5. Определение малосигнальных и физических параметров биполярных транзисторов и составление эквивалентных схем замещения.

5.1. Цель работы

Цель работы - достичь глубокого понимания статических характеристик биполярного транзистора и умения извлекать из них информацию, необходимую для определения малосигнальных и физических параметров транзистора.

5.2. Задачи работы

5.2.1. Освоить теоретический материал по малосигнальным и физическим параметрам биполярного транзистора и его эквивалентным электрическим схемам замещения по конспекту лекций и литературе .

5.2.2. Выполнить работы согласно программе.

5.2.3. По результатам проведенных работ оформить отчет и защитить его.

5.3. Программа работ

5.3.1. Ознакомиться с методическими указаниями по выполнению данной работы.

5.3.2. Изучить теоретические вопросы, относящиеся к малосигнальным и физическим параметрам, биполярного транзистора, а также его эквивалентным электрическим схемам замещения.

5.3.3. Подготовит формуляр отчета по лабораторной работе.

5.3.4. По семействам статических характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером определить h-параметры в рабочей точке, выбранной на выходных ВАХ на прямолинейном участке при напряжении близком к 10 В.

5.3.5. В этой же рабочей точке рассчитать y- и z-параметры транзистора.

5.3.6. Определить h -, y - и z - параметры этого же транзистора для схемы с общей базой.

5.3.7. Рассчитать величины дифференциальных параметров Т-образной эквивалентной схемы транзистора.

5.3.8. Пользуясь величинами дифференциальных параметров и справочным данными транзистора, построить Т-образную эквивалентную схему, а также эквивалентные схемы с двумя генераторами напряжения для системы z-параметров, с двумя генераторами тока для системы у-параметров и эквивалентную схему с генераторами тока и напряжения для системы h-параметров. На схемах указать численное значение параметров элементов схем замещения.

5.3.9. Пользуясь величинами дифференциальных параметров и справочными данными исследованного биполярного транзистора, построить гибридную П-образную эквивалентную схему.

5.3.10. Закончить оформление отчета.

5.3.11. Защитить отчет.

Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор представляет собой 3-слойную структуру p-n-pилиn-p-nтипов с двумя электронно-дырочными переходами. Он служит для усиления, генерации и коммутации электрических сигналов. Структурно биполярный транзистор содержит три области с различными типами проводимостиn-p-nилиp-n-p, которые соответственно называютсяэмиттером (Э),базой(Б) иколлектором(К).P-n-переход между эмиттером и базой называютэмиттерным, между коллектором и базой –коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина области базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе.

На условном графическом изображении транзисторовp-n-pиn-p-nтипов (рис.5.1.) стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Существует три основные схемы включения транзистора: схема с общим эмиттером ОЭ, с общей базой ОБ и общим коллектором ОК.

Если к эмиттерному переходу подключить источник ЭДС E_Эв прямом направлении, а к коллекторному источник –E_Кв обратном, то такой режим работы транзистора называетсяактивным. В этом случае сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения тока в рабочем диапазоне в этом переходе достаточно напряжения Е_Эв десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, поэтому напряжение Е_Кобычно составляет единицы или десятки вольт. Напряжения между электродами транзистора связаны зависимостью

. (5.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно U_БЭ<<U_КБи, следовательно,U_КЭ≈U_КБ.

Рассмотрим физические процессы в активном режиме, протекающие в транзисторе p-n-p-типа включенного по схеме с ОБ (рис.5.2).

При увеличении прямого входного напряженияU_БЭпонижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттераI_Э. Дырки, инжектированные из эмиттера в базу, благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход. Так как коллекторный переход находится под обратным напряжением, то его электрическое поле способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход дырок, пришедших в базу из эмиттера, т.е. втягивает дырки в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектораI_К.

Так как толщина базы достаточно мала и концентрация электронов в ней невелика, то лишь небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с электронами, образуя ток базы I_Б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа:

. (5.2)

При изменении входного напряжения в такой схеме на ∆U_ВХ= ∆I_Э∙r_ЭБток эмиттера изменится на величину ∆I_Э, вызывая изменения коллекторного тока на ∆I_Ки выходного напряжения на ∆U_ВЫХ= ∆I_К∙R_Н. Так что коэффициент усиления по напряжению:

. (5.3)

Поскольку коэффициент усиления по току , аR_Н>>r_ЭБ, то Кu>>1. Если учесть, чтоI_К≈I_Э, то коэффициент усиления по мощности для схемы с ОБ, т.е. схема ОБ обеспечивает усиление по напряжению, мощности и не усиливает по току (α<1).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) усиливает сигнал по напряжению, току и мощности.

Коэффициент передачи по току этой схемы .

В схеме с общим коллектором (ОК) коэффициент передачи по току ,U_ВЫХ<U_ВХ, аK_U<1, имеем усиление по току, что позволяет использовать такую схему для согласования с низкоомной нагрузкой (Zвых<<Zвх).

