Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

Politechniki Wrocławskiej

STUDIA DZIENNE

Ćwiczenie nr 4

Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

1. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania:

1. złącze p-n,

2. budowa tranzystora bipolarnego i zjawiska fizyczne w nim występujące związane z transportem nośników prądu,

3. polaryzacja złącz w tranzystorze dla różnych rodzajów pracy,

4. układy pracy tranzystora: OB(WB),OE (WE), OC(WC), wzmocnienie prądowe,

5. małosygnałowe parametry czwórnikowe typu [h].

2. Program zajęć

1. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora w układzie WE.

2. Pomiar charakterystyki wejściowej i przejściowej tranzystora w układzie WE.

3. Obliczenie parametrów h badanego tranzystora w wybranym punkcie pracy i opracowanie małosygnałowego schematu zastępczego.

4. Obliczenie wzmocnienia prądowego, wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia mocy wzmacniacza wykorzystującego badany tranzystor w przyjętym punkcie pracy.

3. Literatura

Wykład

W.Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

A.Świt, J.Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe

Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą

urządzeń elektrycznych.

Podstawowe układy pracy i zasady polaryzacji stałoprądowej tranzystora bipolarnego

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego npn

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego pnp

Tranzystor bipolarny ma trzy wyprowadzenia (końcówki), dlatego w układzie czwórnika jedna elektroda musi być wspólna dla obwodu wejściowego i obwodu wyjściowego. Wyróżniamy trzy podstawowe układy pracy tranzystora:

Układ ze wspólną bazą WB Układ ze wspólnym emiterem WE Układ ze wspólnym kolektorem WC

Każdy z tych trzech podstawowych układów pracy charakteryzuje się innymi wartościami parametrów takich jak (patrz wykład):

• rezystancja wejściowa

• rezystancja wyjściowa

• wzmocnienie prądowe

• wzmocnienie napięciowe

W zależności od kierunku polaryzacji (przewodzenia czy zaporowy) złącz emiter-baza i złącz kolektor-baza wyróżniamy następujące stany pracy tranzystora bipolarnego (przykładowo połączono układ WB)

• stan nasycenia: oba złącza spolaryzowane w kierunku przewodzenia

• stan aktywny: emiter-baza kierunek przewodzenia

kolektor-baza kierunek zaporowy

• stan odcięcia: oba złącza spolaryzowane w kierunku zaporowym

Charakterystyki stałoprądowe tranzystora bipolarnego

Na rysunkach 1 ÷ 3 przedstawiono rodziny charakterystyk stałoprądowych tranzystora bipolarnego n-p-n dla układu WE:

• charakterystyki wyjściowe I_C=f(U_CE) przy I_b=const

• charakterystyki przejściowe I_C=f(I_B) przy U_CE=const

• charakterystyki wejściowe U_BE=f(I_B) przy U_CE=const

Na charakterystyce wyjściowej naniesiono dodatkowe linie:

• rozdzielającą obszar pracy aktywnej (złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym) i obszar nasycenia (złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku przewodzenia).

• stałej mocy strat w kolektorze (hiperbola I_C=P/U_CC, P=300mW)

Ze względu na niewielki wpływ napięcia U_CE na charakterystyki wejściowe na rys. 3 umieszczono tylko jedną krzywą dla U_CE=2V.

Rys. 1. Charakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego n-p-n (BD145) w układzie WE.

Rys. 2. Charakterystyka przejściowa tranzystora bipolarnego n-p-n (BD145) w układzie WE.

Rys. 3. Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego n-p-n (BD145) w układzie WE.

Parametry małosygnałowe tranzystora bipolarnego

Charakterystyki tranzystora bipolarnego są nieliniowe. Niezależnie od liniowości (nieliniowości) charakterystyki jeżeli weźmiemy pod uwagę odpowiednio krótki jej odcinek możemy zawsze przybliżyć go linią prostą. Parametry macierzy h tranzystora są właśnie współczynnikami kierunkowymi prostych aproksymujących charakterystyki tranzystora w określonym punkcie. Parametry te opisują właściwości tranzystora np. wzmocnienie tylko w pobliżu tego punktu, Dlatego mogą być wykorzystane do obliczenia parametrów wzmacniacza małych sygnałów w określonym punkcie pracy.

