фоэ,1ч

В выходной (коллекторной) цепи транзистора протекает ток, почти равный входному (эмиттерному).

3.2.Усилительные свойства транзистора

Слово ˝транзистор˝ образовано из двух сокращений английских слов и буквально означает «преобразователь сопротивления». Транзистор, структура которого изображена на рисунке 3.3, имеет малое входное сопротивление

– сопротивление эмиттерного p-n перехода в прямом включении, составляющее десятки Ом, и очень большое выходное сопротивление – сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода, имеющее значение десят- ки-сотни килоом. К смещенному в обратном направлении коллекторному переходу подводится также гораздо большее напряжение Uкб, чем напряжение

во входной цепи Uэб, прикладываемое к эмиттерному переходу в прямом включении, имеющее обычно значение не более одного вольта. Благодаря преобразованию малого входного сопротивления в большое выходное транзистор обладает свойством усиливать входные сигналы. Покажем это на численном примере. На рисунке 3.4 изображена прямая ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n перехода. Поскольку эмиттерный переход транзистора работает на прямой ветви, для изменения эмиттерного тока, например

на 5 мА, нужно изменить входное напряжение Uэб незначительно, например, на 0,1 В, как видно из рис. 3.4. В транзисторе изменения эмиттерного тока практически полностью передаются в коллекторную цепь

∆ Iк ≈ ∆ Iэ ≈ 5 мА

Iпр, мА

5 мА

Uпр, В

0,5 1

0,1 В

Рис. 3.4

Установив в цепи протекания коллекторного тока резистор нагрузки Rк, сопротивление которого значительно меньше выходного сопротивления транзистора – сопротивления обратно смещенного p-n перехода коллектор-

20

база, например 1кОм (показан пунктиром на рис.3.3), получим падение напряжения на резисторе Rк

Uк = Iк Rк =5 мА 1 кОм =5 В.

Таким образом, при изменении напряжения на входе (в эммитерной цепи) всего на 0,1 В, получается изменение напряжения на выходе (в коллекторной цепи) на 5 В.

Коэффициент усиления напряжения для данного примера равен

	KU =	Uвых =	U к	=	5		= 50.
					0,1
		Uвх	Uб

Работа p-n-p транзистора отличается от n-p-n только противоположной

полярностью источников Uэби Uкб,, а физические процессы в них аналогичны.

3.3. Схемы включения транзисторов

При включении в схему транзистора, имеющего три вывода, один из них оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме обычно измеряются относительно этого общего вывода, как показано на рис. 3.5.

IЭ					IК			IЭ
	IК		IБ			+	IБ		-
		+				Uкэ		Uэк
-			+
Uэб		Uкб					-
	IБ		Uбэ	I				I
+		-			Э	-	Uбк		К+
			-				+
	а)			б)				в)

Рис. 3.5

Различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Эти схемы показаны соответственно на рис. 3.5 а, б, в. Транзистор, изображенный на рис. 3.3, включен по схеме ОБ, соответствующей рис. 3.5а.

21

В данном методическом руководстве подробно рассматривается только наиболее распространенная схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

Коэффициент усиления по току для схемы ОЭ на рис. 3.5 б обозначается β и равен

β =	I К	=	αIЭ	=	α	,	(3.2)
					1−α
	IБ		(1-α)IЭ

где α - коэффициент передачи тока для схемы ОБ (3.1).

Связь выходного (коллекторного) тока с входным (базовым) током в схеме ОЭ можно получить следующим образом

IК = IК0 +αI Э = IК0 +α(IК + IБ ),

где IК0 – это ток обратно смещенного коллекторного перехода при отсутствии инжекции из эмиттера, т.е. при IЭ = 0 .

IК (1−α)= IК0 +αIБ ,

	IК	=		IК0	+		α	IБ = (1+ β)IК0 + βIБ .	(3.3)
			1-α			1−α

3.4. Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

Зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении называется входной характеристикой транзистора. Для схемы ОЭ это зависимость IБ = f (UБЭ ), при U КЭ = const , (рис. 3.6а).

