволяют наглядно представить влияние
конструктивнотехнологических
параметров
транзистора на его эксплуатационные характеристики.
Так, например, уменьшение степени легирования
базы или ее толщины должны приводить к росту rб и,
соответственно, к увеличению обратной связи в
транзисторе.
К недостаткам физических параметров следует
отнести то, что их нельзя непосредственно измерить и
значения для них получают пересчетом из других
параметров.

23. Характеристики БТ как четырехполюсника.

U1 f ( I 1 , I 2 )
U 2 f ( I1 , I 2 )

24.

Характеристики БТ как
четырехполюсника.
Если на постоянные составляющие токов и напряжений
наложены достаточно малые сигналы переменного
напряжения u или тока i, то их амплитуды (или
действующие значения) можно рассматривать как малые
приращения постоянных составляющих.
В зависимости от того, какие из этих параметров
выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных,
можно построить три системы формальных параметров
транзистора как четырехполюсника.
Это системы r-параметров (Z), g-параметров (Y) и
h-параметров.

25.

Эквивалентные схемы замещения транзисторов
Различают:
1. Физическую Т-образную эквивалентную схему,
2. формальные модели в h-параметрах, Y-параметрах, Z-параметрах.
Эквивалентные схемы необходимы для проведения анализа и синтеза
электро- и радиотехнических схем
Рассматриваемые далее эквивалентные схемы можно использовать при условии,
что:
• транзистор работает в линейном режиме,
• изменения токов и напряжений малы по амплитуде,
• нелинейные ВАХ можно заменить линейными,
• параметры транзистора в общем случае являются
дифференциальными.

26. Эквивалентная схема транзистора для системы r-параметров

Система r-параметров
U1
U1
dU1
dI1
dI 2
I1
I 2
U 2
U 2
dU 2
dI 1
dI 2
I 1
I 2
u1 r11i1 r12i2
u2 r21i1 r22i2

27.

Описание r-параметров
u1
r11 |i2 0
i1
– входное сопротивление транзистора в режиме
ХХ в выходной цепи.
u1
r12 |i1 0
i2
– сопротивление обратной связи в режиме ХХ во
входной цепи.
u2
r21
|i2 0
i1
–
сопротивление прямой передачи сигнала,
измеренное в режиме ХХ в выходной цепи.
u2
r22
|i1 0 – выходное сопротивление транзистора,
измеренное в режиме ХХ во входной цепи.
i2

28. Эквивалентная схема для g-параметров

Система g-параметров
I1 f (U1 ,U 2 )
I1
I1
dI1
dU1
dU 2
U1
U 2
I 2
I 2
dI 2
dU1
dU 2
U1
U 2
I 2 f (U1,U 2 )
i1 g11u1 g12u2
i2 g21u1 g22u2

29.

Описание g-параметров
i1
g11 |u2 0
u1
– входная проводимость транзистора при КЗ на
выходе.
i1
g12
|u1 0 – проводимость обратной передачи при КЗ на
u2
входе.
g 21
i2
|u2 0
u1
g 22
i2
|u1 0 – выходная проводимость транзистора при КЗ на
входе.
u2
– проводимость прямой передачи, которая
характеризует влияние входного напряжения
на выходной ток при КЗ на выходе.

30.

Следует особо подчеркнуть, что
1
rij
g ij
, так как r-
параметры измеряются в режиме ХХ, а g–параметры – в
режиме КЗ на входе и выходе транзистора.
Поскольку при измерениях задаются напряжения,
необходимо осуществлять режим генератора напряжения, т.е.
сопротивление генератора на частоте сигнала должно быть
много меньше входного или выходного сопротивления
транзистора.

31. Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная
система из двух предыдущих, причем из соображений
удобства измерения параметров биполярного транзистора
выбирается режим короткого замыкания на (u2=0) и режим
холостого хода на входе (i1=0).
Поэтому для системы h-параметров в качестве входных
параметров задаются ток i1 и напряжение u2, а в качестве
выходных параметров рассчитываются ток i2 и напряжение
u1, U1 = f1(I1, U2), I2 = f2(I1, U2).

