Katedra przyrządów półprzewodnikowych i optoelektronicznych

Sprawozdanie z ćwiczeń

w laboratorium

Wstępu do elektroniki

Ćwiczenie Nr 2

Temat: Parametry statyczne tranzystorów bipolarnych

Data wykonania ćwiczenia – 26.03.2013r. X1

Grupa 1:

Łukasz Rojszczak 180273

Michał Bajdek 180129

Mateusz Kubsz 180229

1. Cel ćwiczenia

Podstawowym celem ćwiczenia jest poznanie statycznych charakterystyk tranzystorów bipolarnych oraz metod identyfikacji parametrów odpowiadających im modeli małosygnałowych. Aby umożliwić zapoznanie się z wpływem efektów termicznych na warunki pracy tranzystorów przewidziano pomiar charakterystyk w warunkach izotermicznych oraz w warunkach występowania efektu samonagrzewania.

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas ćwiczenia dokonaliśmy kilku serii pomiarów prądów bazy (I_B) i kolektora (I_C) oraz napięć baza-emiter (U_BE) i kolektor-emiter (U_CE), co umożliwiło wykreślenie charakterystyk tranzystora bipolarnego dla jego pracy w warunkach izotermicznych i w warunkach występowania efektu samonagrzewania. Wykreślone przez nas charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera to:

1. charakterystyka wejściowa

2. charakterystyka przejściowa

3. charakterystyka oddziaływania wstecznego

4. charakterystyka wyjściowa

Na rysunku poniżej przedstawiony jest schemat układu pomiarowego wykorzystanego w ćwiczeniu:

Rys.1. Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego w układzie OE.

Przedstawiony powyżej układ składa się z czterech mierników, dwóch amperomierzy i dwóch woltomierzy. Amperomierze M1 i M3 mierzą prądy płynące przez złącza bazy i kolektora, natomiast woltomierze M2 i M4 mierzą napięcia baza-emiter i kolektor-emiter. Ponadto układ składa się z dwóch źródeł sterowanych: napięciowego (U_CE) i prądowego (I_B).

Ćwiczenie polegało na dokonaniu serii pomiarów pozwalających wykreślić charakterystyki statyczne dwóch tranzystorów (T1 oraz T2), zarówno w warunkach izotermicznych jak i samonagrzewania. Oba tranzystory pracowały w układzie wspólnego emitera (OE). Prowadzący ćwiczenie podał nam wartości napięcia kolektor-emiter (U_CE) oraz prądu bazy (I_B), dla których mieliśmy zmierzyć charakterystyki statyczne tranzystorów.

Następnie przystąpiliśmy do wykonania pomiarów prądu I_B płynącego przez złącze bazy tranzystora, napięcia baza-emiter U_BE oraz prądu kolektora I_C dla dwóch stałych napięć kolektor-emiter: 5,3V i 8,9V. Otrzymane wyniki przedstawiają Tabela 1 i Tabela 2. Na podstawie wyników wykreśliliśmy charakterystyki wejściowe U_BE=f(I_B) (Rys.2.) oraz charakterystyki przejściowe I_C=f(I_B) (Rys.3.) tranzystora T1.

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,008	0,523	1,9	5,3
0,05	0,589	4,3	5,3
0,1	0,612	21,7	5,3
0,15	0,625	31,5	5,3
0,2	0,634	40,5	5,3
0,25	0,641	49,1	5,3
0,35	0,653	65,6	5,3
0,45	0,66	70,7	5,3
0,55	0,666	92,6	5,3
0,65	0,671	107,6	5,3
Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,008	0,526	2,8	8,9
0,05	0,589	4,7	8,9
0,1	0,62	22,9	8,9
0,15	0,623	33	8,9
0,2	0,632	43,3	8,9
0,25	0,639	52,8	8,9
0,35	0,65	70,2	8,9
0,45	0,657	87	8,9
0,55	0,662	102	8,9
0,65	0,667	116	8,9

Tabele 1 i 2. Wyniki pomiarów napięcia U_BE oraz prądu I_C dla zmieniającego się prądu bazy I_B dla stałych napięć U_CE: 5,3V(u góry) i 8,9V(na dole), w warunkach izotermicznych.

