Биполярный транзистор 2 страница

Для схемы с ОЭ семейство выходных характеристик n-p-n транзистора приведено на рисунке 4.8; здесь параметром является ток базы. Пологий участок характеристик, где U_КЭ > U_БЭ (U_БЭ = 0,5 ÷ 0,6 В при 25°С), соответствует активному режиму. На этом участке ток коллектора согласно выражению (7) и зависимости β (U_КЭ) заметно увеличивается с ростом напряжения U_КЭ вследствие повышения β. Таким образом, дифференциальное выходное сопротивление в активном режиме для схемы с ОЭ значительно ниже, чем для схемы с ОБ. Поскольку β зависит от тока эмиттера, а значит и от тока базы, то характеристики неэквидистантны, т. е. при одинаковом изменении тока базы характеристики располагаются на разных расстояниях друг от друга.

Крутые участки характеристик при малых напряжениях U_КЭ соответствуют режиму насыщения. При повышении напряжения U_КЭ прямое смещение и ток инжекции коллекторного перехода уменьшаются, а коллекторный ток увеличивается. Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения при заданных токах коллектора и базы называют напряжением насыщения U_КЭнас.

Активный режим

I_К I_Б

3 мА

Режим

насыщения 2 мА

1 мА

I_Б = 0

I_Б = –I_КБ0

0 Режим отсечки U_{КЭ0 проб} U_КЭ

Рисунок 4.8 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ

При больших напряжениях U_КЭ наблюдается резкое увеличение тока, обусловленное пробоем. В схеме с ОЭ напряжение пробоя U_{КЭ0проб} значительно ниже, чем в схеме с ОБ. Понижение напряжения лавинного пробоя в схеме с ОЭ объясняют проявлением внутренней положительной обратной связи. Пары носителей заряда, образующиеся в коллекторном переходе при ударной ионизации, разделяются полем этого перехода: электроны переносятся в коллектор, а дырки – в базу. Так как ток базы поддерживается постоянным, то дырки накапливаются в базе и повышают ее потенциал, т. е. прямое напряжение на эмиттерном переходе. Возрастает инжекция электронов в базу из эмиттера. Большая часть электронов проходит через базу в коллекторный переход. Там они в свою очередь вызывают ударную ионизацию, в результате чего увеличивается число дырок, попадающих в базу. Так возникает положительная обратная связь, приводящая к резкому увеличению коллекторного тока. Формула для определения пробивного напряжения коллектор-эмиттер при I_Б = 0 имеет вид

U_{КЭ0проб} = U_{КБ0проб} , (9)

где m – коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен транзистор.

4.1.5 Транзистор как линейный четырехполюсник. Система h -параметров

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник (рисунок 4.9), связь между токами и напряжениями в котором представляется двумя, в общем случае нелинейными функциями. В качестве независимых переменных в них можно выбрать любые две из четырех величин I₁, I₂, U₁, U₂. Для большого класса электронных схем, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих (I₌, U₌) и малых переменных составляющих, которые можно рассматривать как малые приращения (ΔI, ΔU). Переменные составляющие представляют в этих схемах, типичным примером которых являются усилители, основной интерес. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.

I₁ I₂

U₁ Вход Выход U₂

Рисунок 4.9 – Представление транзистора в виде четырехполюсника

Выберем в качестве независимых переменных входной ток I₁ и выходное напряжение U₂, тогда функциональные зависимости имеют вид U₁ = f₁ (I₁, U₂), I₂ = f₂ (I₁, U₂). Для малых приращений токов и напряжений получим

ΔU₁ = ΔI₁ + ΔU₂; ΔI₂ = ΔI₁ + ΔU₂. (10)

Пусть приращения ΔI₁, ΔU ₂ представляют собой малые гармонические колебания с комплексными амплитудами , ; приращения зависимых переменных являются также гармоническими колебаниями с комплексными амплитудами , . Частные производные в (10) в этом случае обозначают символами h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂, а уравнения четырехполюсника записывают в виде

= h₁₁ + h₁₂ ; = h₂₁ + h₂₂ . (11)

Отсюда вытекает смысл h -параметров, являющихся комплексными величинами:

h₁₁ = / при = 0 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока (т. е. при U₂ = U₂₌ const);

h₁₂ = / при = 0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I₁ = I₁₌ = const);

h₂₁ = / при = 0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току (т. е. при U₂ = U₂₌ = const);

h₂₂ = / при = 0 – выходная проводимость при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I₁ = I₁₌ = const).Значения h-параметров зависят от постоянных составляющих входного тока (I₁₌) и выходного напряжения (U₂₌), от частоты, а также от схемы включения, что отмечается третьим индексом Б, Э, К соответственно для схем ОБ, ОЭ, ОК.

