AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA w BYDGOSZCZY

Instytut Telekomunikacji i Elektrotechniki

Zakład Podstaw Elektrotechniki Nazwisko i Imię:

1. Arkadiusz Ziółkowski

Laboratorium Elementów i Układów Elektronicznych 2. Romuald Jaworski

Nr ćwiczenia: II

Temat: Tranzystor bipolarny jako element Nr grupy: J3 Semestr:III

wzmacniający w układzie WE.

Data wykonania: Data oddania: Ocena: Instytut TiE

96-03-22 96-03-29

1.Cel ćwiczenia:

Poznanie właściwości wzmacniających tranzystora bipolarnego.

2.Spis przyrządów:

* tranzystor bipolarny n-p-n: BC 109,

* Vc -woltomierze cyfrowe typ VC-541,

* generator przebiegu sinusoidalnego,

* zasilacz stabiloizowany,

* mA mikroamperomierz oraz mA miliamperomierz ME kl.0.5,

3.Pomiar ch-styk statycznych dla WE:

3.1 Układ pomiarowy:

Ic

R_B

I_B BC 109 U_CC=12V

V_BE V_CE

U_B

3.2 Rodzina ch-styk wyjściowych:

3.2.1 Tabela wyników:

IB [mA]	UCE [V]	0,2	0,3	0,5	0,8	1,0	3,0	5,0	6,0	8,0	10,0
10,0		1,68	2,72	1,74	1,74	1,75	1,78	1,82	1,84	1,90	1,92
20,0	IC [mA]	3,20	3,50	3,60	3,60	3,63	3,72	3,80	3,84	3,94	4,08
30,0		5,02	6,20	6,30	6,36	6,38	6,62	6,88	6,98	7,30	8,02
40,0		7,20	7,78	8,75	8,78	8,80	9,00	9,25	9,40	9,82	10,50
50,0		9,20	11,00	11,02	11,02	11,02	11,60	12,00	12,02	13,000	13,25

3.2.2 O charakterystykach:

Zdejmowaliśmy ch-ki wyjściowe tranzystora bipolarnego (n-p-n) I_C=f(U_CE) |I_B=const ,w układzie wspólnego emitera.Ch-ki statyczne to wykreślne przedstawienie wielkości zależnej w f-kcji jednej z dwóch wielkości niezależnych, przy czym ta druga wielkość niezależna występuje jako parametr. Rodzinę wszystkich ch-styk statycznych otrzymujemy traktując tranzystor jako czwórnik nieliniowy, w którym jedna końcówka jest wspólna . Zgodnie z prawami teorii obwodów każdy czwórnik można opisać parametrami [Z], [Y], [A], [B], [H], [F]. Opisując działanie tranzystora interesujemy się jego właściwościami wzmacniającymi, a więc np. jak jego napięcie wejściowe oddziaływuje na prąd wyjścia. Zależność U_we oraz prądu I_wyj od innych paranetrów pokazują parametry [H]. Dla tego są one najczęstrzą formą opisu tranzystora jako czwórnika:

I₁ I₂

U₁ U₂

Oto równania:

U₁=H₁₁I₁+H₁₂U₂ gdzie: U₁=U_BE oraz I₁=I_B

I₂= H₂₁I₁+H₂₂U₂ U₂=U_CE I₂=I_C

Mamy zatem następujące możliwości funkcji (charakterystyk):

- wejściowa: U₁=f(I₁) |U₂=const

- zwrotna: U₁=f(U₂) |I₁=const

- przejściowa: I₂=f(I₁) |U₂=const

- wyjściowa: I₂=f(U₁) |I₁=const

Można je wyznaczać analitycznie poługując się tzw.medelem Ebersa-Molla, gdzie ch-ki opisują następujące równania:

przejściową i wyjściową:

(*) I_C=l_NI_E-I_CBO [exp(U_CB/U_T)-1]

wejściową i zwrotną:

(**) U_EB=U_T ln{1+I_E/I_EBO+l_RI_CBO/I_EBO [exp(U_CB/U_T)-1]}

przy założeniach dla układu WE:

|U_EB|=| U_BE| oraz | U_CB|=| U_CE -U_BE |

Jest to jednak metoda nieracjonalna. W naszym ćwiczeniu, badając rodzinę ch-k wyjsciowych, posługiwaliśmy się metodą doświadczalną - pomiarem.

Kształt tych ch-k postaram się wyjaśnić na podstawie opisu działania tranzystora w układzie WE.

