Отличие фотодиода, светодиода и варикапа от выпрямительного диода

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение. 

Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых величина выходного тока изменяется под действием электрического поля, создаваемого входным напряжением, благодаря чему полевые транзисторы имеют очень высокое (1... 10 МОм) входное сопротивление. Указанное обстоятельство является главным достоинством этих приборов, что подчеркивается в их названии. Различают два подкласса полевых транзисторов: с управляющим p—n-переходом и изолированным затвором со структурой металл—диэлектрик—полупроводник (МДП-структура).

 

 

 

 

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

В полевых транзисторах первого типа управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к входному электроду. Полевой транзистор с управляющим р—n «-переходом состоит из тонкой пластинки полупроводникового материала с одним р—n-переходом в центральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рис. 2).

Работа этих транзисторов основана на модуляции эффективного сечения канала, которую осуществляют изменением толщины запирающего слоя, обратносмещенного р—n-перехода.

                 Рис. 2.1                                   Рис. 2.2

 

 

                а)                                                    б)

Рис. 2.3. Физические модели МДП-полевых транзисторов: а — с встроенным p-каналом; б — с индуцированным p-каналом

Область, от которой начинают движение основные носители, называют истоком, а область, к которой движутся основные носители, — стоком.

Область, используемая для управления током, протекающим через канал, называют затвором. Источник Е3.к создает отрицательное напряжение на затворе (Uз-и1, Uз-и2_, ...). Ток, протекающий через канал Iс, можно модулировать переменным входным напряжением. Постоянное отрицательное напряжение, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым, называют пороговым, или напряжением отсечки Uотс  К параметрам, характеризующим максимально допустимые режимы, относятся максимально допустимое напряжение между стоком и истоком, между затвором и истоком и максимально допустимая мощность рассеяния в транзисторе.

В качестве основного параметра полевого транзистора используется крутизна характеристики Iс =f(Uз-и) (Рис. 13 а)-с встроенным р- каналом; б)- с индуцированным р- каналом) в пологой области семейства выходных характеристик:

                                                              Рис. 2.4

 

 

                                                              Рис. 2.5

Полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ) бывают двух типов: с встроенным каналом и индуцируемым каналом. На рис. 2.3 представлены их физические модели, а на рис. 2.4 — семейства выходных характеристик.

Из характеристик транзистора с встроенным каналом следует, что он может работать с обеднением канала носителями тока, когда входное напряжение положительно и дырки оттесняются вглубь кристалла, поскольку заряды пластин конденсатора, образованного металлом затвора, диэлектрическим «зазором» и полупроводником, должны быть одинаковы и противоположны по знаку. Кроме того, указанный транзистор может работать и с обогащением канала при отрицательном значении входного напряжения по тем же причинам. Транзистор с индуцируемым каналом, как это следует из модели и характеристик, может работать только в режиме обогащения канала. Основным параметром МДП-транзисторов также является приведенный выше коэффициент S.

Условные графические обозначения полевых транзисторов разных типов представлены на рис. 2.5 ( а- с каналом n–типа; б – с каналом р–типа; в- с изолированным затвором обогащенного типа с р- каналом; г- с изолированным затвором обогащенного типа с n- каналом)

В транзисторах с изолированным затвором, как правило, делается вывод от подложки, который может быть использован в некоторых случаях как второй затвор, чаще всего он накоротко соединяется с истоком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 3 (50). Дайте определение обратной связи в усилителе. Как она влияет на величину коэффициента усиления усилителя ?

Обратной связью (ОС) называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную.

На рис. 3 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом передачи, или коэффициентом обратной связи β, показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. Обычно |β|< 1.

Рис. 3. Структурная схема усилителя с обратной связью

Обратная связь может быть внутренней (она проявляется в усилителе из-за физических свойств усилительных элементов), паразитной (из-за образования паразитных емкостных и индуктивных связей между выходной и входной цепями) и искусственной (ее создают специально). Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными, и их пытаются устранить. Искусственную ОС применяют с целью уменьшения нелинейных искажений и стабилизации положения начальной рабочей точки. Для этого с помощью обратной связи на вход подают напряжение точно в противофазе с ЭДС источника сигнала. Такую ОС называют отрицательной. Если напряжение обратной связи подать точно совпадающим по фазе с ЭДС источника сигнала, то сигнал на входе увеличится. Такую ОС называют положительной. Ее используют, например, в автогенераторах для поддержания автоколебаний. В зависимости от того, каким образом цепь ОС присоединена к выходу и входу усилителя, различают: обратную связь по напряжению – цепь ОС соединенная с выходом схемы параллельно нагрузке так, что напряжение ОС пропорциональ-но напряжению на нагрузке усилителя (рис. 3.1, а); обратную связь по току – цепь ОС соединенная с выходом схемы последовательно с нагрузкой так, что напряжение ОС пропор-ционально току в нагрузке (рис. 3.1, б); обратную связь последовательную – цепь ОС со стороны входа соединена последовательно с источником сигнала (рис. 3.1, в); обратную связь парал-лельную – цепь ОС со стороны входа соединена параллельно с источником сигнала (рис. 3.1, г). Бывают также комбинированные (смешанные) обратные связи: ОС одновременно по току и напряжению, ОС одновременно последовательная и параллельная.

