Файл: Составные транзисторы, применение в усилительных схемах, основные параметры.pdf

МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»
(БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»)
БГТУ.СМК-Ф-4.2-К5-01 Факультет
И шифр Информационные и управляющие системы наименование Кафедра
И шифр Радиоэлектронные системы и комплексы наименование Дисциплина
Схемотехника аналоговых электронных устройств
КУРСОВАЯ РАБОТА на тему Составные транзисторы, применение в усилительных схемах, основные параметры
Выполнил студент группы
И402С
Орешкин И.С. Фамилия ИО. РУКОВОДИТЕЛЬ
Флеров АН. Фамилия ИО. Подпись Оценка
«
» г.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ г.

2 Содержание ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 3 Основная часть ........................................................................................................... 4 Составной транзистор. 4 Схема Дарлингтона .................................................................................................... 4 Схема Шиклаи ............................................................................................................. 6
Каскодная схема .......................................................................................................... 7 Достоинства и недостатки составных транзисторов ........................................... 8 Применение составных транзисторов в усилительных схемах ...................... 10 Усилитель напряжения .................................................................................. 10 Выходной каскад ............................................................................................. 12 Генераторы стабильного тока ....................................................................... 15 Заключение ................................................................................................................ 17

3 ВВЕДЕНИЕ Транзистор — один из самых важных компонентов, использующихся в современной микроэлектронике. Он предназначен для управления сильным сигналом за счет более слабого. Также транзисторы можно использовать как своеобразную заслонку за счет подачи тока или напряжения на вход транзистора открывать его, тем самым разрешать течение тока по цепи, отсутствием входного тока – блокировать течение тока по цепи. Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим. В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыта коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт. Транзисторы применяются в
• Усилительных схемах. Обычно они работают в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов. Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.
• Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов, либо в линейном усилительном режиме генерация сигналов произвольной формы.
• Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговом виде.

4 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Составной транзистор — электрическое соединение нескольких биполярных транзисторов, полевых транзисторов или транзисторов с целью усовершенствования их электрических характеристик. К этим схемам относят пару Дарлингтона, пару Шиклаи, каскодную схему включения транзисторов, схему токового зеркала и др.
• Схема Дарлингтона Рисунок 1 - Пара Дарлингтона с резистором, который используется в качестве нагрузки транзистора рисунок взят с сайта https://go-radio.ru/coctavnoy-transistor.html] Составной транзистор (или схема) Дарлингтона была предложена в 1953 году инженером Сидни Дарлингтоном. Схема представляет собой каскадное соединение двух (редко — трёх или более) биполярных транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттерной цепи предыдущего каскада является переход база — эмиттер транзистора

5 последующего каскада (то есть эмиттер предыдущего транзистора соединяется с базой последующего, при этом коллекторы транзисторов соединены. В такой схеме ток эмиттера предыдущего транзистора является базовым током последующего транзистора. Коэффициент усиления потоку пары Дарлингтона очень высоки примерно равен произведению коэффициентов усиления потоку транзисторов, составляющих такую пару. У мощных транзисторов, включенных по схеме пары Дарлингтона, конструктивно выпускаемой водном корпусе (например, транзистор КТ825), гарантированный коэффициент усиления потоку при нормальных условиях эксплуатации не менее 750. У пар Дарлингтона, собранных на маломощных транзисторах, этот коэффициент может достигать 50 000. Высокий коэффициент усиления потоку обеспечивает управление малым током, поданным на управляющий вход составного транзистора, выходными токами, превышающими входной на несколько порядков. Достигнуть увеличения коэффициента усиления потоку можно также уменьшив толщину базы при изготовлении транзистора, такие транзисторы выпускаются промышленностью и называются «супербета транзистор, но процесс их изготовления представляет определённые технологические трудности и такие транзисторы имеют очень низкие коллекторные рабочие напряжения, не превышающие нескольких вольт. Примерами супербета транзисторов могут служить серии одиночных транзисторов КТ3102, КТ3107. Однако и такие транзисторы иногда объединяют в схеме Дарлингтона. Поэтому в относительно сильноточных и высоковольтных схемах, где требуется снизить управляющий ток, используются пары Дарлингтона или пары Шиклаи. Иногда и схему Дарлингтона некорректно называют «супербета транзистор.

