Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе

 

 

Плоскостной транзистор (полупроводниковый триод) имеет два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода. В таком транзисторе p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев. В зависимости от типа проводимости центрального слоя различают p-n-p и n-p-n транзисторы. В данной работе будет исследоваться n-p-n транзистор.

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электродов) является входным второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.

 

 

2.1. Биполярный транзистор в усилительном режиме

 

Следует помнить, что в усилительном режиме работы транзистора его эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном, независимо от схемы включения (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1

 

 

На рисунке 2 приведены вольт-амперные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

Рисунок 2

Cтатические ВАХ снимаются при отсутствии сопротивления нагрузки в выходной цепи.

При наличии этого сопротивления говорят о динамическом режиме работы транзистора. В таком режиме изменения коллекторного тока при E_К = const и R_К = const зависят не только от изменений базового тока, но и от изменений напряжения на коллекторе. Т.о. имеем уравнение динамического режима

| U_КЭ | = | E_К | - | I_КR_К |.

Характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, называются динамическими. Они строятся на семействе статических ВАХ при заданных значениях E_К и R_К. Для построения динамической выходной характеристики схемы с ОЭ использовано уравнение динамического режима, которое представляет собой уравнение прямой .

Точка пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора. Изменяя I_Б, можно перемещать ее по нагрузочной прямой.

При анализе транзисторных схем в области нижних частот или больших времен можно представить транзистор в виде эквивалентной низкочастотной схемы. Элементы, образующие эквивалентную схему, рассматриваются как параметры транзистора. Измеряют параметры транзистора в режимах малых сигналов, которые на его криволинейных характеристиках укладываются на участках, которые можно принять за отрезки прямых линий.

На рисунке 3 изображены упрощенные схемы замещения транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.

Каждому элементу, например схемы ОБ, можно придать физический смысл: r_Э – дифференциальное (динамическое) сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении; r_Б – сопротивление базы для переменного тока примерно равно сопротивлению базы для постоянного тока; r_К – динамическое сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении.

, .

Также можно отметить дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока a и коэффициент обратной связи по напряжению m.

, .

В схеме с ОЭ коэффициент передачи по току , а сопротивление коллекторного перехода .

Нужно знать порядок величин дифференциальных параметров маломощных транзисторов: r_Э - единицы, десятки Ом; r_К - единицы МОм – сотни кОм;  - сотни кОм; b – 20 – 100; a – 0.95 – 0.99.

Рисунок 3

 

Достоинство физических параметров заключается в том, что они принадлежат транзистору как таковому и не зависят от способа его включения в схему. Недостаток – некоторые из них нельзя непосредственно измерить. На практике часто пользуются вторичными (внешними) параметрами транзистора, характеризующими его как активный линейный четырехполюсник.

Расчет параметров по конечным приращениям токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора для схемы ОЭ проводится следующим образом.

; ; ; .

Параметры h_11Э и h_12Э схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в рабочей точке А находят по формулам в соответствии со следующими графическими построениями (рисунок 3):

;

.

 

В рабочей точке А^’ на выходных характеристиках, например, так определяют параметры h_21Э и h_22Э:

;

.

 

Рисунок 3

 

При исследовании биполярного транзистора в усилительном режиме следует уяснить, что это управляемый нелинейный элемент, у которого изменение входного тока (базы) приводит к изменениям выходного тока (коллектора или эмиттера). Кроме того, биполярный транзистор является усилительным элементом, т.е. мощность, выделяемая в выходной цепи существенно больше мощности во входной цепи. Это происходит за счет энергии источников питания.

 

 

2.2. Биполярный транзистор в режиме ключа

 

 

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных и цифровых устройств. Главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме - замыкание и размыкание цепи, его усилительные свойства в этом режиме отсутствуют. Разомкнутому состоянию ключа соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), а замкнутому - режим насыщения (транзистор открыт).

Ключевой каскад содержит источник питающего напряжения, нагрузочный (в простейшем случае резистор R) и ключевые элементы. При одном состоянии ключевого элемента ток в цепи нагрузки минимален, при другом принимает максимальное значение. Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа (рисунок 4).

 

                   Рисунок 4.                                                 Рисунок 5.

 

Ключ К замыкается и размыкается под действием внешней силы Р. Сопротивление идеального ключа в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом - бесконечности, то есть его вольт-амперная характеристика (ВАХ) совпадает с осями координат (рисунок 5). В действительности даже механический ключ (рубильник, выключатель) является неидеальным. Он имеет сопротивление r во включенном и конечное сопротивление утечки R в выключенном состоянии. ВАХ такого ключа уже не совпадает с осями координат, а имеет угол наклона к осям (рисунок 6). Существенным отличием электронных ключей является смещение их ВАХ относительно начала координат на величину I_Р и U_З соответственно, где I_Р - ток разомкнутого ключа (остаточный ток), а U_З падение напряжения (остаточное напряжение) в замкнутом состоянии ключа (рисунок 7).

