Шум
Максимальная чувствительность усилителей малых сигналов ограничена шумом случайных колебаний тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум из-за потока носителей заряда в базе и тепловой шум. Источником теплового шума является сопротивление устройства, и с ростом температуры уровень теплового шума увеличивается:
\
где
- k – постоянная Больцмана (1,38 · 10-23 Вт · с/К);
- T – температура резистора в кельвинах;
- R – сопротивление в омах;
- Bш – полоса шума в герцах.
Шум в транзисторном усилителе определяется с точки зрения дополнительного шума, создаваемого усилителем, то есть не того шума, который усиливается от входа к выходу, а того, который генерируется в усилителе. Он определяется путем измерения отношения сигнал/шум (С/Ш, S/N) на входе и выходе усилителя. Выходное переменное напряжение усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сумме сигнала и шума. Переменное напряжение без входного сигнала соответствует только шуму N. Величина шума F определяется через отношения S/N на входе и выходе усилителя.
\[F = {(S/N)_{вх} \over (S/N)_{вых}}\]
\
Величина шума F для радиочастотных (РЧ, RF) транзисторов обычно приводится в технических описаниях в децибелах, FдБ. На ОВЧ (очень высоких частотах, VHF, от 30 МГц до 300 МГц) хорошим показателем шума является величина <1 дБ. На частотах свыше ОВЧ уровень шума значительно увеличивается, 20 дБ на декаду, как показано на рисунке ниже.
Уровень шума малосигнального транзистора в зависимости от частоты
На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах с уменьшением частоты увеличивается на 10 дБ за декаду. Этот шум известен как шум 1/f.
Уровень шума зависит от типа транзистора (модели). Радиочастотные транзисторы малых сигналов, используемые на антенном входе радиоприемников, специально разработаны для внесения малого уровня шума. Уровень шума зависит от тока смещения и согласования импедансов. Наилучший показатель шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при рассогласовании импедансов.
Основные технические характеристики TL431:
- напряжение анод-катод: 2,5…36 вольт;
- ток анод-катод: 1…100 мА (если нужна стабильная работа, то не стоит допускать ток менее 5мА);
Точность опорного источника напряжения TL431 зависит от 6-той буквы в обозначении:
- без буквы — 2%;
- буква A — 1%;
- буква B — 0,5%.
Видно, что TL431 может работать в широком диапазоне напряжений, но вот токовые способности не так велики всего 100 мА, да и мощность рассеиваемая такими корпусами не превышает сотен мили Ватт. Для получения более серьезных токов интегральный стабилитрон стоит использовать как источник опорного напряжения, регулирующую функцию доверив мощным транзисторам.
Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?
И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.
Отличие полевого транзистора от биполярного
Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.
Полевые побеждают, почему?
Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.
В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.
Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.
В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.
Цветовая и цифровая маркировка
Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.
Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).
Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.
| Тип транзистора | Группы транзисторов | Месяц выпуска | Год выпуска | ||||
| Обозначение | Маркировка | Обозначение | Маркировка | Обозначение | Маркировка | Обозначение | Маркировка |
| ян в. | бежевая | ||||||
| А | розовая | фев. | синяя | 1977 | бежевая | ||
| Б | желтая | март | зеленая | 1978 | еалатовая | ||
| В | синяя | апр. | красная | 1979 | оранжевая | ||
| Г | бежевая | май | еалатовая | 1980 | электрик | ||
| Д | оранжевая | июнь | серая | 1981 | бирюзовая | ||
| КТ3107 | голубая | Е | электрик | июль | коричневая | 1982 | белая |
| Ж | еалатовая | авг. | оранжевая | 1983 | красная | ||
| И | зеленая | сент. | электрик | 1984 | коричневая | ||
| К | красная | окт. | белая | 1985 | зеленая | ||
| Л | серая | ноябр. | желтая | 1986 | голубая | ||
| декаб. | голубая |
Таблица 2. Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .
Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).
Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).
Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).