6 Составные транзисторы Дарлингтона используются в сильноточных схемах, например, в схемах линейных стабилизаторов напряжения, выходных каскадах усилителей мощности и во входных каскадах усилителей. Составной транзистор имеет три электрических вывода, которые эквивалентны выводам базы, эмиттера и коллектора обычного одиночного транзистора. Иногда в схеме для уменьшения времени закрывания выходного транзистора и снижения влияния начального тока входного транзистора используется резистивная нагрузка эмиттера входного транзистора. Пару Дарлингтона электрически рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления потоку которого при работе транзисторов в линейном режиме примерно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов, например, двух
????
????
= ????
1
∙ Где ????
????
- коэффициент усиления потоку пары Дарлингтона,
????
1
, ????
2
- коэффициенты усиления потоку транзисторов пары.
• Схема Шиклаи Рисунок 2 - Каскад Шиклаи, эквивалентный n-p-n транзистору рисунок взят с сайта ru.wikipedia.org/wiki/Составной_транзистор] Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме
Шиклаи, названное так в честь его изобретателя Джорджа К. Шиклаи ,

7 также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одинаковой проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разного типа проводимости (p-n-p и n-p-n).
Приведённая на рисунке пара Шиклаи электрически эквивалентна транзистору с большим коэффициентом усиления. Между базой и эмиттером транзистора как правило включают резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется, например, в различных вариантах усилителя Лина, в выходном каскаде которых установлены транзисторы одинаковой проводимости.
•
Каскодная схема Рисунок 3 - Каскодный усилитель на биполярных n-p-n транзисторах рисунок взят с сайта ru.wikipedia.org/wiki/Составной_транзистор] Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор T1 включён по схеме с общим эмиттером, а транзистор T2 — по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включённому по

8 схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, то есть меньше искажает передаваемый сигнал. Так как потенциал коллектора входного транзистора практически неизменен, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и расширяет рабочий диапазон по частоте. Достоинства и недостатки составных транзисторов Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме. В связи с этим составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления потоку и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2. Достоинства составных пар Дарлингтона и Шиклаи:
• Высокий коэффициент усиления потоку Схема Дарлингтона изготавливается в составе интегральных схем и при одинаковом токе площадь занимаемая парой на поверхности кристалла кремния меньше, чему одиночного биполярного транзистора.
• Применяются при достаточно высоких напряжениях. Недостатки составного транзистора
• Низкое быстродействие, в особенности в ключевом режиме при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, работающих в линейном режиме. На высоких частотах их частотные параметры хуже, чему одиночного транзистора.
• Прямое падение напряжения Uбэ составного транзистора в схеме Дарлингтона почтив два раза больше, чему одиночного транзистора, и для кремниевых транзисторов находится в пределах 0,6 — 1,4 В, так как

9 равна сумме падений напряжения на прямосмещённых p-n переходах двух транзисторов.
• Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности, так как не может быть меньше чем падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии (начальный ток коллектора) создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором
VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора, так как неосновные носители, накопленные в базе VT2 при его запирании из режима насыщения не только рассасываются, но истекают через этот резистор. Обычно сопротивление R1 выбирают величиной сотни ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько килоом в маломощном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы Дарлингтона, выполненной водном корпусе со встроенным эмиттерным резистором, служит мощный n-p-n- транзистор Дарлингтона типа КТ827, его типовой коэффициент усиления потоку около 1000 при коллекторном токе 10 А.

10 Применение составных транзисторов в усилительных схемах
• Усилитель напряжения Каскад усилитель напряжения должен обеспечивать максимальную амплитуду выходного напряжения с высоким коэффициентом усиления при минимальных нелинейных искажениях. Рисунок 3 – Усилитель напряжения на составном транзисторе с цепью отрицательной обратной связи взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
89] Усилитель напряжения по схеме рис выполнен на составном транзисторе и охвачен отрицательной обратной связью, напряжение которой снимается с коллектора транзистора VТЗ и через резистор R4 подается в цепь эмиттера транзистора Т. Такой усилитель напряжений используется в усилители мощности звуковой частоты.

11 Рисунок 4 – Каскодный усилитель напряжения на составном транзисторе взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
90] Достоинством каскадных УН является большее входное сопротивление за счет хорошего усиления потоку составного транзистора Т, Т (рис. 4), имеющих высокое значение параметра э и, как правило, малое максимально допустимое напряжение коллектор- эмиттер U
кэ а. Фиксация этих напряжений стабилитроном VD1 в схеме рис. 4 позволяет применять подобные биполярные транзисторы. Транзисторы Т и VТЗ на схеме соответственно должны иметь максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер
????
кэ ????????????
≥ П − ????
????????1
− ???? − ????
см
Другие достоинства каскадной схемы - малая проходная емкость и меньшие нелинейные искажения на высоких частотах по сравнению с каскадом общий эмиттер.