Ie -prąd emitera,

Ine - strumień elektronów wstrzyknięty do bazy, Inc=an*Ie

Inc - strumień , który dotarłdo bazy,

Icbo - prąd zerowy przez złącze C-B (elektrony z B do C)

Ipe -dzury z emitera do bazy,

I reb - prąd rekombinacji do emitera,

Irb - prąd rekombinacji bazy,

I cbo - prąd zerowy złącza C-B (dziury z C do B).

Uwaga! Krój normalny oznacza prąd elektronów , kursywa dziury!

Dla U_CE=0V (działa tylko źródło U_BE , natomiast U_CE stanowi zwarcie)oba złącza są w stanie przewodzenia (nasycenie- Ic mały). Gdy U_CE zaczyna wzrastać tranzystor wychodzi z nasycenia (CE polaryzowane zaporowo). Stan nasyc. od aktywnego oddziela napięcie saturacji: U_{CE SAT}=U_BE=U_CE. Ch-ki zaczyna opisywać zależność:

I_C=bI_B

Wykresy charakterystyk w zakresie nasycenia unoszą się nieco do góry. Dzieje się tak na skutek zjawiska Earlego tzn. wzrostowi U_CE towarzyszy malenie efektywnej szerokości bazy w_b. Rośnie wtedy sprawność transportu nośników prez bazę l_b ,co powoduje wzrost wzmocnienia prądowego l_N a więc i b= l_N/(1- l_N).

3.3 Rodzina ch-styk wejściowych:

3.3.1 Tabela wyników:

UCE[V]	IB [mA]	0,0	5,0	10,0	15,0	20,0	25,0	30,0	40,0	50,0
0,0	UBE[V]	0,0	0,54	0,57	0,58	0,59	0,60	0,606	0,61	0,62
2,0		0,00	0,63	0,658	0,67	0,68	0,688	0,69	0,70	0,71

3.3.2 O charakterystykach:

Ch-ki te U_BE= f(I_B)_{_} są logatytmiczną zależnością przy ustalonym U_CE. Wpływ parametru U_CE na rodzinę

ch-styk wejściowych można wyjaśnić pamiętając, że | U_CB|=| U_CE -U_BE |. Zatem przy ustalonym U_BE wzrostowi U_CE musi

towarzyszyć wzrost |U_CB|, co pomniejsza efektywną szerokość bazy (zjawisko Earlego) wskutek czego maleje współczynnik rekombinacji nośników w bazie, a więc i prąd bazy I_B (bo tu prąd bazy to prąđ rekombinacji).

Ciekawą rzeczą jest możliwy do wystąpienia fakt nieprzechodzenia ch-k wejściowych przez początek układu współrzędnych (dla U_BE=0V występuje pewien prąd bazy). Dzieje się tak na skutek istnienia napięcie U_CB wywołującego prąd zwrotny I_EC0 , który odkładając spadek napięcia na rezystancji rozproszenia bazy r_bb' podpolaryzowyje złącze E-B w kierunku przewodzenia (I_B zaczyna płynąć).

3.4 Wyznaczenie zwarciowych wspłczynników wzmocnienia prądowego:

* dla układu WE : I_C=bI_B+(b+1)I_CB0 , stąd w prybliżeniu b_N= I_C /I_B

Obliczenia:

b₁=1,9mA/0,010mA=190

b₂ =3,8mA/0,020mA=190

b₃ =6,7mA/0,030mA=223

b₄ =9,4mA/0,040mA=253

b₅ =10,1mA/0,050mA=202

Srednia wartość b:

Współczynniki b i l wiąże ze sobą zależność: l=b/(b+1) stąd obliczona wartość: l=211,6/112,6=0,995

4. Ch-ka przejśćiowa: U_CE=f(U_BE)

4.1 Schemat pomiatowy:

R_C

U_CC=12V

R_B

I_B

U_BE U_CE

Uwe

4.1.2 Tabela pomiarowa:

UBE	0,00	0,255	0,496	0,600	0,628	0,649	0,675	0,690
UCE	12,31	12,33	12,32	12,05	11,74	10,96	8,12	4,60

4.1.3 O wynikach:

Napięcie U_BE maleje przy wzroście U_CE. Fakt ten powoduje tzw.II przypadek zjawiska Earlego. Mianowicie utrzymaniu stałego gradientu nośników nadmiarowych w bazie grad[n_b(x)]=cont (I_B=const) musi towarzyszyć (przy zmaleniu jej efektywnej szerokości, ponieważ U_CB wzrosło) zmalenie U_BE. Poniewż wiemy,że:

n_b(x)=n_poexp(U_EB/U_T)

Należy nadmienić, że owo oddziaływanie zwrotne jest silniejsze w układzie WE niż WB , ponieważ w WE część napięcia U_CE odkłada się na złączu EB.