W pobliżu punktu pracy tranzystor możemy rozpatrywać jak czwórnik liniowy przedstawiony na rys.4.

Rys. 4. Tranzystor w układzie WE rozpatrywany jak czwórnik liniowy (czarna skrzynka). (Indeksy przy prądach i napięciach pisane małymi literami oznaczają składowe zmienne lub małe przyrosty ).

Prądy i napięcia na zaciskach takiego układu można powiązać przy pomocy równań:

U₁=h₁₁ I₁ + h₁₂ U₂

I₂=h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂

Cztery parametry typu h opisują w pełni właściwości tranzystora dla małych sygnałów i dla małych częstotliwości przyjmują wartości rzeczywiste (dla wielkich częstotliwości będą to liczby zespolone). Zakładając kolejno I₁=0 (dla sygnałów zmiennych: rozwarcie na wejściu) i U₂=0 (dla sygnałów zmiennych: zwarcie na wyjściu) możemy obliczyć wartości parametrów h:

h₁₁=U₁/I₁ przy U₂=0

h₁₂=U₁/U₂ przy I₁=0

h₂₁=I₂/I₁ przy U₂=0

h₂₂=I₂/U₂ przy I₁=0

Parametry macierzy h dla małych częstotliwości mają prostą interpretację:

h₁₁ - rezystancja wejściowa

h₂₂ - konduktancja wyjściowa

h₂₁ - współczynnik wzmocnienia prądowego

h₁₂ - współczynnik oddziaływania wstecznego

Czarna skrzynka (czwórnik liniowy) przedstawiająca tranzystor dla małych sygnałów małej częstotliwości może być zastąpiona schematem zastępczym przedstawionym na rys. 5.

Rys. 5. Małosygnałowy schemat zastępczy tranzystora bipolarnego.

Praktyczne wskazówki do wyznaczania parametrów h:

1. Wybieramy punkt pracy ( U_CE⁰, I_C⁰ ) na charakterystyce wyjściowej tranzystora w zakresie średnich wartości napięć i prądów. Następnie zaznaczamy na charakterystyce przejściowej punkt ( I_B⁰, I_C⁰ ) i na charakterystyce wejściowej punkt ((I_B⁰, U_BE⁰ ).

2. Na poszczególnych charakterystykach wybieramy punkty w pobliżu punktu pracy i liczymy przyrosty odpowiednich prądów i napięć. Jeżeli punkty będą leżały zbyt blisko siebie to przyrosty wartości prądów lub napięć mogą być obliczone niedokładnie, z drugiej strony punkty muszą leżeć dostatecznie blisko tak aby odcinek charakterystyki leżący między nimi można było aproksymować linią prostą.

3. Odliczamy parametry h tranzystora w wybranym punkcie pracy:

h₁₁ =dU_BE/dI_B ≈ ΔU_BE/ΔI_B przy U_CE=const.

h₂₁= dI_C/I_B ≈ ΔI_C/ΔI_B przy U_CE=const.

h₂₂= dI_C/dU_CE ≈ ΔI_C/ΔU_CE przy I_B=const.

Analizując kształt charakterystyk stałoprądowych zastanów się, w jaki sposób wartości parametrów h zależą od punktu pracy.

Wartość parametru h₁₁ można obliczyć teoretycznie. Dynamiczna rezystancja złącza emiter-baza wynosi:

r_e=dU_BE/dI_E

Ponieważ dI_E=(h₂₁+1)*dI_B to:

r_e= dU_BE/ (dI_B*(h₂₁+1))

Przekształcając powyższe równanie wyznaczamy:

h₁₁= r_e*(h₂₁+1)

Korzystając z zależności na dynamiczną rezystancję złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia:

r_e=kT/q*n /I_E

Ponieważ :

h₂₁>>1

n=1

kT/q=26mV (temperatura pokojowa)

to:

h₁₁= h₂₁*26mV /I_E

Właściwości wzmacniające tranzystora bipolarnego.