32. Эквивалентная схема для h-параметров

33.

i К
h22
|iБ const
u КЭ
i К
h21
|uКЭ const
iБ
h11Э
h12Э
u БЭ
|uКЭ const
i Б
u БЭ
|iБ const
u КЭ
i К I К' I К 0
'
u КЭ U КЭ
U КЭ 0
i Б I Б' I Б 0
'
u БЭ U БЭ
U БЭ 0
u БЭ U БЭ 0 U 'БЭ
u КЭ U КЭ 0 U 'КЭ

34. Способы получения h- параметров

Основное достоинство h-параметров состоит в том, что их можно получить
экспериментально: прямым измерением на основе вольт-амперных
характеристик.
Входные характеристики ОЭ
Iб
U кэ 0 В
U кэ' 5 В
Выходные характеристики ОЭ
I к
Iб 2
I б
I б"
I б'
I к
I б1
I к'
Iб 0
U бэ
U
U бэ
h11
I б
'
бэ
U кэ
U бэ
U бэ'
h12
U кэ
I б I б" I б'
I к
h21
I б
I к'
1
h22
U кэ rк*
U кэ
rэ
T
IЭ

35.

Сводные значения h-параметров для различных
схем включения
Параметр
ОБ
ОЭ
ОК
h11
1-10 Ом
100-1000 Ом
10кОм-100кОм
h12
10-3-10-4
10-3-10-4
10-3-10-4
h21
0.95-0.98
10-500
10-100
1/h22
100кОм-1мОм
1кОм-10кОм
100-1000 Ом

36.

Выводы
1. ВАХ транзистора существенно нелинейны. Значение hпараметров зависит от точки ВАХ, в которой они
определяются.
2. Значения h-параметров зависят от температуры и
приводятся в справочной литературе.
3. Значение h-параметров зависит от схемы включения
транзистора. В справочной литературе приводятся
таблицы переводов из одной системы параметров h- в
другие системы (Z-, Y-) и для схем включения
транзистора ОБ и ОЭ.

37.

Описание h-параметров
u1
h11 |u2 0
i1
– входное сопротивление при КЗ на выходе.
u1
h12 |i1 0
u2
– коэффициент обратной связи при ХХ во
входной цепи.
i2
h21 |u 0
i1
– коэффициент прямой передачи тока при КЗ на
выходе.
i2
h22
|i1 0
u2
– выходная проводимость при ХХ во входной
цепи транзистора.
2

38. h-параметры БТ как четырехполюсника.

U 1 h11 I1 h12U 2
I 2 h21 I1 h22U 2

39. Характеристики БТ как четырехполюсника.

Поскольку транзистор имеет три электрода и используется как
четырехполюсник, то один из его электродов является общим для
входной и выходной цепи. При этом значения h-параметров отличаются в
зависимости от схемы включения биполярного транзистора: hб для
схемы с общей базой или hэ для схемы с общим эмиттером.

40.

h - параметры можно
определить с помощью
статических характеристик
методом измерения их на
постоянных токе или
напряжении. Тогда роль малого
переменного тока и напряжения
будут играть малые приращения
постоянных токов Iб, Iк, и
напряжений Uк, Uб. Для
схемы с общим эмиттером.
В справочниках иногда
указываются h-параметры для
схемы с ОБ (hб), которые можно
найти путем пересчета, если
известны h-параметры для
схемы с ОЭ (hэ):
h11э U б / I б rб , при U к const
h12э U б / U к бк , при I б const
h21э I к / I б , при U к const
h22э I к / U к 1 / rк , при I б const
h11б
h12б
h11э
1 h21э
h11э h22э h12 э (1 h21э )
1 h21э
h21б
h22б
h21э
1 h21э
h22э
1 h21э

41. Т-образная эквивалентная схема транзистора

ОБ
ОЭ
.
uК
iК
iЭ
rК rЭ
При ХХ в базе
iЭ i К
При ХХ на входе ( i Б 0 )

42.

Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОЭ
Ток базы является управляющим, ток коллектора – управляемым.
Ск
rб
+Б
rк
Iб
rЭ
Uбэ
Iэ
-
rб- объемное
сопротивление базы
rэ
β·Iб
T
IЭ
Iкэo
Э
+ К
Iк
Uкэ
Iэ = Iк + Iб
Iк ·Iб Iкэо
Uкэ
rк
rк –дифф. сопротивление
перехода КБ (обр. вкл)
( T 0.025 В, I Э 1mА)
rэ –дифф. сопротивление
перехода ЭБ (прямое вкл.)
rэ 25 Ом
Для эквивалентной схемы по постоянному току необходимо в исходной схеме заменить
дифференциальные сопротивления на соответствующие статические и удалить
конденсатор.

43.