На низких частотах, когда емкостные составляющие токов пренебрежимо малы, h -параметры являются действительными величинами и представляют собой дифференциальные параметры, которые легко определить по статическим характеристикам.

Достоинством системы h -параметров является простота их измерения на низких частотах, поэтому в технических условиях (ТУ) и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры приводятся в системе h -параметров. На высоких частотах из-за влияния паразитных емкостей трудно осуществить режим разомкнутого входа для переменных составляющих, что сильно снижает точность измерений.

4.1.6 Определение h -параметров по статическим характеристикам

Рассмотрим пример определения h -параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Для нахождения h_11э, h_12э используются входные характеристики (рисунок 4.10). Пусть I₁₌ = I_Б = 20 мкА, U₂₌ = U_КЭ = 10 В. Через точку А, соответствующую этим значениям, проводим горизонтальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем приращение ΔU_БЭ = 0,04 В, соответствующее изменению ΔU_КЭ = 9 В, следовательно, h_12э = ΔU_БЭ / ΔU_КЭ = 0,04 / 9 = 0,0044. Далее проводим через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке С и получаем приращение ΔI_Б = 12 мкА, соответствующее изменению ΔU_БЭ = 0,04 В. В этом случае h_11э = ΔU_БЭ / ΔI_Б = 3,3 кОм.

Для определения h_21э, h_22э используем выходные характеристики (рисунок 4.11). Проводя через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем ΔI_К1 = 2мА при изменении тока базы от 20 до 40 мкА (ΔI_Б = 20 мкА) и U_КЭ = 10 В, следовательно, h_21э = ΔI_К1 / ΔI_Б = 100. Выберем в окрестности точки А точку С, лежащую на той же характеристике так, чтобы в пределах отрезка АС характеристика была линейной. Получим приращение тока ΔI_К2 = 0,4 мА и соответствующее ему приращение напряжения ΔU_КЭ = 4 В при заданном токе базы 20 мкА, следовательно, h_22э = ΔI_К2 / ΔU_КЭ = 4*10^-4/ 4 = 10^-4 См.

Примечание. Обратите внимание на то, что h_21э – дифференциальный (малосигнальный) параметр, а h_21Э – статический параметр.

I_Б, мкА

1В

10В

С

U_КЭ= 0 ΔI_Б

20 В А

ΔU_БЭ

0 0,2 0,4 0,6 0,8 U_БЭ, В

Рисунок 4.10 – Определение h_11э, h_12э по входным характеристикам

I_К, мА

8 I_Б= 40 мка

6 B

I_Б= 20 мка

4 ΔI_К1

A

2 C ΔI_К2

ΔU_КЭ

10 20 U_КЭ, В

Рисунок 4.11 – Определение h_21э, h_22э по выходным характеристикам

4.2 Цель работы

Научиться определять статические и дифференциальные параметры БТ.

4.3 Задачи

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– провести измерения и построить статические вольтамперные характеристики (ВАХ) БТ, включенного по схеме с общей базой (ОБ) или по схеме с общим эмиттером (ОЭ) (по заданию преподавателя);

– определить и рассчитать статические параметры БТ;

– рассчитать дифференциальные параметры БТ.

4.4 Порядок работы и методы решения задач

4.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические и эксплуатационные параметры исследуемого БТ, выполните эскиз внешнего вида с указанием расположения выводов, запишите маркировку и зарисуйте условное графическое обозначение /5/.

4.4.2. Изобразите включение БТ по схеме с ОБ или с ОЭ в активном режиме /2, раздел 4.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры БТ.

