Elektronikawzad49

w. Ciotki - ELEKTRONIKA W ZADANIACH

Część 2. Analiza wpływu zmian Icmpenrtwy iu jnuce układów półprzewodnikowych

Zadanie 2.3

Rys. 2J.1

Dla tranzystora krzemowego    pracującego w

układzie jak na rysunku 2.3.1 przyjąć, że w temperaturze T₀ = 300 K:

-    prąd bazy jest dostarczany przez źródło prądowe i wynosi I_B = 0.648 mA, a spadek napięcia U_BE wynosi 0,6 V;

-    prąd zerowy I_Cbo tranzystora wynosi 100 nA;

- współczynnik wzmocnienia    prądowego w układzie wspólnego emitera wynosi 0= 50.

Przy zmianach temperatur}' otoczenia w zakresie kilkudziesięciu stopni można przyjąć, że:

prąd źródła polaryzacji bazy nie zmienia się, czyli AIb = 0

-    spadek napięcia U_BE maleje o 2,5 mV przy wnoście temperatury o I K;

-    temperatura podwojenia prądu zerowego Icbo wynosi 7.5 K;

-    współczynnik wzmocnienia (3 przy wzroście temperatury o 1 K. rośnie o 1 % swojej wartości w temperaturze To.

Przy powyższych założeniach należy:

1.    wyznaczyć punkt pracy tranzystora określony przez wartości prądu kolektora Ic i napięcia kolektor-cmitcr Uce w temperaturze To\

2.    określić zmiany prądu kolektora Ic i napięcia kolektor-emiter Uce odpowiadające wzrostowi temperatury do wartości T, - 330 K

3.    przeanalizować wpływ wartości Re na stabilność położenia punktu pracy tranzystora przy zmianach temperatury.

Rozwiązanie 1

Ad 1. Znając prąd bazy' możemy bezpośrednio obliczyć wartości prądów i wywołanych przez nie spadków napięć, przy założeniu że tranzystor znajduje się w stanic aktywnym:

/c = j6 Ib + (P + DIcbo = 50 • 0,648 mA + 51 • 100 nA = 32,4 mA; (2.3.J) Ic He = 32.4 mA ■ 0,1 kft = 3,24 V;

h = (P + I)(I_B + Icbo) = 51 - 0,648 mA = 33,1 mA;    (2.3.2)

I_E H_e = 33,1 mA -0,1 kn = 3,31 V Poszukiwana wartość napięcia Uce wynosi:

Uce = E_cc - h • Re - Ic ■ /?c= (10 - 3,31 - 3,24) V = 3,45 V    (2.3.3)

Tranzystor w temperaturze To znajduje się zatem rzeczywiście w stanic aktywnymi, czy li wykonane obliczenia są poprawne.

Ad 2. W temperaturze T, = 330 K (57 °C):

-    zmniejszenie spadku napięcia U_BE o wartość 30 K • 2,5 mV/K, czyli o 75 mV nie wpływa na uzyskane wyniki (Ubp. nie występuje w powyższych zależnościach, zaś patrząc na układ stwierdzimy, że SPM wymusi stałą wartość prądu bazy niezależnie od wartości U be).

-    prąd zerowy (podwajający się przy wzroście temperatury co 7,5 K) osiągnie wartość:

^cboou)) ~    ^    = 2 • IcBouotn = 16 • 0,1 pA = 1,6 pA

czyli jego przyrost wyniesie AIcbo = 1,5 pA

-    współczynnik wzmocnienia prądowego p przy wzroście temperatury o 30 K wzrośnie o 30% swojej wartości początkowej czyli o A/J= 15, a więc wyniesie P330 ⁼ Pm ⁺ Ap = 50 + 15 = 65.

Podstawiając nowe wartości parametrów do wyrażeń (2.3.1) i (2.3.2) otrzymamy:

Ic = P Ib + (P+l)lcno = 65 • 0,648 mA + 66 ■ 100 nA = 42,13 mA;

Ic • /?c=42,13 mA • 0,1 kfl = 4,21 V;

U = (P+I) (Ib+Icbo) = 66 ■ 0,648 mA = 42,77 mA; l_E-Rr. = 42,11 mA • 0,1 kfl = 4,28V Poszukiwana wartość napięcia Uce (wyrażenie 2.3.3) wynosi więc:

Uce = Ecc - Ił ■ Rb - Ic ■ Rc= (10- 4.21 - 4,28) V = 1,51 V Tranzystor w temperaturze Ti znajduje się nadal w stanic aktywnym, chociaż w wyniku wzrostu prądu o Alc = Al_E = 9,7 mA napięcie Uce zmniejszyło się o prawie 2 V, czyli o ponad połowę. Ten wynik wskazuje, że w temperaturze około 350 K nasz tranzystor znajdowałby się już w' stanie nasycenia.

^Rc

mon

100Ł1

tooa

Rys. 2.3.4

Ad 3. W stałej temperaturze zmiana wartości rezystancji Re nic wpływa na prądy kolektora i emitera (dopóki tranzystor pozostaje w stanie aktywnym). Przy stałym potencjale kolektora zmienia się wtedy tylko spadek napięcia 1e Re, a zatem napięcie Uce■ Jeśli zostanie włączony zbyt duży rezystor Re wzrost spadku napięcia Ie • Re może spowodować, że tranzystor w^rejdzie w stan nasycenia.

Dla określonej wartości Re w- zmieniającej się temperaturze, przy wymuszonym przez SPM prądzie bazy o stałej wartości zmianom ulegają wartości prądów kolektora i emitera, co odbija się na wartości napięcia Uce- Przy dużej wartości rezystancji Re i rosnącej temperaturze wzrost spadków napięcia Ie ■ Rf. oraz Ic • Rc może spowodować, że tranzystor wejdzie w stan nasycenia. Ilościowo te efekty są rozpatrzone poniżej w rozwiązaniu 2.

Rozwiązanie 2

Ad 2. Schemat zastępczy analizowanego układu dla zmian temperatury przedstawia rysunek 2.3.2. Podobnie jak w poprzednich zadaniach przyjęto, że napięcie zasilające pozostaje przy zmianach temperatury stałe (AUz = 0), a zatem koniec