Na rys. 6 przedstawiono schemat prostego wzmacniacza na tranzystorze bipolarnym.

Rys. 6. Schemat prostego wzmacniacza w układzie WE.

Dla małych sygnałów układ przedstawiony na rys. 6 można zamienić schematem zastępczym przedstawionym na rys. 7 w/g zasady:

- zasilacz jako duża pojemność zwarty do masy,

- tranzystor zastąpiony jego schematem zastępczym (Rys. 5) gdzie dla uproszenia w analizowanym układzie tranzystora pominięto wpływ parametru h₁₂, który zazwyczaj ma bardzo mała wartość.

Rys. 7. Małosygnałowy schemat zastępczy wzmacniacza.

Dla takiego układu można obliczyć wzmocnienie prądowe, wzmocnienie napięciowe i wzmocnienie mocy.

W przedstawianych poniżej zależnościach założono R_L<<h₂₂^-1 i R₁>>h_11. Pozwala to na pominięcie konduktancji wyjściowej tranzystora i rezystora polaryzującego bazę R₁.

1. Wzmocnienie prądowe k_i:

k_i=I₂/I₁

k_i=h₂₁

2. Wzmocnienie napięciowe k_u.

k_u=U₂/U₁

Jeżeli na wejście układu przyłożymy napięcie U₁ to w obwodzie wejściowym popłynie prąd I₁

I₁=U₁/h₁₁

Prąd źródła prądowego I₁*h₂₁ przepływając R_L wytwarza spadek napięcia U₂ równy:

U₂=-h₂₁*I_b *R_L

Podstawiając (1) do (2) i przekształcając otrzymane równanie, wyznaczamy wzmocnienie napięciowe:

k_u= - h₂₁* R_L/ h₁₁

3. Wzmocnienie mocy k_p

Wzmocnienie mocy jest to stosunek mocy wydzielonej w obciążeniu P₂ do mocy doprowadzonej do wejścia układu P₁

k_p= P₂/P₁

k_p=(U₂*I₂)/ (U₁*I₁)= k_i *k_u

Podstawiając zależności na k_i i k_u uzyskujemy:

k_p = R_L/ h₁₁*h₂₁ ²

Program ćwiczenia:

5. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora w układzie WE.

6. Pomiar charakterystyki wejściowej i przejściowej tranzystora w układzie WE.

7. Obliczenie parametrów h badanego tranzystora w wybranym punkcie pracy i opracowanie małosygnałowego schematu zastępczego.

8. Obliczenie wzmocnienia prądowego, wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia mocy wzmacniacza wykorzystującego badany tranzystor w przyjętym punkcie pracy.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Charakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego w układzie ze wspólnym emiterem I_C=f(U_CE) przy stałej wartości I_B.

Charakterystyki mierzymy metoda „punkt po punkcie” wykorzystując woltomierze i miliamperomierze. Montujemy układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 8. Do łączenia należy wykorzystać płytkę wzmacniacza.

Rys. 8. Schemat układu pomiarowego dla tranzystora p-n-p.

W czasie pomiaru należy zwrócić uwagę aby moc wydzielana w tranzystorze, prąd kolektora i napięcie kolektor-emiter nie przekroczyły dopuszczalnych wartości. Wartości maksymalne parametrów zależą od typu użytego tranzystora. Dla tranzystorów serii BD14? bez radiatora powinniśmy ograniczyć moc do około 500mW.

Przykładowo możemy przyjąć: 0<U_CE<10V i I_C<30mA

Kolejność postępowania:

• ustawiamy : ograniczenie prądowe zasilacza Z2 na 30mA.

