Вольт-амперные характеристики схемы с ОЭ

СОДЕРЖАНИЕ:

Парамет­ры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером , страница 5

Рис. 4. Выборрабочего режима транзистора.

Семейство выходных ВАХ используетсядня выбора рабочего режи­ма транзистора,когда в цепи коллекторавключается сопротивление на­грузки (рис.4). — уравнение нагрузочной характеристики. Это уравнение прямой линии,которую можно построитьпо двум точкам:

при , а при . При заданном токе ’ точка

пересечения А линии нагрузки с соответствующей характеристикой есть рабочая точка, определяющая значения ’ и ’ для выбранного ре­жима транзистора, а также падение напряжения на нагрузке ’.

Температурный дрейф характеристик в схеме с ОЭ можно оценить следующим образом. Уравнение выходной ВАХ: при =const. Изменение тока коллектора: .

Относительное изменение тока коллектора:

Как следует из выражения (11), температурный дрейф выходных ха­рактеристик в схеме с ОЭ в раз больше,чем в схеме с ОБ. Таким об­разом выходные ВАХ в схеме с ОЭ отличаются сильной зависимостью от температуры. Это серьезный недостатоксхемы с ОЭ. Здесь необходимо применятьспециальные меры для температурной стабилизации рабочей точки в отличии от схемы с ОБ.

Входнойток в схеме с ОЭ — это ток базы, который состоит из двух составляющих:прямой и обратной . Увеличение температу­ры вызываетрост как прямого, так и обратного токов базы, поэтому входныехарактеристики в схеме с ОЭ пересекаются. Они имеют значи­тельно меньший температурный дрейф, чем выходные характеристики. Всвязи с этим для температурнойстабилизации рабочей точки транзисторарекомендуется работатьпри постоянном напряжении . Зависимость ВАХ транзисторав схеме с ОЭ от температурыпоказана нарис.5.

При включении транзисторано схеме с ОЭ уравнения четырехпо­люсникаможнозаписать следующим образом:

Рис. 5. Зависимость ВАХ транзистора в схеме с ОЭ от темпе­ратуры.

где и – малые амплитуды переменных составляющих токов и напряжений транзистора

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 266
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 602
  • БГУ 153
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 962
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 119
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1967
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 300
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 409
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 497
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 130
  • ИжГТУ 143
  • КемГППК 171
  • КемГУ 507
  • КГМТУ 269
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2909
  • КрасГАУ 370
  • КрасГМУ 630
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 139
  • КубГУ 107
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 367
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 330
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 636
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 454
  • НИУ МЭИ 641
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 212
  • НУК им. Макарова 542
  • НВ 777
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1992
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 301
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 119
  • РАНХиГС 186
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 243
  • РГГМУ 118
  • РГПУ им. Герцена 124
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 122
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 130
  • СПбГАСУ 318
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 147
  • СПбГПУ 1598
  • СПбГТИ (ТУ) 292
  • СПбГТУРП 235
  • СПбГУ 582
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 193
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 380
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1655
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1513
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2423
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 324
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 306

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Вольт-амперные характеристики схемы с ОЭ

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
  2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК,IБ,UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуре, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β = α/(1–α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Транзистор как активный нелинейный четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Вольт-амперные характеристики схемы с ОЭ

Структура транзистора n-p-n типа и схема включения его в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером (ОЭ). При работе транзистора в активном режиме (режиме усиления) к эмиттерному p-n-переходу должно быть подключено прямое напряжение, а к коллекторному — обратное.

Рис. 25 (биполярный транзистор и схема его включения с ОЭ)

Схема с ОЭ является наиболее распространенной, поскольку обладает наилучшими свойствами усиления мощности электрического сигнала. При включении транзистора по схеме с ОЭ входной является цепь базы, а выходной — цепь коллектора (эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей).

Входной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока базы IБ от напряжения база-эмиттер UБЭ, а выходной — зависимость тока коллектора IК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ.

Семейство входных характеристик IБ (UБЭ) при UКЭ =const изображено на рис. 26, а. При UКЭ=0 входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу ( и внутреннее сопротивление этой ЭДС равно нулю). При UКЭ>0 входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а» на рис. 26, а. б.

Рис. 26 (семейства ВАХ транзистора в схеме с ОЭ: а — входных; б — выходных)

При уменьшении UБЭ до нуля (выводы базы и эмиттера соединены между собой), ток базы является обратным током КП и направлен противоположно указанному на рис. 26 (участок «о-б» на рис. 26, а). Однако этот отрицательный ток базы незначителен, и практически его бывает трудно зафиксировать.

Семейство выходных характеристик Iк (UКЭ) при IБ = const изображено на рис. 26, б. При IБ =0 выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в (в+1) раз (где в — коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину в1Б.

Характеристикой передачи тока транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока коллектора Iк от тока базы IБ при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер UКЭ. Семейство характеристик передачи тока транзистора в схеме с ОЭ изображено на рис. 27.

Рис. 27 (семейство передаточных характеристик транзистора в схеме с ОЭ)

Передаточные характеристики тока показывают, что при изменении небольшого по абсолютной величине (микроамперы) тока базы практически пропорционально изменяется значительный ток коллектора (миллиамперы), то есть в транзисторе происходит процесс усиления электрического сигнала. Некоторая нелинейность характеристик передачи тока транзистора в схеме с ОЭ приводит к нелинейным искажениям усиленного сигнала. Следует отметить, что передаточные характеристики могут быть построены без специальных измерений. Для этого можно определить соответствующие параметры по семействам входных и выходных характеристик.

Коэффициент передачи тока на выходе для переменного тока определяется по формуле.

Коэффициент обратной связи по напряжению на входе для переменного тока определяется по формуле.

Соответствующие приращения токов и напряжений определяются по характеристикам транзистора при заданном режиме его работы.

Далее представляется схема включения транзистора собранная при помощи программы EWB (рис. 28).

Амперметр А1 измеряет ток базы IБ, вольтметр V1 — напряжение база-эмиттер UБЭ, вольтметр V2 — напряжение UКЭ, а амперметр A2 — ток коллектора Iк транзистора.

Рис. 28 (схема биполярного транзистора, построенная в программе EWB)

В течение месяца подготовки к дипломной работе, я осваивал программу Protel 2.04. Она позволила нам спроектировать биполярный транзистор NPN — типа и вывести его семейство ВАХ.

Рис. 29 (модулирование биполярного транзистора NPN — типа в программе Protel 2.04)

Рис. 30 (полученное семейство ВАХ биполярного транзистора при помощи программы OrCAD)

Рис. 31 (модулирование биполярного транзистора PNP — типа в программе Protel 2.04, маломощной модели транзистора КТ361)

Рис. 32 (полученная ВАХ биполярного транзистора малой мощности КТ361 при помощи программы OrCAD)

Исследование биполярного транзистора

Лабораторная работа выполняется с помощью учебного лабораторного стенда LESO3.