Таблица 3. Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.
| Код | Тип |
| 4 | КТ814 |
| 5 | КТ815 |
| 6 | КТ816 |
| 7 | КТ817 |
| 8 | КТ683 |
| 9 | КТ9115 |
| 12 | К.У112 |
| 40 | КТ940 |
| Год выпуска | Код | Месяц выпуска | Код |
| 1986 | и | Январь | 1 |
| 1987 | V | Февраль | 2 |
| 1988 | W | Март | 3 |
| 1989 | X | Апрель | 4 |
| 1990 | А | Май | 5 |
| 1991 | В | Июнь | 6 |
| 1992 | С | Июль | 7 |
| 1993 | D | Август | 8 |
| 1994 | Е | Сентябрь | 9 |
| 1995 | F | Октябрь | |
| 1996 | Н | Ноябрь | N |
| 1997 | 1 | Декабрь | D |
| 1998 | К | — | — |
| 1999 | L | — | — |
| 2000 | М | — | — |
Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.
Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.
Практика работы составного транзистора
На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1~b2 и b3~b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13~b24 (см. табл. 1).
- Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать ~2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
- Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом – меньшее падение напряжения ~1,8 В и больше размах без искажений.
- Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.
На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:
Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.
Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ
Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе
Выбор технологии для конкретного приложения
Требования, предъявляемые конкретным приложением к параметрам проектируемого усилителя (тип сигнала, диапазон рабочих частот, уровень выходной мощности и т. д.), во многом определяют выбор транзисторной технологии. На более низких частотах все рассмотренные нами технологии изготовления транзисторов являются вполне приемлемыми кандидатами, и выбор типа транзистора зависит от того, что для проектируемого приложения является наиболее критичным. В S‑диапазоне и выше GaN HEMT-транзисторы на подложке из карбида кремния находятся вне конкуренции и являются, пожалуй, единственными подходящими кандидатами. Однако если задача обеспечения баланса между стоимостью и производительностью сложнее, рекомендуется сначала выяснить, какая из транзисторных технологий традиционно является наиболее подходящей для импульсных или CW-приложений. В таблице приведены преимущества и недостатки трех рассмотренных транзисторных технологий применительно к радиолокации.
|
Параметр |
Технология |
||
|
Кремниевая биполярная |
Кремниевая LDMOS |
GaN/SiC |
|
|
Плотность мощности, Вт/см2 |
высокая |
средняя |
очень высокая |
|
Эффективность (КПД) |
высокая |
низкая |
очень высокая |
|
Усиление |
низкое |
высокое |
очень высокое |
|
Емкость/Вт (для максимальной мощности и полосы пропускания необходимо как можно более низкое значение) |
средняя |
средняя |
низкая |
|
Широкополосное согласование |
сложное |
сложное |
простейшее |
|
Сложность построения схемы смещения |
низкая |
средняя |
высокая |
|
Типовое напряжение смещения, В |
28–60 |
28–50 |
24–50 |
|
Максимальная рабочая частота |
S-диапазон (2–4 ГГц) |
C-диапазон (4–8 ГГц) |
более 10 ГГц |
|
Тепловые характеристики транзисторов в импульсном режиме |
посредственные |
хорошие |
хорошие |
|
Устойчивость к высокому КСВН |
слабая |
высокая |
средняя |
|
Уровень зрелости технологии |
высокая |
высокая |
средняя |
|
Цена (долл./Вт) |
средняя |
низкая |
средняя |
|
Экологические характеристики |
плохие (используется корпус из BeO) |
отличные |
отличные |
Устройство и принцип действия
Рис.2: Планарный биполярный n-p-n транзистор в поперечном разрезе
Самые первые модели биполярных транзисторов выполнялись с применением металлического германия (полупроводниковый материал). На данный момент для этих целей используется монокристаллический кремний и монокристаллический арсенид галлия.
Рис.3: Монокристаллы кремния и арсенида галлия
Наиболее быстродействующими устройствами являются те, в которых задействован арсенид галлия. По этой причине их наиболее часто применяют как элементы сверхбыстродействующих логических схем и схем сверхвысокочастотных усилителей.
