POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI
Katedra Elektroniki
Instrukcja do ćwiczenia numer 1
BADANIE CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH TRANZYSTORA
Lublin 2007
Uwagi dodatkowe (z dnia 27 lutego 2010r.)
1) Parametry hybrydowe można wyznaczać indywidualnie tzn. nie jest konieczne wyznaczanie wszystkich jednocześnie i można np. wyznaczyć tylko h22. Sposób przedstawiony na rysunku 11 i 13 (przenoszenie zmian sygnału z wejścia na wyjście) można wykorzystać przy graficznej interpretacji pracy wzmacniacza. Oczywiście można w ten sposób wyznaczać parametry hybrydowe, ale nie jest to konieczne. Przyrosty zmian napięcia i prądów można zaznaczać niezależnie w każdej ćwiartce.
2) Jednym z wyznaczanych parametrów jest admitancja wyjściowa tranzystora h22. Jednostką tego parametru jest 1S (Simens), a wartości w układzie WB są bardzo małe (~10-6S). W praktyce operujemy impedancją wejściową i wyjściową tranzystora. W związku z tym warto w obliczeniach obliczyć h22 i jego odwrotność w celu porównania uzyskania tych parametrów.
3) Podobnie jak w poprzednim przypadku warto zastanowić się nad interpretacją oddziaływania wstecznego i odwrotnością tego parametru.
Przyrost napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego (1/h12) można traktować jako wzmocnienie napięciowe i ma to swoje odzwierciedlenie w układach wzmacniających tj. wykorzystując tranzystor i dodatkowe elementy bierne. Warto więc dokonać stosownych obliczeń, a otrzymane wyniki porównać.
1. Wprowadzenie
Tranzystor bipolarny (warstwowy) jest to kombinacja dwóch złączy półprzewodnikowych, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy, które zachodzą w jednym złączu oddziałują na drugie, nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony oraz dziury. Obszary otrzymanej w ten sposób struktury p-n-p (rys.1) bądź n-p-n (rys.2) noszą nazwy: E - emiter, B – baza, C - kolektor. To dwojakie uszeregowanie obszarów daje dwa przeciwstawne typy tranzystorów. Zasada ich działania jest taka sama, różnią się natomiast polaryzacją zewnętrznych źródeł napięcia oraz kierunkiem przepływu prądu.
Rys. 1 Tranzystor typu p-n-p Rys. 2 Tranzystor typu n-p-n
Tranzystor pracuje zwykle przy polaryzacji złącza emiter – baza w kierunku przewodzenia, zaś złącza kolektor – baza w kierunku zaporowym. Modele pasmowe tranzystora niespolaryzowanego i spolaryzowanego pokazane są na rysunkach 3 i 4, wykonane są na podstawie modeli pasmowych złącza p – n.
Rys. 3 Model pasmowy tranzystora p-n-p Rys. 4 Model pasmowy tranzystora p-n-p
niespolaryzowanego w warunkach w warunkach, w których złącze emiter - baza
równowagi termicznej jest spolaryzowane w kierunku przepustowym,
a złącze kolektor – baza w zaporowym
1.1. Zasada działania
Rys. 5 Rozpływ prądów w tranzystorze
Działanie tranzystora bipolarnego zostanie rozpatrzone na przykładzie tranzystora n-p-n w stanie aktywnym.
W stanie równowagi, bez polaryzacji, przechodzenie elektronów z emitera i kolektora do bazy tranzystora i dziur z bazy do obu przylegających obszarów jest hamowane przez pole utworzone przy obu złączach. Spolaryzowanie złącza emiterowego w kierunku przewodzenia ( przyłożenie do emitera napięcia ujemnego względem bazy) powoduje obniżenie bariery emiterowej. Przez złącze emiter-baza płynie wówczas prąd dyfuzyjny. Skutkiem obniżenia bariery potencjału zwiększona zostaje liczba elektronów wprowadzanych do bazy i zmniejszona liczba dziur wprowadzanych do emitera. Nadmiarowe elektrony wprowadzone do bazy poruszają się ruchem dyfuzyjnym w stronę kolektora, jeżeli obszar ten jest jednorodnie domieszkowany.
