Исследование биполярного транзистора, включенного с общей базой

Цель работы — снятие и анализ входных и выходных характеристик транзистора, включенного с ОБ; определение по ним h-параметров (рисунок 1).

Пояснения. Биполярные транзисторы являются наиболее универсальными и распространенными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления и генерирования электрических колебаний, и имеют трехслойную р-n-р- или n-р-n-структуру (рисунок 1.1). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает с названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмиттером и коллектором. Эти транзисторы получили название биполярных потому, что перенос тока в них осуществляется носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Рисунок – 1 Функциональная схема с общей базой. Рисунок – 1.1 Структурная схема транзистора.

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода — эмиттерный П1 и коллекторный П2 — и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов UK1 и UK2, обусловливающих напряженности ЕK1 и EK2 электрических полей в них. Ширина переходов I01 и I02 ширина базовой области IБ.

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзистор может работать в трех режимах.

В активном режиме транзистор работает в усилителях, когда требуется усиление электрических сигналов с минимальным искажением из формы. При этом на эмиттерный переход подают внешнее напряжение в прямом направлений, а на коллекторный – в обратном (рисунок 2).

Рисунок – 2 Схема транзистора.

Основные носители эмиттера под действием напряжения Uэб преодолевают эмиттерный переход, а им на встречу движутся основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжектируются (впрыскиваются) в базовую область.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заряди, покинувших эмиттер). Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение UКБ, и с ускорением перебрасываются в коллектор полем перехода П2.

Таким образом, ток Iэ основных носителей, покидающих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы IБ. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомбинирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока iK. Уход дырок из эмиттера восполняется генерацией пар электрон—дырка в эмиттерной области и отводом электронов во внешнюю цепь в виде тока IБ. Расход электронов базы на рекомбинацию компенсируется их притоком в виде тока IБ.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением Iэ == Iк. + IБ, которое можно переписать в приращениях: ΔIэ = ΔIк + Δ IБ. Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмиттера) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения Uвых на нем окажется значительно больше переменного напряжения UBX входного сигнала, т. е. транзистор усиливает входной сигнал (рисунок 3,а).

В активном режиме транзистор управляется в любой момент процесса усиления, т.е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение входного.

В режиме насыщения (рисунок 3.1,в) на оба перехода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инженируется потоки основных носителей эмиттера и коллектора и сопротивление промежутка коллектор – эмиттер транзистора резко уменьшается. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рисунок 3.2,г) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные, напряжения. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного IЭбо и коллекторного IКБо переходов малы (особенно кремниевых транзисторов).

Рисунок – 3 Схема транзистора.

При включении биполярного транзистора в электрическую схему образуется две цепи: управляющая и управляемая. В управляющей цепи действует входной сигнал, который обычно подают на эмиттер или базу. В управляемой цепи (коллекторной или эмиттерной) формируется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Третий электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Широко распространены три схемы включения транзисторов: с общей базой общим эмиттерами общим коллектором (рисунок 4). Для расчета транзисторных схем используют два семейства вольт - амперных характеристик: входные и выходные.

Рисунок – 4 Схемы включения транзисторов с ОБ, ОЭ, ОК.

Входные характеристики транзистора показывают зависимости тока входного электрода от напряжения между ним и общим электродом при постоянном напряжении на выходном электроде. Для схемы с общей базой (ОБ) это зависимость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе: Iэ =  (Uэб) при  Uкб = const.

Выходные характеристики транзистора показывают зависимость тока выходного электрода от напряжения между ним и общим электродом. Снимают выходные характеристики для ряда постоянных токов входного электрода. Для схемы с ОБ это зависимости тока коллектора от напряжения между ним и базой при постоянных значениях тока эмиттера: Iк=(Uкб) при Iэ = const.

В режиме усиления малых сигналов, когда нелинейностью ВАХ можно пренебречь, транзистор, включенный с ОБ, эквивалентно представляют в виде линейного четырёхполюсника (рисунок 5), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

Δ Uэб = h11Б ΔIэ + h12БΔUкб;

ΔIк = h21БΔIэ + h22БΔUкб.

Рисунок – 5 Транзистор включенный с ОБ.

Физический смысл h -параметров транзистора состоит в следующем:

h11б — входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

h12Б — коэффициент внутренней обратной связи в режиме холостого хода на входе;

h21Б — коэффициент передачи тока в режиме короткого замыкания на выходе;

h22Б — выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Рассчитывают h-параметры для схемы с ОБ по формулам

h11Б =ΔUэб/ΔIэ при Uкб = const;                 (3)

h12Б =ΔUэб/ΔUкб при Iэ = const;                 (4)

h21Б =ΔIк/ΔIэ при Uкб = const;                    (5)

h22Б =ΔIк/ΔUкб при Iэ = const.                    (6)

Аналитический расчет h-параметров сложен и неточен. Намного проще их получают измерением или по ВАХ.

Для определения h12Б на входной характеристике, соответствующей среднему значению коллекторного напряжения, обозначают рабочую точку А (р. y) транзистора (рисунок 6,а), которая задается средними значениями входного тока Iэpy и входного напряжения Uэбpy. Через рабочую точку А (р. y) проводят касательную и строят треугольник BCD. Затем, используя формулу (3), находят

H11Б=BD/CD= ΔUэб /ΔIэ

Для определения h12Б необходимо построить две входные характеристики для двух значений напряжения на выходном электроде (рисунок 6,б). Через рабочую точку А (р. т) проводят линию Iэ = const, что соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменному току. Точки пересечения характеристик и этой линии проецируют на ось Uэб и определяют ΔUэБ. Затем, используют формулу (4), находят h12Б, приняв ΔUкб = Uкб2-Uкб1.