1 Цель работы

С помощью учебного лабораторного стенда LESO3 ознакомиться с принципом действия биполярного транзистора (БТ). Изучить его вольтамперные характеристики в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ). Изучить особенности работы простейшего усилителя на биполярном транзисторе.

2. Задание к работе

2.1 Исследование входных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой

2.1.1 Собрать схему исследования входных характеристик БТ. На рисунке 1 приведена схема исследования для n-p-n транзистора. В дальнейшей работе предполагается, что исследуется n-p-n транзистор. При исследовании p-n-p транзистора следует изменить полярности источников напряжения и знак предела шкалы графопостроителя.

Рисунок 1 – Схема исследования входных характеристик БТ в схеме с ОБ. Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы.

2.1.2 Установить диапазон регулирования источника E1 0..-1 В, источника E2 0..+5 В. По вертикальной оси графопостроителя выбрать миллиамперметр mA1, диапазон: нижняя граница 0, верхняя +10 мА, по горизонтальной оси графопостроителя выбрать V1, диапазон: левая граница 0, правая граница -1 В.

2.1.3 Снять две входные характеристики Iэ = f (Uэб) , для Uкб = 0 и Uкб = 5 В. Для этого с помощью источника E2 установить фиксированное напряжение V2. Далее плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки до тех пор, пока ток эмиттера (mA1) не достигнет 10 мА. Результат измерения показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Входные характеристики БТ в схеме с ОБ.

2.1.4 Сохранить графики.

2.2 Исследование выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой

2.2.1 Собрать схему исследования выходных характеристик в схеме с ОБ (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема исследования выходных характеристик БТ в схеме с ОБ. Рисунок 5 – Вид собранной на стенде схемы.

2.2.2 По горизонтальной оси графопостроителя выбрать V2, установить диапазон: левая граница -1 В, правая +10 В. По вертикальной оси графопостроителя выбрать mA2, установить диапазон: нижняя граница -1 мА, верхняя граница +10 мА. Установите диапазон регулирования источника E1: 0..-10 В. Диапазон E2: -1..10 В.

2.2.3 Снимите 5 выходных характеристик в схеме с ОБ Iк = f (Uкб) при фиксированных тока Iэ, равных 0, 2, 4, 6, 8 мА. Для этого сначала с помощью источника E2 установить ток mA2 равный -1 мА. Затем установите значение тока эмиттера Iэ = 2 мА с помощью источника E1, контроль осуществляется по mA1. Плавно вращая ручку регулирования E2 по часовой стрелке до тех пор пока V2 не станет равным 10 В. На графопостроителе Вы получите требуемую характеристику. Для более точного позиционирования регулятора E2 можно менять диапазон регулирования. Затем, не изменяя напряжение источника E1, плавно поворачивая ручку регулятора E2 против часовой стрелки установить ток mA2 равный -1 мА. Установить следующее значение тока эмиттера Iэ = 4 мА с помощью источника E1. Вновь измерьте характеристику и так далее.
Сохранить графики. Образец выходных характеристик показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Выходные характеристики БТ в схеме с ОБ. Образец.

2.3 Исследование входных характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.3.1 Соберите схему исследования входных характеристик БТ в схеме с ОЭ (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема исследования входной характеристики БТ в схеме с ОЭ. Рисунок 8 – Вид собранной на стенде схемы.

2.3.2 Установите диапазон регулирования источника E1 0..+1 В, источника E2 0..+5 В. По горизонтальной оси графопостроителя следует выбрать V1, установите диапазон 0..+1 В, по вертикальной оси графопостроителя нужно выбрать mA1, установите диапазон 0..0,1 мА. Переключите шунт амперметра для измерения малых токов, для этого следует нажать кнопку , на кнопке появится надпись «мкА».

2.3.3 Снимите две входные характеристики Iб = f (Uбэ) при Uкэ = 0 В и Uкэ = +5 В.Для этого следует поворачивать ручку регулирования источника E1 до тех пор пока ток мА1 не достигнет 100 мкА, контроль можно вести по mA1. Оба графика должны быть построены на одних осях, как показано на рисунке 9.
Сохраните графики.

Рисунок 9 – Входные характеристики БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.4 Исследование выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.4.1 Собирите схему для исследования выходных характеристик в схеме с ОЭ (Рисунок 10)

Рисунок 10 – Схема исследования выходных характеристик БТ в схеме с ОЭ. Рисунок 11 – Вид собранной на стенде схемы.

2.4.2 Установите диапазон регулирования E1 0..+10 В, E2 0..+10 В. По горизонтальной оси графопостроителя нужно выбрать V2, установите диапазон 0..+10 В, по вертикальной оси поставьте mA2, установите диапазон 0..+10 мА. Пределы вертикальной шкалы можно скорректировать после измерения характеристик.

2.4.3 Снимите семейство выходных характеристик в схеме с ОЭ и Iк = f (Uкэ) для различных фиксированных токов базы. Предварительно определите экспериментально максимальный ток базы Iб max при котором ток выходной характеристики не выходит за пределы 10 мА. Ток базы задается источником E1 и контролируется по mA1. Устанавливая фиксированные значения тока базы в диапазоне 0 .. Iб max , с равным шагом получите десять выходных характеристик. Выходная характеристика получается путем регулирования E2 от 0 до 10 В.
Сохраните полученные графики. На рисунке 12 показан пример выходных характеристик для транзистора П308.

Рисунок 12 – Выходные характеристики БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.4.4 Исследовать зависимость выходных характеристик БТ от температуры. Для этого снять две характеристики при комнатной и повышенной температурах. Повышения температуры можно добиться, прикоснувшись на несколько секунд пальцами руки к корпусу транзистора.
Сохраните графики.

Каждый электрик должен знать:  Схемы включения батарей конденсаторов для компенсации реактивной мощности

2.5 Исследование передаточной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

2.5.1 Собририте схему, показанную на рисунке 10. По вертикальной оси графопостроителя нужно выбрать mA2, и установить диапазон 0..+10 мА. По горизонтальной оси графопостроителя выберите mA1, диапазон 0 .. Iб max . С помощью источника E2 установить напряжение V2, равное 5 В. При необходимости переключить шунт mA1.

2.5.2 Снять передаточную характеристику Iк = f(Iб), при Uкэ = 5 В.
Сохраните графики.

Рисунок 13 – Передаточная характеристика БТ в схеме с ОЭ. Образец.

2.6 Исследование усилителя на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером

2.6.1 Собририте схему, показанную на рисунке 14.