Как уже говорилось выше, структура биполярного транзистора складывается из эмиттерного, базового и коллекторного слоёв с различным уровнем легированности, и каждый слой соединён со своим электродом, представленный омическим (невыпрямляющим) контактом.
Слаболегированный базовый слой транзистора отличается большим уровнем омического сопротивления.
При соотнесении контактов эмиттер-база и коллектор-база можно отметить, что первый уступает по размерам второму.
Подобная конструкция обусловлена следующими моментами:
- Большой коллекторно-базовый переход позволяет увеличить количество передаваемых от базы к коллектору неосновных носителей заряда (ННЗ);
- На момент активной работы К-Б-переход функционирует в условиях обратного смещения, что вызывает сильное тепловыделение в зоне коллекторного перехода, поэтому, чтобы улучшить его теплоотводность приходится увеличивать площадь.
Таким образом «идеальный» симметричный биполярный транзистор фигурирует только в теоретических выкладках, а перенос теорию на практическую базу демонстрирует, что наибольшим КПД обладают именно те модели, которые не обладают симметрией.
В режиме активного усиления в транзисторе происходит прямое смещение Э-перехода (он становится открытым), и обратное смещение К-перехода (он становится закрытым). В противоположной ситуации, при закрытии Э-перехода и открытии К-перехода происходит инверсное включение биполярного транзистора.
Если подробнее рассматривать процесс функционирования транзисторов n-p-n типа, то в первую очередь наблюдается переход основных НЗ (носителей заряда) из эмиттерного слоя по Э-Б-переходу в базовый слой. Часть НЗ, представленных электронами взаимодействует с дырками базы, что приводит к нейтрализации обоих зарядов и сопутствующему выделению энергии. Тем не менее, базовый слой достаточно тонок и легирован достаточно слабо, это увеличивает общее время процесса взаимодействия, поэтому гораздо большее количество эмиттерных НЗ успевает проникнуть в коллекторный слой. Кроме того, сказывается действие силы электрического поля, образуемого смещённым коллекторным переходом. Благодаря этой силе значительно увеличивается количество перетягиваемых из базового слоя электронов.
В результате, значение коллекторного тока практически равняется эмиттерному за вычетом потерь в базовом слое, которыми и исчисляется ток самой базы. Для вычисления значения коллекторного тока используется формула:
Iк = αIэ,
где Iк – коллекторный ток, Iэ – эмиттеный ток, α– коэффициент передачи тока эмиттера.
Спектр значений коэффициента α варьируется от 0,9 до 0,99. Большие значения позволяют производить более эффективную трансляцию тока транзистором. Величина α при этом не определяется тем, какое напряжение демонстрируют К-Б и Б-Э переходы. Как результат, в условиях множества вариантов рабочего напряжения сохраняется пропорциональное соотношение между Iк и Iб. Для нахождения коэффициента данной пропорциональности применяется формула:
β = α/(1 − α).
Значения β могут находиться в диапазоне 10-100. Отсюда можно сделать вывод о том, что для регуляции работы большого коллекторного тока, вполне можно обходиться током малой силы на базе.
Пара Шиклаи и каскодная схема
Другое название составного полупроводникового триода – пара Дарлингтона. Кроме неё существует также пара Шиклаи. Это сходная комбинация диады основных элементов, которая отличается тем, что включает в себя разнотипные транзисторы.
Что до каскодной схемы, то это также вариант составного транзистора, в котором один полупроводниковый триод включается по схеме с ОЭ, а другой по схеме с ОБ. Такое устройство аналогично простому транзистору, который включён в схему с ОЭ, но обладающему более хорошими показателями по частоте, высоким входным сопротивлением и большим линейным диапазоном с меньшими искажениями транслируемого сигнала.
Система обозначений транзисторов
Встречаются транзисторы (биполярные), которые имеют старую, введенную до 1964 г. систему обозначений. По старой системе в обозначение транзистора входит буква П и цифровой номер.
