Импульстік диодтар

Келтірілген графикалық сызбалар мен есептеулер биполяр транзисторлар негізіндегі әртүрлі күшейткіш схемаларды жобалағанда қолданылады.

 

 

6 ДӘРІС «ӨРІСТІК  ТРАНЗИСТОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН

ЖҰМЫС ІСТЕУ ПРИНЦИПІ»

Өрістік транзистор төмен легирленген n-типті жұқа пластинка немесе стержень түрінде жасалады. Ол арна болып табылады. Арнаның екі бүйіріне затвор қызметін атқаратын р-типті жартылайөткізгіш қондырылады. n-типті пластинаның екі шетіне электрондар орнатылған. Арнаның біреуі – «көз», екіншісі «астау» деп аталған, көз схеманың ортақ нүктесімен жалғанған.

 

 

 

 

22 Сурет - Өрістік  транзистордың конструкциялық-схемалық  моделі

 

 

Астауға арнадағы негізгі тасымалдаушылар көзге қарай қозғалатындай полюсті кернеу беріледі, яғни n-арналы транзисторда астауға «+», ал р-арналы транзисторда «-» полюсті кернеу беріледі. p+ затвор мен n-арна арасында p-n ауысу пайда болады және ол арнаға жақын аймақта болады, өйтекені оның легирлену дәрежесі төмен болады. Затворға көзбен салыстырғанда p-n ауысу кері бағытта ығысатындай полюстегі басқаратын кернеу беріледі. Затвордағы кернеудің бағыты өзгергенде p-n ауысудың ені, сонымен қатар арнаның өткізгіш бөлігінің ені д өзгереді. Нәтижесінде «көз-астау» бөлігінің (арнаның) кедергісі және астаудың тогы да өзгереді.

Өрістік транзисторды сипаттайтын негізгі параметрлер:

1. Арнаның өткізгіш  бөлігі бүкіл ұзына бойына  бітелетіндей затвор мен көз  арасындағы кернеу – кесу (үзу) кернеуі;

2. Арнаның астау  тұсында бітелуіне әкелетін «көз-астау»  арасындағы кернеу – қанығу  кернеуі.

 

 

 

 

6.1 Басқарушы p-n ауысулы n-арналы өрістік транзистордың  статикалық ВАС-ы

 

 

23 суретте n-арналы  өрістік транзистордың ВАС-ы келтірілген,  - шығыстық ВАС-ы,  - өткізу ВАС-ы келтірілген.

 

 

 

 

 

23 сурет – n арналы  өрістік транзистордың ВАС-ы

 

 

Өрістік транзистордың шығыс ВАС-ын кейде астаулық деп те атайды. Өткізу сипаттамасы ретінде кіріс кернеуімен Iа– астау тогын реттеу қарастырылады: затвор-көз кернеуі кесу кернеуіне ұмтылғанда Iа – астау тогы нөлге айналады.

6.2 МДЖ-транзисторлар  немесе затворы изоляцияланған  транзисторлар

 

 

Бұл транзисторлардың металл затворы ток өткізетін арнадан жартылайөткізгіштің бетіне қондырылған диэлектрик қабатпен изоляцияланған. МДЖ-транзистордың жұмыс істеу принципі диэлектрик қабаттың көмегімен арнаның кеңістіктік зарядын (яғни арнаның өткізгіштігін) басқаруға негізделген. Арнаның жасалу тәсіліне қарай МДЖ-транзисторлар екі түрлі болады.

6.3 Орнатылған  арналы МДЖ-транзистор

Оларда арна транзситорды жасау барысында дайындалады (24 сурет). 25 және 26 суреттерде сәйкесінше осындай транзистордың шығыстық және өткізу ВАС-лары келтірілген.

 

 

 

 

24 сурет – Орнатылған  арналы МДЖ-транзистор

 

 

 

 

25 сурет - құрылған  каналды

МДЖ-транзисторының шығыс ВАС-ы

 

 

26 суретте  беріліс ВАС көрсетілген

 

 

 

 

26 сурет- МДП-транзисторының  беріліс ВАС-ы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27 суретте с индукциялы  каналды МДП-транзисторының ВАС  және беріліс сипаттамасы көрсетілген.

 

 

 

 

 

27 сурет - Индукцияланған  каналды МДЖ-транзисторының беріліс  ВАС-ы.

Бұндай транзисторда:

1)Uзи=0 кері бағытта ығысқан p-n аймағындағы сток пен исток бір-бірінен бөлінген.

2)При Uзи>0 подложки көлемінде электрлік өріс пайда болады, ол өріс канал жасайтын қарама-қарсы осы қабаттың өткізгіштік тогын өзгертетін затвор астындағы үстіртін қабатындағы электрондарды тартады.