Рисунок 14 – Схема исследования усилителя на БТ. Рисунок 15 – Собранная схема усилителя.

2.6.2 Переведите графопостроитель в режим временных характеристик.

2.6.3 Установите диапазон регулирования E2 от 0..+10 В. Выберите по вертикальной оси верхнего экрана графопостроителя V1, диапазон: 0..+10 В; по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя — V2, диапазон 0..+10 В.

2.6.3 Установите напряжение источника питания усилителя E2 = 10 В.

2.6.4 Регулируя источник E1 (амплитуду и постоянную составляющую) нужно подобрать такие параметры синусоидального входного сигнала, что бы на выходе был неискаженный синусоидальный сигнал с амплитудой близкой к 5 В.
Сохраните полученные графики.

Рисунок 16 – Сигнал на входе и выходе усилителя. Образец.

2.6.5 Не изменяя параметров входного сигнала установите на вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA1, получите осциллограмму входного тока усилителя.
Сохраните осциллограммы.

Рисунок 17 – Осциллограмма входного тока усилителя. Образец.

2.6.6 Выбрерите по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA2, получите осциллограмму выходного тока усилителя.

Рисунок 18 – Осциллограмма выходного тока усилителя. Образец.

2.6.7. Выберите по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя mA2, диапазон 0..+10 мА. Изменяя постоянную составляющую входного сигнала, анализируя искажения синусоиды по осциллограмме выходного сигнала установите режим работы транзистора вблизи отсечки и вблизи насыщения. Установите рабочую точку транзистора посередине рабочего участка подайте на вход усилителя такой сигнал, что бы были видны ограничения сигнала на выходе снизу и сверху. Для каждого случая сохранить полученные графики.

Рисунок 19 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях снизу. Образец. Рисунок 20 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях сверху. Образец. Рисунок 21 – Осциллограмма выходного тока усилителя при искажениях сверху и снизу. Образец.

Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним

Задание 1.

Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра/вольметра).

1.1. Снять входную ВАХ – Iэ=F(Uэб)|Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение Uэб. Данные занести в табл.1.

Iэ(мА), А1
Uкб=0B, V2 Uэб(В), V1
Uкб=15B, V2 Uэб(В), V1

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (Iэ, Iб) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – Iк=F(Uкб)|Iэ=const. Данные занести в табл.2.

Uкб (В), V2 -0,5
Iэ=0мА, А1 Iк (мА), А2
Iэ=2мА, А1 Iк (мА), А2
Iэ=4мА, А1 Iк (мА), А2
Iэ=8мА, А1 Iк (мА), А2

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 2.

Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольметра).

2.1. Снять входную ВАХ –Iб=F(Uбэ)|Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.2). Данные занести в таблицу табл.3. Измерения проводить при Iб=0; 0.01; 0.05; 0.1мА, при Uкэ=0 и +15В.

2.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение Uэб. Данные занести в таблицу, аналогичную табл.1.

По результатам измерений построить графики.

2.2 Снять семейство выходных ВАХ – Iк=F(Uкэ)|Iб=const. Данные занести в таблицу, аналогичную табл.2.

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 3.

Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа)

3.1. Снять входную ВАХ – Iэ=F(Uэб)|Uкб=const Iб=F(Uбэ)|Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу, аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.

3.2. Снять семейство выходных ВАХ – Iк=F(Uкб)|Iэ=const. Собрать схему (рис.3.4).

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 4.

Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью осциллографа)

4.1. Снять входную ВАХ – Iб=F(Uбэ)|Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.5). Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствии.

4.2. Снять семейство выходных ВАХ – Iк=F(Uкэ)|Iб=const. Собрать схему 3.6. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 5

Исследование частотных характеристик передаточных параметров транзистора

A(jw), b (jw)

5.1. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a(w)= Imк/Im э|Iэо=const,.

5.1.1. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора включенного по схеме с ОБ на высокой с помощью амперметров приведена на рис.3.7. Все амперметры поставить в режим измерения переменного тока (режим АС)

Для измерения зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a(w)= Imк /Im э|Iэо=const, составить соответствующую таблицу и по ней нарисовать график зависимости a(w). Определить fa — граничную частоту транзистора включенного по схеме с ОБ.

5.1.2. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОБ, на высокой с помощью измерителя диаграмм Боде, приведена на рис.3.8. Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение АЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить α и fα. Результаты измерений записать в отчет.

5.2. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ ja(w)=(jImк -jImэ). Измеритель Боде поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний.

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Измерить запаздывание по фазе на частоте fa .

5.3. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ b(w)=Im к/Im б|Iэо=const,.с помощью измерителя диаграмм Бодэ.

Собрать схему (рис.3.9). Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране изображение АЧХ, удобное для снятия показаний.

5.4. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ jb(w)a(w)=Iк m/Iэ m|Iэо=const,. Схема измерения приведена на рис.3.9. Измеритель поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить β и fβ. Результаты измерений записать в отчет.

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Определить запаздывание по фазе на частоте fb. На рис.3.10 приведены АЧХ и ФЧХ.

Задание 6.

Исследовать зависимости усилительных и частотных свойств транзистора включенного по схеме с ОБ от тока эмиттера — a=f( iэо), fa= f( iэо).

Собрать схему (рис.3.11). Добиться удобного изображения АЧХ. Величину a и fa= измерять с помощью измерителя АЧХ. Величину a можно измерить с помощью вольтметра.

Результаты измерений занести в табл. 3.

Iэо, мкА 5 . 10 3 50 . 10 3 1 . 10 4
a
fa , МГц

Указания к отчёту

Отчет должен содержать:

1. Схемы для исследования вольт–амперных характеристик ОБ и ОЭ.

2. Таблица с результатами измерений и графики вольт–амперных характеристик.

Вопросы для самоконтроля

  1. Схема и методика снятия статических характеристик транзистора для схемы ОБ.
  2. Входные и выходные характеристики транзистора, включенные по схеме с ОБ.
  3. Схема и методика исследования вольт-амперных характеристик транзистора для схемы ОЭ.
  4. Входные и выходные характеристики для схемы включения с ОЭ.
  5. Схема для исследования нагрузочной характеристики транзистора. Описать методику её снятия и нарисовать вид нагрузочной характеристики для схемы с ОЭ.
  6. Перечислить статические h-параметры транзистора и описать методику их определения по вольтамперным характеристиками.
  7. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора, с помощью амперметра-вольтметра.
  8. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.
  9. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью амперметра-вольтметра.
  10. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.
  11. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью амперметра.
  12. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью измерителя диаграмм Боде.
  13. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора, с помощью амперметра-вольтметра.
  14. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.
  15. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью амперметра-вольтметра.
  16. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.
  17. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью амперметра.
  18. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью измерителя диаграмм Боде.