По номеру транзистора можно определить, для каких каскадов радиоэлектронной конструкции он разработан. Если перед буквой П стоит буква М, то это значит, что корпус транзистора холодносварочной конструкции. Расшифровка типов транзисторов по номеру следующая:
Низкочастотные (до 5 МГц):
- 1…100 — германиевые малой мощности, до 0,25 Вт;
- 101…201 — кремниевые до 0,25 Вт;
- 201…300 — германиевые большой мощности, более 0,25 Вт;
- 301…400 — кремниевые более 0,25 Вт.
Высокочастотные (свыше 5 МГц):
- 401…500 — германиевые до 0,25 Вт;
- 501…600 — кремниевые до 0,25 Вт;
- 601…700 — германиевые более 0,25 Вт;
- 701…800 — кремниевые более 0,25 Вт.
Например:
- П416 Б — транзистор германиевый, высокочастотный, малой мощности, разновидности Б;
- МП39Б — германиевый транзистор, имеющий холодносварочный корпус, низкочастотный, малой мощности, разновидности Б.
В новой системе обозначений используется буквенно-цифровой шифр, который состоит из 5 элементов:
1-й элемент системы обозначает исходный материал, на основе которого изготовлен транзистор и его содержание не отличается от системы обозначения диодов, то есть Г или 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — арсенид галлия, И или 4 — индий.
2-1 элемент — буква Т (биполярный) или П (полевой).
3-1 элемент — цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по допустимой рассеиваемой мощности и частотным свойствам.
Транзисторы малой мощности, Рmах < 0,3 Вт:
- 1 — маломощный низкочастотный, Гф< 3 МГц;
- 2 — маломощный среднечастотный, 3 < frp< 30 МГц;
- 3 — маломощный высокочастотный, 30 < fгр< 300 МГц.
Транзисторы средней мощности, 0,3 < Рmах <1,5 Вт:
- 4 — средней мощности низкочастотный;
- 5 — средней мощности среднечастотный;
- 6 — средней мощности высокочастотный.
Транзисторы большой мощности, Рmах >1,5 Вт:
- 7 — большой мощности низкочастотный;
- 8 — большой мощности среднечастотный;
- 9 — большой мощности высокочастотный и сверхвысокочастотный (frp > 300 Гц).
4-й элемент — цифры от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки.
5-й элемент — одна из букв от А до Я, обозначающая деление технологического типа приборов на группы.
Например: КТ540Б — кремниевый транзистор средней мощности среднечастотный, номер разработки 40, группа Б.
При изготовлении транзисторов используют различные технологические приемы, в результате чего получаются приборы со специфическими особенностями, эксплуатационными свойствами и параметрами. Цоколевка транзисторов, широко используемых радиолюбителями, дана на рис. 1.
Рис. 1. Цоколевка отечественных транзисторов.
Наиболее важные параметры.
Коэффициент передачи тока от 15 и выше.
Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 60 в, импульсное – 160 в – у КТ805А, КТ805АМ. 135 в – у КТ805Б, КТ805БМ, КТ805ВМ.
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при коллекторном токе 5 А и базовом 0,5А: У транзисторов КТ805А, КТ805АМ – не более 2,5 в. У транзисторов КТ805Б, КТ805БМ – 5 в.
Напряжение насыщения база-эмиттер при коллекторном токе 5 А и базовом 0,5А: У транзисторов КТ805А, КТ805АМ – не более 2,5 в. У транзисторов КТ805Б, КТ805БМ – 5 в.
Максимальный ток коллектора. – 5 А.
Обратный импульсный ток коллектора при сопротивлении база-эмиттер 10Ом и температуре окружающей среды от +25 до +100 по Цельсию, у транзисторов КТ805А, КТ805АМ – – не более 60 мА, при напряжении колектор-эмиттер 160в. У транзисторов КТ805Б, КТ805БМ – – не более 70 мА, при напряжении колектор-эмиттер 135в.