4.4.3 С помощью лабораторного макета проведите измерения семейств статических входных и выходных характеристик БТ /2, раздел 4.3; 3, раздел 4.8/.

Измерение статических характеристик с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра. При измерении статических входных характеристик БТ необходимо задавать различные значения входного тока и измерять соответствующие им значения напряжения на входных электродах БТ. В случае схемы с ОБ изменение входного тока проводится от нуля до максимального показания измерительного прибора «Ток на входе» на самом грубом пределе измерения (9 мА). При включении транзистора с ОЭ входной ток необходимо изменять от нуля до значения, при котором выходной ток (ток коллектора) достигнет значения 20 мА. В процессе измерения входных характеристик напряжение на выходе БТ поддерживайте постоянным. Входную характеристику измерьте при напряжениях на выходе (напряжение коллектора) U_вых = 0; 0,5; 5; 10 В.

При измерении выходных ВАХ БТ (за исключением соответствующих нулевому входному току) необходимо различать режим насыщения и активный режим. В режиме насыщения необходимо, регулируя напряжение на выходе, задавать различные значения выходного тока, начиная с нуля, и фиксировать соответствующие им значения напряжения на выходе. В активном режиме следует задавать различные значения напряжения на выходе (максимальное – 10 В) и фиксировать соответствующие им значения выходного тока. Входной ток в обоих случаях поддерживается постоянным. Помните, что в схеме с ОБ режим насыщения наблюдается при прямом напряжении на выходе, активный – при обратном, поэтому при измерении выходной ВАХ необходимо переключать полярность напряжения на выходе. В схеме с ОЭ режим насыщения соответствует небольшим значениям обратного напряжения на выходе (от нуля до десятых долей вольта), о переходе в активный режим будет свидетельствовать слабая зависимость выходного тока от выходного напряжения. Измерения в режиме насыщения проводите на самом чувствительном пределе прибора «Напряжение коллектора» (1,6 В).

Выходную характеристику БТ измерьте при следующих постоянных значениях входного тока:

- для схемы с ОБ I_э = 0; 0,3; 1,0; 6,0; 9,0 мА;

- для схемы с ОЭ I_б = 0; 0,05; 0,1; 0,15 мА.

4.4.4 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства входных и выходных характеристик БТ, покажите на них области, соответствующие режиму отсечки, режиму насыщения и активному режиму. Оси координат должны быть обозначены в соответствии со схемой включения транзистора, т. е. в качестве входных и выходных величин указаны конкретные напряжения и токи (например, U_кб, I_э и т. д.).

4.4.5 По статическим ВАХ БТ определите (рассчитайте) его статические параметры /3, раздел 4.6; 4/:

а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:

- h_21Б и h_21Э при U_кб = 5 В и I_э = 1 мА; - h_21Э при U_кэ = 5 В и I_э = 1 мА;

- I_кбо при U_кб = 5 В; - I_кэо при U_кэ = 5 В;

- U_{кэ нас} при I_б = 0,1 мА и I_к = 1 мА.

В случае схемы с ОБ при расчете h_21Э используйте соотношение, связывающее h_21Б и h_21Э /3, формула 4.48/.

Используя построенные статические ВАХ БТ, рассчитайте его дифференциальные (малосигнальные) параметры /2, раздел 4.4; 3, раздел 4.10; 4/:

а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:

h_11б; h_12б; h_22б; h_21б h_11э; h_12э; h_22э; h_21э

при I_э = 1 мА; U_кб = 5 В; при I_б = 0,1 мА; U_кэ = 5 В.

При расчете дифференциальных параметров БТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах БТ необходимо выбрать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ БТ оставался линейным.

Отчет о выполненной работе должен содержать информацию об исследуемом транзисторе (пункты 4.4.1, 4.4.2), результаты измерений (в виде таблиц), расчеты, графики ВАХ. обязательно наличие поясняющих записей.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать основные статические и дифференциальные параметры БТ, уметь пояснить ход его статических ВАХ, эффект усиления с его помощью, уметь изобразить условное обозначение БТ, сравнить с другими типами усилительных приборов.

Литература

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М.: Дрофа, 2009. – 703 с.: ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

Дата добавления: 2015-05-06