Расчёт для схемы с ОЭ
При ХХ на входе i Б 0
uК
iЭ
iЭ
rК rЭ
uК
iК
iЭ
rК rЭ
iЭ i К
uК
iЭ 1
rК rЭ
Учитывая, что rэ<<rк,
uК
iЭ
rК 1
rвых
uК uК
rК 1
i К i Э
rвых rК* rК 1

44. Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОБ

Б
Э
Ток эмиттера является управляющим,
ток коллектора – управляемым.
К
Iэ = Iк + Iб
Uэб
Iк ·Iэ Iкбо
Uкб
Ск
Э
rэ
rк
-
Iэ
Uэб
+
α·Iэ
rб
Iб
Iкбo
Б
Uкб
rк
+ К
rб- объемное
Iк
Uкб
rк –дифф. сопротивление
-
rэ –дифф. сопротивление
сопротивление
базы
перехода КБ (обр. вкл)
перехода ЭБ (прямое вкл.)
Для эквивалентной схемы по постоянному току необходимо в исходной схеме заменить
дифференциальные сопротивления на соответствующие статические и удалить
конденсатор.

45.

Связь h-параметров биполярного транзистора с
дифференциальными параметрами на примере
схемы с ОБ
u1
h11 |u2 0 – входное сопротивление при коротком
замыкании на выходе.
i1
Полагая в эквивалентной схеме выходное напряжение
Uкб=0 и считая заданным входной ток эмиттера найдем
напряжение на входе:
uЭБ
rk rб
iЭ rэ rб iЭ
rk rб

46.

Учитывая, что rk rб ,
uЭБ iЭ rэ rб iЭ rб
Входное сопротивление:
h11Б
u э iЭ rэ rб iЭ rб
rэ rб rб rэ rб 1
iэ
iЭ
Найдем iэ с помощью второго уравнения Кирхгофа для
коллекторной цепи, полагая заданным входной ток :
uКБ iк rк rб iэ rк

47.

Коэффициент обратной связи по напряжению при ХХ на
входе ( iЭ =0) :
h12 Б
iЭ 0
h21Б
h21Б
iк rб
rб
rб
u1 uЭБ
u2 u КБ iк rк rб rк rб rк
i2 ik
i1 iэ
iк
uКБ 0
iэ rк
rк
iэ rк rб
rк rб
h22Б
iэ rк
rк rб
iк
1
1
| iэ 0
uк
rк rб rк

48.

Сравнение h-параметров для различных
схем включения транзистора
Режим с ОБ
h11Б rэ rб 1
h12 Б
rб
rб
rк rб rк
h21Б
h22Б
iк
rк
|uк 0
iэ
rк rб
i
1
1
к | iэ 0
uк
rк rб rк
Режим с ОЭ
h11э rб rэ 1
h12э
rб
*
rк
h21э
h22Э
1
*
rк

49.

Выводы
1.
2.
3.
4.
Физические Т-образные эквивалентные схемы транзистора
представляют собой электротехнические цепи, состоящие из пассивных
элементов и источников тока. К ней применимы все законы
электротехники для анализа и синтеза цепей.
Наличие в эквивалентных схемах конденсаторов указывает на то, что
характеристики транзистора являются частотно-зависимыми.
Во многих случаях сквозными токами коллектор-база и коллектора
эмиттер можно пренебречь.
Недостаток эквивалентных схем заключается в том, что сопротивления
(r-параметры) можно получить только теоретическим путем.

50.

Эквивалентная схема БТ с ОЭ
система h-параметров
UmБЭ = h11Э ImБ + h12Э UmКЭ
ImК = h21Э ImБ + h22Э UmКЭ
50

51.

h параметры схемы с общим эмиттером
h11Э = UБЭ/IБ, при UКЭ = const:
входное сопротивление транзистора переменному току
при отсутствии выходного переменного напряжения.
h12Э = UБЭ/UКЭ, при IБ = const:
коэффициент обратной связи по напряжению – доля
выходного переменного напряжения передаваемая
на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.
h21Э = IК/IБ, при UКЭ = const:
коэффициент усилия по току – усиление переменного
тока транзистором при работе без нагрузки.
h22Э = IК/UКЭ, при IБ = const:
выходная проводимость переменного
тока между коллектором и эмиттером.
Выходное сопротивление RВЫХ = 1/h22Э.
51

52. Формулы Эберса-Молла

Основной моделью биполярного транзистора считается
модель, справедливая для любых токов (как малых, так и
больших) и предложенная Дж.Дж. Эберсом и Дж.Л. Моллом
в 1954 г., и поэтому носящая их имя.
Эта модель построена на интерпретации работы
транзистора как прибора на взаимодействующих pnпереходах для произвольного сигнала.

53. Схема замещения Эберса-Молла (пример для p-n-p транзистора)

1
2

54. Расчет модели Эберса-Молла

узел1
узел 2

55. Продолжение расчета

56. Окончательные формулы

57.