Обратный ток эмиттера при напряжении база-эмиттер 5в не более – 100 мА.
Рассеиваемая мощность коллектора(с теплоотводом). – 30 Вт.
Граничная частота передачи тока – 20 МГц.
Транзисторы КТ805 и качер Бровина.
Качер Бровина – черезвычайно популярное устройство, представляющее из себя фактически, настольный трансформатор Тесла – источник высокого напряжения. Схема самого генератора предельно проста – он очень напоминает обычный блокинг-генератор на одном транзисторе, хотя как утверждают многие, им вовсе не является.
В качере(как в общем-то и в блокинг-генераторе) теоретически, можно использовать любые транзисторы и радиолампы. Однако, практически очень неплохо себя зарекомендовали именно транзисторы КТ805, в частости – КТ805АМ.
В самостоятельной сборке качера самый серьезный момент – намотка вторичной обмотки(L2). Как правило она содержит в себе от 800 до 1200 витков. Намотка производится виток, к витку проводом диаметром 0,1 – 0,25 мм на диэлектрическое основание, например – пластиковую трубку. Соответствено, габариты полученного трансформатора (длина) напрямую зависят от толщины используемого провода. Диаметр каркаса при этом некритичен – может быть от 15мм, но при его увеличении эффективность качера должна возрастать (как и ток потребления).
После намотки витки покрываются лаком(ЦАПОН). К неподключенному концу катушки можно подсоединить иглу – это даст возможность наблюдать «стример» – коронообразное свечение, которое возникнет на ее кончике, во время работы устройства. Можно обойтись и без иглы – стример точно так же будет появляться на конце намоточного провода, без затей отогнутого к верху.
Вторичная обмотка представляет из себя бескаркасный четырехвитковой соленоид намотаный проводом диаметром(не сечением!) от 1,5 до 3 мм. Длина этой катушки может составлять от 7-8 до 25-30 см, а диаметр зависит от расстояния между ее витками и поверхностью катушки L2. Оно должно составлять 1 – 2 см. Направление витков обеих катушек должно совпадать обязательно.
Резисторы R1 и R2 можно взять любого типа с мощностью рассеивания не менее 0,5 Вт. Конденсатор C1 так же любого типа от 0,1 до 0,5 мФ на напряжение от 160 в. При работе от нестабилизированного источника питания необходимо подсоединить параллельно C1 еще один, сглаживающий конденсатор 1000 – 2000 мФ на 50 в. Транзистор обязательно устанавливается на радиатор – чем больше, тем лучше.
Источник питания для качера должен быть рассчитан на работу при токе до 3 А (с запасом), с напряжением от 12 вольт, а желательно – выше. Будет гораздо удобнее, если он будет регулируемым по напряжению. Например, в собранном мной образце качера, при диаметре вторичной катушки 3 см (длина – 22см), а первичной – 6см (длина – 10 см) стример возникал при напряжении питания 11 в, а наиболее красочно проявлялся при 30 в. Причем, обычные эффекты, вроде зажигания светодиодных и газоразрядных ламп на расстоянии, возникали уже с начиная с уровня напряжения – 8 в.
В качестве источника питания был использован обычный ЛАТР + диодный мост + сглаживающий электролитический конденсатор 2000 мФ на 50 в. Больше 30 вольт я не давал, ток при этом не превышал значения в 1 А, что более чем приемлимо для таких транзисторов как КТ805, при наличии приличного радиатора.
При попытке заменить(из чистого интереса) КТ805 на более брутальный КТ8102, обнаружилось что режимы работы устройства значительно поменялись. Заметно упал рабочий ток. Он составил всего – от 100 до 250 мА. Но стример стал загораться только при достижения предела напряжения 24 в, при напряжении 60 в выглядя гораздо менее эффектно, нежели с КТ805 при 30.
Ток или поле, управление транзисторами
Большинству людей, так или иначе имеющими дело с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.
Ток и поле, различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.