U_Z1=0V

U_Z2=5V

• zwiększamy napięcie U_Z1. Powinno temu towarzyszyć pojawienie się prądu bazy i prądu kolektora. Należy zwrócić uwagę na ograniczenie prądowe zasilacza Z2. Nadmierny wzrost prądu bazy może spowodować przejście tego zasilacza w stan stabilizacji prądu.

• Ustawiamy prąd bazy przy którym prąd kolektora mieści się w średnich wartościach planowanego zakresu pomiarowego

• Zmieniając napięcie U_Z2 od 0V do przyjętej wartości maksymalnej mierzymy i zapisujemy wartości U_BE, U_CE i I_C . Punkty pomiarowe wybieramy w ten sposób aby zmierzyć charakterystykę w obszarze nasycenia (U_CE< U_BE) i pracy aktywnej (U_CE> U_BE). Dodatkowo zapisujemy dane pomiarowe w punkcie granicznym między obszarem nasycenia i pracy aktywnej.

• Zmieniamy prąd bazy o około 10-20% i powtarzamy pomiar charakterystyki wyjściowej. W zależności od sugestii prowadzącego możemy zmierzyć większą liczbę krzywych.

• Nanosimy zmierzone punkty na wykres I_C=f(U_CE) i dla lepszej przejrzystości łączymy je linią. Wyraźnie rozdzielamy obszary nasycenia i pracy aktywnej.

Na podstawie zmierzonych krzywych naszkicuj kilka następnych krzywych dla innych wartości prądu bazy.

2. Charakterystyka przejściowa I_C=f(I_B) i wejściowa U_BE=f(I_B) przy stałej wartości U_CE

Charakterystykę mierzymy w tym samym układzie pomiarowym i przy tych samych ograniczeniach jak w punkcie 1.

Kolejność postępowania:

• Ustawiamy średnią wartość U_CE (np.5V).

• Zmieniamy I_B od 0 mA do wartości przy której I_C przekracza przyjęty zakres. W każdym punkcie zapisujemy wartości I_C i U_BE. W zależności od sugestii prowadzącego zajęcia pomiar powtarzamy dla innych wartości napięcia U_CE.

• Nanosimy na wykresy uzyskane punkty pomiarowe charakterystyki wejściowej U_BE=f(I_B) i przejściowej I_C=f(I_B). Dla lepszej przejrzystości punkty należące do poszczególnych krzywych łączymy linią.

3. Wyznaczanie wartości parametrów h tranzystora w wybranym punkcie polaryzacji stałoprądowej.

Kolejność postępowania:

• Wybierz punkt pracy tranzystora i zaznacz go na narysowanych charakterystykach (ten sam punkt pracy na wszystkich charakterystykach).

• Wybierz punkty na charakterystykach w pobliżu punktu pracy i oblicz przyrosty zmiennych zależnych i niezależnych (różnice między wartościami prądów i napięć w tych punktach). Jeżeli wśród zmierzonych punktów brakuje odpowiednich, uzupełnij pomiar.

• Oblicz parametry h tranzystora w wybranym punkcie. Jeżeli charakterystyka wejściowa była zmierzona tylko dla jednej wartości U_CE brakuje danych do obliczenia parametru h₁₂ (nie obliczamy h₁₂).

• Narysuj schemat równoważny tranzystora dla małych sygnałów małej częstotliwości i zapisz odpowiednie wartości jego parametrów w wyznaczonym punkcie pracy.

4. Zadanie dodatkowe - obliczanie parametrów wzmacniacza

Kolejność postępowania:

• Przyjmij rezystancję obciążenia analizowanego wzmacniacza (np. 1kΩ.)

• Narysuj schemat zastępczy analizowanego wzmacniacza. Dodatkowo na charakterystyce wyjściowej narysuj odpowiednią prostą pracy.

• Oblicz wzmocnienia: prądowe, napięciowe i mocy wzmacniacza wykonanego na badanym tranzystorze w wybranym punkcie pracy.

1

---