В npn-транзисторе:
DpЭ N aБ LnБ
W W
N 1
th
ch
DnБ N dЭ L pЭ LnБ LnБ
1
D pЭ N aБ W
1
D N L
nБ
dЭ
pЭ
D pК N aБ LnБ
W
W
I 1
th
ch
DnБ N dК L pК
LnБ
LnБ
1
1
D pК N aБ W
1
D
N
L
n
dК
pК
1

58.

Статические характеристики биполярных
транзисторов
Статический режим работы транзистора – режим
работы при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Статические характеристики связывают
постоянные токи электродов с постоянными
напряжениями на них- это графически выраженные
зависимости напряжения и тока входной цепи и
выходной цепи (вольтамперные характеристики
ВАХ).
Их вид зависит от способа включения транзистора.
58

59.

Статический коэффициент передачи тока базы :
IЭ IК IБ ;
IК
;
IБ
I Б I Э , I К .
статический коэффициент передачи IЭ или :
статический коэффициент усиления по току
IК
IК
IЭ
IК
IК IБ
IК
.
1
IБ
IБ
1
1
59
;

60. Входная (эмиттерная) характеристика Iэ = ƒ(Uэб,Uбк), (Uбк- задаваемый параметр)

Схема включения с общей базой
Входная (эмиттерная) характеристика
Iэ = ƒ(Uэб,Uбк), (Uбк- задаваемый параметр)
Переход ЭБ включен в прямом направлении (прямая ветвь pn-перехода).
Uбк- определяет семейство характеристик Iэ = ƒ(Uэб) при Uбк=const.
Общая база (ОБ)
Iэ
Uэб
Iк
э
Iб
к
б
Uбк > 0
Iэ
Uбк = 0
Uбк
0
Uэб
Iкбо

61. Выходная (коллекторная) характеристика Iк = ƒ(Uбк,Iэ), (Iэ- задаваемый параметр)

Переход БК включен в обратном направлении (обратная ветвь pn-перехода).
Iэ- определяет семейство характеристик Iк = ƒ(Uбк) при Iэ=const.
Наряду с этим
Iк = α·Iэ, α < 1
Нормальный
активный режим
Iк
Iэ3
Iэ3>Iэ2>Iэ1
Iэ2
Iэ1
Пробой
Iэ = 0
0
Iкбо
Uбк

62. Входная характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ) , Uкэ -параметр Переход БЭ включен в прямом направлении (прямая ветвь pn-перехода)

Iк
+
Uбэ
+
к
Iб
Схема включения с общим эмиттером
Входная характеристика
Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ) , Uкэ -параметр
Uкэ
б
э
─
Переход БЭ включен в прямом направлении
(прямая ветвь pn-перехода)
Iэ
─
Uкэ = 0
Iб
Iэ = Iк + Iб
Uкэ > 0
Iк Iб
При Uкэ > 0 ВАХ сдвигается вправо на
величину так называемого порогового
напряжения Uбэ.пор, различающегося у
германиевых и кремниевых транзисторов.
Uбэ
0
Iкбо

63.

Коллекторная характеристика
Iк = ƒ(Uкэ,Iб), (Iб- параметр)
Iк
Iб3
Iб3>Iб2>Iб1
Iб2
Iк Iб
Iб1
Iб = 0
Iкэо
Рк.доп
Uкэ
Мощность рассеяния Рк =UкIк < Рк.доп
Рк.доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи.
Эта мощность выделяется в виде тепла.
Iкэо - сквозной ток транзистора в схеме ОЭ

64.

Простейший усилительный каскад на транзисторе,
включенном по схеме с ОЭ
u вых RН i К
R K rвых
u K
iК
R К rвых
Схема с ОЭ поворачивает фазу на 180 градусов. Фаза
выходного напряжения в схеме с ОБ по отношению к входному
не меняется.

65.

Иллюстрация работы усилительного каскада с ОЭ

66.

Коэффициент усиления по току:
I ВЫХ
I ВХ
или
h21Э
(десятки-сотни).
Входное сопротивление:
RВХ
U ВХ
I ВХ
или
h11Э
(сотни Ом – кОмы)
Выходное сопротивление:
RВЫХ
U ВЫХ
I ВЫХ
или
1
h22Э
(десятки-сотни Ом).
66

67.