Rys.2. Charakterystyki wejściowe U_BE=f(I_B) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE, w warunkach izotermicznych.

Rys.3. Charakterystyki przejściowe I_C=f(I_B) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE, w warunkach izotermicznych.

Następnie wykonaliśmy pomiary napięcia baza-emiter U_BE i kolektor-emiter U_CE oraz prądu kolektora I_C dla stałych wartości prądu bazy I_B: 0,135mA oraz 0,155mA. Zebrane wyniki dla tranzystora T1 przedstawiają Tabela 3 oraz Tabela 4. Na podstawie tych wyników wykreślone zostały charakterystyki oddziaływania wstecznego U_BE=f(U_CE) (Rys.4.) oraz charakterystyki wyjściowe I_C=f(U_CE) (Rys.5.).

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,135	0,618	0	0
0,135	0,622	7	0,1
0,135	0,622	19,7	0,2
0,135	0,622	24,5	0,4
0,135	0,622	26,5	1
0,135	0,622	27	2
0,135	0,622	28,8	6
Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,155	0,624	0	0
0,155	0,626	8,6	0,1
0,155	0,627	20,4	0,2
0,155	0,627	24,5	0,3
0,155	0,627	27,1	0,4
0,155	0,627	29,3	0,6
0,155	0,627	30	1
0,155	0,627	30,5	2
0,155	0,627	32,5	6

Tabele 3 i 4. Wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałych wartości prądu I_B: 0,135mA i 0,155mA, w warunkach izotermicznych dla tranzystora T1.

Rys.4. Charakterystyki oddziaływania wstecznego U_BE=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE w warunkach izotermicznych.

Rys.5.Charakterystyki wyjściowe I_C=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE w warunkach izotermicznych.

Analogicznie staraliśmy się zrobić pomiary i wykresy dla tranzystora T2 jednak zabrakło nam czasu i poniżej przedstawimy jedynie charakterystyki oddziaływania wstecznego oraz wyjściową tranzystora T2 (w warunkach izotermicznych). Pomiary zostały wykonane dla tych samych wartości prądu I_B co dla tranzystora T1, czyli -0,135mA oraz -0,155mA. Wyniki naszych pomiarów przedstawiają tabele poniżej:

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
-0,135	-0,588	0	0
-0,135	-0,589	-2,5	-0,03
-0,135	-0,59	-6	-0,1
-0,135	-0,59	-9,5	-0,15
-0,135	-0,59	-10,3	-0,2
-0,135	-0,59	-10,4	-0,3
-0,135	-0,59	-10,5	-0,4
-0,135	-0,59	-10,5	-0,6
-0,135	-0,59	-10,7	-2
-0,135	-0,59	-11,1	-6
Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
-0,155	-0,593	0	0
-0,155	-0,594	-3,8	-0,05
-0,155	-0,595	-9,1	-0,1
-0,155	-0,595	-11,4	-0,15
-0,155	-0,595	-12,2	-0,2
-0,155	-0,595	-12,5	-0,4
-0,155	-0,595	-12,7	-1
-0,155	-0,595	-12,9	-2
-0,155	-0,595	-13,4	-6

Tabele 5 i 6. Wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałych wartości prądu I_B: 0,135mA i 0,155mA, w warunkach izotermicznych dla tranzystora T1.

Rys.6. Charakterystyki oddziaływania wstecznego U_BE=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T2 pracującego w układzie OE w warunkach izotermicznych.

Rys.7.Charakterystyki wyjściowe I_C=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T2 pracującego w układzie OE w warunkach izotermicznych.