а) б)

Рис. 3.6

22

называется выходной

Поскольку напряжение UБЭ приложено к эмиттерному переходу в пря-

мом направлении, то входная характеристика при UК =0 имеет вид прямой ветви p-n перехода с той разницей, что по оси токов откладывают не ток эмиттера, а его часть (1−α)I Э , т.е. ток базы.

При подаче на коллекторный переход (КП) обратного напряжения входная характеристика сдвигается вниз, как показано на рис. 3.6а. Сдвиг ха-

рактеристики означает, что при одном и том же напряжении UБЭ ток базы

существенно уменьшается. Это происходит вследствие того, что при подаче обратного напряжения на КП ширина запирающего слоя увеличивается, а ширина базовой области уменьшается (рис. 3.3). В результате уменьшается и число рекомбинировавших носителей, что уменьшает ток базы. Дальнейшее

увеличение обратного напряжения UК слабо влияет на ток базы, и входные характеристики при различных обратных напряжениях UК почти сливаются.

Зависимость I К = f (U К ) при I Б = const

характеристикой транзистора. Несколько таких характеристик, снятых при разных базовых токах, составляют семейство выходных характеристик, (рис. 3.6б).

Из соотношения (3.3) следует:

1) если IБ = −IК0 , то I К = I К0 . Нижняя характеристика соответствует

режиму отсечки транзистора: когда оба перехода транзистора смещены в обратном направлении;

2) если IБ =0, то I К = (1+ β)I К0 ;

3)чем больше ток базы, тем выше идет соответствующая выходная характеристика, т.е. тем больше ток коллектора в соответствии с выражением

(3.3);

4)характеристики имеют небольшой наклон к оси напряжений UК .

Это говорит о том, что коллекторный ток зависит в основном не от коллекторного напряжения, а от степени отпирания эмиттерного перехода, т.е. от величины входного тока базы. Это следует из принципа работы транзистора; 5) особенностью схемы включения ОЭ является то, что напряжение

UБЭ подключено к обоим переходам в прямом направлении. Поэтому напряжение на коллекторном переходе равно

U КБ обр =U КЭ −U БЭ .

Пока напряжение на коллекторе UКЭ меньше базового UБЭ , коллек-

торный переход включен в прямом направлении. Транзистор находится в режиме насыщения, когда оба его перехода оказываются смещенными в пря-

мом направлении. Когда напряжение на коллекторе UКЭ станет больше базо-

23

вого UБЭ (доли вольта), напряжение на коллекторном переходе меняется с прямого на обратное и транзистор входит в активный режим.

3.5. Малосигнальные параметры транзистора

Как было показано, токи и напряжения в транзисторе в общем случае связаны нелинейными функциональными зависимостями. В усилительных каскадах транзистор работает обычно с сигналами, которые в области рабочей точки вызывают малые изменения токов и напряжений. В пределах малых приращений транзистор можно считать линейным прибором. Для оценки свойств транзистора в режиме усиления малых сигналов используются различные малосигнальные параметры. В данном руководстве приводится наиболее распространенная система h –параметров, когда за независимые переменные принимаются входной ток и выходное напряжение. Тогда входные и выходные параметры транзистора связаны следующими уравнениями:

U1 = h11ΔI1 + h12ΔU2

I2 = h21 I1 + h22 U2

В этих уравнениях индекс 1 присвоен входным сигналам, а индекс 2 – выходным. Из уравнений можно определить h-параметры и их физический

смысл:
h11 = U1 /		I1 при U2 = const – входное сопротивление транзистора,
h12 = U1 /		U2 при I1 = const – коэффициент внутренней обратной связи по
напряжению,
h21 =	I2 /	I 1 при U2= const – коэффициент усиления по току,
h22 =	I2 /	U2 при I1 = const – выходная проводимость.

