1

Badanie tranzystora bipolarnego

Symulacja komputerowa PSPICE 9.1

www.pspice.com

Spis

ć

wicze

ń

:

1. Charakterystyka wej

ś

ciowa tranzystora bipolarnego

2. Wyznaczanie rezystancji wej

ś

ciowej

3. Rysowanie charakterystyk wyj

ś

ciowych

4. Rysowanie charakterystyki przej

ś

ciowej

1. Charakterystyka wej

ś

ciowa tranzystora bipolarnego

Opis

Tranzystor bipolarny jest trójnikiem i ma trzy ko

ń

cówki: emiter E, baz

ę

B oraz

kolektor C. W układach elektronicznych jedna ko

ń

cówka jest wspólna i dlatego

rozró

ż

niamy trzy ró

ż

ne konfiguracje układowe, czyli układy wspólnego emitera

WE, wspólnej bazy WB i wspólnego kolektora WC (inne oznaczenia: OE, OB i OC
In CE, CB i CC). Najcz

ęś

ciej wykorzystywany jest układ wspólnego emitera i

dlatego charakterystyki i podstawowe parametry tranzystora bipolarnego NPN
wyznaczmy dla tranzystora Q2N2222 pracuj

ą

cego w układzie WE. Tranzystor

bipolarny b

ę

dzie pracował w obszarze pracy aktywnej wówczas, gdy zł

ą

cze

emiterowe spolaryzujemy w kierunku przewodzenia napi

ę

ciem U

BE

> U

(TO)

, za

ś

zł

ą

cze kolektorowe spolaryzujemy w kierunku wstecznym, czyli U

CB

> 0. Warunek

ten jest spełniony, gdy napi

ę

cie kolektor-emiter jest dodatnie i ma warto

ść

wi

ę

ksz

ą

od napi

ę

cia nasycenia U

Cesat

. Poniewa

ż

oznaczenia poszczególnych

pr

ą

dów i napiec w układzie symulacyjnym inne ni

ż

w katalogach, w tabeli 1

podano zestawienie oznacze

ń

.

Tabela 1. Zestawienie oznacze

ń

dla obwodu wej

ś

ciowego tranzystora

bipolarnego w układzie wspólnego emitera

Oznaczenia

L.p.

Wielko

ść

fizyczna, parametr

Katalogowe

W prog. Probe

1

Napi

ę

cie baza – emiter , napi

ę

cie

wej

ś

ciowe

U

BE

V_V1

2

Pr

ą

d bazy, pr

ą

d wej

ś

ciowy

I

B

Ib(Q1)

3

Napi

ę

cie kolektor – emiter, napi

ę

cie

wyj

ś

ciowe

U

CE

V(Q1:c)

Sposób post

ę

powania przy rysowaniu charakterystyk wej

ś

ciowych tranzystorów

bipolarnych jest bardzo podobny do rysowania charakterystyk statycznych diod
konwencjonalnych, ale w układzie wyst

ę

puje dodatkowo napi

ę

cie zasilaj

ą

ce

obwód kolektor – emiter: podstawowe ustawienia dla analizy DC Sweep:

•

Ź

ródło V1: od –1 do 1 co 0.01,

•

Ź

ródło V2 (analiza Nested Sweep): od 5 do 20 co 5.

2

Rysunek nr 1. Schemat układu

Ć

wiczenia:

1. Narysuj charakterystyk

ę

wej

ś

ciow

ą

tranzystora Q2N2222 dla U

CE

= 0.

2. Narysuj charakterystyk

ę

wej

ś

ciow

ą

dowolnego innego tranzystora

bipolarnego.

3. Na podstawie charakterystyki wej

ś

ciowej tranzystora Q2N2222 dla I

B

= 2.5 mA

wyznacz warto

ść

temperaturowego współczynnika napi

ę

cia (jest ot zmiana

napi

ę

cia baza – emiter przypadaj

ą

ca na 1 stopie

ń

zmiany temperatury).

Porównaj j

ą

z danymi katalogowymi typowych tranzystorów małej mocy.