Осындай транзисторды дайындауда канал жасалмайды, яғни сток және исток аймақтары бір-бірінен ажыратылған. Алайда затворға өріс әсерінен оң кернеу берсе, затвордың үстіртін аймағында подложка көлемінен және сток пен исток аймағынан осы аймаққа тартылатын электрондар есебінен кнал пайда болады, яғни канал электрлік өріспен индукцияланады.

Өрістік транзистордың күшейту қасиеті шығыс токты жасайтын басқарушы кернеуге пропорционалды ток көзімен сипатталады.

I=SUзи, S0=Iс/Uзи – крутизна өрістік транзистордың.

Айнымалы гармоникалық белгінің жиілігі өскендіктен құламалық жиілікті тәуелді болады:

 

 

7 ДӘРІС «БИПОЛЯРЛЫ  ТРАНЗИСТОРЛАР НЕГІЗІНДЕГІ АЗ  ҚУАТТЫ ТӨМЕНГІ ЖИІЛІКТІ КҮШЕЙТКІШТЕРДІ  ЕСЕПТЕУ»

 

 

Жалпы мәліметтер мен анықтамалар. Ғылым мен техниканың көпетеген салаларында, әсіресе басқару жүйелерінде қайсыбір электр сигналдарын күшейту қажеттігі туындайды, ол сигналдар уақыт өтуімен айнымалы немесе тұрақты болуы мүмкін. Осы мақсатта қолданылатын қондырғылар күшейткіштер деп аталады.

Бірінші реттік сигналдардың (күшейтілетін кіріс сигналдарын) көзі датчик деп аталады, олардың негізгі функциясы (қызметі) физикалық тегі әртүрлі өлшенетін параметрлерді электр сигналдарына айналдыру. Датчиктердің физикалық принциптері мен құрылымдары әр алуан, мысалы, индукциялық, индуктивтік, резистивтік, сиымдылық, пьезоэлектрлік, магнитострикциялық, фотоэлектрлік және т.б. [1].

Күшейткіштерді классификациялау көрсеткіштері де әртүрлі. Күшейтілетін сигналдардың тегіне қарай олар айнымалы (гармониялық, импульстік, күрделі пішінді) сигналдар күшейткіштері және тұрақты ток күшейткіштері болуы мүмкін. Қуаты жағынан аз қуатты, орта қуатты және қуатты күшейткіштер болып бөлінеді. Күшейтетін сигналдардың жиілігіне қарай төменгі жиілікті – дыбыс жиілігіндегі күшейткіштер, аралық жиіліктер күшейткіштері, жоғары жиілікті күшейткіштер болып бөлінеді. Сонымен қатар, кіші жолақты және кең жолақты болып бөлінеді. Көбінесе өте жіңішке жолақты күшейту қажеттігі туындайды, ондай кезде қолданылатын күшейткіштер селективті күшейткіштер деп аталады [9]. Күшейткіштер электрондық лампалар, биполяр және өрістік транзисторлар, туннельдік диодтар, магниттік элементтер және т.б. негізінде жасалады.

Күшейткіштердің техникалық сипаттамаларына мыналар жатады: сигналдың шығыс қуаты, шығыс кернеуі немесе тогы, күшейту коэффициенті, ПӘК-і, өткізу ені, тұрақтылық температурасы, бейсызықтық қисаю коэффициенті, шулық көрсеткіштері, сезімталдығы, кіріс кедергісі және т.б.

Шығыс кернеуі, тогы, қуаты сияқты шығыс параметрлері күшейткіштің пайдалану мақсаты мен жүктеменің типіне байланысты болады. Егер жүктеме активті болса, аталған параметрлер былай анықталады:

 

 

.

 

 

Кіріс шамалары мына формулалармен есептеледі:

 

 

.

 

 

Күшейту коэффициенті күшейткіштің шығыс кернеуінің кіріс кернеуіне қатысы ретінде анықталады:

 

 

.

 

 

Көпкаскадты күшейткіштер үшін жалпы күшейту коэффициенті әр каскадтың күшейткіш коэффициенттерінің көбейтіндісі ретінде анықталады:

 

 

.

 

 

Күшейткіштің шығыс тізбегінің ПӘК-і шығыс тізбегінен берілетін сигнал қуатының оның қорек көзінен алатын қуатына қатынасы:

 

 

.

 

 

Күшеткіштің ПӘК-ін басқаша да – жүктемедегі қуаттың барлық қуат көздерінің қуаттарының қосындысына қатынасы ретінде есептеу түрі бар:

 

 

.