5. Tranzystorowy stopień wzmac.

5.1Układ pomiarowy:

R_C

~V_O U_CC=12V

R_B

I_B

V₀ U_CE

U_B C_s

5.2 Spostrzeżenia:

Ze względu na efekt wzmacniania konieczne jest aby jedną z końcówek wyjściowych tranzystora był kolektor.

Daje to nam trzy możliwości jego polaryzacji: WB, WE, WC. Oto ich własności:

Cecha	WE	WB	WC
Rwe	mała	mała	b.duża
Rwyj	średnia	b.duża	mała
KI	duże(prawie jak w WC)	<1	duże
KU	największe	duże (prawie jak w WE)	<1
KP	największe (kilka tys.)	średnie (kilkaset)	najmniejsze (kilkadzesiąt)
faza Uwyj	odwrócona	zgodna	zgodna

Widać stąd , że nalepsze właściwości jako wzmacniacz posiada badany przez nas w tym podpunkcie układ WE. Jego duże wzmocnienie prądowe i napięciowe , a co za tym idzie największe wzmocnienie mocy wynika z odpowiednich wartości przyjmowanych przez jego rezystancie wejściową i wyjściową (co ukazała tabelka). Gdy stałoprądową polaryzacją ustalimy

punkt pracy tranzystora w tym układzie możemy sterując go małym sygnałem zmiennym wykorzystać jego właściwości wzmacniające.

I_C

I_B U_CE

u_c

t

t

U_BE e_g

W zależności od doboru p-ktu pracy możemy mieć do czynienia ze znikształceniami nieliniowymi wzmacnianego prądu

(i napięcia). Dla punktu pracy U_CE=6,080V oraz I_B1=24mA pracowaliśmy prawie w połowie prostej obciążenia. Sygnał wyj- ściowy nie był zniekształcany. Pojawiły się one dopiero po znacznym zwiekszenie amplitudy sygnału sterującego czyli U_BE.

Wtedy jednak wychodzimy z małosygnałowego opisu tranzystora i konieczne jest traktowanie go jako czwórnik nieliniowy.

Inny był natomiast mechanizm powstawania obserwowanych przez nas zniekształceń sygnału na wyjściu tranzystora przy zmianie jego p-ku pracy przez zmianę I_B na 1,8I_B1 (wredy zanotowano Uce=0,612V Ib=45mA Ube=0,660V)

lub 0,3I_B1 (co odpowiadało wartościom Uce10,32V Ib=8mA Ube=0,553V). Tu pojawiły się zniekształcenia już przy mniejszych wartościa amplitud sygnału sterującego U_BE (czyli też I_B). Przyczyna była następująca. Zmiana I_B przemieszczała nas w inny p-kt na prostej obciążenia. Gdy I_B rosło byliśmy bliżej zakresy nasycenia, o który mogły zahaczać dodatnie półokresy prądu I_B , w skutek czego były one obcinane. Dla małej wartości I_B=0,3I_B1 rzecz miała się odwtotnie. Tu p-kt pracy sąsiadował z zakresem odcięcia tranzystora. Przez co ujemne półokresy I_B wprowadzające tranzystor w ów stan były odcinane. Na wyjściu wzmacniacza obserwowano owe odcięcia szczytów ampliutud przebiegu

Uce jako odwrotne niż prądu IB. Wynika to z właściwości odwracania fazy przez układ WE.

Wszystkie opisane tu obserwacje potwierdzją `zdjęte' oscylogramy.

6.Wnioski:

Na jakiej zasadzie tranzystor wzmacnia sygnały:

R_g r_i r_o R_L

E_g U_BE U_CB

Stosunek mocy wyjściowej do wejściowej K_p:

K_p=P_Lm/P_i = I²_Cm*r_o/I²_Em*r_i = l² * r_o/r_i

Przyjmując l=1 widzymy ,że mamy tu do czynienia z transformacją dużej rezystancji wyjściowej na małą rezystancję wejściową. Stąd nazwa trans-resistor. `

Opisałem już w poprzednich adnotacjach badane ch-ki tranzystara bipolarnego i mechanizmy nimi rządzące.