Следует отметить зависимость коэффициентов α, β и γ от тока I_Э (I_К). При малых значениях токаI_Эсказывается рекомбинация дырок в базе, приводящая к уменьшениюI_Ки коэффициентов α, β и γ. При значительном токеI_Эбаза насыщается носителями зарядов, выходной ток не увеличивается, поэтому α, β и γ уменьшаются. Таким образом, α, β и γ имеют экстремальный характер зависимости отI_Э (I_К).

На режим работы биполярного транзистора влияет обратный (тепловой) ток I_КБ0коллекторного перехода, экспоненциально увеличивающийся с увеличением температуры и не зависящий отU_К(см. рис.5.2). Наибольшее влияние теплового тока сказывается в схеме с ОЭ, для которой с учетом токаI_КБ0ток.

Для схемы с ОБ с учетом тока I_КБ0токI_К= αI_Э+I_КБ0.

Рис. 5.3. Схема замещения транзистора активным линейным четырехполюсником.

Для малых сигналов свойства транзистора определяются четырьмя параметрами, вывод которых основан на замене транзистора активным линейным четырехполюсником (рис.5.3).

В зависимости от схемы включения транзистора величинам U1,I1,U2,I2 будут соответствовать конкретные значения токов и напряжений. Так для схемы включения с ОЭ:U1 =U_БЭ;U2 =U_ЭК;I1 =I_Э;I2 =I_К.

В системе h-параметров в качестве независимых переменных принимают входной токI1 и выходное напряжениеU2, а токI2 и напряжениеU1 выражают через независимые:U1 =f1(I1,U2);I2 =f2(I1,U2). Для схемы с ОЭ будем иметь:

(5.4)

Коэффициенты hнаходятся по входным и выходным характеристикам транзистора:

приU_КЭ=const(∆U_КЭ= 0) - входное сопротивление при неизменном выходном напряжении;

приI_Б=const(∆I_Б= 0) – коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе;

приU_КЭ=const(∆U_КЭ= 0) – коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении;

приI_Б=const(∆I_Б= 0) – выходная проводимость при неизменном входном токе.

Все h–параметры находятся из режимов х.х. на входе и к.з. – на выходе по переменной составляющей.

Для схемы с ОЭ h–параметры находятся из характеристических треугольников, построенных на статических характеристикахI_Б=f(U_БЭ) приU_КЭ=constиI_К=f(U_КЭ) приI_Б=const(рис.5.4).

Из семейства входных характеристик находим (Рис.5.4а):

(5.5)

Из семейства выходных характеристик находим (рис.5.4б)

(5.6)

Все выше рассмотренные характеристики и параметры транзисторов относились к статическому режиму.

В рабочем режиме в цепь коллектора подключается нагрузка, поэтому ток в выходной цепи определяется как изменением входных тока и напряжения, так и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ. В связи с этимU_КЭ=E_К–I_К*R_Н. Это уравнение называетсявыходнойнагрузочной характеристикой, которую строят по двум точкам А и В (рис.5.5б) в координатах (I_К,U_КЭ) при заданныхR_КиE_К. Из режима х.х.:I_К= 0. ТогдаU_КЭ= Е_К(точка А). Из режима к.з.:U_КЭ= 0,(точка В). Полученная таким образом нагрузочная характеристика АВ (рис.5.5б) отражает зависимость токаI_Кколлектора от изменяющихся тока базыI_Б, и находящегося с ним в зависимости напряжения на коллектореU_КЭпри условияхE_К=constиR_Н=const. Точки пересечения линии АВ со статическими выходными характеристиками определяют значения тока коллектораI_Кпри заданном токеI_Ббазы. Так приI_Б=I_Б2токI_К=I_К2, аI_К2*R_К=E_К–U_К2.

ББ

Входная нагрузочная характеристика транзистора связывает входное напряжение U_БЭс входным токомI_Бпри неизменных Е_КиR_Н(рис.5.5). Для ее построения необходимо произвести ряд действий:

- построить нагрузочную характеристику;

- по точкам пересечения линии нагрузки АВ со статическими характеристиками определить I_БиU_КЭ;

- перенести их на семейство статических входных характеристик;

- полученные точки соединяют плавной кривой.

При напряжениях U_КЭ>0,5В динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

На динамической выходной характеристике задается точка покоя Р (рис.5.5,б) транзистора. При отсутствии входного сигнала ее координаты (I_К0,U_К0) определяются параметрами коллекторной цепи, зависящими от сопротивления нагрузки, а так же цепями смещения устанавливаемыми во входную цепь (на рисунках не показаны). Для смещения точки покоя Р изменяют токI_Б0и напряжениеU_БЭ0смещения во входной цепи.