Коэффициент усиления по напряжению:
I ВЫХ RК
RК
KU
h21Э
;
I ВХ RВХ
h11Э
Коэффициент усиления по мощности:
K P h21Э KU h
2
21Э
RК
;
h11Э
Коэффициент полезного действия:
PВЫХ
;
PК
PВЫХ U К I К ;
PК U КЭ 0 I К 0 .
полная потребляемая мощность схемы
67

68. Схемы включения биполярного транзистора

ОЭ
ОК
ОБ
68

69.

70. Основные соотношения токов и напряжений в схеме с общим эмиттером (режим покоя)

U КЭ U КБ U БЭ
IК IБ
IK
IБ
IЭ I K I Б
I Э I Б I Б (1 ) I Б
- Коэффициент передачи (усиления) тока базы
1, I Э I Б
IК
IЭ
1
UКЭ E K IK R Н
1
1
I К I Э
I К IЭ
- Коэффициент передачи (усиления) тока эмиттера
100, 0,97 0,99
70

71. Графо-аналитический метод выбора рабочей точки

UКЭ E K IK R Н
UКЭ E K IK R Н
1. IK 0 ,
U KЭ E К режим " отсечки"
2. U КЭ 0, IK E K /R Н режим " насыщения"
Ток коллектора задается величиной сопротивления нагрузки (коллектора).
Положение рабочей точки определяется током базы, который можно задать
подачей смещения на базу .
71

72.

Схемы включения биполярных транзисторов.
Схема с общим эмиттером
rВХ ,ОЭ
Входное сопротивление транзистора
в схеме с ОЭ(приводится в паспорте)
Коэффициент усиления по току (высокий)
KU
I ВЫХ
I
K 1
I ВХ
IБ
Коэффициент усиления по напряжению
(высокий)
KU
U ВЫХ
I K RK
RK
1
U ВХ
I БRВХ
rВХ ,ОЭ
Входное сопротивление (высокое)
U ВХ I Б rВХ ,ОЭ
RВХ
rВХ ,ОЭ 1
I ВХ
IБ
Выходное сопротивление (высокое)
RВЫХ RK
72

73. Схема с общим коллектором

Коэффициент передачи по току (высокий)
IЭ
KI
1
IБ
I Э I Б I Б (1 ) I Б
Коэффициент усиления по напряжению (низкий)
KU
U ВЫХ
1
U ВХ
Входное сопротивление (высокое)
U ВХ I Б rВХ ,ОЭ
RВХ
rВХ ,ОЭ 1
I ВХ
IБ
Выходное сопротивление (низкое)
RВЫХ RЭ
73

74. Схема с общей базой

Коэффициент передачи по току (низкий)
KI
IК
1
IЭ
Коэффициент усиления по напряжению (высокий)
KU
U ВЫХ
1
U ВХ
Входное сопротивление (низкое)
RВХ
U ВХ I Э rВХ ,ОЭ I K rВХ ,ОЭ rВХ ,ОЭ
I ВХ
IБ
IБ
Выходное сопротивление (высокое)
RВЫХ RК
74

75. Сравнительные характеристики схем

Схема
Коэф. усиления
по напряжению
Коэф.
усиления по
току
Входное
сопр.
Выходное
сопр.
ОЭ
Выс.
Выс.
Выс.
Выс.
ОБ
Выс.
Низк.
Низк.
Выс.
ОК
Низк.
Выс.
Выс.
Низк.
75

76. Принцип усиления напряжения в схеме с ОЭ в динамическом режиме

а
UКЭ E K IK R Н
б
IK R Н
U KЭ
в
г
Работа транзистора с нагрузкой называется динамическим режимом
Каскад с ОЭ инвертирует входной сигнал
76

77. Режим линейного усиления

78. Нелинейное усиление

79. Схема смещения фиксированным током базы

С помощью дополнительного резистора в цепи базы задается ток
смещения базы и фиксируется рабочая точка
E U БЭ
RБ K
IБ
EK 0, 7
IБ
IБ
EK
RБ
Таким образом, ток базы определяется фиксированными величинами
напряжения источника питания и сопротивления резистора RБ
79

80. Схема смещения фиксированным напряжением база-эмиттер

I Д (2 5) I Б
UБ
RД
IД
EK U Б
RБ
IБ I Д
UБ
RД
RБ RД
EK
80

81. Стабилизация рабочей точки в схеме с ОЭ

I К IЭ
t 0 ( EК ) IK IЭ U RЭ U БЭ транзистор запирается I Э
81

82. Стабилизация рабочей точки в схеме с ОЭ

Задаются токи покоя
I Д (2 5) I Б
IK и
IБ
I К IЭ
EK (U БЭ I Э RЭ )
RБ
IБ I Д
U БЭ I Э RЭ
RД
IД
U Э (0,12....0,2) EК
RЭ
IЭ
IЭ
1
СЭ
2 f Н RВХОЭ
RК
EK U КЭ
IK
82