Список литературы

  1. Марголин В.И. и др. Физические основы микроэлектроники. М: Академкнига, 2008.
  2. Сугано Т. И др. Введение в микроэлектронику. Пер. с японского. М: МИР, 1988.

3. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988, с.167-174, с.418-428.

4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1967.с.58-141.

5. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1990. с.31-58.

6. Бочаров Л.Н. Электронные приборы. М: Энергия, 1979. с.48-87.

В схеме с общим эмиттером

Кирпичев В.Ф.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Исследование характеристик и

Параметров биполярного транзистора

в схеме с общим эмиттером

Составитель — ст. преподаватель КИРПИЧЕВ В.Ф.

Данные методические указания являются вторым изданием аналогичных указаний к лабораторной работе «Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером», выпущенным в 1983 году.

Одобрено к переизданию на заседании кафедры Автоматизированных информационных

и вычислительных систем

11.11.2006 г., протокол №3.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Принцип работы

Наиболее распространенной схемой является схема с базовым входом (с общим эмиттером), когда транзистор управляется током базы Iб. Механизм управления связан с изменением заряда базы, который определяется зарядом неосновных носителей.

Попытаемся вспомнить физику процессов в сплавном транзисторе типа p-n-p.

Рис. 1. Постоянные (режимные) токи в транзисторе.

Токи, протекающие в выводах транзистора, все физические про­цессы в транзисторе не изменяются при изменении схемы его включе­ния. Следовательно, при протекании в цепи эмиттера тока Iэ, в выводе коллектора протекает ток , а в выводе базы ток (рис. 1).

Ток образуется за счет перехода неосновных носителей че­рез коллекторный переход. Для транзистора р-n-р это могут быть электроны, входящие в область базы из области коллектора, или дырки, уходящие из области базы в область коллектора.

В эмиттерной цепи протекает ток Iэ, состоящий в основном из дырок, инжектированных в базу из р-эмиттера. Подавляющее большинство дырок ( ) достигает коллектора и уходит в коллекторный переход, создавая в его цепи основную компоненту коллек­торного тока . Только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами в области базы, образуя рекомбинационную составлявшую тока эмиттера . Рассмотрим работу схемы в активном режиме, когда на базовый вывод подан отри­цательный потенциал.

Из анализа работы одиночного p-n перехода известно, что при приложении к переходу внешнего напряжения в прямом направлении в базовой n-области у границы перехода создается некоторая концентрация неравновесных неосновных носителей (дырок), превышающая концентрации равновесных неосновных носителей.

Одновременно с появлением неравновесных дырок в базе, в нее из внешней цепи поступает такое же количество основных неравно­весных носителей-электронов, практически повторяющих распределе­ние дырок в базе. Область базы таким путем остается электрически нейтральной. Для простоты в дальнейшем будем рассматривать толь­ко распределение дырок, являющихся для n-базы неосновными но­сителями. Вследствие наличия градиента концентрации дырок в базе, они будут двигаться (диффундировать) к коллекторному переходу. В планарных транзисторах одновременно происходит и дрейф дырок в электрическом поле неравномерно легированной базы. На практике на базовый вывод подается не только постоянное (режимное) смеще­ние, но и входной сигнал , подлежащий усилению. В этом слу­чае ток базы является входным током. Ток коллектора, как и в схе­ме с общей базой, является выходным. Усиление по току для этой схемы будет определяться отношением приращения тока коллек­тора к вызвавшему его приращению тока ба­зы .

Введение в базу неосновных носителей в количестве, определяемом величиной приращения тока базы , обязательно изменит высоту потенциального барьера эмиттерного перехода на величину, обеспечивающую изменение тока эмиттера на . Таким образом,

Из анализа работы схемы с общей базой мы знаем формулу

По закону Киргофа

Подставим выражение для Iэ в первую формулу и получим уравнение выходных характеристик:

Коэффициент В>>1 и может быть назван интегральным коэффициентом усиления по току.

Во многих случаях полагают , пренебрегая зависимостью от тока ( -дифференциальный коэффициент передачи тока базы).

— тепловой ток коллекторного перехода в схеме с базовым входом (при «оборванном» базовом выходе). Этот ток в (В+1) раз больше, чем тепловой ток в схеме с эмиттерным входом . Ток называют иногда сквозным током транзистора. Увеличение тока коллекторного перехода объясняется приложением части коллекторного напряжения к эмиттерному переходу в прямом направлении, что снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода и приводит к инжекции носителей через переход (рис. 2).

Рис. 2. К объяснению причин влияния напряжения на коллекторе на величину теплового (обратного) тока.

1.2. Входные и выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) кремниевых транзисторов

Если диапазон изменения рабочих токов не более одного поряд­ка, то входное напряжение в пределах диапазона остается постоян­ным. Его можно считать параметром кремниевого транзистора U* (рис. 3а). Для нормального токового режима (0,1-1 мА) U* ≈ 0,7 В, для микрорежима (1,0-10 мкА) U* ≈ 0,5 В.

Практическое отпирание кремниевого p-n перехода наступает лишь при прямых напряжениях U* -0,1 В, т.е. 0,4-0,6 В.

Рис. 3. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ. (транзистор кремниевый)

Таким образом, при напряжениях, меньших напряжения отпирания, вплоть до нуля, входная характеристика сливается с осью абсцисс.

Рассмотрим влияние изменение коллекторного напряжения на вид входных характеристик.

Как показано ранее (см. рис. 2), в активном режиме часть кол­лекторного напряжения смещает эмиттерный переход в прямом направ­лении. Если поддерживать постоянным ток базы, то это напряжение, складываясь с прямым напряжением на переходе, приведет к смещению входных характеристик вправо (а не влево, как в схеме ОБ) (рис. За).

Выходные ВАХ, в силу этого же, получат более значительный наклон (при увеличении Uк, увеличивается инжекция неосновных носителей эмиттерным переходом. Эти носители создают приращение тока коллектора при неизменном токе базы Iб).

Выходные ВАХ строятся практически из начала координат, по­скольку при Uкэ = 0 коллекторный переход тоже смещен в прямом направлении за счет напряжения на базе и оба перехода, примерно в равной мере, инжектируют и собирают носители.

Таким образом, режим двойной инжекции в схеме с ОЭ реали­зуется не за счет изменения знака напряжения на коллекторе, как в схеме ОБ, а при малых потенциалах Uк. Прямое смещение кол­лекторного перехода при малых Uк объясняется тем, что в схе­ме с ОЭ на базе имеется потенциал -0,7В. Поэтому коллекторный переход оказывается смещенным в прямом направлении, если

Главной особенностью выходных характеристик по схеме с ОЭ является то, что они полностью расположены в первом квадранте. Оценим напряжение, при котором наступает спад коллекторного тока, а транзистор переходит в область насыщения. Напомним, что при этом на обоих переходах (двойная инжекция) действуют прямые напряжения.

