Стандартные серии ттл. Логические элементы на мдп-транзисторах
7.2 Транзистор VT1
В качестве транзистора VT1 используем транзистор КТ339А с той же рабочей точкой что и для транзистора VT2:
Возьмем Rк = 100 (Ом).
Рассчитаем параметры эквивалентной схемы для данного транзистора используя формулы 5.1 - 5.13 и 7.1 - 7.3.
Ск(треб)=Ск(пасп)*=2×=1,41 (пФ), где
Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0,
Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп).
rб= =17,7 (Ом); gб==0,057 (Cм), где
rб-сопротивление базы,
Справочное значение постоянной цепи обратной связи.
rэ= ==6,54 (Ом), где
rэ-сопротивление эмитера.
gбэ===1,51(мСм), где
gбэ-проводимость база-эмитер,
Справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмитером.
Cэ===0,803 (пФ), где
Cэ-ёмкость эмитера,
fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1
Ri= =1000 (Ом), где
Ri-выходное сопротивление транзистора,
Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.
– входное сопротивление и входная емкость нагружающего каскада.
Верхняя граничная частота при условии что на каждый каскад приходится по 0,75 дБ искажений. Данное значение f в удовлетворяет техническому заданию. Нет необходимости в коррекции.
7.2.1 Расчет схемы термостабилизации
Как было сказано в пункте 7.1.1 в данном усилителе наиболее приемлема эмиттерная термостабилизация поскольку транзистор КТ339А является маломощным, кроме того эмиттерная стабилизация проста в реализации. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 4.1.
Порядок расчета:
1. Выберем напряжение эмиттера, ток делителя и напряжение питания;
2. Затем рассчитаем.
Ток делителя выбирается равным, где - базовый ток транзистора и вычисляется по формуле:
Напряжение питания рассчитывается по формуле: (В)
Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам:
8. Искажения вносимые входной цепью
Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 8.1.
Рисунок 8.1 - Принципиальная схема входной цепи каскада
При условии аппроксимации входного сопротивления каскада параллельной RC-цепью, коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается выражением:
– входное сопротивление и входная емкость каскада.
Значение входной цепи рассчитывается по формуле (5.13), где вместо подставляется величина.
9. Расчет С ф, R ф, С р
В принципиальной схеме усилителя предусмотрено четыре разделительных конденсатора и три конденсатора стабилизации. В техническом задании сказано что искажения плоской вершины импульса должны составлять не более 5%. Следовательно каждый разделительный конденсатор должен искажать плоскую вершину импульса не более чем на 0.71%.
Искажения плоской вершины вычисляются по формуле:
где τ и - длительность импульса.
Вычислим τ н:
τ н и С р связаны соотношением:
где R л, R п - сопротивление слева и справа от емкости.
Вычислим С р. Сопротивление входа первого каскада равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений: входного транзисторного, Rб1 и Rб2.
R п =R вх ||R б1 ||R б2 =628(Ом)
Сопротивление выхода первого каскада равно параллельному соединению Rк и выходного сопротивления транзистора Ri.
R л =Rк||Ri=90,3(Ом)
R п =R вх ||R б1 ||R б2 =620(Ом)
R л =Rк||Ri=444(Ом)
R п =R вх ||R б1 ||R б2 =48(Ом)
R л =Rк||Ri=71(Ом)
R п =R н =75(Ом)
где С р1 - разделительный конденсатор между Rг и первым каскадом, С 12 - между первым и вторым каскадом, С 23 - между вторым и третьим, С 3 - между оконечным каскадом и нагрузкой. Поставив все остальные емкости по 479∙10 -9 Ф, мы обеспечим спад, меньше требуемого.
Вычислим R ф и С ф (U RФ =1В):
10. Заключение
В данном курсовом проекте разработан импульсный усилитель с использованием транзисторов 2Т602А, КТ339А, имеет следующие технические характеристики:
Верхняя граничная частота 14МГц;
Коэффициент усиления 64 дБ;
Сопротивление генератора и нагрузки 75 Ом;
Напряжение питания 18 В.
Схема усилителя представлена на рисунке 10.1.
Рисунок 10.1 - Схема усилителя
При вычислении характеристик усилителя использовалось следующее программное обеспечение: MathCad, Work Bench.
Литература
1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под редакцией А.В. Голомедова.-М.: Радио и Связь, 1989.-640с.
2. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей / А.А. Титов, Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 45с.