 

 

Күшейткіш тізбегінде реактив элементтер (сиымдылықтар, индуктивтіліктер) бар болса, сигналдың жиіліктік спектрінің біркелкі емес күшеюіне әкеп соғады, яғни жиілік және фаза бойынша қисаюлар пайда болады. Қисаю дәрежесі күшейткіштің жиіліктік сипаттамасымен анықталады, ол осы жиіліктегі күшейту коэффициентімен сипатталады. 28 суретте күшейткіштің шартты амплитудалық-жиіліктік сипаттамасы (АЖС) келтірілген.

 

 

 

 

 

28 Сурет – Транзситордың  амплитуда-жиіліктік және фазалық  сипаттамасы

 

 

Күшейткіштің белгілі бір жиіліктегі жиіліктік қисаюы салыстырмалы күшеюмен немесе жиіліктік қисаю коэффициентімен анықталады:

 

 

,  .

 

 

Жиіліктік сипаттаманың орта тұсында бұл шамалар өзара тең және мәні бірге тең болады:

 

 

.

 

 

Бұл шамалар бірден қаншалықты ауытқыса, қисаю да соншалықты күшті болады.

Жиіліктік қисаюдан басқа бейсызықтық қисаю болады. Ол схеманың әрбір элементінің сипаттамасының бейсызықтығына негізделген, мысалы, транзистордың кіріс сипаттамасының бейсызықтығына байланысты. Cипаттаманың бейсызықтығынан транзистордың кірісіне берілген идеал синусоида транзистордан шыққанда берілген синусоидадан басқа жоғары гармоникалар бар болатын басқа сигналға айналады. Бейсызықтық қисаю деңгейі (гармоникалар коэффициенті) бірінші гармоника амплитудасының барлық гармоникалар амплитудаларының квадраттарының қосындысының квадрат түбіріне қатынасымен анықталады:

 

 

.

 

 

Күшейткіштерде теріс кері байланыс (КБ) маңызды роль атқарады. Кері байланыс сигналын шығыстан алып, оны күшейткіштің кірісіне беру тәсілдеріне қарай кері байланысты төр түрге бөлуге болады [6.9]. КБ түрлерінің атауы екі сөзден тұрады: бірінші сөз кіріске сигналдың қалай берілетінін білдіреді, екіншісі – шығыстан қалай алынатынын анықтайды. КБ-тың түрлерін қарастырайық:

 

 

 

 

29 сурет – Тізбектей-параллель  КБ

 

 

 

 

30 Сурет – Параллеь-параллель  КБ

 

 

Параллель КБ кезінде кіріс бойынша токтар қосылады.

 

 

 

 

31 Сурет – Параллель-тізбектей  КБ

 

 

 

 

32 Сурет – Тізбектей-тізбектей  КБ

 

 

Теріс КБ күшейткіштің кейбір сипаттамаларын біршама өзгертеді, мысалы, күшейткіш параметрларінің тұрақтылығын жоғарылатады, бірақ бұл кезде күшейту коэффициенті мына заңдылыққа сәйкес төмендейді:

 

 

.

 

 

Мұндағы  - КБ күшейту коэффициенті,  - КБ жоқ кездегі күшейту коэффициенті.

Кез-келген тізбектей КБ (кіріс бойынша да, шығыс бойынша да) сәйкес кедергіні  есе жоғарылатады. Кез-келген параллель КБ сәйкес кедергіні  есе төмендетеді.  көбейтіндісі тұзақтық күшейту деп аталады.

 

 

8 ДӘРІС «КҮШЕЙТКІШ  КАСКАДТАРДЫҢ ЖҰМЫС РЕЖИМДЕРІ»

 

 

Күшейткіш каскадтар бірнеше түрлі режимдерде жұмыс істеуі мүмкін: А кластық режим; В кластық режим; С кластық режим; D класстық кілттік режим. Аталған класстық режимдер «тұрақты ток» бойынша жұмыс нүктесін таңдап алумен ажыратылады.

А класстық режимде транзистордың кіріс және шығыс тізбектеріндегі ток транзситрдың бүкіл жұмыс уақытында кірісте пайдалы айнымалы сигналдың бар-жоғына тәуелсіз, біршама қоры бар мәнде жүреді.

В класстық режим анағұрлым үнемді болып табылады. Бұл режим қуатты күшейткіш каскадтарға тән. Бұл режимде тыныштық жұмыс нүктесі транзистордың бастапқы жұмыс аймағында – бейсызықтық аймағынан ары болады. Транзситор бұл жағдайда «сәл ғана ашық», сондықтан электр энергиясының шығыны шамалы. Бірақ кіріс тізбегіне синусоидалық сигнал берілсе, 33 суретт көрсетілгендей сигналдың тек жарты толқыны (мысалы оң мәнді) ғана күшейеді, ал екінші жарты толқын кесілу аймағына түсіп қалады.