Запишем для режима двойной инжекции.

где под и понимаются прямые напряжения (рис. 4).

Рис. 4. К объяснению хода выходных характеристик в области малых напряжений на коллекторе.

Будем уменьшать напряжения (см. рис. 3 и 4). Формаль­но границе активного режима соответствует значение =0, т.е. = , так как змиттерный переход смещен в прямом направлении и выходное напряжение еще сравнительно велико — оно равно напряжению на открытом эмиттерном переходе: .

Заметный спад тока наступает лишь тогда, когда прямое напря­жение достигает напряжения отпирания U*-0,1 В. Отметим, что хотя к области р — коллектора прикладывается отрицательный потенциал источника коллекторного питания, но он по модулю меньше потенциала n-базы, задаваемого источником в цепи базы. Та­ким образом, напряжение на коллекторном переходе имеет прямую полярность.

Если прямое напряжение на эмиттерном переходе составляет U*, а напряжение открытия коллекторного перехода U* -0,1 В, то выходное напряжение составляет:

Минимальное значение выходного напряжения получается при нулевом токе коллектора (см. рис. З б). Наклон выходных ВАХ в схеме ОЭ значительно больше (рис. 3б), чем в схеме ОБ. Следовательно, сопротивление , характеризующее этот наклон, значительно мень­ше, чем сопротивление в схеме ОБ. Это объясняется тем, что приращение вызывает приращение . Соответственно проис­ходит приращение Iэ и дополнительное увеличение тока Iк. В предпробойной области наклон ВАХ быстро возрастает. Напряжение пробоя в схеме ОЭ меньше, чем в схеме с OБ.

На входных характеристиках в схеме с ОЭ по оси ординат откла­дывается ток базы Iб, который значительно меньше тока эмиттера Iэ. Поэтому входное сопротивление в схеме с ОЭ будет больше, чем в схеме с ОБ, так как напряжения, откладываемые по оси абсцисс, имеют одинаковую величину

1.3. Малосигнальные физические и h — параметры.

Эквивалентная схема транзистора для малых переменных сигна­лов при включении по схеме с ОЭ приведена на рис. 5.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода вычисляется, как и в случае с ОБ, по формуле , где — постоянная составляющая тока.

Сопротивление базы является суммой сопротивлений активной и пассивной частей базы и обычно составляет несколько десятков или сотен омов.

Рис. 5. Эквивалентная схема транзисторов при включении с ОЭ.

Поскольку схема малосигнальная, используется не интегральный коэффициент усиления В, а дифференциальный, для которого принято особое обозначение

Сопротивление коллекторного перехода будет иметь меньшее значение, чем сопротивление в схеме с ОБ.

Меньшая величина сопротивления коллекторного перехода объясняет­ся увеличением коллекторного тока при увеличении напряжения на коллекторе из-за снижения потенциального барьера эмиттерного пеpexода с ростом Uк. Если =1 мОм, =100, то =10 кОм.

В связи с тем, что внутренняя базовая точка Б′ (рис. 5) недоступна для непосредственного измерения физических параметров транзистора, для практических целей часто используют систему h-параметров, которые можно измерить на внешних зажимах. При этом, как и в предыдущем случае, транзистор работает с сигналами малых амплитуд (по сравнению с питающими токами и напряжениями). Поэтому транзистор можно представить активным линейным четырех­полюсником. Параметры четырехполюсника измеряются на переменном токе и являются дифференциальными. H-параметры можно опре­делить и по статическим ВАХ транзистора, аналогично тому, как это делалось для схемы с ОБ.

Следует заметить, что h-параметры в схеме с общим эмит­тером hэ имеют значения, отличные от соответствующих параметров в схеме с общей базой hб.

Используя экспериментальные входные и выходные характеристи­ки и выбрав рабочую точку по постоянному току, можно определить hэ — параметры:

Между физическими и h -параметрами существует связь:

Параметры hб и hэ связаны между собой простыми соотношения­ми

Ориентировочно величины h-параметров для двух схем включения маломощного германиевого сплавного транзистора при нормальной температуре и в номинальном режиме приведены в табл. 1.

Схема включения h11 (Ом) h12 h21 h22 (мксим)
с общей базой 7*10 -4 0,97 0,7
с общим эмиттером 9*10 -4

Таблица также даёт возможность сравнить схемы между собой.

К этому следует добавить:

— cxeмa с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности. Удобна для использования с одним источником питания коллекторной и базовой цепи. Обладает большей точностью при измерении дифферен­циальных параметров. Как усилительная схема малых сигналов распространена наиболее широко. К недостаткам следует отнести меньшую устойчивость в диапазоне температур и меньшее предельно до­пустимое напряжение на коллекторе;

— схема с ОБ имеет наибольшее усиление по напряжению, наи­лучшую устойчивость в диапазоне температур и выдерживает большие напряжения на коллекторе. Однако не усиливает ток и имеет меньший коэффициент усиления по мощности.

1.4. Усилительный режим транзистора по схеме ОЭ.

Каскады усиления чаще всего выполняются по схеме с ОЭ (рис. 6).

Поскольку Iк > Iб, то транзистор в схеме с ОЭ усили­вает не только по напряжению, но и по току.

Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ больше входного сопротивления в схеме с ОБ, т.к. в схеме с ОЭ входным током является ток базы Iб, который меньше входного тока Iэ в схеме с ОБ в 10…100 раз.

Рис .6. Схема усилительного каскада (ОЭ).

Рабочая точка А (рис. 7) выбирается на характеристиках аналогичного схеме с ОБ.

Коэффициент усиления по току транзистора в схеме с ОЭ можно записать в виде

Если коэффициент передачи тока α = 0,9÷0,995, то в этом случае = 10÷200.

Коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада может быть определен графоаналитическим методом по рис. 7, аналогично схеме с ОБ.

Рис. 7. Выбор рабочей точки А на входных (а) и выходных (б) характеристиках (транзистор германиевый).

Каждый электрик должен знать:  Электромагнитная совместимость в электроэнергетике

1.5. Ключевой режим.

До сих пор мы, в основном, рассматривали работу транзистора в режиме усиления при малых сигналах. В этом случае, с помощью постоянных токов и напряжений, задается некоторая рабочая точка в той части семейства вольтамперных характеристик, где эти характеристики можно считать линейными.