3

2. Wyznaczanie rezystancji wej

ś

ciowej

Rezystancja statyczna diody emiterowej w dowolnym punkcie mo

ż

e by

ć

obliczona ze stosunku warto

ś

ci napi

ę

cia baza-emiter do warto

ś

ci pr

ą

du bazy przy

stałym napi

ę

ciu kolektor-emiter:

R

BE

=

U

BE

I

B

(1)

gdzie: U

CE

= const

W katalogach rezystancja statyczna oznaczana jest przez h

11E

. W celu

narysowania wykresu zale

ż

no

ś

ci statycznej rezystancji wej

ś

ciowej od napi

ę

cia

baza-emiter po uruchomieniu symulacji w programie Probe klikamy kolejno:
Trace

→

→

→

→

Add... i w okienku Trace Expression wpisujemy V(V1:+)/IB(Q1).

Klikamy OK i otrzymujemy wykres zale

ż

no

ś

ci rezystancji statycznej diody

emiterowej do napi

ę

cia baza – emiter.

Rezystancja statyczna mo

ż

e zmienia

ć

si

ę

w bardzo du

ż

ym zakresie w

zale

ż

no

ś

ci od poło

ż

enia punktu pracy na charakterystyce, dlatego w celu

zwi

ę

kszenia dokładno

ś

ci odczytu nale

ż

y zaw

ę

zi

ć

zakres zmian napi

ę

cia baza-

emiter.

Rysunek nr 2 Schemat układu do wyznaczania rezystancji wej

ś

ciowej

Rezystancja dynamiczna diody emiterowej w pobli

ż

u pewnego punktu mo

ż

e

by

ć

obliczona ze stosunku przyrostu napi

ę

cia baza – emiter od przyrostu pr

ą

du

bazy:

r

be

= h

11e

=

∆

U

BE

∆

I

B

(2)

gdzie: U

CE

= const

4

w programie Probe klikamy kolejno: Trace

→

→

→

→

Add... i w okienku Trace

Expression wpisujemy: 1/D((IB(Q1)), co odpowiada odwrotno

ś

ci pochodnej

pr

ą

du bazy.
Zarówno rezystancja statyczna, jak i dynamiczna zale

żą

od poło

ż

enia punktu

pracy na charakterystyce i mog

ą

zmienia

ć

si

ę

w bardzo du

ż

ych granicach.

Zwi

ę

kszenie dokładno

ś

ci odczytu mo

ż

liwe jest po zaw

ęż

eniu zakresu zmian

napi

ę

cia baza – emiter.

Ć

wiczenia:

1.

Narysuj wykres zale

ż

no

ś

ci statycznej rezystancji wej

ś

ciowej tranzystora

od napi

ę

cia baza – emiter dla napi

ęć

baza – emiter zmieniaj

ą

cych si

ę

w

granicach od 300mV do 500mV

2.

Narysuj wykres zale

ż

no

ś

ci dynamicznej rezystancji wej

ś

ciowej

tranzystora od napi

ę

cia baza – emiter dla napi

ęć

baza – emiter

zmieniaj

ą

cych si

ę

w granicach od 300mV do 500mV

3.

Narysuj wykres zale

ż

no

ś

ci statycznej rezystancji wej

ś

ciowej tranzystora

od napi

ę

cia baza – emiter dla napi

ęć

baza – emiter zmieniaj

ą

cych si

ę

w

granicach od 100mV do 200mV

3. Rysowanie charakterystyk wyj

ś

ciowych

Rodzina charakterystyk wyj

ś

ciowych tranzystora bipolarnego w układzie

wspólnego emitera nazywamy zale

ż

no

ść

pr

ą

du wyj

ś

ciowego od napi

ę

cia kolektor

– emiter przy stałej warto

ś

ci pr

ą

du wej

ś

ciowego:

I

C

= f(U

CE

) | I

B

= const

(3)

Oznaczenia:
U

BE

– napi

ę

cie baza-emiter, czyli napi

ę

cie wej

ś

ciowe;

I

B

– pr

ą

d bazy, czyli pr

ą

d wej

ś

ciowy;

U

CE

– napi

ę

cie kolektor-emiter, czyli napi

ę

cie wyj

ś

ciowe;

I

C

– pr

ą

d kolektorowy, czyli pr

ą

d wyj

ś

ciowy.

Tabela nr 2. Zestawienie oznacze

ń

dla tranzystora bipolarnego w układzie

wspólnego

Emitera.

Oznaczenia

L.p.

