Вертикальная компоновка транзисторных структур

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Гольман Андрей, 9 класс. Наставник: Мажник Анатолий Павлович
Город: Краснодар
Место учебы: НЧОУ «Лицей ИСТЭК»

Проблема быстродействия, низкого уровня собственных шумов, производительности и в то же время экономической целесообразности -одна из наиболее актуальных в прикладной электронике. В то же время ее развитие в основном направлено на дальнейшую микроминиатюризацию, а физика транзисторных структур практически не изучается, и ее возможности недостаточно используются при разработке новых электронных изделий.

Целью данной работы является анализ и исследование новых схемных решений, связанных с так называемыми «вертикальными» транзисторными каскадами. На рисунке 1 показана схема подобного каскада. Все транзисторы каскада соединены последовательно, а их базы включены в цепь из последовательно включенных сопротивлений R. Такое включение позволяет распределить напряжение, формирующееся на нагрузке между базами всех транзисторов вертикальных каскадов.

Такие каскады могут использоваться для создания усилителя мощности, управляемого не напряжением, как это происходит в подавляющем большинстве существующих усилителей, а изменениями входного тока. Подобный усилитель имеет лучшие параметры по чувствительности, компенсации внутренних шумов, чем стандартный усилитель, схема которого приведена на рисунке 2. Исследуемый усилитель также может рационально объединять различные типы устройств, например, фильтр и усилитель.

Еще одним преимуществом вертикальных транзисторных каскадов является последовательное включение их собственных внутренних емкостей, что приводит к более широкой полосе пропускания по высокой частоте, которая может существенно превышать граничную частоту составляющих вертикальный каскад транзисторов. При этом используя маломощные транзисторы, мы можем управлять нагрузкой значительной мощности.

При последовательном соединении элементов напряжение, приложенное к такому соединению, распределяется между элементами пропорционально их количеству и их параметрам. Важным фактором является изменение параметров цепей при групповом последовательном соединении элементов. В основу конструирования транзисторных каскадов с управлением по току положена возможность автоматической установки режимов транзисторов при их групповом соединении. При этом такое соединение может иметь задающий каскад, определяющий токи всех транзисторов в структуре.

Также нужно сформировать такие связи между элементами, которые позволяют производить обмен токами баз транзисторов. Так, в предложенной схеме в каждой паре комплементарных транзисторов токи будут одинаковыми при равных токах баз и коэффициентах усиления по току всех транзисторов схемы.

Групповое соединение транзисторов за счет совмещения функций позволяет минимизировать количество элементов, а, значит, улучшается и надежность схем, и возможности их микроминиатюризации.

В рамках данной работы были собраны и испытаны схемы (рис. 3) с использованием так называемого удлиненного транзистора. Данные схемы состоят из нескольких вертикальных транзисторных каскадов. Использовавшийся делитель напряжения, состоящий из последовательно включенных сопротивлений, включенный в цепи баз транзисторов, рассчитан по разработанной нами методике.

Теоретически рассчитанная схема подтвердила свою работоспособность на практике. По итогам работы на ряд возможных применений данной схемы подготовлены заявки на получение Патентов РФ на полезные модели.