Если транзистор работает не в режиме усиления малых сину­соидальных сигналов, а в режиме усиления малых импульсных сиг­налов, то в принципе эти режимы ничем не отличаются друг от друга, так как последовательность импульсов всегда можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих. Гораздо большего внимания заслуживает работа транзистора в режиме так называемо­го большого сигнала, когда рабочая точка перемещается в значитель­ной области характеристик, от одного края ее активной области к другому, из состояния «ВКЛЮЧЕНО» в состояние «ВЫКЛЮЧЕНО» или нао­борот. В данном случае активный режим работы является переходным. На рис.8 показана схема простейшего транзисторного ключа.

Рис.8. Простейший транзисторный ключ.

Транзистор включен по схеме с ОЭ. Управляемой (прерываемой) является коллекторная цепь с источником питания Ек и нагрузкой в виде резистора Rк. В управляющей (базовой) цепи включен ис­точник управляющего напряжения Еб и последовательное сопротив­ление Rб.

Если напряжение Еб имеет положительную полярность, то эмиттерный переход транзистора (р-n-р) смещен в обратном направ­лении, транзистор заперт и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение Uкэ на ключе близко к Ек.

Если напряжение Еб имеет отрицательную полярность и доста­точно велико, то транзистор открыт, в цепи нагрузки протекает ток Iк, и остаточное напряжение на ключе может быть близким к нулю.

Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является ин­вертирующей схемой, т.к. увеличение (по модулю) напряжение на входе (Еб), сопровождается уменьшением выходного напряжения Uкэ от Ек до малого остаточного напряжения.

Остаточный ток и остаточное напряжение — главные статистичес­кие параметры ключа. Рассмотрим их подробнее.

В запертом состоянии ключа, строго говоря, должно выполнять­ся условие Еб > 0. Однако, практически кремниевый переход ос­тается запертым и при Еб

| следующая лекция ==>
Памсэ хансум-до джаль су опсо нан | О гражданском неповиновении

Дата добавления: 2015-09-07 ; просмотров: 3952 . Нарушение авторских прав

Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

На рис. 3.5 показана схема замещения биполярного транзистора. На этой схеме функции I1=f1(Uэб), I2=f2(Uкб) описывают нелинейные характеристики эмиттерного и коллекторного переходов. Генератор тока αNI1 характеризует собранный коллектором, при нормальном включении транзистора (Uэб > 0, Uкб 0, Uкб 0), инжекционный ток коллектора.

Рис. 3.5. Схема замещения биполярного транзистора pnp типа

Для представленной на рис. 3.5 схемы можно записать:

Подставив (4.8) в (4.7) получим выражения для входной JЭ(UЭБ,UКБ) и выходной JК(UЭБ,UКБ) вольтамперных характеристик транзистора в схеме ОБ:

Графики вольтамперных характеристик биполярного транзистора для схемы с общей базой приведены на рис. 55. Можно выделить три основных области, соответствующих различным режимам работы транзистора. Построим распределение неосновных носителей для характерных точек, расположенных в каждой из этих областей (рис. 55).

Рис. 3.6. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой.

При построении распределения, учтем, что ширина базы мала (W 0, Uкб pn0, pn(W)

> |UT|, то pn(W) ≈ 0. Соответствующее распределение носителей заряда для т. A показано на рис. 3.7. Увеличение тока эмиттера будет сопровождаться возрастанием UЭБ и в соответствии с (3.10) ростом pn(0) и в соответствии с (3.11) ростом градиента концентрации. Уменьшение тока эмиттера (напряжения на эмиттерном переходе) будет сопровождаться уменьшением pn(0) и уменьшением ростом градиента.

Режим насыщения (т. B и т. C на рис. 3.6), соответствует режиму при котором ток коллектора ограничен и не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда, границы режима насыщения определяются условиями UЭБ > 0 и UКБ ≤ 0, следовательно в соответствии с (3.10) pn(0) > pn0, pn(W) ≥ pn0. В т. B UЭБ > 0 и UКБ = 0, соответственно pn(0) > pn0 и pn(W) = 0. В т. C увеличение эмиттерного тока (и соответственно UЭБ)не сопровождается увеличением коллекторного тока, однако приводит к увеличению концентрации носителей заряда около коллектора , т.е. согласно (3.11) напряжение на коллекторном переходе становится больше 0. Таким образом в т. C UЭБ > 0 и UКБ > 0, соответственно pn(0) > pn0 и pn(W) > pn0. Поскольку в т. С ток такой же как в т. B градиент концентрации остался прежним.

Рис. 3.7. Распределение носителей в базе транзистора при различных режимах (положение рабочих точек см. рис. 55)

Режим отсечки (т.D на рис. 3.7), соответствует режиму при котором соответствующий сигналу инжекционный ток эмиттера отсутствует соответственно на коллектор не поступают инжектированные носители и транзистор находится в запертом состоянии. Границы режима отсечки определяются условиями UЭБ ≤ 0 и UКБ > |UT|), соответственно pn(0)

Рассмотренные процессы инжекции и собирания носителей коллектором не зависят от схемы включения, соответственно и рассмотренные режимы — активный, насыщения и отсечки могут иметь место и в каскадах с общим эмиттером и общим коллектором, однако, поскольку при изменении общего электрода изменяются входные и выходные токи и напряжения, то соответственно и передаточные характеристики различных каскадов будут отличаться, так же как будут отличаться и вольтамперные характеристики транзистора в различных схемах включения.

Наибольшее распространение в полупроводниковых схемах нашло включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Вольтамперные характеристики для транзистора в схеме ОЭ возиожно, получить перестроением характеристик для схемы ОБ с учетом соотношений между токами и напряжениями в схемах ОБ и ОЭ (см. рис. 3.8).

Рис. 3.8. Обозначение токов через электроды транзистора и разности потенциалов между электродами для схемы ОЭ

В схеме с общим эмиттером входным напряжением будет UБЭ, выходным UКЭ , при этом UБЭ = -UЭБ, т.е. если подать один и тот же сигнал на каскад ОЭ и ОБ, то на выходе этих каскадов он будет в противофазе. Как видно из рис. 57 напряжение на выходе транзистора UКЭ = UБЭ + UКБ, т.е. оно складывается из выходного напряжения в ОБ и перевернутого по фазе входного напряжения в ОБ. Выходной ток в ОЭ так же как и в ОБ равен Iк. В ОЭ входной базовый ток равен Iб = Iэ — Iк = Iэ(1-α), т.е. он в (β+1) раз меньше, чем в схеме ОБ, соответственно входное сопротивление в транзистора в ОЭ должно быть больше чем в ОБ.