Wielko

ść

fizyczna, parametr

Katalogowe

w prog. Probe

1

Napi

ę

cie baza-emiter, napi

ę

cie wej

ś

ciowe

U

BE

V(Ql:b)

2

Pr

ą

d bazy, pr

ą

d wej

ś

ciowy

I

B

I_I1

3

Napi

ę

cie kolektor-emiter, napi

ę

cie

wyj

ś

ciowe

U

CE

U_U1

4

Pr

ą

d kolektorowy, pr

ą

d wyj

ś

ciowy

I

c

Ic(Q1) lub

IC(Q1)

5

Zwarciowy współczynnik wzmocnienia

pr

ą

dowego

h

21E

IC(Q1)/IB(Q1)

6

Konduktancja wyj

ś

ciowa

h

22E

IC(Q1)/V(Q1:C)

5

Rysowanie rodziny charakterystyk wyj

ś

ciowych tranzystora bipolarnego

metod

ą

krok po kroku

1. Rysujemy schemat symulowanego układu zgodnie z rysunkiem nr .... W

bibliotece

ź

ródeł

ź

ródło pr

ą

dowe I1 nosi nazw

ę

ISRC, za

ś

ź

ródło napi

ę

ciowe

V1 nosi nazw

ę

VSRC.

2. Po podwójnym klikni

ę

ciu symbolu ka

ż

dego ze

ź

ródeł deklarujemy i zapisujemy

ich parametry. Dla

ź

ródła V1 przykładow

ą

warto

ść

DC = 20 V; dla

ź

ródeł

przyjmujemy DC = 10 pA.

3. Wydajemy polecenia: Analysis

→

Setup

→

DC Sweep..., a nast

ę

pnie

deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep. W tym celu w okienku DC Swep
zaznaczamy Voltage Source i Linear, w polu Name wpisujemy V1 i
deklarujemy:

•

Start Value: 0,

•

End Value: 20,

•

Increment: 0.01.

4. Klikamy Nested Sweep... i otwiera sie okno DC Nested Sweep, w którym

zaznaczamy Current Source i Linear, wpisujemy Name: I1 oraz:

•

Start Value: 0,

•

End Value: 50

µ

,

•

Increment: lO

µ

.

Zaznaczamy Enable Nested Sweep i klikamy OK. Zamykamy okno Analyst
Setup.

5. Zapisujemy schemat i klikamy przycisk uruchamiaj

ą

cy symulacje Simulate

Uwagi:

•

Nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

na strzałk

ę

w symbolu pr

ą

du - przy pobieraniu

symbolu

ź

ródła pr

ą

dowego z biblioteki strzałka skierowana jest w dół, a

wiec nale

ż

y j

ą

odwróci

ć

(po zaznaczeniu symbolu

ź

ródła dwukrotnie

wykorzystujemy klawisze Ctrl+R).

•

Umieszczenie na schemacie rezystora R1 o warto

ś

ci 1 m

Ω

nie zmienia

wyników, a umo

ż

liwia obliczanie parametrów dla napi

ęć

zmieniaj

ą

cych

si

ę

od 0 V.

6

Rysunek nr 3. Schemat układu do wyznaczania rodziny charakterystyk wyj

ś

ciowych

Do rodziny charakterystyk wyj

ś

ciowych mo

ż

emy dorysowa

ć

proste obci

ąż

enia

W tym celu w programie Probe wydajemy polecenia: Trace

→

→

→

→

Add.... W okienku

Trace Expression wpisujemy: (20-V(Q1:c))/R1, gdzie R1 oznacza warto

ść

rezystancji kolektorowej oznaczanej tradycyjnie przez Rc. Proste obci

ąż

enia

narysowa

ć

dla konkretnych rezystancji o warto

ś

ciach 1 k

Ω

, 2 k

Ω

i 5 k

Ω

.

Rysowanie hiperboli mocy dopuszczalnej

W celu narysowania hiperboli mocy dopuszczalnej w polu charakterystyk

wyj

ś

ciowych tranzystora rysujemy dodatkowy wykres opisany równaniem: P/V(Q1:c),

gdzie P oznacza moc dopuszczaln

ą

wyra

ż

on

ą

w watach [W].

Ustaw Trace

→

→

→

→

Add...

→

→

→

→

Trace Expression: 0.1/V(Q1:c).

Ć

wiczenia:

1. Narysuj rodzin

ę

charakterystyk wyj

ś

ciowych tranzystora dla pr

ą

dów bazy

zmieniaj

ą

cych si

ę

w granicach od 1 do 5

µ

A

2. Narysuj rodzin

ę

charakterystyk wyj

ś

ciowych tranzystora dla napi

ęć

kolektor –

emiter zmieniaj

ą

cych si

ę

od 0V do 5V