Работа транзистора может происходить в четырех режимах (Рис.5.5,б), каждый из которых определяется полярностью напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах:

1) активный режим (1-Б), используемый для усиления и генерации сигналов; его получают когда эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлениях;

2) инверсный режим (на рисунке не показан, т.к. находится в третьем квадранте выходных характеристик), противоположный активному, при этом эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом;

3) режим отсечки (А-1) – транзистор заперт; этот режим, используемый для коммутации электрических цепей, получают когда оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, а в цепи коллектора протекает тепловой (обратный) токI₀;

4) режим насыщения (точка Б) - оба перехода смещены в прямом направлении, через транзистор протекает ток насыщения, ограничиваемый только сопротивлением R_К, а падение напряжения на транзисторе минимальное.

Последние два режима используются для работы транзистора в импульсном переключающем режиме.

Если транзистор представить в виде четырехполюсника (рис.5.6), то для схемы с ОЭ можно записать:

(5.7)

где: ;

Полученные уравнения позволяют определить коэффициенты усиления по току K_i, напряжениюK_uи входное сопротивлениеR_ВХ:

(5.8)

где .

4.6.4. Методические рекомендации

4.6.4.1. При изучении теоретического материала обратить внимание на способы определения малосигнальных параметров по графикам статических характеристик, на взаимосвязь малосигнальных параметров в различных схемах включения транзистора и различных систем малосигнальных параметров.

4.6.4.2. При определении малосигнальных параметров необходимо помнить, что режим работы транзистора определяется четырьмя величинами: входными и выходными токами и напряжениями. Причем значения этих токов и напряжений должны быть одинаковыми на всех семействах характеристик. Рабочую точку в данной работе надо выбирать на прямолинейном горизонтальном участке выходных характеристик в области выходного напряжения около 10 В.

4.6.4.3. При определении параметров h21 и h22 обратить внимание на то, что приращение тока DIк коллектора для каждого из этих параметров различно, поскольку в первом случае причиной его изменения является изменение тока базы, а во втором случае - изменение напряжения Uкэ на коллекторе.

4.6.4.4. Для построения схем замещения транзистора величины емкостей переходов можно взять из справочной литературы или рассчитать по приводимой в ней величине постоянной времени коллекторной цепи.

4.6.4.5. Величины индуктивностей выводов и межэлектродных емкостей можно не учитывать.

4.6.4.6. При оформлении отчета по данной работе руководствоваться требованиями ГОСТ 7.32-81 "Отчет о научно-исследовательской работе" и системой ЕСКД.

4.6.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать :

·цель и программу работ,

·семейства статических характеристик,

·описание методики определения и расчет малосигнальных параметров,

·расчет дифференциальных параметров эквивалентных схем замещения транзистора,

·эквивалентные схемы замещения транзистора с указанием численных значений параметров их элементов,

·выводы по работе,

·список литературы, использованной при подготовке и выполнении работы.

4.6.6. Вопросы для самоконтроля

1. Объяснить принцип работы транзистора.

2. Пояснить особенности схем включения транзисторов.

3. Как зависят основные коэффициенты передачи и усиления транзистора от токов Iэ(Iк)? Почему?

4. Объяснить характер статических характеристик и для каких целей их используют?

5. Что такое коэффициенты α и β, какова взаимосвязь между ними?

6. Что такое обратный ток коллектора?

7. Чем отличается динамический режим работы транзистора от статического?

8. Что такое точка покоя и как она задается?

9. Пояснить особенности режимов работы транзистора?

10. Как определяются основные параметры транзистора в динамическом режиме по известным статическим параметрам?

11. Рассказать, где и для чего используются транзисторы?

12. Какие системы малосигнальных параметров Вы знаете?

13. Как определить h-параметры по семействам статических ВАХ?

14. Что такое системы Н -, Y - и Z - параметров и чем они отличаются от систем h -, у - и z - парметров?

15. Как пересчитать параметры одной системы в другую?

16. Как пересчитать h-параметры для схемы с общей базой на h-параметры для схемы с общим эмиттером?

17. как выбрать положение рабочей точки на семействах статических ВАХ?

18. Какие Т-образные схемы замещения Вы знаете?

19. Что такое П-образная схема замещения?

20. Какие схемы замещения транзистора для постоянных составляющих сигнала Вам известны?

21. Какие схемы замещения транзистора для переменных составляющих сигнала Вам известны?

22. Какие схемы замещения транзистора как четырехполюсника Вы знаете?

ЛИТЕРАТУРА

1. Жеребцов И.П. Основы электроники.- Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 352с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1982.

3. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат.

4. Изъюрова Г.И. и др. Расчет электронных схем. Примеры и задачи.- М.: Высш.шк., 1987.-335с. С.65-68.

5. Электронные приборы: Учеб. для вузов/ В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- С.172-173.

6. 1Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. - М.: Энергия, 1972.-С.86-97, с.115-125.

7. Электронные приборы /В.Н.Дулин и др.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- С.161-185.

8. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1973.- С.171-185, с.200-214.