Рабочей прямой. Рабочая прямая проходит через точки Uкэ=Eк и Iк=Eк÷Rн и пересекает графики выходных характеристик (токи базы). Для достижения наибольшей амплитуды при расчёте импульсного усилителя рабочая точка была выбрана ближе к наименьшему напряжению т.к у оконечного каскада импульс будет отрицательный. По графику выходных характеристик (рис.1) были найдены значения IКпост=4,5 мА, ...
Расчет Сф, Rф, Ср 10. Заключение Литература ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ № 2 на курсовое проектирование по дисциплине “Схемотехника АЭУ” студенту гр.180 Курманову Б.А. Тема проекта Импульсный усилитель Сопротивление генератора Rг = 75 Ом. Коэффициент усиления K = 25 дБ. Длительность импульса 0,5 мкс. Полярность "положительная". Скважность 2. Время установления 25 нс. Выброс...
Что для согласования с нагрузочным сопротивлением необходимо после усилительного каскадов поставить эмиттерный повторитель, начертим схему усилителя: 2.2 Расчет статического режима усилителя Рассчитываем первый усилительный каскад. Выбираем рабочую точку для первого усилительного каскада. Ее характеристики: ...
Сопротивления источника входного сигнала, а поэтому изменение условия оптимальности при облучении не приводит к дополнительному увеличению шума. Радиационные эффекты в ИОУ. Воздействие ИИ на параметры ИОУ. Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, которые относятся к классу универсальных и многофункциональных аналоговых...
Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) - объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току. Такой транзистор используется в схемах, работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.
Условное обозначение составного транзистора
Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора (иногда ошибочно называемого «супербета»), у мощных транзисторов ≈ 1000 и у маломощных транзисторов ≈ 50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.
В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в составном включении. Объединять полевые транзисторы нет необходимости, так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током. Однако существуют схемы (например, биполярный транзистор с изолированным затвором), где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными транзисторами. Так же для составного транзистора достигнуть повышения значения коэффициента усиления можно, уменьшив толщину базы, но это представляет определенные технологические трудности.
Примером супербета (супер-β) транзисторов может служить серия КТ3102, КТ3107. Однако их также можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316).
Фото типичного усилителя на составных транзисторах
Схема Дарлингтона
Один из видов такого транзистора изобрёл инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).
Принципиальная схема составного транзистора
Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка первого транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:
β с = β 1 ∙ β 2
Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β , значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение d l б = d l б1 , получаем:
d l э1 = (1 + β 1) ∙ d l б = d l б2
d l к = d l к1 + d l к2 = β 1 ∙ d l б + β 2 ∙ ((1 + β 1) ∙ d l б )
Деля d l к на dl б , находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:
β Σ = β 1 + β 2 + β 1 ∙ β 2
Поскольку всегда β >1 , можно считать:
β Σ = β 1 ∙ β 1
Следует подчеркнуть, что коэффициенты β 1 и β 1 могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера I э2 в 1 + β 2 раз больше тока эмиттера I э1 (это вытекает из очевидного равенства I б2 = I э1 ).
Схема Шиклаи
Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи, названное так в честь его изобретателя Джорджа Шиклаи, также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разной полярности (p – n – p и n – p – n ). Пара Шиклаи ведет себя как n – p – n -транзистор c большим коэффициентом усиления. Входное напряжение - это напряжение между базой и эмиттером транзистора Q1, а напряжение насыщения равно, по крайней мере, падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной полярности.
Каскад Шиклаи, подобный транзистору с n – p – n переходом
Каскодная схема
Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT2 - по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке, а также позволяет значительно уменьшить эффект Миллера (увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).
Достоинства и недостатки составных транзисторов
Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому 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 по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.
Достоинства:
а) Высокий коэффициент усиления по току.
б) Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.
Недостатки:
а) Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.
б) Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 - 1,4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).
в) 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 (не может быть меньше чем падение напряжения на 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 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 VT2. Обычно сопротивление R1 составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы с эмиттерным резистором служит мощный n-p-n - транзистор Дарлингтона типа кт825, его коэффициент усиления по току равен 10000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.
7.1 Расчет рабочей точки. Транзистор VT2
Рисунок 7.1 - Предварительная схема усилителя
Возьмем Rк = 80 Ом.
Кроме того при выборе транзистора следует учесть: f в =17,5 МГц.