 

 

                      Рисунок 6                                         Рисунок 7

 

 

Принципиальная схема транзисторного ключа ОЭ изображена на рисунке 8. Здесь входной управляющий сигнал E_Б, задающий базовый ток транзистора, играет ту же роль, что и сила P в схеме на рисунке 4, а сам транзистор VТ1 играет роль ключевого элемента К. Управляемой является коллекторная цепь с источником питания Е_К и нагрузкой в виде R_К. Транзистор n-p-n - типа включен по схеме с общим эмиттером. При действии отрицательного сигнала транзистор запирается, а при действии положительного может входить в режим насыщения, если оба перехода транзистора будут находиться в прямом включении.

 

Рисунок 8

 

На выходной характеристике транзистора (рисунок 9) запертое состояние транзистора (режим отсечки) отмечен зоной РО, а режим насыщения зоной РН. Между ними находится зона усилительного режима.

 

 

 

Рисунок 9

 

Рассмотрим сначала режим отсечки транзистора в схеме простейшего ТК (рисунок 8). В этом режиме оба перехода смещены в обратном направлении и, как уже отмечалось ранее, для его запертого состояния необходимо подать отрицательный сигнал. Мы получим режим глубокой отсечки.

Эквивалентная схема ТК для данного режима представлена на рисунке 10. Ток транзистора (как входной, так и выходной) мал и равен I_Ко. Этот ток является остаточным током и протекает от источника E_К через сопротивление R_К, коллекторный переход запертого транзистора, сопротивление R_Б к источнику сигнала E_Б. Протекание через нагрузку теплового тока I_Ко связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_К от источника питания.

Условие запирания транзистора в этой схеме имеет вид U_БЭ£0. Из рисунка 10 видно:

U_БЭ = E_Б - I_Ко R_Б £ 0 (из второго закона Кирхгофа),

отсюда

R_Б  E_Б / I_{Ко max},

т.к. условие U_БЭ £0 должно выполняться на максимальной температуре, когда I_Ко = I _{Ко max}.

 

 

 

Рисунок 10

 

Это условие надежного запирания транзистора. Используя схему замещения (рисунок 10), можно найти токи транзистора и напряжения:

I_Б = - I_К0;  U _БЭ = - E_Б + I_К0 R_Б;

I_К = I_К0;    U _КЭ = E_К - I_К0 R_К;

I _Э = 0.

Как видно из рисунка 9, режим глубокой отсечки отображен рабочей точкой 1 на характеристиках транзистора. Режим отсечки сохраняется также, когда U_БЭ = 0 и заканчивается в рабочей точке 2, когда при изменении полярности Е_Б на обратную (Е_Б > 0), U_БЭ>0, но I_Б = 0. Далее транзистор входит в усилительный режим и по мере увеличения E_Б  получаются все большие токи I_Б1, I_Б3, I_Б4. Эти токи обуславливают координаты рабочих точек усилительного режима в семействах характеристик транзисторов.

На выходных характеристиках транзистора нанесена также зависимость I_Э» I_К = . Пересечение данной входной характеристики с нагрузочной прямой (точка 3) показывает, что при I_Б5 значения U_КЭ и U_БЭ равны. Последнее означает, что коллекторный переход открывается при увеличении I_Б по сравнению с I_Б5, т.е. транзистор входит в режим насыщения. Таким образом, I_Б5=I_БН, а условием формирования РН является I_Б ³ I_БН.

В точке 3 при токе базы I_б5, напряжения U_КЭ и U_БЭ становятся равными U_КН; инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остается далее практически неизменным. Такой максимальный ток коллектора называют током насыщения и обозначают I_КН.

Как видно из рисунка 8:

I_КН = (E_К - U_КН)/R_К,

где U_КН - остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии. Остаточное напряжение U_КН, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с E_К расчет тока I_КН открытого транзистора проводится по формуле:

I_КН = E_К / R_К.

Эквивалентная схема каскада в режиме насыщения показана на рисунке 11.

 

Рисунок 11

Для нее принято допущение – падение напряжения на переходах транзистора практически равны 0, т.е. транзистор стянут в точку. Так как условием насыщения является неравенство

 

I_Б ³ I_БН. = I_КН / b, а I_Б = Е_К / R_Б, I_КН = Е_К / R_К,

 

то можно получить

 и .