Рис. 3.9.[ДОМ1] Статические вольтамперные характеристики в схеме с общим эмиттером

Вольтамперные характеристики для схемы ОЭ показаны на рис. 58 на графиках обозначены точки соответствующие точкам на вольтамперных характеристиках для схемы ОБ (рис 3.6) . Следует обратить внимание, что для режима насыщения характеристики не заходят в третий квадрант, т.е. напряжение Uк. не изменяет знак. Действительно в ОЭ: Uкэ. = Uкб — Uэб 0, Uэб > 0 и Uэб > Uкб. К отличиям от ОЭ следует так же так же отнести то, что тепловой ток I*к, измеренный при Iб = 0, в (β+1) раз больше, чем ток Iк, измеренный при Iэ = 0. В ОЭ менше выходное сопротивление транзистора по сравнению со схемой ОЭ (меньше наклон выходных ВАХ).

Дата добавления: 2020-08-31 ; просмотров: 109 ;

Транзистор и биполярный транзистор, расчёт транзисторного каскада

В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или — германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С, транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;

• Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Питающее напряжение U и.п. =12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов :

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

5. Определим ток базы управления транзистором:

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

Тогда полное сопротивление резисторов

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

где I к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н =R вх *C вх , где R вх =R э *h 21 , C вх — разделительная входная емкость каскада. C вых транзисторного каскада, это C вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н =1/t н . Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н =1/(R вх *C вх ) н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда t в =R вых *C к =R к C к , где C к — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Биполярные транзисторы: схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток Iб. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: Iэ = Iб + Iк.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С1, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор RL, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.

Таким образом, небольшим сигналом Vin на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения VБЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC — VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.

Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

Билет №17. Билет 17 Назначение, принцип действия транзистора с общим эмиттером, вах. Правила проверки

Название Билет 17 Назначение, принцип действия транзистора с общим эмиттером, вах. Правила проверки
Дата 24.02.2020
Размер 484.5 Kb.
Формат файла
Имя файла Билет №17.doc
Тип Документы
#37114
Подборка по базе: 131 фз об общих принципах.docx, Реферат. Принципы, методы и средства общей терапии при внутренни, Криминалистика билеты.docx, Архитектура микропроцессора. Принципы управления.docx, 2.0_Ответы на билеты.docx, информация по теме Получение суспензий, эмульсий, коллоидных рас, Презентация Особенности биологического действия макроэлементов н, Основные принципы лечения больных алкоголизмом.docx, МПХ (по билетам) (печать).pdf, Фарма — 2 зачет — ответы по билетам 2014-2015 год.docx.

Билет №17

  1. Н азначение, принцип действия транзистора с общим эмиттером, ВАХ. Правила проверки.

Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор имеет трехслойную структуру и соответственно три вывода. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмиттером и коллектором. Такие транзисторы называют биполярными, потому что перенос тока в них осуществляется носителями заряда двух типов — электронами и дырками.

Концентрация примеси, а следовательно, и основных носителей заряда самая высокая в эмиттере и малая — в базе; в коллекторной области она может быть такой же, как в эмиттере. Базу транзистора выполняют очень тонкой (несколько микрометров), а коллектор массивным, так как он должен позволять отводить теплоту, выделяющуюся при работе прибора.

Биполярные транзисторы изготавливаются двух типов p-n-р и n-p-n.

ВАХ схемы включения с общим эмиттером.

Семейства входных и выходных вольтамперных характеристик транзистора в схеме включения с ОЭ показаны на рисунке. Входная характеристика транзистора в схеме с ОЭ представляет собой зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при постоянном напряжении на коллекторе:

Iб=f(Uбэ) при Uкб=const.

Выходная характеристика транзистора в схеме с ОЭ представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы:

Iк=f(Uкэ) при Iб=const.
При этом на эмиттерный П1 и коллекторный П2 переходы подают внешнее напряжение соответственно в прямом и обратном направлениях (Рисунок 1-11.). Под действием напряжения эмиттер — база Uэб основные носители заряда эмиттера (дырки) преодолевают эмиттерный переход. Навстречу им двигается значительно меньшее количество основных носителей базы (электронов), поскольку концентрация примеси в базе намного меньше, чем в эмиттере. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами вблизи перехода П1, а остальные инжектируются (впрыскиваются) в базовую область.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах 0,1—0,001% дырок, покинувших эмиттер). Остальные достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение коллектор — база Uкб, и с ускорением перебрасываются в коллектор электрическим полем перехода П2.

Таким образом, основные носители заряда, покидающие эмиттер, частично теряются в переходе П1 и базе на рекомбинацию. Эти потери и составляют ток базы IБ. Остальные носители заряда достигают коллекторного вывода, создавая ток коллектора.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотношением Iэ=Iб+Iк.

Если напряжение Uэб будет изменяться в некоторых пределах, то это приведёт и к изменению тока эмиттера Iэ, которое можно обозначить как Iэ. Тогда при изменении тока эмиттера на Iэ соответственно изменяются токи базы на Iб и коллектора на Iк, таким образом, Iэ=Iб +Iк.

Итак, если на эмиттерный переход подать кроме постоянного напряжения Uэб, ещё и

переменное напряжение Uэб (сигнал) ( Рисунок 1-12. ), в эмиттерной цепи появится ток Iэ Iэ. Соответственно в коллекторном токе появится переменная составляющая IкIк. При включении в цепь коллектора резистора нагрузки Rк на нем образуется падение напряжения Urк±Urк, переменная составляющая Urк которого будет во много раз большая входного сигнала Uэб, это и будет усиленным сигналом.

  1. Устройство и технические характеристики силовых трансформаторов типа ТМ. Условия параллельной работы. Допустимые перегрузки.

Бывают:

  1. Повышающие,
  2. понижающие,
  3. согласующие
  4. Однофазные и трёхфазные (в 3-х фазных потери на 12 – 15% ниже
  5. Двухобмоточные и трёхобмоточные (обмотки одного напряжения могут быть из 2-х и более параллельных ветвей, изолированные друг от друга).
  6. Сухие (изоляция: твердый диэлектрик, охлаждение: воздухом) и масляные (изоляция: трансформаторное масло, охлаждение трансформаторным маслом).
  7. По мощности: 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600…
  8. По классу напряжения: 110/10/10 кВ, 110/10 кВ, 10/0,4 кВ, 6/0,4 кВ

Устройство:

Трансформаторы ТМ 400/10

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмоткой они помещаются на стальном магнитопроводе. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собираются из тонких пластин (0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых жаростойким лаком.

Ближе к стержню магнитопровода помещается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения. Обмотка НН изолируется от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами из изоляционного материала

Обмотка ВН также изолируется от обмотки НН. При малых токах обмотки делают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения. При больших токах применяют провод прямоугольного сечения.