12 Недостаток каскадных усилителей напряжения - несколько меньшая по сравнению с каскадом общий эмиттер амплитуда выходного сигнала (как минимум - на 5 ... 7% в зависимости от напряжения питания.
• Выходной каскад Выходной каскад должен обеспечить на нагрузке неискаженный сигнал с напряжением требуемой амплитуды. В зависимости от сопротивления нагрузки и амплитуды, а соответственно, и мощности, выходной каскад может строиться по одно, двух- или трехкаскадной схеме двухтактных комплементарных или квазикомплементарных эмиттерных повторителей или усилителей напряжения. Рисунок 5 – Схема с усилением напряжения и параллельным включением основного и вспомогательного выходных каскадов взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
96] Выходной каскад рис. 5 усиливает как ток, таки напряжение. В основном

13 каскаде (VТЗ, Т) используются мощные составные транзисторы КТ825 и КТ827. Вспомогательный каскад - на составных транзисторах Т, Т и Т, Т соответственно. Амплитуда выходного напряжения в таком каскаде максимальна и отличается от напряжения питания (44 В) на напряжение насыщения транзисторов VТЗ, Т, (в эмиттерах этих транзисторов резисторы ООС потоку покоя не требуются, так как каскад работает в режиме В. Конденсаторы С ... Скорректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Схема рис. 5.34 при указанном напряжении питания обеспечивает на нагрузке 4 Ом максимальную синусоидальную мощность, равную 200 Вт. Рисунок 6 – Выходной каскад с малыми нелинейными и коммутационными искажениями взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
100]

14 Рисунок 7 – Зависимость коэффициента гармоник выходного каскада на рис от выходной мощности взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
101] На рис. 6. приведена схема выходного каскада с малыми нелинейными и коммутационными искажениями, примененная в усилителе мощности . Выходной каскад выполнен на составных транзисторах разной проводимости (VТ1VТЗ, VТ2VТ4, VТ7VТ9, VТВVТ10). Выявлено значительное превосходство таких структур по уровню нелинейных искажений третьего порядка, на 25 ... 30 дб меньших, чем в обычном каскаде, при глубине местной отрицательной обратной связи большей 5. Каждая пара транзисторов имеет местную отрицательную обратную связь З и часть резистора R4 для VТ1VТЗ, R5R7 и часть резистора
R4 для VТ2VТ4, R22 и R25 для VТ7VТ9 и VТВVТ10 соответственно. Кроме того, весь каскад в целом охвачен отрицательной обратной связью

15 через делители R11R6 и R12R7 (параллельно резисторами включена цепь резисторов З, позволяющая дифференциально изменять глубину ООС в плечах, усиливающих разные полуволны сигнала, для минимизации четных гармоник. Коэффициент передачи оконечного каскада равен 4. На рис. 7 показана зависимость коэффициента гармоник Кг симметрированного выходного каскада от отдаваемой в нагрузку 4 Ом мощности на частоте 16 кГц. Переключающие цепи R9VD1 и R10R13VD2 дважды за период сигнала шунтируют делители R11R6 и R12R7, увеличивая их коэффициент передачи, а следовательно, и напряжение смещения транзисторов Т, Т, препятствуя выключению его неработающих плечи отсечке тока. Постоянные напряжения на базах транзисторов Т, Т смещают диоды VD1, VD2 в прямом направлении и, таким образом, устраняют запаздывание срабатывания цепей, снижающих КИ. Настройку этих цепей контролируют по осциллограммам токов коллекторов транзисторов Т, Т (измеряется напряжения на резисторах R22 и
R25 соответственно. Критерий правильности настройки резистором R13 и, если требуется, подбором резистора R9) - отсутствие отсечки коллекторного тока.
• Генераторы стабильного тока Идеальный генератор стабильного тока - это элемент электрической схемы, который обеспечивает ток в нагрузке,не зависящий от ее сопротивления.

16 Рисунок 8 – Генератор стабильного тока на составном биполярном транзисторе ОЭ-ОБ взято из учебника Справочник по схемотехнике усилителей, страница
77] У схемы генератора стабильного тока на составном биполярном транзисторе ОЭ-ОБ (рис. 8) также высокое выходное сопротивление
????
вых
= ????
к
ℎ
21э
При расчете схемы следует выбирать напряжение стабилизации, В, стабилитрона V02:
????
????????2
≥ 2????
БЭ
+ ????
КЭ нс 1,2 + ????
КЭ нс, где ????
КЭ нс - напряжение насыщения, В, биполярного транзистора Т