Усилители электрических сигналов на основе полевых транзисторов

Министерство  образования и науки РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра Общей  электротехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усилители электрических  сигналов

на основе полевых транзисторов

 

 

Выполнил: студент гр. КП-001

Лаажап С.Э

Проверил: доцент

Алгазин Е.И

 

 

Новосибирск-2012 год

Содержание

Общие понятия……………………………………………………………………………………………………3

Типы усилителей…………………………………………………………………………………………………4

Полевые транзисторы………………………………………………………………………………………..5

Транзисторы с управляющим p-n переходом…………………………………………………..6

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)……………………….7

Области применения полевых транзисторов…………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………………………………………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Общие понятия

 

В современной технике  широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии  управлять энергией, но во много  раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии  может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс  управления является плавным и однозначным  и управляемая мощность превышает  управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют  усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия  представляет собой электрическую  энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической  энергии, от которого усиливаемые электрические  колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания  вводятся, - входной цепью или  входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую  им в усиленные электрические  колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может  иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется  в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных  электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой  подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических  сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются  в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в  аппаратуре ядерной физики, химического  анализа, геофизической разведки, точного  времени, медицинской, музыкальной  и во многих других приборах.

 

 

 

 

 

 

Типы усилителей

 

Усилители делятся на ряд  типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических  сигналов усилители можно разделить  на две группы:

– усилители гармонических  сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной  величины и формы, гармонические  составляющие которых изменяются много  медленнее длительности устанавливающихся  процессов в цепях усилителя.

– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной  величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители  делятся на ряд следующих типов:

– усилители постоянного  тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие  электрические колебания любой  частоты в пределах от низшей нулевой  рабочей частоты до высшей рабочей  частоты.

– усилители переменного  тока, усиливающие колебания частоты  от низшей границы до высшей, но неспособные  усиливать постоянную составляющую сигнала.

– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей  частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.

– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих непреобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты  характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилетелей звуковых частот и превышающим 10⁵ для некоторых типов видеоусилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

Избирательные усилители  усиливают электрические сигналы  в очень узкой полосе частот.

Из трех типов транзисторных  каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и  каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может  быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и  выполняет вспомогательную роль.

Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с  общим эмиттером, так как он имеет  более высокое входное и более  низкое выходное сопротивления по сравнению  с каскадом с общей базой.

 

 

Полевые транзисторы

 

Полевой транзистор — полупроводниковый  прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного  току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

 

История создания полевых  транзисторов

 

Идея полевого транзистора  с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

 

Схемы включения полевых  транзисторов

 

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 в усилительной технике.

 

 

Классификация полевых транзисторов

 

По физической структуре  и механизму работы полевые транзисторы  условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим  р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

 

 

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.

    Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

    Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности 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 малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

    Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

    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.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

     Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

    В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

    Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

    Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

    В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

    В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

    Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы  с индуцированным каналом

    При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.