Рис. 3.1. Обратная связь в усилителе по напряжению, по току, последовательная и параллельная

Обратную связь называют частотно-независимой, если отношение напряжений на выходе и входе цепи ОС не зависит от частоты (цепь ОС не содержит индуктивностей и емкостей). В противном случае ОС называют частотно-зависимой. Если между напряжением ОС и ЭДС источника сигнала сдвиг фаз отличается от 0 и от 180°, то ОС называют комплексной. Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называется цепью обратной связи.

Рассмотрим, как влияет отрицательная ОС на основные показатели усилителя и в первую очередь на коэффициент усиления. Пусть имеется последовательная ОС по напряжению (рис. 3.1, а, в). Для простоты все величины считаем действительными. Напряжение ОС, подаваемое во входную цепь усилителя,

 (3.1)

Это напряжение  вычитается из входного напряжения, поэтому

, (3.2)

или

.

Если ОС отсутствует, то и коэффициент усиления усилителя

 (3.3)

При наличии отрицательной ОС с учетом (3.2)

 (3.4)

Из (3.3) и (3.4) следует, что при наличии ОС коэффициент усиления усилителя

 (3.5)

Следовательно, отрицательная ОС снижает коэффициент усиления в 1+βK раз. Величина βK характеризует усиление цепи обратной связи. Сумму 1+βK называют глубиной отрицательной ОС. Если при отрицательной ОС |β|>>1, то такую связь называют глубокой отрицательной ОС. При глубокой отрицательной ОС в знаменателе выражения (3.5) единицей по сравнению с βK можно пренебречь, тогда

, (3.6)

т.е. KOC определяется только коэффициентом передачи обратной связи β и не зависит от коэффициента усиления усилителя без обратной связи K.

Все сказанное справедливо не только для последовательной ОС по напряжению, но и для всех других видов отрицательной ОС.

Введение отрицательной ОС повышает стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении режима усилительного элемента, частоты, амплитуды сигнала и др. При этом изменение К вызывает изменение KOC, в 1+βK раз меньшее, а при глубокой отрицательной ОС почти совсем не зависит от K, что следует из уравнения, которое можно получить, если продифференцировать (3.5) по K:

 (3.7)

Отрицательная ОС позволяет расширить полосу пропускания, снижает уровень нелинейных искажений, фон и шумы, возникающие внутри усилителя. В зависимости от типа отрицательной ОС можно уменьшать или увеличивать входное и выходное сопротивления. Так, введение отрицательной последовательной ОС по напряжению увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление усилителя, что в ряде случаев значительно улучшает его показатели. Поэтому, несмотря на снижение коэффициента усиления при введении отрицательной обратной связи, ее широко используют в усилителях различного назначения.

Отметим, что при положительной ОС коэффициент усиления увеличивается. Проведя рассуждения, подобные проделанным для отрицательной ОС, получаем

, (3.8)

откуда следует, что положительная ОС увеличивает коэффициент усиления усилителя в 1-βK раз. Разность 1-βKназывают глубиной положительной ОС. Если  , то  , т.е. усилитель самовозбуждается и начинает работать как генератор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 4(71). Описать работу выпрямителя с умножением напряжения.

Выпрямитель с умножением напряжения – устройство, служащее для выпрямления и повышения напряжения. Особенность работы схем этих выпрямителей является использование свойств конденсатора накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию. При работе выпрямителя от обычной сети 50-периодного переменного тока время, в течение которого конденсатор должен сохранять заряд, не превышает 0,02 сек. Чем больше емкость входящих в схему конденсаторов, тем выше запас электрической энергии и выпрямленное напряжение при одной и той же нагрузке. Поэтому в таких выпрямителях удобнее всего применять электролитические конденсаторы, которые, имея небольшие размеры, обладают значительной ёмкостью.

 Выпрямитель по схеме удвоения  состоит из двух последовательно  соединенных однополупериодных  выпрямителей, каждый из которых  имеет выпрямленный элемент и  создает на выходной емкости  напряжение, равное половине полного  выпрямленного напряжения. В одном  из них работает вентиль Д1 с конденсатором С1, в другом  – Д2 с С2. Катод вентиля Д2 соединен  с анодом вентиля Д1, поэтому  они работают поочередно. В первый  полупериод переменного напряжения, когда на аноде вентиля Д1 и  катоде вентиля Д2 появился положительный  потенциал, ток проходит через  вентиль Д1 (направление показано  сплошными стрелками) и заряжает  конденсатор С1. Во втором полупериоде  на аноде вентиля Д1 появляется  отрицательный потенциал, и вентиль  оказывается запертым. Однако на  катоде второго вентиля Д2 появляется  также отрицательный потенциал, через него идет ток и заряжает  конденсатор С2. Конденсаторы С1 и  С2 соединены последовательно. Вследствие  этого напряжение на выходе  выпрямителя между точками а  и б равно сумме напряжений  на конденсаторах С1 и С2, что  приблизительно в два раза  больше, чем при однополупериодном  выпрямлении. В схеме удвоения напряжения используются оба периода переменного напряжения, поэтому пульсации оказываются равны удвоенной частоте питающей сети. Максимальное значение обратного напряжения Uобр = 1,5 Uo; максимальный импульс обратного тока Imax = Io.