Этим требованиям соответствует транзистор 2Т3129А9. Однако данные о его параметрах при заданном токе и напряжении недостаточны, поэтому выберем следующую рабочую точку:
I ко = 15мА,
Таблица 7.1 - Параметры используемого транзистора
|
Наименование |
Обозначение |
Значения |
|
|
Емкость коллекторного перехода |
|||
|
Емкость эмиттерного перехода |
|||
|
Граничная частота транзистора |
|||
|
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ |
|||
|
Температура окружающей среды |
|||
|
Постоянный ток коллектора |
|||
|
Температура перехода |
|||
|
Постоянная рассеиваемая мощность (без теплоотвода) |
Рассчитаем параметры эквивалентной схемы для данного транзистора используя формулы 5.1 - 5.13.
rб= =10 Ом; gб==0,1 Cм, где
rб-сопротивление базы,
rэ= ==2,5 Ом, где
rэ-сопротивление эмитера.
gбэ===3,96 мСм, где
gбэ-проводимость база-эмитер,
Cэ===2,86 пФ, где
Cэ-ёмкость эмиттера,
Ri= =400 Ом, где
7.1.1 Расчет эмиттерной коррекции
где - глубина обратной связи;
f в каскада равна:
Примем, тогда:
f в каскада равна:
7.1.2 Расчет схемы термостабилизации
Используем эмиттерную стабилизация поскольку был выбран маломощный транзистор, кроме того эмиттерная стабилизация уже применяется в рассчитываемом усилителе. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 4.1.
Порядок расчета:
1. Выберем напряжение эмиттера, ток делителя и напряжение питания;
2. Затем рассчитаем.
Напряжение эмиттера выбирается равным порядка. Выберем.
Ток делителя выбирается равным, где - базовый ток транзистора и вычисляется по формуле:
Напряжение питания рассчитывается по формуле: В
Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам:
В диапазоне температур от 0 до 50 градусов для рассчитанной подобным образом схемы, результирующий уход тока покоя транзистора, как правило, не превышает (10-15)%, то есть схема имеет вполне приемлемую стабилизацию.
7.2 Транзистор VT1
В качестве транзистора VT1 используем транзистор 2Т3129А9 с той же рабочей точкой что и для транзистора VT2:
I ко = 15мА,
Возьмем Rк = 80 Ом.
Рассчитаем параметры эквивалентной схемы для данного транзистора используя формулы 5.1 - 5.13 и 7.1 - 7.3.
Ск(треб)=Ск(пасп)*=12=12 пФ, где
Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0,
Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп).
rб= =10 Ом; gб==0,1 Cм, где
rб-сопротивление базы,
Справочное значение постоянной цепи обратной связи.
rэ= ==2,5 Ом, где
rэ-сопротивление эмитера.
gбэ===3,96 мСм, где
gбэ-проводимость база-эмитер,
Справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Cэ===2,86 пФ, где
Cэ-ёмкость эмиттера,
fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1
Ri-выходное сопротивление транзистора,
Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.
Входное сопротивление и входная емкость нагружающего каскада.
Верхняя граничная частота при условии что на каждый каскад приходится по 0,75 дБ искажений. Желательно ввести коррекцию.
7.2.1 Расчет эмиттерной коррекции
Схема эмиттерной коррекции представлена на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2 - Схема эмиттерной коррекции промежуточного каскада
Эмиттерная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором, увеличивая амплитуду сигнала на переходе база-эмиттер с ростом частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления каскада описывается выражением:
где - глубина обратной связи;
в и параметры рассчитанные по формулам 5.7, 5.8, 5.9.
При заданном значении F, значение определяется выражением:
f в каскада равна:
Примем, тогда:
f в каскада равна:
Импульсный усилитель
Как уже указывалось, для работы в предварительных каскадах выбран транзистор ГТ320А. Приводимые в справочниках значения параметров измерены при определенных значениях ЕКО и IKO...
Расчет усилительного устройства
Фиксация рабочей точки осуществляется сопротивлениями R12 и R22. По выходным характеристикам транзистора находится IБа2=53,33 мкА. По входным характеристикам транзистора находится UБЭа2=698 мВ...
Усилитель импульсный
Рассчитаем рабочую точку двумя способами: 1. При использовании активного сопротивления Rк в цепи коллектора. 2. При использовании дросселя в цепи коллектора. 1...
Усилитель импульсный
Исходные данные для курсового проектирования находятся в техническом задании. Средне статистический транзистор даёт усиление в 20 дБ, по заданию у нас 40 дБ, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум 2 каскада...
Усилитель корректор
Рассчитаем рабочую точку транзистора для резистивного и дроссельного каскада используя формулы: , (4.1) где амплитуда напряжения на выходе усилителя,сопротивление нагрузки...