 

 

 

 

33 Сурет – В  кластық режимдегі күшейткіш  каскадтың жұмысы

 

 

8.1 Есептеулерге  арналған практикалық ұсыныстар

Мысалы төменгі қуатты төменгі жиілікті күшейткішті жобалау барысында мынадай техникалық шарттар мен сипаттамалары берілсін делік:

Um кір, мВ – сигнал көзінің амплитудалық мәні;

Um шығ , В – күшейткіштің шығысындағы кернеудің амплитудалық мәні;

Rж ,кОм – күшейткіштің жүктемелік тізбегіндегі кедергі;

Fт  Fж ,кГц – күшейтілетін жиіліктер диапазоны;

Мж = Мт = 1,18 – кернеулік қисаю коэффициенті;

toорта ,оС – күшейткіштің жұмыс температурасы;

Ек, В – коллектор тізбегіндегі қорек кернеуі;

Rк – сигнал  көзінің ішкі кедергісі (генератордың  ішкі кедергісі).

Нмесе басқадай нұсқа болуы мүмкін: сигнал көзінің белгілі бір параметрлеріндегі кернеу бойынша күшейту коэффиценті беріледі.

Жобалаудың басында төменгі жиілікті күшейткіш үш каскад схема негізінде жасалады делік. Көпкаскадты күшейткіштің жалпы күшейту коэффициенті әрбір жеке каскадтардың күшейткіш коэффициенттерінің көбейтіндісіне тең екені белгілі:

 

 

К = К1 К2……….Кn.

Жеке каскадтар өзара тұрақты ток арқылы әсер етпеу үшін каскадтардың арасындағы байланыс бөлгіш конденсаторлар көмегімен жүзеге асады.

Төменгі қуатты төменгі жиілікті күшейткіштерде бірінші каскад ретінде, 34 суретте көрсетілгендей, практикада ортақ эмиттерлі схеманы қолдану кеңінен таралған.

 

 

34 Сурет – Ортақ  эмиттерлі күшейткіш каскады  схемасы [2]

 

 

Күшейткіштерді есептеу итерациялық үрдіс болып табылады. Яғни барлық күшею жолдары мен есептеулерді бағалағаннан кейін (мысалы күшею коэффициенті есептелгеннен кейін) кейбір каскадтарды қайта есептеу қажеттігі туындауы мүмкін. Күшейткіш шығысындағы қуат берілген болса есептеулер соңғы каскадтан басталуы мүмкін, немесе, датчиктің параметрлері (мысалы, датчиктің немесе оның көзінің ішкі кедергісі – Rг, оның шығысындағы сигнал – Еж) берілген болса бірінші каскадтан бастап жүргізілуі мүмкін. Және бұл есептеулер кезінде берілген күшейту коэффициенті мен кернеудің амплитудасы және басқа да талап етілген күшейтуші параметрлердің дәл келуін қамтамасыз ету керек.

Деңгейі шу деңгейімен шамалас төмен амплитудалы әлсіз кіріс сигналдарын күшейткен кезде күшейткіштерді есептейтін арнайы схемалар бар. Бұл кезде «төмен шулы» биполяр немесе өрістік транзисторлар қолданылады.

Бірінші каскадты есептеу алдын-ала болжамдық есептеу болып табылады, оны транзистордың ВАС-ын пайдаланып аналитикалық немесе графоналитикалық түрде жүргізуге болады. Алдын-ала күшейтуге арналған каскадтар үшін есептеулерді аналитикалық жүргізген дұрыс, ал қуатты күшейткіштерді есептеу үшін графоаналитикалық әдіс дұрыс болады. Бірақ бұл жағдайда мысал ретінде екі әдіс те қолданылған.

Күшейткіш каскадын есептеу әдетте үш этаптан тұрады: каскадтың шектік параметрлерін бағалау, транзисторды таңдап алу, тұрақты ток бойынша және айнымалы ток бойынша есептеулер.

8.2 Шектік  шамаларды бағалау және транзисторды  таңдап алу

Транзистордың шектік параметрлеріне мыналарды жатқызуға болады: транзистордың коллекторы мен эмиттерінің арасындағы максимал кернеу, ол мына қатынаспен анықталады: Uкэмах=1,2*Ек. Төменгі қуатты күшейткіштердегі транзситордың коллекторлық тізбегіндегі ток шамасы аз болғандықтан (коллектор тізбегіндегі ток шамасын 1 мА мен 3 мА арасында етіп алу ұсынылады [9]), транзситорды таңдап алу екі параметр арқылы жүзеге асады: Uкэмах және Fм – максимал жиілік. Бұл кезде ток бойынша статикалық күшейту коэффициенті h21э жоғары n-p-n типті транзистор алған жөн. Анықтамаларда бұл коэффициенттің минимал және максимал мәндері беріледі, таңдау барысында минимал мән бойынша бағдар алған дұрыс.