Иванов С.Р. - Три схемы включения транзистора

Московский Государственный Технический Университетимени Н.Э.БауманаC . Р . ИвановТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРАМетодические указания к выполнению лабораторных работпо курсу « Микроэлектроника »Москва2006Лабораторная работа № 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРАЦель работы – изучить, как влияют различные способы включения биполярноготранзистора и величина сопротивления нагрузки на свойства усилительного каскада.Теоретическая частьТранзистор (от англ. transfer — переносить иresistor — сопротивление)(в дальнейшемтранзистор-Т.), электронный прибор на основеполупроводникового кристалла, имеющий три(или более) вывода, предназначенный дляусиления , генерирования и преобразованияэлектрических колебаний.В биполярных Т. (которые обычно называютпросто Т.) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков.Такой Т. представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, вкоторой с помощью особых технологических приёмов созданы 3 области с разнойпроводимостью: дырочной (p) и электронной (n).

В зависимости от порядка ихчередования различают Т. p—n—p-типа и n—p—n-типа. Средняя область (её обычноделают очень тонкой) — порядка нескольких мкм, называется базой, две другие —эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электроннодырочными переходами (р—n-переходами): эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). Отбазы, эмиттера и коллектора сделаныметаллические выводы.Рассмотрим физические процессы,происходящие в Т., на примере Т. n—p—n-типа .К ЭП прикладывают напряжение Uбэ, котороепонижает потенциальный барьер перехода и темсамым уменьшает его сопротивлениеэлектрическому току (то есть ЭП включают внаправлении пропускания электрического тока,или в прямом направлении), а к КП — напряжение Ukб, повышающее потенциальныйбарьер перехода и увеличивающее его сопротивление (КП включают в направлениизапирания или в обратном направлении).

Под действием напряжения Uбэ через ЭП течётток iэ, который обусловлен главным образом перемещением (инжекцией) электронов изэмиттера в базу. Проникая сквозь базу в область КП, электроны захватываются его полеми втягиваются в коллектор. При этом через КП течёт коллекторный ток ik. Однако не всеинжектированные электроны достигают КП: часть их по пути рекомбинирует сосновными носителями в базе — дырками (число рекомбинировавших электронов темменьше, чем меньше толщина базы и концентрация дырок в ней).

Так как вустановившемся режиме количество дырок в базе постоянно, то это означает, что частьэлектронов уходит из базы в цепь ЭП, образуя ток базы iб таким образом, iэ = ik + iб.Обычно iб<< ik, поэтому ik  iэ и ik  iэ. Величина  = ik/iэ называется коэффициентомпередачи тока (иногда — коэффициентом усиления по току), зависит от толщины базы ипараметров полупроводникового материала базы и для большинства Т.

близка к 1. Всякоеизменение Uбэ вызывает изменение iэ (в соответствии с вольтамперной характеристикойp—n-перехода) и, следовательно, ik.В транзисторных схемах источник сигнала может включаться в цепь базы или эмиттера,нагрузка – в цепь коллектора или эмиттера, а третий электрод транзистора оказываетсяобщим для входной и выходной цепи.рис.1В зависимости от того, какой электрод транзистора оказывается общим, различают схемыОЭ (с общим эмиттером), ОБ(с общей базой) и ОК (с общим коллектором), показанные нарис.

1 и рис.2В этих схемах конденсаторы С1 и С2 служат для связи каскада с источником сигнала инагрузкой на переменном токе и исключают в то же время влияние источника сигнала инагрузки на режим работы каскада по постоянному току. Резисторы R1, R2, Rк и Rэобеспечивают выбранный режим работы транзистора в активной области, т.е. выбранноеположение рабочей точки на вольт -амперных характеристиках транзистора. КонденсаторС3 выполняет роль блокировочного конденсатора, исключая из работы на переменномтоке резистор Rэ (каскад ОЭ) или делитель напряжения в цепи базы R1, R2 (каскад ОБ), итем самым обеспечивает присоединение эмиттера (базы) к общей точке схемы.рис.2Принципиальные схемы каскадов: а) ОЭ, б) ОБ, в)ОКДля анализа транзисторных схем важно знать, как связаныэлектродные токи и напряжения между выводамитранзистора, т.е.

знать вольт -амперные характеристики.При анализе каскада ОЭ удобно пользоватьсязависимостями I б  f 1 (U бэ ,U кэ ) и I к  f 2 (U кэ , I б ) . Первыеиз них называются семейством входных, а вторые –семейством выходных характеристик. Их типичный видприведен на рис. 3. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянномутоку и выбранная на ней рабочая точка транзистора А с координатами I КА ,U КЭА , I бА ,которая отображена также на семействе входных характеристик и имеет координатыI бА ,U бэА , I кэА .

Для построенной нагрузочной прямой I к  ( Е К  U КЭ ) ( R К  R Э ) (рис.3а)транзистор будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне I КО  I бН . Вусилительных схемах транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переходсмещен прямо (для p-n-p транзистора U БЭ  0 ), а коллекторный – обратно ( U БК  0 ). Приэтом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродов связанымежду собой через статические коэффициенты передачи по току транзистора B и B  I К / I Б , B  1  I Э / I Б ,   I К I Э , откуда следует, что B   (1   ),   B B  1 .а) выходная характеристика транзисторав) передаточная характеристикаб) входная характеристика транзистораг) переходная характеристикаРис.