Как отмечалсь выше в качестве выходного каскада будем испльзовать каскад с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению обладающий наибольшей широкополосностью, при работе на ёмкостную нагрузку...
Усилитель модулятора лазерного излучения
При расчёте требуемого режима транзистора промежуточных и входного каскадов по постоянному току следует ориентироваться на соотношения, приведённые в пункте 3.3.1 с учётом того, что заменяется на входное сопротивление последующего каскада. Но...Усилитель мощности для 1-12 каналов TV
При расчёте режима предоконечного каскада условимся, что питание всех каскадов осуществляется от одного источника напряжения с номинальным значением Eп. Так как Eп=Uк0, то соответственно Uк0 во всех каскадах берётся одинаковое...
Возьмём Uвых в 2 раза больше чем заданное, так как часть выходной мощности теряется на ООС. Uвых=2Uвых(заданного)=2 (В) Расчитаем выходной ток: Iвых===0,04 (А) Расчитаем каскады с резистором и индуктивностью в цепи коллектора: Рисунок 2.2.1...
Усилитель приемного блока широкополосного локатора
При расчёте требуемого режима транзистора промежуточных и входного каскадов по постоянному току следует ориентироваться на соотношения, приведённые в пункте 2.2.1 с учётом того, что заменяется на входное сопротивление последующего каскада. Но...
Усилитель с обратной связью
Рабочую точку выбираем по формулам: мА. UкА=Umн+Umin= В PкА=UкАIкА=100 мВт Выбираем транзистор с параметрами: Iкmax=22 мА, Uкmax=18 В, Pmax=400 мВт. Таким транзистором может быть КТ339А. Этой рабочей точке соответствует ток базы 275 мкА, и напряжение Uэб=0...
Усилитель с обратной связью
Базовым логическим элементом серий является логический элемент И-НЕ. На рис. 2.3 приведены схемы трех первоначальных элементов И-НЕ ТТЛ. Все схемы содержат три основных каскада: входной на транзисторе VT1 , реализующий логическую функцию И; фазоразделительный на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскад.
Рис 2.3.a. Принципиальная схема базового элемента серии К131
Принцип работы логического элемента серии К131 (рис. 2.3.а) следующий: при поступлении на любой из входов сигнала низкого уровня (0 – 0,4В), базо-эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VT1 смещается в прямом направлении (отпирается), и практически весь ток, протекающий через резистор R1, ответвляется на "землю", вследствие чего VT2 закрывается и работает в режиме отсечки. Ток, протекающий через резистор R2, насыщает базу транзистора VT3. Транзисторы VT3 и VT4 подключенные согласно схеме Дарлингтона, образуют составной транзистор, который представляет собой эмиттерный повторитель. Он выполняет функцию выходного каскада для усиления мощности сигнала. На выходе схемы образуется сигнал высокого логического уровня.
В случае, если на все входы подаётся сигнал высокого уровня, базо-эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора VT1 находится в закрытом режиме. Ток, протекающий, через резистор R1 насыщает базу транзистора VT1, вследствие чего, отпирается транзистор VT5 и на выходе схемы устанавливается уровень логического нуля.
Поскольку в момент переключения транзисторы VT4 и VT5 открыты и через них протекает большой ток, в схему введён ограничительный резистор R5.
VT2, R2 и R3 образуют фазоразделительный каскад. Он необходим для поочередного включения выходных n-p-n транзисторов. Каскад имеет два выхода: коллекторный и эмиттерный, сигналы на которых противофазны.
Диоды VD1 - VD3 являются защитой от отрицательных импульсов.
Рис 2.3.б, в. Принципиальные схемы базовых элементов серий К155 и K134
В микросхемах серий К155 и К134 выходной каскад построен на повторителе не составном (только транзистор VT3 ) и насыщаемом транзисторе VT5 с введением диода сдвига уровня VD4 (рис. 2.3,б, в). Два последних каскада образуют сложный инвертор, реализующий логическую операцию НЕ. Если ввести два фазоразделительных каскада, то реализуется функция ИЛИ-НЕ.
На рис. 2.3, а показан базовый логический элемент серии К131 (зарубежный аналог - 74Н). Базовый элемент серии К155 (зарубежный аналог - 74) показан на рис. 2.3, б, а на рис. 2.3, в - элемент серии К134 (зарубежный аналог - 74L). Сейчас эти серии практически не развиваются.
Микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьером Шотки. В основе транзистора с переходом Шотки (транзистора Шотки) лежит известная схема ненасыщенного транзисторного ключа (рис. 2.4.а).
Рис 2.4. Пояснение принципа получения структуры с переходом Шотки:
a - ненасыщенный транзисторный ключ; б - транзистор с диодом Шотки; в - символ транзистора Шотки.
Чтобы транзистор не входил в насыщение, между коллектором и базой включают диод. Применение диода обратной связи для устранения насыщения транзистора впервые предложено Б. Н. Кононовым Однако в этом случае может увеличиться до 1 В. Идеальным диодом является диод с барьером Шотки. Он представляет собой контакт, образованный между металлом и слегка легированным n-полупроводником. В металле только часть электронов являются свободными (те, что находятся вне зоны валентности). В полупроводнике свободные электроны существуют на границе проводимости, созданной добавлением атомов примеси. При отсутствии напряжения смещения число электронов, пересекающих барьер с обеих сторон, одинаково, т. е. ток отсутствует. При прямом смещении электроны обладают энергией для пересечения потенциального барьера и прохождения в металл. С увеличением напряжения смещения ширина барьера уменьшается и прямой ток быстро возрастает.
При обратном смещении электронам в полупроводнике требуется больше энергии для преодоления потенциального барьера. Для электронов в металле потенциальный барьер не зависит от напряжения смещения, поэтому протекает небольшой обратный ток, который практически остается постоянным до наступления лавинного пробоя.
Ток в диодах Шотки определяется основными носителями поэтому он больше при одном и том же прямом смещении а, следовательно, прямое падение напряжения на диоде Шотки меньше, чем на обычном p-n переходе при данном токе. Таким образом, диод Шотки имеет пороговое напряжение открывания порядка (0,2-0,3) В в отличие от порогового напряжения обычного кремниевого диода 0,7 В и значительно снижает время жизни неосновных носителей в полупроводнике.
В схеме рис. 2.4, б транзистор VT1 удерживается от перехода в насыщение диодом Шатки с низким порогом открывания (0.2...0.3) В, поэтому напряжение повысится мало по сравнению с насыщенным транзисторомVT1 . На рис. 2.4, в показана схема с «транзистором Шотки». На основе транзисторов Шотки выпущены микросхемы двух основных серии ТТЛШ (рис. 2.5)
На рис. 2.5, а показана схема быстродействующего логического элемента, применяемого как основа микросхем серии К531 (зарубежный аналог - 74S), (S - начальная буква фамилии немецкого физика Шотки (Schottky)). В этом элементе в эмиттерную цепь фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2 , включен генератор тока - транзистор VT6 с резисторами R4 и R5 . Это позволяет повысить быстродействие логического элемента. В остальном данный логический элемент аналогичен базовому элементу серии К131. Однако введение транзисторов Шотки позволило уменьшить tзд.р вдвое.
На рис. 2.5, б показана схема базового.логического элемента серии К555 (зарубежный аналог - 74LS) . В этой схеме вместо многоэмиттерного транзистора на входе использована матрица диодов Шотки. Введение диодов Шатки исключает накопление лишних базовых зарядов, увеличивающих время выключения транзистора, и обеспечивает стабильность времени переключения в диапазоне температур.
Резистор R6 верхнего плеча выходного каскада создает необходимое напряжение на базе транзистора VT3 для его открывания. Для уменьшения потребляемой мощности, когда логический элемент закрыт () , резистор R6 подключе не к общей шине, а к выходу элемента.
Диод VD7 , включенный последовательно с R6 и параллельно резистору коллекторной нагрузки фазоразделительного каскада R2 , позволяет уменьшить задержку включения схемы за счет использования части энергии, запасенной в емкости нагрузки, для увеличения тока коллектора транзистора VT1 в переходном режиме.
Транзистор VT3 реализуется без диодов Шoтки, т. к, он работает в активном режиме (эмиттерный повторитель).
При проектировании схем радиоэлектронных устройств часто желательно иметь транзисторы с параметрами лучше тех моделей, которые предлагают фирмы производители радиоэлектронных компонентов (или лучше чем позволяет реализовать доступная технология изготовления транзисторов). Эта ситуация чаще всего встречается при проектировании интегральных микросхем. Нам обычно требуются больший коэффициент усиления по току h 21 , большее значение входного сопротивления h 11 или меньшее значение выходной проводимости h 22 .