Для определения h21Б семейство выходных характеристик в области рабочей точки пересекают линией Uкб = const, что соответствует короткому замыканию по переменному току на выходе транзистора (рисунок 6,в). Затем по формуле (5) находят h21Б, графически определив Δ/к и вычислив ΔIэ = Iэ2— Iэ1.

Для определения h22Б (рисунок 6,г) снимают выходную характеристику для тока эмиттера Iэpy в рабочей точке, о затем находят ΔIк и ΔUкб и по формуле (6) рассчитывают h22Б.

Рисунок – 6 Схема h параметров транзистора с ОБ.

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы — снятие и анализ входных и выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ; определение по ним его h-параметров (рисунок 7).

Рисунок – 7 Функциональная схема с общим эмиттером.

Пояснения. Входными характеристиками транзистора при включении с ОЭ являются зависимости тока базы от напряжения между ней и эмиттером при постоянных напряжениях на коллекторе (рисунок 8,а): IБ = (Uбэ) при Uкэ = const.

Выходные характеристики (рисунок 8,б) представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между ним и эмиттером при постоянных токах базы Iк = f(Uкэ) при IБ = const.

Рисунок – 8 Схема транзистора.

В режиме усиления малых сигналов транзистор, включенный с ОЭ, эквивалентно представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 9), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

Рисунок – 9 Транзистор включенный с ОЭ.

ΔUбэ = h11эΔIБ+h12эUкэ;

Δ Iк = h21эΔIБ +h21эUкэ

Физический смысл h-параметров рассчитывают для схемы с ОЭ по формулам:

h11э = ΔUбэ/ΔIБ при Uкэ = const;                    (7)    

h12э = ΔUбэ/ΔUкэ при IБ = const;                    (8)

h21э = ΔIк/ΔIБ при UКЭ = const;                      (9)

h22э = ΔIк/ΔUкэ при IБ = const.                       (10)

Для определения h11э проводят через рабочую точку А (р. т), касательную к входной характеристике, и строят треугольник BCD (рисунок 10,а). Тогда, согласно формуле (7),

h11э = BD/CD = ΔUбэ / ΔIБ.

Для определения h12э выбирают две входные характеристики, снятые при двух значениях напряжений между коллектором и эмиттером (рисунок 10,б), и проводят через А (р. т) линию IБ = const, соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки пересечения этой линии с характеристиками проецируют на ось Uбэ, определяют ΔUкэ =ΔUкэ2 – ΔUкэ1, находят Uбэ и рассчитывают h12э по формуле (8).

Для определения h21э э семейство выходных характеристик вблизи А (р. т) пересекают линией Uкэ = const (рисунок 10,в), что соответствует короткому замыканию на выходе транзистора. Затем по формуле (9) рассчитывают h21э, определив графически ΔIк и ΔIБ как разность IБ2 — IБ1.

Для определения h22э выбирают из семейства выходную характеристику, снятую при IБ.р.т.

Находят приращение тока коллектора ΔIк, вызванное приращением напряжения ΔUкэ на нем при постоянном токе базы (рисунок 10,г), и по формуле (10) рассчитывают h22э.

Рабочая точка транзистора в схеме с ОЭ характеризуется следующими параметрами: IБ р.т., Uбэ.р.т,  Iк.р.т и UкЭ р.т.

Рисунок – 10 Схема h параметров транзистора с ОЭ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

Цель работы — наблюдение работы эмиттерного повторителя и его исследование в режимах передачи синусоидального и импульсного сигналов (рисунок 11).

Рисунок – 11 Функциональная схема с общим коллектором

Пояснения. В эмиттерных повторителях транзисторы включаются с ОК (рис. 71). При этом все выходное напряжение, снимаемое с резистора R₃в цепи эмиттера, действует в управляющей цепи транзистора последовательно входному напряжению и противофазно ему. Следовательно, каскад охвачен отрицательной обратной связью.

Рисунок – 12 Схема транзистора включенный с ОК. 

Коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи β= 1,т.е. обратная связь равна 100%. Отсюда коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению

Кэп - Коэ/(1+Коэ)                    (38)

Где Коэ — модуль коэффициента усиления по напряжению схемы с общим эмиттером, сопротивление нагрузки которой равно сопротивлению резистора R₃.

Из формулы (38) следует, что эмиттерный повторитель не усиливает напряжение, так как Кэп< 1 (чем больше Коэ,тем Еэпближе к единице), а лишь повторяет входной сигнал по амплитуде с некоторым ослаблением. При этом на выходе эмиттерного повторителя повторяется также фаза входного сигнала.

Эмиттерный повторитель в h21э + 1 раз усиливает ток входного сигнала и в h21э раз — его мощность. Входное сопротивление эмиттерного повторителя велико и без учета сопротивления резисторов базового делителя может быть рассчитано по следующей приближенной формуле:

 Верхний предел входного сопротивления эмиттерного повторителя RBll. эп ограничен сопротивлением гк смещенного в обратном направлении коллекторного перехода, которое для современных транзисторов составляет единицы мегаом.

Формула (39) справедлива для h21эRэ ?(0,1÷0,2).

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, лежит в пределах от долей ом для мощных транзисторов до десятков ом для маломощных и с достаточной точностью может быть определено по формуле

ЯвЫХ ЭП = 25//э.    (40)

Если ток /э выражен в миллиамперах, то сопротивление Явых.эп получают в омах. Формула (40) справедлива при токе Iэ?3 ÷ 5 мА.

Большое входное и малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей позволяют использовать их в качестве каскадов, согласующих высокоомный выход одной схемы с низкоомным входом другой или с низкоомной нагрузкой. Кроме того, их применяют для передачи сигналов без изменения формы, амплитуды и фазы, но при значительном усилении тока и мощности.