Отводы служат для соединения концов обмоток с вводами, они крепятся к магнитопроводу на буковых планках. Магнитопровод с обмотками установлен в стальном баке, закрытым крышкой и заполненым маслом. Масло служит для охлаждения трансформатора и для дополнительной изоляции обмоток. На баке установлены выводы ВН и НН, расширитель, переключатель ступеней регулирования напряжения , термометр. Для лучшего охлаждения на баке имеются трубчатые радиаторы. Расширитель- это бак, емкость которого составляет 8 — 10 % от объема масла в трансформаторе. Он служит для компенсации объема масла при изменении температуры и предохраняет масло от непосредственного соприкосновения с воздухом. Уровень масла в расширителе должен находиться на отметке, соответствующей температуре масла в данный момент. На шкале маслоуказателя для контроля уровня масла в тр-ре наносятся три контрольные метки, соответствующие уровням масла в неработающем тр-ре при температурах -45С, +15С, +40С. Маслопровод к расширителю должен иметь уклон не менее 2%. Термосифонный фильтр предотвращает окисление и загрязнение масла. Фильтр заполнен силикагелем. Масло циркулирует через фильтр ввиду разницы температуры верхних и нижних слоев. При естественном охлаждении нагретое масло внутри тр-ра как более легкое поднимается вверх, а охлажденное в радиаторах опускается вниз.

Устройство силового трансформатора типа ТМ-400/10 показано на рисунке:

1 -ярмовая балка

2-горизонтальная прессующая шпилька

3-обмотка высокого напряжения Вн

4-вертикальная стяжная шпилька

5-циркуляционная труба радиатора

11-патрубок, соединяющий расширитель с баком

12-вводы высокого напряжения ВН

13-нулевой вывод низкого напряжения

14-выводы обмоток низкого напряжения НН

15-переключатель ступеней регулирования напряжения

17-кольцо (рым) для подъема крышки

Допускается паралельная работа тр-ров при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимый ток для данной обмотки. Паралельная работа тр-ров разрешается при следующих условиях:

-группы соединений обмоток одинаковы;

-соотношение мощностей тр-ров не более 1 / 3

-коэффициенты трансформации отличаются не более чем на+ 0,5%

-напряжения короткого замыкания отличаются не более чем на +10%

-произведена фазировка транс-ров.

В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка маслянных тр-ров сверх номинального тока в следующих пределах:

на100% — 10 мин Допускается перегрузка масляных тр-ров сверх номинального тока до 40% общей продолжительностью не более 6 часов в сутки в течении 5 суток подряд, если подобная перегрузка не запрещена инструкциями заводов-изготовителей.

  1. Правила эксплуатации кабельных линий: осмотры и проверки во время эксплуатации.

Каждая КЛ должна иметь паспорт, включающий документацию, указанную в п., диспетчерский номер или наименование. Открыто проложенные кабели, а также все кабельные муфты должны быть снабжены бирками; на бирках кабелей в начале и конце линии должны быть указаны марка, напряжение, сечение, номер или наименование линии; на бирках соединительных муфт — номер муфты, дата монтажа. Бирки должны быть стойкими к воздействию окружающей среды. Они должны быть расположены по длине линии через каждые 50 м на открыто проложенных кабелях, а также на поворотах трассы и в местах прохода кабелей через огнестойкие перегородки и перекрытия (с обеих сторон). Должен организован систематически контроль за тепловым режимом работы кабелей.

. Осмотры КЛ напряжением до 35 кВ должны проводиться в следующие сроки:

-трасс кабелей, проложенных в земле, – не реже 1 раза в 3 месяца;

-трасс кабелей, проложенных на эстакадах, в туннелях, блоках, каналах, галереях и по стенам зданий, – не реже 1 раза в 6 месяцев;

-кабельных колодцев – не реже 1 раза в 2 года;

Для КЛ, проложенных открыто, осмотр кабельных муфт напряжением выше 1000 В должен производиться при каждом осмотре электрооборудования. Периодически, но не реже 1 раза в 6 месяцев выборочные осмотры КЛ должен проводить административно-технический персонал. В период паводков, после ливней и при отключении КЛ релейной защитой должны проводиться внеочередные осмотры.

Раскопки кабельных трасс или земляные работы вблизи них должны производиться только после получения соответствующего разрешения руководства организации, по территории которой проходит КЛ, и организации, эксплуатирующей КЛ. Перед началом раскопок должно быть произведено шурфление (контрольное вскрытие) кабельной линии под надзором электротехнического персонала Потребителя, эксплуатирующего КЛ

основу эксплуатационного надзора кабельных линий входят: обход трасс и осмотр состояния кабельных линий и различных сооружений, в которых они проложены; надзор за производством работ на трассах и вблизи кабельных линий; организационно-технические мероприятия по обеспечению сохранности кабельных линий.

Трассы кабельных линий, проходящие по реконструируемым и промышленным площадкам, где возможны механические повреждения кабелей, осматривают более часто.

Весной во время паводков, после ливней и в период осенних дождей, когда наблюдаются наибольшее размягчение и размыв грунта, производят внеочередные обходы.

При осмотре кабельных трасс проверяют, чтобы на трассе не производилось несогласованных работ (строительство сооружений, раскопка земли, насаждение растений и др.).

Раскопки кабельных трасс или земляные работы вблизи них должны производиться только с письменного разрешения эксплуатирующей КЛ организации. При этом исполнитель должен обеспечить надзор за сохранностью кабелей на весь период работ, а вскрытые кабели укрепить для предотвращения их провисания и защиты от механических повреждений. На месте работы должны быть установлены сигнальные огни и предупреждающие плакаты

  1. Перечислить организационные и технические мероприятия обеспечивающие безопасность работ в электроустановках.

Организационными мероприятиями, обеспечивающими безопасность работ в электроустановках, являются:

— оформление работ нарядом, распоряжением или перечнем работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации;

— допуск к работе;

— надзор во время работы;

— оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания работы.

При подготовке рабочего места со снятием напряжения должны быть в указанном порядке выполнены следующие технические мероприятия:

произведены необходимые отключения и приняты меры, препятствующие подаче напряжения на место работы вследствие ошибочного или самопроизвольного включения коммутационных аппаратов;

на приводах ручного и на ключах дистанционного управления коммутационных аппаратов должны быть вывешены запрещающие плакаты;

проверено отсутствие напряжения на токоведущих частях, которые должны быть заземлены для защиты людей от поражения электрическим током;

установлено заземление (включены заземляющие ножи, а там, где они отсутствуют, установлены переносные заземления);

вывешены указательные плакаты «Заземлено», ограждены при необходимости рабочие места и оставшиеся под напряжением токоведущие части, вывешены предупреждающие и предписывающие плакаты.

Каждый электрик должен знать:  Подключение трансформатора тока инструкция + фото
Добавить комментарий