Для схемы ОЭ: U1 = UБЭ, U2 = UКЭ, I1 = IБ, I2 = IК , а h параметры обозначаются с индексом «э». Например h11Э, h12Э и т.д.

3.6. Основные и предельно допустимые электрические параметры транзистора

Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким параметрам. Наиболее важными из них являются:

h21Э (β)– коэффициент усиления (или передачи) тока. Статический коэффициент усиления по току h21Э характеризует усилительные свойства транзистора: чем больше значение h21Э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор;

24

Iко – обратный ток коллектора. Обратный ток коллектора Iко – это неуправляемый тепловой ток, проходящий через коллекторный переход. Он характеризует качество транзистора: чем он меньше, тем выше качество транзистора;

fгр – граничная частота. Граничная частота fгр позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления тех или иных частот, т.к. с повышением частоты, на которой работает транзистор, коэффициент усиления h21Э уменьшается и на частоте fгр становится равным

h21Эмакс2 ≈ 0,707h21Эмакс. По величине fгр транзисторы делятся на низкочас-

тотные и высокочастотные.

Для характеристики предельного режима работы транзистора существуют предельно допустимые параметры:

Uк.доп – максимально допустимое обратное напряжение на коллекторе ограничивается возможностью пробоя коллекторного перехода;

Iк.доп – максимально допустимый ток коллектора, который ограничивается опасностью перегорания омического контакта между областью коллектора и его выводом и др.

3.7 Порядок выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы используются базовый блок, лабораторный макет, 15 проводников, n-р-n транзистор КТ503В или КТ315В. Расположение выводов указанных транзисторов показано на рис. 3.7.

КТ503В

КТ315В

К Б Э

Э К Б

Рис. 3.7

Паспортные данные транзисторов:

Основные электрические параметры

КТ503В

КТ315В

Статический коэффициент усиления по току h21Э

40 – 120

20 – 90

Обратный ток коллектора не более, мкА

1

1

Предельно допустимое напряжение коллектор-база, В 60

40

Предельно допустимый ток коллектора, мА

150

100

Граничная частота, мГц

5

150

25

3.7.1. Снятие статической входной характеристики транзистора

а) соберите схему (рис. 3.8) на лабораторном макете, к гнездам 1 и 2 подключите источник тока ИТ, к гнездам 3 и 4 подключите миллиамперметр мА 1, к гнездам 5 и 6 подключите вольтметр В1, к гнездам 14 и 15 подключите миллиамперметр мА 2, к гнездам 16 и17 подключите вольтметр В 2, к гнездам 18 (+) и 19 (-) подключите источник напряжения ИН2, соедините гнезда 11 и 13, 7 и 8, 12 (Э) и 10;

Рис. 3.8

б) на базовом блоке на приборе 1 нажмите клавиши «U=», «2 В», и мА1 «2»; на приборе 2 «U=», «20 В», и мА2 «20». Выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источников тока ИТ и напряжения ИН2 влево до конца;

в) подайте напряжение на коллектор ручкой «Грубо» источника ИН 2 5-6 вольт (вольтметр В 2);

г) вращая ручки источника тока «Грубо» и «Точно» плавно вправо снимите показания вольтметра 1 и миллиамперметра 1, не превышая значения тока базы 0,25 мА. Результаты занесите в таблицу 3.1.

								Таблица 3.1
Измеряемые				Показания приборов
параметры
Uбэ, В
Iб, мА									0,25

3.7.2. Снятие семейства выходных статических характеристик транзистора

а) выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источников тока ИТ и напряжения ИН2 влево до конца. Первую выходную характеристику снимите при токе базы, равном нулю. Поскольку в этом случае ток коллектора очень мал, миллиамперметр мА2 переключите на предел «2»;

26

б) вращая ручки источника напряжения 2 «Грубо» и «Точно» плавно вправо, снимите показания вольтметра 2 и миллиамперметра 2. Напряжение на коллектор подавать не более 20 вольт! Результаты занесите в таблицу 4.2; в) переключите миллиамперметр мА2 на предел «20». Выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источника напряжения ИН2 влево до конца. Ручками регулировки «Грубо» и «Точно» источника тока ИТ установите базовый ток 0,04 мА. Вращая ручки источника напряжения 2 «Грубо» и «Точно» плавно вправо снимите показания вольтметра 2 и миллиамперметра 2. Напряжение на коллектор подавать не более 20 вольт! Результаты занесите в

таблицу 3.2; г) установите базовый ток 0,08 мА и повторите п в). Снимите анало-

гичные характеристики для токов базы 0,12 мА, 0,16 мА и 0,2 мА.