Następnie wykonaliśmy serie pomiarów w warunkach samonagrzewania tranzystora T1. Pomiary te wykonaliśmy dla największych wartości parametrów I_B oraz U_CE spośród użytych w poprzedniej części ćwiczenia, czyli odpowiednio I_B = 0,155mA oraz U_CE = 8,9V . Tabela 7 zawiera wyniki pomiarów napięcia U_BE oraz prądu I_C przy zmianie prądu I_B dla stałego napięcia U_CE =8,9V w warunkach wystąpienia efektu samonagrzewania. Na Rys.8. znajdują się charakterystyki wejściowe U_BE=f(I_B), natomiast na Rys.9. charakterystyki przejściowe I_C=f(I_B) tranzystora T1. W Tabeli 8 zawarte są wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałej wartości prądu I_B=0,155mA w warunkach wystąpienia efektu samonagrzewania tranzystora T1. Rys.10. przedstawia charakterystyki oddziaływania wstecznego, a Rys.11. charakterystyki wyjściowe.

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,008	0,51	2,2	8,9
0,02	0,559	5,4	8,9
0,03	0,573	8	8,9
0,04	0,583	10,2	8,9
0,05	0,591	12,7	8,9
0,06	0,596	15,2	8,9
0,07	0,6	17,7	8,9
0,08	0,604	20,7	8,9
0,1	0,608	25,2	8,9
0,2	0,615	53	8,9
0,3	0,616	72	8,9

Tabela 7. Wyniki pomiarów napięcia U_BE oraz prądu I_C dla zmieniającego się prądu bazy I_B dla stałego napięcia U_CE =8,9V w warunkach samonagrzewania dla tranzystora T1.

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
0,155	0,622	0	0,01
0,155	0,632	2,3	0,05
0,155	0,64	8,1	0,1
0,155	0,646	15,7	0,15
0,155	0,65	20	0,2
0,155	0,65	24,9	0,3
0,155	0,65	27,3	0,4
0,155	0,65	29,4	0,6
0,155	0,65	30	0,8
0,155	0,65	30,3	1
0,155	0,633	34,6	6

Tabela 8. Wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałej wartości prądu I_B=0,155mA w warunkach samonagrzewania dla tranzystora T1.

Rys.8. Charakterystyka wejściowa U_BE=f(I_B) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE, w warunkach samonagrzewania.

Rys.9. Charakterystyka przejściowa I_C=f(I_B) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE, w warunkach samonagrzewania.

Rys.10. Charakterystyka oddziaływania wstecznego U_BE=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE w warunkach samonagrzewania.

Rys.11.Charakterystyka wyjściowa I_C=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T1 pracującego w układzie OE w warunkach samonagrzewania.

Analogicznie wykonaliśmy pomiary dla tranzystora T2, jednak i tym razem ze względu na brak czasu zdążyliśmy wykonać tylko pomiary dla charakterystyk oddziaływania wstecznego i wyjściowych. Wyniki pomiarów prezentujemy poniżej:

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
-0,135	-0,611	0	0
-0,135	-0,611	-2,5	-0,05
-0,135	-0,612	-8	-0,1
-0,135	-0,612	-9,4	-0,15
-0,135	-0,613	-10,4	-0,2
-0,135	-0,613	-10,5	-0,4
-0,135	-0,613	-10,6	-1
-0,135	-0,613	-10,9	-2
-0,135	-0,613	-11,3	-6

Tabela 9. Wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałej wartości prądu I_B=0,135mA w warunkach samonagrzewania dla tranzystora T2.

Ib [mA]	Ube [V]	Ic [mA]	Uce [V]
-0,155	-0,616	0	0
-0,155	-0,616	-3,9	-0,05
-0,155	-0,617	-8,5	-0,1
-0,155	-0,617	-12,1	-0,2
-0,155	-0,617	-12,6	-0,4
-0,155	-0,617	-12,7	-1
-0,155	-0,617	-12,9	-2
-0,155	-0,617	-13,4	-6

Tabela 10. Wyniki pomiarów prądu I_C oraz napięcia U_BE dla zmieniającego się napięcia U_CE dla stałej wartości prądu I_B=0,155mA w warunkach samonagrzewania dla tranzystora T2.