Улучшить параметры транзисторов позволяют различные схемы составных транзисторов. Существует много возможностей реализовать составной транзистор из полевых или биполярных транзисторов различной проводимости, улучшая при этом его параметры. Наибольшее распространение получила схема Дарлингтона. В простейшем случае это соединение двух транзисторов одинаковой полярности. Пример схемы Дарлингтона на npn транзисторах приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 Схема Дарлингтона на npn транзисторах
Приведенная схема эквивалентна одиночному npn транзистору. В данной схеме ток эмиттера транзистора VT1 является током базы транзистора VT2. Ток коллектора составного транзистора определяется в основном током транзистора VT2. Основным преимуществом схемы Дарлингтона является высокое значение коэффициента усиления по току h 21 , которое можно приблизительно определить как произведение h 21 входящих в схему транзисторов:
(1)Однако следует иметь ввиду, что коэффициент h 21 достаточно сильно зависит от тока коллектора. Поэтому при малых значениях тока коллектора транзистора VT1 его значение может значительно уменьшиться. Пример зависимости h 21 от тока коллектора для разных транзисторов приведен на рисунке 2
Рисунок 2 Зависимость коэффициента усиления транзисторов от тока коллектора
Как видно из этих графиков, коэффициент h 21э практически не изменяется только у двух транзисторов: отечественный КТ361В и иностранный BC846A. У остальных транзисторов коэффициент усиления по току значительно зависит от тока коллектора.
В случае когда базовый ток транзистора VT2 получается достаточно мал, ток коллектора транзистора VT1 может оказаться недостаточным для обеспечения необходимого значения коэффициента усиления по току h 21 . В этом случае увеличения коэффициента h 21 и, соответственно, уменьшения тока базы составного транзистора можно добиться увеличением тока коллектора транзистора VT1. Для этого между базой и эмиттером транзистора VT2 включают дополнительный резистор, как это показано на рисунке 3.
Рисунок 3 Составной транзистор Дарлингтона с дополнительным резистором в цепи эмиттера первого транзистора
Например, определим элементы для схемы Дарлингтона, собранной на транзисторах BC846A Пусть ток транзистора VT2 будет равен 1 мА. Тогда его ток базы будет равен:
(2)
При таком токе коэффициент усиления по току h 21 резко падает и общий коэффициент усиления по току может оказаться значительно меньше расчетного. Увеличив ток коллектора транзистора VT1 при помощи резистора можно значительно выиграть в значении общего коэффициента усиления h 21 . Так как напряжение на базе транзистора является константой (для кремниевого транзистора u бэ = 0,7 В), то рассчитаем по закону Ома:
(3)В этом случае мы вправе ожидать коэффициент усиления по току до 40000. Именно таким образом выполнены многие отечественные и иностранные супербетта транзисторы, такие как КТ972, КТ973 или КТ825, TIP41C, TIP42C. Схема Дарлингтона широко используется в выходных каскадах усилителей низкой частоты (), операционных усилителей и даже цифровых , например, .
Следует отметить, что схема Дарлингтона обладает таким недостатком, как повышенное напряжение U кэ. Если в обычных транзисторах U кэ составляет 0,2 В, то в составном транзисторе это напряжение возрастает до 0,9 В. Это связано с необходимостью открывать транзистор VT1, а для этого на его базу следует подать напряжение 0,7 В (если мы рассматриваем кремниевые транзисторы).
Для того, чтобы устранить указанный недостаток была разработана схема составного транзистора на комплементарных транзисторах. В российском Интернете она получила название схемы Шиклаи. Это название пришло из книги Титце и Шенка, хотя эта схема ранее имела другое название. Например, в советской литературе она называлась парадоксной парой. В книге В.Е.Хелейн и В.Х.Холмс составной транзистор на комплементарных транзисторах называется схемой Уайта, поэтому будем ее называть просто составным транзистором. Схема составного pnp транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 Составной pnp транзистор на комплементарных транзисторах
Точно таким же образом образуется npn транзистор. Схема составного npn транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 Составной npn транзистор на комплементарных транзисторах
В списке литературы на первом месте приведена книга 1974 года издания, но существуют КНИГИ и остальные издания. Есть основы, которые не устаревают длительное время и огромное количество авторов, которые просто повторяют эти основы. Рассказать понятно надо уметь! За все время профессиональной деятельности я встретил менее десяти КНИГ. Я всегда рекомендую изучать аналоговую схемотехнику с этой книги.
Дата последнего обновления файла 18.06.2018
Литература:
Вместе со статьей "Составной транзистор (схема Дарлингтона)" читают:
http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/kaskod/
http://сайт/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/