							Таблица 3.2
Постоянный	Измеряемые			Показания приборов
параметр	параметры
Iб = 0 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА
Iб = 0,04 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА
Iб = 0,08 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА
Iб = 0,12 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА
Iб = 0,16 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА
Iб = 0,2 мА	Uкэ, В	0							20
	Iк, мА

3.8. Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных устройств “Electronics Workbench”.

3.8.1.Соберите схему для изучения семейства входных характеристик биполярного транзистора, приведенную на рис. 2.1. Тип транзистора указывает преподаватель.

3.8.2.Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного напряжения (DC), выходное напряжение генератора EC – напряжение кол-

лектор-эмиттер транзистора Uкэ = 0 В. Изменяя выходной ток генератора то-

ка IB – ток базы транзистора Iб от 0.06 мА до 1 мА, согласно верхней строке таблицы 3.3, запишите во вторую строку таблицы величины напряжения ба-

27

за-эмиттер Uбэ транзистора для указанных значений тока базы Iб при

Uкэ=0 В.

Рис. 3.9

3.8.3. Установите напряжение Uкэ = 10 В. Действуя аналогично п. 3.8.2, запишите в третью строку таблицы величины напряжения база-эмиттер Uбэ для указанных значений тока базы при напряжении Uкэ = 10 В.

							Таблица 3.3
Uкэ , В	Iб , мА	0.06	0.1	0.3	0.5	0.75		1
0	Uбэ , В
10	Uбэ , В

3.8.4. Соберите схему для изучения семейства выходных характеристик транзистора, приведенную на рис. 3.10.

Рис. 3.10

3.8.5. Установите режим работы амперметра на измерение постоянного тока (DC), выходной ток генератора IB – ток базы транзистора Iб =0,02 мА. Изменяя выходное напряжение генератора EC – напряжение коллекторэмиттер транзистора Uкэ от 0 до 15 В согласно верхней строке таблицы 3.4, запишите во вторую строку таблицы результаты измерений тока коллектора Iк при токе базы Iб = 0,02 мА.

3.8.6. Действуя аналогично, повторите измерения п. 3.8.5 для других значений тока базы Iб, указанных в первом столбце таблицы 3.4.

28

Таблица 3.4

Iб , мА	Uкэ , В	0	0,2	0,5	1	2	5	10	15
0.02	Iк , мА
0.05	Iк , мА
0.10	Iк , мА
0.15	Iк , мА

3.9 Содержание отчета

В отчете приведите паспортные данные транзистора, таблицы результатов измерений, постройте входную и семейство выходных характеристик транзистора, рассчитайте по характеристикам h-параметры транзистора (h11, h21, h22), выводы. В выводах объясните ход характеристик транзистора, приведите сравнение полученных параметров с паспортными данными.

Контрольные вопросы

1.Как устроен биполярный транзистор?

2.Объясните принцип работы транзистора структуры n-p-n.

3.Изобразите и объясните ход входных характеристик биполярного транзистора в схеме ОЭ.

4.Изобразите и объясните ход выходных характеристик биполярного транзистора в схеме ОЭ.

5.Какие схемы включения транзистора существуют?

6.Поясните физический смысл малосигнальных h–параметров тран-

зистора.

7.Приведите основные параметры транзисторов, имеющиеся в справочниках, поясните их физический смысл.

8.Как происходит управление током в биполярном транзисторе?

29