Rys.12. Charakterystyki oddziaływania wstecznego U_BE=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T2 pracującego w układzie OE w warunkach samonagrzewania.

Rys.13.Charakterystyki wyjściowe I_C=f(U_CE) tranzystora bipolarnego T2 pracującego w układzie OE w warunkach samonagrzewania.

1. Wyznaczanie na podstawie charakterystyk parametrów macierzy mieszanej typu h modelu małosygnałowego tranzystora w układzie OE:

Objaśnienie symboliki występującej w wzorach:

• h₁₁ – impedancja wejściowa tranzystora przy zwartym obwodzie wyjściowym,

• h₁₂ – współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym obwodzie wejściowym,

• h_{21 –} zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego,

• h₂₂ – rozwarciowa konduktancja wyjściowa,

• U1 i U2 – odpowiednio napięcie wejściowe i wyjściowe,

• I1 i I2 – odpowiednio prądy wejściowy i wyjściowy.

Dla tranzystora T1 warunki izotermiczne:

h₁₁=$\frac{U1}{I1}$=$\frac{2mV}{0,01mA}$= 200 Ω

h₁₂=$\frac{U1}{U2}$=$\frac{2mV}{145mV}$= 0,014

h₂₁=$\frac{I2}{I1}$=$\frac{2mA}{0,01\text{mA}}$= 200

h₂₂=$\frac{I2}{U2}$=$\frac{2mA}{376mV}$= 0,005 S

Dla tranzystora T1 warunki samonagrzewania:

h₁₁=$\frac{U1}{I1}$=$\frac{2mV}{0,002\text{mA}} = 1000\ $Ω

h₁₂=$\frac{U1}{U2}$=$\frac{2mV}{156mV} =$0,013

h₂₁=$\frac{I2}{I1}$=$\frac{2mA}{0,012\text{mA}} = 166,67$

h₂₂=$\frac{I2}{U2}$=$\frac{2mA}{335mV} = 0,006$ S

1. Wnioski.

W ćwiczeniu przeprowadziliśmy serie pomiarów napięć i prądów dla obu tranzystorów. Z wykonanych przez nas pomiarów napięć i prądów w tranzystorze wynika, że tranzystory są różnych typów komplementarnych. Tranzystor T1 jest tranzystorem bipolarnym typu NPN, czyli posiada dodatnią polaryzację napięcia bazy, natomiast tranzystor T2 jest typu PNP(ujemna polaryzacja napięcia bazy). Na wyznaczonych przez nas charakterystykach oddziaływania wstecznego widać, że napięcie baza-emiter po osiągnięciu pewnej wartości stabilizuje się dla tranzystorów pracujących w warunkach izotermicznych i jest później stałe. Natomiast dla tranzystorów pracujących w warunkach wystąpienia efektu samonagrzewania zauważyliśmy pewne spadki napięcia baza-emiter (szczególnie dobrze widać to na charakterystyce oddziaływania wstecznego tranzystora T1 w warunkach samonagrzewania (Rys.10)). Oprócz tego w ćwiczeniu wyznaczaliśmy cztery współczynniki macierzy hybrydowej tranzystora jako czwórnika h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂. Według wyznaczonych przez nas parametrów małosygnałowych tranzystora bipolarnego T1 można wywnioskować, że tranzystor pracujący w warunkach występowania efektu samonagrzewania cechuje się dużo wyższą impedancją wejściową aniżeli ten sam tranzystor pracujący w warunkach izotermicznych. Rezystancja tranzystora w warunkach samonagrzewania rośnie, współczynnik wzmocnienia prądowego maleje, więc tranzystor mniej wydajnie wzmacnia sygnał elektryczny. Dlatego należy zadbać aby tranzystory nie pracowały w zbyt wysokiej temperaturze. Reasumując wyznaczone przez nas charakterystyki przypominają charakterystyki przedstawione w instrukcji, potwierdzając tym samym teoretyczne założenia ćwiczenia.