83. Параметры каскада

Входное сопротивление
RВХБ
U ВХ I Б rВХ ,ОЭ I Э RЭ I Б rВХ ,ОЭ ( I Б I К ) RЭ
I ВХ
IБ
IБ
I Б rВХ ,ОЭ ( 1) RЭ
IБ
rВХ ,ОЭ RЭ
RВХБ RЭ , т.к. RЭ rВХ ,ОЭ
RБ R Д
RВХ
RЭ ,
RБ R Д
Коэффициент усиления
U ВЫХ I K RK
RK
RK
KU
U ВХ I Б RВХ rВХ ,ОЭ ( 1) RЭ RЭ
Выходное сопротивление
RВЫХ RK
83

84.

Транзисторный усилитель
Общая структурная схема усилителя
Помехи
Источник
сигнала
Усилитель
Источник
питания
Источник сигнала – например, микрофон,
Нагрузка усилителя – например, динамики
Источник питания – батарея, аккумулятор
Помехи – воздействие температуры, ЭМ-наводки
Нагрузка
усилителя

85.

Общая структурная схема усилителя
I вх
o
Uc(t )
I вых I Н
Rвых
Rвх
o
KU U вх
U вх
o
ZН
o
UН
U вых
Усилитель
Требования к усилителю: процесс усиления должен быть непрерывным,
линейным, однозначным.
Параметры усилителя
Коэффициенты усиления:
U вх
I вх
U
KU вых - по напряжению
U вх
Rвх
I
K I вых - по току
I вх
P
K P вых KU K I - по мощности
Pвх
Rвых
U вых
I вых
Частотный коэфф.
усиления
K ( j ) K ( j ) ei
U
K [дБ] 20lg вых
U вх

86.

Частотный коэффициент усиления
Амплитудная характеристика
K j
U вых
1 (0 дБ)
0,707 (-3дБ)
Рабочий диапазон
частот
U вх
Линейная (рабочая)
область усилителя
Характерные параметры усилителей
Максимальные частоты до 100 ГГц
Выходная мощность до 100 Вт
К.п.д. 80-95%
min
mах

87.

Принципиальная схема усилителя с ОЭ
Eк
Rб1
RК
I вх С1
Uc
~
I К С2
RН
IБ
U вх Rб 2
RЭ
IЭ
I вых
U вых U Н
СЭ
Расчет усилителя производится в 2 этапа
1. Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим.
2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим.

88.

1. Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим.
Цель- определить рабочую точку для постоянных токов и напряжений.
В схеме усилителя все конденсаторы заменяются на разрыв цепи.
Для цепи постоянного тока рабочая точка находится из входных и выходных
характеристики транзистора (базовая и коллекторная ВАХ).
Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкэ, Iб), (Iб- параметр)
А)
Eк Rк I к U кэ
Rк
Iк
Iк
Iк Iб
Eк
Iб3
Eк
Rк
Iб2
Rк I к
Iк0
Iб3>Iб2>Iб1
Iб 0
РТ
Iк0
Iб1
Iб = 0
U кэ
U кэ 0
Eк
Uкэ
Определили РТ для выходной характеристики,
переход к определению РТ для входных характеристик

89.

Б)
Делитель
напряжения.
Uкэ0 Схема с фиксированным
напряжением базы
Iб
Iб 0
Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ) , Uкэ -параметр
Входная характеристика
Rб1
Iк0
Uбэ
U бэ 0
Eк Rб 2
Rб1 Rб 2
RК
Iб 0
РТ
0
Eк
U бэ 0
U бэ 0 R
б2
RЭ
Все рабочие точки в статическом режиме определены.
Переход к определению параметров динамического режима.

90.

2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим.
Цель- определить коэффициенты усиления (тока, напряжения, мощности) для
переменных (усиливаемых) токов и напряжений.
В схеме усилителя все конденсаторы заменяются на короткое замыкание участка цепи.
Для цепи переменного тока характеристики усилителя находятся из h-параметров после
преобразования схемы усилителя.
Входная цепь транзистора
Схема замещения
Rб Rб1 / / Rб 2
Iвх
h11
I вх
Uвх
U вх R
б
U вх U вх
I вх
Rб
h11
Rвх
h11 Rб
h11 Rб
Rб h11
Rб
Rвх h11

91.

