 |
Исследование биполярного транзистора
|
|
|
|
Цель работы: закрепить теоретические знания о транзисторах; провести анализ зависимости коэффициента усиления транзистора по постоянному току от тока коллектора; экспериментально получить входные и выходные характеристики транзистора; определить коэффициент передачи транзистора по переменному току; исследовать способы задания статического режима транзистора; определить статический коэффициент передачи транзистора по экспериментальным данным.
Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.
Методические указания: работа выполняется студентами за 4 часа аудиторных занятий.
Краткие теоретические сведения
 |
Биполярный транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором чередуются три области электронной (n) и дырочной (р) проводимости. Чередование областей определяет тип транзисторов: n-p-n (рис.1,а) и p-n-p (рис.1,б).
Рис. 1 Структурные схемы и обозначения биполярных транзисторов
Для подключения к другим элементам и источнику питания транзистор имеет выводы, которые называются коллектором (К), эмиттером (Э) и базой (Б). Ширина базы в сравнении с шириной эмиттера и коллектора очень мала и составляет единицы микрометров.
Биполярный транзистор может находится в трех основных состояниях:
- в открытом состоянии, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;
- в состоянии насыщения, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении;
- в закрытом состоянии, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.
 |
Если между базой и эмиттером приложено напряжение UБЭ в прямом направлении (рис.2), то потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается и его сопротивление уменьшается.
|
|
|
Рис. 2 Схема транзистора с общей базой
Так как ширина базы меньше диффузионной длины пробега в ней основных носителей, то большинство инжектированных из эмиттера в базу электрических зарядов достигает коллекторного перехода и втягивается в коллектор, создавая ток коллектора Iк.
Только незначительная часть электронов рекомбинирует с основными носителями базы (дырками) и обуславливает ток базы IБ.
Таким образом, ток эмиттера есть сумма токов базы и коллектора:
(1)
Отношение приращения коллекторного тока к приращению эмиттерного тока называется к о э ф ф и ц и е н т о м п е р е д а ч и т о к а э м и т т е р а:
(2)
Схема, изображенная на рис.2, называется с х е м о й с о б щ е й б а- з о й (ОБ). Возможны еще две основные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В каждой из трех основных схем сигнал на общем электроде принимается за нуль, т.е. общий электрод заземлен.
Основными характеристиками транзисторов являются статические выходные характеристики, которые получают экспериментально. Выходная характеристика – это есть зависимость выходного тока транзистора от выходного напряжения. Поскольку для различных схем включения транзистора выходные токи и напряжения различны, то и вид характеристик зависит от вида схемы, по которой включен транзистор. Для схем с общей базой и общим эмиттером семейства выходных статических характеристик показаны на рис.3, а, б соответственно.
Основными параметрами транзисторов в схеме с общей базой являются:
- дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока
Рис. 3 Выходные характеристики биполярного транзистора
(3)
- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
(4)
- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода
|
|
|
(5)
- коэффициент внутренней связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное
(6)
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, основными параметрами являются:
- дифференциальный коэффициент передачи тока базы
(7)
- дифференциальное входное сопротивление транзистора
(8)
- дифференциальное внутреннее сопротивление коллектора
(9)
Параметры a и b связаны между собой следующим соотношением
(10)
Если транзистор используется в схеме усилителя, то используют крутизну характеристики:
; 
(11)
При определении параметров (4-11) с помощью вольтамперных характеристик транзисторов производные заменяют конечными приращениями соответствующих величин.
Статические коэффициенты передачи тока эмиттера (a) и базы (b) определяются в соответствии с выражениями:
(12)
(13)
При выборе рабочей точки в транзисторном каскаде с общим эмиттером с помощью RБ определяют следующие величины:
- ток коллектора в режиме насыщения Iкн определяется сопротивлением в цепи коллектора RК 
и напряжением источника питания ЕК:
; (14)
- ток базы, который переводит транзистор в режим насыщения:
; (15)
- сопротивление RБН, с помощью которого создается ток IБН
RБН» ЕК / IБН ; (16)
- ток коллектора в режиме усиления
; (17)
- ток базы в режиме усиления
; (18)
где UБЭО – пороговое напряжение перехода база-эмиттер;
- ток коллектора в режиме усиления
; (19)
- напряжение коллектор-эмиттер (нагрузочная прямая)
(20)
При выборе рабочей точки транзистора с помощью делителя определяют следующие величины:
- ток коллектора в режиме насыщения
; (21)
- ток базы, который создает режим насыщения
; (22)
- напряжение на базе, которое создает ток IБН
; (23)
- напряжение UБ создается делителем напряжения R1 и R2, который можно рассчитать на основании соотношения
; (24)
- ток коллектора в режиме усиления
; (25)
где UЭ = IЭ RЭ, IЭ – ток эмиттера.
- ток базы в режиме усиления
; (26)
- напряжение на базе транзистора в режиме усиления
(27)
|
|
|