Dokanana była także analiza działania wzmacniacza w układzie WE pod względem wprowadzanych zniekształceń

nieliniowych, na skutek różnego doboru p-ktu pracy. Obrębnym zagadniemiem jest stabilizacja tego p-ktu. Jak wiemy sygnałem wyjściowym jest tu prąd I_C wartość tego prądu zależy od zmian wielu czynników. Prąd I_C jest więc funkcją parametrów:

- zewnętrznych:I_C=f(U_CC,R_B ,R_C)

- wewnętrznych:I_C=f(b,I_CB0)

Do stabilizacji p-ktu pracy stosuje różne układy (różne rodzaje ujemnych spężeń zwrotnych):

* emiterowe: * kolektorowe: *układ dzielnika:

R_B R_C

R_B R_C R_B1 R_C

R_E R_E R_B2 R_E C_S

W analizie stopnia wzmacniajcego posługiwaliśmy się tzw. prostą obciążenia. Sposób jej wykreślania jest następujący:

1) znając napięcie Ucc polaryzujące tranzystor pytamy się kiedy uzuskamy je na całe na kolektorze. Oczywiście wtedy gdy nie będzie spadku napięcia na oporze Rc. To będzie miało miejsce w przypadku zerowej wartości prądu I_C. Tak zaznaczamy punkt A: I_C=0 mA , U_CE=U_CC

2) zerową wartość napięcia na kolektorze może wywołać spadek napięcia na Rc równy Ucc. Taki spadek spowodować może tylko prąd Ic=Ucc/Rc. Mamy współrzędne p-ktu B: U_CE=0V , I_C=U_CC/R_C.

Łącząc p-kty A oraz B otrzymujemy prostą obciążenia.

W zależności od położenia p-ktu pracy na prostej obciążenia wyróżniamy tzw. klasy pracy tranzystorów.

W klasie A prąd wyjściowy płynie przez cały czas trwania przebiegu zmiennego (przez cały okres).

W klasie B prąd wyjścia płynie tylko przez połowę okresu przebiegu wejściowego; przy `braku' przebiegu wejściowego prąd wyj. odpowiadający p-ktowi pracy tranzystora jest równy zero i moc traciona w tranzystorze jest zerowa. Pośrednie położenie p-ktu pracy pomiędzy klasami A i B tworzy klasę AB. W klasie C prąd wyj.

płynie w odcinku czasu mniejszym niż połowa okresu.

Oczywiście najmniejsze zniekształcenia są w klasie A, największe w C.Sprawność układu jest największa

w klasie C najmniejsza w A.

Na ch-ce wyjściowej można czytelnie zaznaczyć granice wytyczająece obszar pracy tranzystora jako wzmacniacza (zakres aktywny normalny).W zależności od polaryzacji mamy skrajne obszary:

* odcięcia: złącza emitera i kolektora zaporowo (I_C=I_C0 , U_CE=max),

* nasycenia oba złącza w kierunku przewodzenia (I_C osiąga nasycenie , U_CE=min),

Od góry natomiast ogranicza zakres aktywny tzw. hiperbola mocy.Największą dopuszczalną moc uzuskany pracyjąc na prostej obciążeia stycznej do hiperboli mocy.

I_C

U_Ce

Układ WE jest najbardziej uniersalnym układem wzmacniającym i inwerterem fazy.

7. Wykresy rodzin c

7.2 wejściowych: I_B=f(U_BE) |U_CE=const

8. Ch-ka przejściowa:

8.1 U_BE=f\(U_CE)

9. Oscylogramy:

9.1

9.2 9.3

9.Rezystancje w f-cji napięć:

9.1 R wyjściowa: r_DS=f(U_GS)

9.2 R w f-cji U_we dla układu 4.2.1

r=f(U_we)

PROTOKÓŁ

UGS [V]			UDS [V]		1,0		2,0			3,0		4,0			5,0		6,0		7,0			8,0		9,0			10,0
-0,0
-1,0			ID [mA]
-2,0
-3,0
UDS [V]			-UGS [V]		1,0		2,0			3,0		4,0			5,0		6,0		7,0			8,0		9,0			10,0
-0,0
-1,0			ID [mA]
-2,0
-3,0
UGS	UDS
	Id
UWE	UDS
	Id

---