Выходная цепь транзистора
Схема замещения
RКН RK / / RН
1
RКН
h22
I вых
h22
IЭ
RКН U вых
RКН
Iвых
Uвых
h21·Iвх
Rвых RКН
KI
U вх Rвх I вх h11 I вх
U вых RКН h21 I вх RКН h21 RКН
KU
U вх
h11 I вх
h11
h11
I вых h21 I вх
I вх
I вх
U вых RКН h21 I вх
RКН 2
K P K I KU
h11

92.

Оценим значения параметров усилителя
Параметры схемы:
Rн = ∞ (нагрузка отключена
холостой ход),
Rк = 1000 Ом
Параметры транзистора:
h11 = 100 Oм,
h21 =β = 100.
Rвх h11 100 Ом
Rвых RК 1000 Ом
I вых h21 I вх
KI
100
I вх
I вх
U вых RК
KU
U вх
h11
1000
RКН 2
K P K I KU
105
h11

93.

Методы стабилизации положения РТ
транзисторных усилителей
Под действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов
положение РТ может измениться настолько, что транзистор окажется в
нерабочей области.
Дестабилизирующие факторы:
- основное влияние – изменение температуры (разогрев транзистора)
-
дрейф параметров элементов схемы,
-
дрейф напряжения источников питания
В частности, с повышением температуры транзистора его параметры
изменяются таким образом, что приводят к увеличению тока коллектора
и эмиттера. Для уменьшения этого влияния применяют специальные
методы.

94.

Дрейф рабочей точки на примере транзисторного усилителя
включенного по схеме с ОЭ
Изменение тока
эмиттера IЭ0
Iк0
Uвых
РТ
Изменение положения
рабочей точки (РТ)
Iк
t
Eк
Rк
Iк0
РТ=const
Uвых
Iб 0
РТ
U кэ 0
Iк0
РТ≠const
Iб1
Iб = 0
Eк
Uкэ
t

95.

Используется несколько схем стабилизации:
- эмиттерная стабилизация (обратная связь по току),
- коллекторная стабилизация (обратная связь по напряжению),
- термокомпенсация.
Схема с эмиттерной стабилизацией
+ Ек
Rб1
Rк
С повышением температуры T
ток Iк увеличивается,
увеличивается напряжение Uэ
Iк
Напряжение остается Uб
неизменным.
Uбэ
Uб
Rб2
Iк ≈Iэ
Uэ = Rэ·Iк
Uбэ = Uб - Uэ
Iэ
Uэ
В результате напряжение Uбэ = Uб - Uэ
уменьшается, что приводит к закрыванию
транзистора и уменьшению тока коллектора
Iк.
Отрицательная обратная связь по току

96.

Дифференциальный усилитель (ДУ)
Мостовая схема включения
В основе ДУ лежит идеальная симметрия обоих
транзисторов с ОЭ.
плеч моста, т. е. идентичность параметров
Симметричные плечи
транзисторов T1, Т2 и равенство
Uп
сопротивлений Rк1, Rк2.
1. Uвх1=Uвх2=0
Uвых=0 при одновременном и одинаковом
изменении токов в обоих плечах. В
идеальном ДУ дрейф выходного
напряжения отсутствует, однако
возможен дрейф РТ в каждом Т1, Т2 .
Rк0
Rк2
Rк1
Rн
Uк2
Uк1
Uвых
Uвх2
Uвх1
T2
T1
Rэ
Uвх1
Uвх2
ΔU
Uдиф
ΔU
Ucф
t
2. Uвх1=Uвх2 =Ucф– синфазные
напряжения
Iк1=Iк2, Uк1=Uк2, Uвых=0
3. Uвх1= - Uвх2=Uдиф – противофазные
(дифференциальные) напряжения
Iк1=-Ik2, Uк1=-Uк2, Uвых=Uк1-Uк2
Rвх≈2h11
Rвых≈2(Rк1+ Rк2) KU
h21
Rk
h11

97.

Схема включения транзистора с ОК. Эмиттерный повторитель
Принципиальная схема
Сф
Eп
Rб1
VT
С1
Rс
Uc
~
Ес
Iб
С2
Rэ
Rн
Iн
Uвых

98.

Параметры схемы с ОК
RЭН RЭ / / RН
Входное сопротивление
Rвх rб 1 (rЭ RЭН ) h11 1 RЭН
h11 RЭ , RЭ RН
Выходное сопротивление
Усиление по току
Rвх 1 RЭ
Rвых RЭН RЭ
IЭ
KI
1
IБ
Усиление по напряжению
U вх Rвх I б
U вых Rвых I Э
Усиление по мощности
RЭН 1
U вых
KU
1
U вх h11 1 RЭН
K P K I KU 1

99.