Przy niejednorodnym domieszkowaniu obszaru bazy przepływ „wstrzykniętych” nośników jest przyspieszony działaniem pola elektrycznego, jakie powstaje wówczas w obszarze bazy. Po drodze część tych elektronów rekombinuje z dziurami, które są nośnikami większościowymi w obszarze bazy. Nadmiarowe dziury wprowadzane z obszaru bazy do obszaru emitera rekombinują z istniejącymi tam elektronami. Nie uczestniczą one w przepływie prądu kolektorowego.
Jeżeli złącze kolektor-baza spolaryzowane jest w kierunku wstecznym (kolektor ma wyższy potencjał niż baza) to wówczas pole elektryczne, które występuje w tym złączu powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego (zmianę napięcia polaryzującego złącze emiter-baza).
1.2. Układy pracy tranzystora
Tranzystor jako element trójelektrodowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z elektrod jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z elektrodę wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje:
a) Układ ze wspólną bazą OB (WB)
Rys. 6 Układ WB
Tranzystor pracujący w układzie OB charakteryzuje się:
- bardzo małą rezystancją wejściową - bardzo dużą rezystancje wyjściową - wzmocnienie prądowe bliskie jedności (<1)
- wzmocnienie napięciowe bardzo duże
- wzmocnienie mocy średnie
- nie odwraca fazy
Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz.
b) Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)
Rys. 7 Układ WC
Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:
- bardzo dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości) - wzmocnieniem napięciowym równym jedności 1 (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) - dużym wzmocnieniem prądowym
- średnim wzmocnieniem mocy
- średnim pasmem przenoszenia
c) Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)
Rys. 8 Układ WE
Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się:
- dużym wzmocnieniem prądowym - dużym wzmocnieniem napięciowym - dużym wzmocnieniem mocy
Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180°. W stosunku do napięcia wyjściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset W, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k W.
1.3. Podstawowe parametry tranzystora
Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik a nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie WB prądu emitera (wielkosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako:
a = (IC-IC0)/IE
gdzie IC0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy IB=0.
a= h21B = -IC/IE przy UCB=const
Mało sygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB:
a0 = h21b = -∆IC/∆IB przy ∆UCB → 0
Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek IC/ IB nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (wielkosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem b.
IE = IC + IB IC = bIB
b = h21E = IC/IB przy UCE = const
Mało sygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie WE:
b0 = h21e = ∆IC/∆IB przy ∆UCE → 0
Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:
b0 = a0 / (1-a0)
a0 = b0 / ( 1+b0)
Stały stosunek IC/ IB oznacza, że pewnej wartości prądu bazy IB odpowiada określona wartość prądu kolektora IC. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać b-krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.
Dopuszczalny prąd kolektora ICmax wynika ze zmniejszania się współczynnika b0 w zakresie dużych prądów i małych napięć. Wartości ICmax wynoszą od kilkudziesięciu miliamperów (dla tranzystorów małej mocy) do kilkudziesięciu amperów (dla tranzystorów dużej mocy).
Dopuszczalne straty mocy PCmax są równe w przybliżeniu maksymalnej mocy, jaka może wydzielić się w złączu kolektorowym PC = UCEIC. Wartość tych strat wynika z dopuszczalnej temperatury złącza Tjmax, temperatury otoczenia Ta i rezystancji cieplnej między złączem a otoczeniem Rth (K* W-1).
PCmax = (Tjmax – Ta) / Rth
W tranzystorze bipolarnym całkowite straty mocy Ptot składają się z mocy traconej w złączu kolektorowym i w złączu emiterowym.
Ptot = UCBIC + UBEIE = UCBIC + UBEIB
Moc wydzielana w złączu kolektorowym jest znacznie większa niż w złączu emiterowym, można więc przyjąć:
Ptot ≈ PC ≈ UCEIC
1.4. Tranzystor jako czwórnik
Tranzystor może być przedstawiony w postaci czwórnika, zasadniczo nieliniowego, rys. 9.
Rys. 9 Tranzystor przedstawiony jako czwórnik
Każdy czwórnik może być opisany wzajemnymi zależnościami napięć i prądów na wejściu I1, U1 i wyjściu I2, U2. Można wyróżnić...
bartektoki