3. Статические вольт- амперные характеристики транзистора: а) выходные,б) входныеРис. 4. МалосигнальнаяТ-образная эквивалентнаясхема транзистораРис. 5 Эквивалентная схема каскада ОЭдля диапазона средних частотДля оценки параметров усилителя его принципиальную схему преобразуют вэквивалентную, в которой транзистор замещается своей малосигнальной эквивалентнойсхемой рис. 4.Нас интересуют формулы для K U , K i , K p , R вх иR вых в диапазоне средних частот. На этихчастотах можно не учитывать частотную зависимость коэффициента передачи по току иемкость C КЭ (она отбрасывается). Емкости конденсаторов С1, С2 и С3 выбираютнастолько большим, чтобы на средних частотах их сопротивление было пренебрежимомалым по сравнению с суммарным сопротивлением окружающих их резисторов. Поэтомув эквивалентной схеме на рис.

5 они представлены коротко-замкнутыми ветвями. То жеотносится и к источнику питания E K , так как схема на рис. 5 справедлива только дляпеременных составляющих токов и напряжений. С учетом сказанного резисторы R 1 и R 2 ,так же как и резисторы R K и R H ( R H - нагрузка, подключаемая к выходным клеммамусилителя), оказываются соединенными параллельно.ПараСхема включения транзистораметрОЭОБОКR вхТрRвхR вхТр // R бRбKiR б  R вхТрBRKuRвыхB 1BR ЭRKRK  RHBRR вхТрR Г  rб  r ЭR Г  R в хТр/KHR вхТр~ RKR Г  rб  r Э/GRKR Э  R вхТр B  1 R K  R HKH~ RKR// R ЭвхТрRR б ( B  1) R Эб/ R вхТр  ( B  1) R ЭН  R Э  R Н B  1R ЭНR вхТр   B  1R ЭН/R Г  rб R Э // rЭ B1R Г  rб  rЭ  R ЭН/R Г  B  1   R в хТр  B  1  R ЭН // R б/R Г  R в хТр   B  1  R ЭН/.

Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют R б  R1 // R 2 и R KH  R K // R H . Аналогичноможно получить эквивалентные для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентнымсхемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, методконтурных токов), можно получить приближенные формулы для оценки основныхпараметров усилительных каскадов, представленные в таблице. В этих формулах/R ЭН  R Э // R Н , R вхТРОЭ  rб  rэ ( В  1) , где rэ  26 мВ / I ЭА , R Г  R Г R б /( R Г  R б ), а R Г –внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем К Р  K U K i .рис.6Рис.8рис.7АЧХ.Верхняя граничная частота полосы пропускания (наэтой частоте U вых в 2 раза меньше, чем на среднейчастоте) транзисторного каскада зависит отпараметров транзистора f h 21 б , B , C K , rб и rЭ ,нагрузки R Н , С Н , внутреннего сопротивленияисточника сигнала R Г и схемы включениятранзистора. Для любого усилительного каскада1f в  ( 2 в ) , где  в  G  в  C КЭ R КН   С Н R KH .

Впоследней формуле B   B  12 f h 21 б , C KЭ  С K ( B  1) , а коэффициентG для каждой схемы включения транзисторавычисляют по формулам таблицы.Описание макетаИсследуемая в работе схемапредставлена на рис. 9. С помощьюпереключателей расположенных напередней панели лабораторнойустановки, можно путемсоответствующей коммутацииэмиттерной, базовой и коллекторнойцепей транзистора собрать любой из трехусилительных каскадов (ОЭ, ОБ или ОК).Для оценки входного тока усилителяслужат измерительные резисторы R1(ОЭ,рис.9 Схема макета.ОК) и R6 (ОБ). При этом i вх  (U Г  U вх ) R изм , где U Г - напряжение на клеммахгенератора, U вх - напряжение на входе усилителя (за измерительным резистором).При оценке выходного сопротивления усилителя R вых  U выхХХ / i выхКз будем считать, чтохолостой ход на выходе усилителя возникает, если установить R Н  R Нмакс , а режимкороткого замыкания - при R Н  R Нмин , так как других возможностей даннаялабораторная установка не предоставляет.Питание усилительного каскада осуществляется от источника G1, напряжение на выходекоторого устанавливают 10 В.В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотный транзистор МП42А( ( f h 21 б  1  3 мГц , В  30  50 , rб  200 Ом , С К  30 пФ , Р КМакс  200 мВт ) .Резисторы иконденсаторы имеют следующие номиналы: R1=1кОм; R2=11кОм; R3=5,1кОм;R4=R5=R9=3,6кОм; R6=47Ом; R7=20 Ом; R8=510 Ом; R10=10кОм;C1=C2=C3=20,0мкФ.МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХВ EWB -5.12 pro.Схему начинают создавать странзистора, щелкнув мышкойпо транзистору,выбираем любой реальныйтранзистор из библиотеки ,входят в режим редактирования Edit и в соответствиисо справочными данными изменяютпараметры ,далее кнопку Rename,OK-транзистор готов.ток насыщениякоэффициент усилениякоэффициент усиления при инверсном вкл.объемное сопротивление базысопротивление эмиттерасопротивление коллектораемкость на подложкеемкость эмиттерного переходаемкость коллекторного переходапотенциал база-эмиттерпотенциал база-коллекторвремя переноса заряда через базувремя переноса заряда через базу винверсном включениикоэффициенты плавности эм.