Характеристики ОК
ОК имеет следующие особенности:
• высокое входное сопротивление
• малое выходное сопротивление
• коэффициент усиления по напряжению равен единице.
В схеме с ОК транзистор является повторителем входного напряжения по
амплитуде и по фазе - Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель используется для согласования выходного
сопротивления источника сигнала с нагрузкой.

100. Домашнее задание до 27 сентября

1)
2)
3)
4)
5)
СТАРОЕ
Хабловски И., Скулимовски В. Электроника в вопросах и
ответах (ГЛАВЫ 1-4)
Е. Айсберг. Транзистор? Это очень просто!..4-е изд-е
(Всю книгу!)
Р. Сворень. Электроника. Шаг за шагом. (Первые 10
глав включительно до 206 стр)
Зорин А.Ю. УГО на электрических схемах (ВСЕ 16 ГЛАВ!)
Не забывайте вступать в группу
https://vk.com/tusur_rkf2017
© КРИВИН Н.Н. 2017
100

101. Домашнее задание до 27 сентября

ТЕКУЩЕЕ
1) Конспект типа «вопрос-ответ» по контрольным вопросам темы «Резисторы»
(смотри последний слайд)
2) Краткий конспект по «Алгоритму изучения новых ЭРЭ» (см. слайд №6) по
темам:
• Конденсаторы [МРБ 0573, 0832, 0861, 1079, 1203]
• Катушки индуктивности [WIKI: Катушка индуктивности; МРБ 0031; coil32.ru]
3) Индивидуальные задания желающим по подготовке кратких сообщений для *
и ** с презентациями (см. Табл. 5, лекция №4). (10-15 слайдов на 8-10 минут). Структура
презентации – в соответствии с «Алгоритмом изучения новых ЭРЭ» с
необходимым графическим материалом и указанием списка использованной
литературы.
• *Терморезисторы (термисторы) [Мэклин Э.Д., 1983]
• Варисторы
• *Фоторезисторы (болометры) [Боцанов Э.О., 1978]
• Магниторезисторы
• *Тензорезисторы [Клокова Н.П., 1990]
• **Мемристоры
© КРИВИН Н.Н. 2017
101

102. Индивидуальное задание на ноябрь-декабрь

Индивидуальное задание на ноябрьдекабрь
Обзорные рефераты на темы
«САПР для СиСПЭС» (включая СВЧ-схемотехнику и этап
проектирования печатного узла) (к 1 ноября)
«Современные методы инженерного творчества»
(к 4 декабря)
«Современные отрасли человеческой деятельности,
требующие специалистов со знанием СиСЭС»
(к 11 декабря)
«Отечественные предприятия – разработчики и
производители современной ЭКБ» (к 4 декабря)
© КРИВИН Н.Н. 2017
102

103. Домашнее задание до 7 и 11 октября

1)
2)
3)
4)
5)
НОВОЕ
Установить MicroCAP; подключить библиотеки отеч. ЭРЭ
Всем из 235-3 принести ноутбуки. Занятия в 405 ауд; 2+1(перенос лекции)=3 пары!!!
Остальным группам 235-1 и 2 готовиться к тому же по своему расписанию.
Изучить пункт «Демонстрация основных возможностей MicroCAP 7» (стр. 14–36) [Озеркин
Д.В. Общая электротехника и электроника. Часть 2 – Общая электроника. – Компьютерный
лаб. практикум. – Томск, 2012. – 160 с.]
Изучить Приложения 1–6 (стр. 144 – 160) [Озеркин Д.В. Общая электротехника и
электроника. Часть 2 – Общая электроника. – Компьютерный лаб. практикум. – Томск,
2012. – 160 с.]
При чтении методички Озеркина Д.В. в качестве вспомогательной использовать книгу
[Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCAP 7]
6) Раздел «Транзисторы» по [МРБ 1190 А.И.Аксенов, А.В.Нефедов. Элементы схем БРА.
Диоды. Транзисторы 1992]
7) Разделы 2.2 и 2.3 по [Опадчий, Глудкин…]
8) Изучить Главу 1. [Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах
Ровдо А.А.]
9) Изучить Главу 9, изучить разделы учебника, соответствующие ТЗ на курсовой проект
[Перепёлкин Д.А. - Схемотехника усилительных устройств (Специальность) - 2014]
10) Изучить параграф 4.4 «Схемотехника усилительных устройств» [Нефедов В.И. Основы
радиоэлектроники и связи 2009]
© КРИВИН Н.Н. 2017
103