Теоретические сведения

Дифференциальные коэффициенты передачи токов транзистора

Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой определяется отношением приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении Uкб:

Поскольку в средней области значений эмиттерного тока h21Б постоянен и dh21Б / dI2 =0, то можно заключить, что d  h21Б.

Транзистор также характеризуется интегральным коэффициентом передачи тока базы в схеме с общим эмиттером, равным отношению управляемой части коллекторного тока к управляемой части базового тока:


(15)

Поскольку h21Б близок к единице, то h21э 1.

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером используются также дифференциальный коэффициент передачи тока базы.


при Uкэ = const (16)


Усилительные свойства и эквивалентная схема транзисторов по постоянному току.
Усилительное свойство транзистора заключается в том, что ток эмиттера Iэ, создаваемый источником Еэ, а также его приращения  Iэ практически целиком передаются в коллекторную цепь, где этот с соответствующими приращениями уже течет под действием ЭДС источника Ек, которая выбирается значительно большей Еэ. Мощность, потребляемая от этого источника, Рк = Iк Ек значительно превышает мощность Рэ =Iэ Еэ, затраченную на создание тока Iэ, и тока Iк  Iэ.
Таким образом, обеспечивается управление большой мощностью в коллекторной цепи при небольшой затрате мощности в эмиттерной цепи.
Оно образуется слаболегированной областью базы (порядка 100 Ом). Диоды Dэ и Dк отражают эмиттерный и коллекторный переходы. Генератор Iк = U21БIэ учитывают прямую передачу тока эмиттера в коллектор.

Вольт-амперные статические характеристики и параметры транзисторов

Транзистор имеет 3 электрода, один из которых общий и для входной цепи, и для выходной. Поэтому транзистор удобно рассматривать в виде четырехполюсника (рис.3.8.), который характеризуют входными (U1; I1) и выходными (U2; I2) напряжениями и токами. Связь между этими четырьмя величинами I1,U1,I2,U2 в общем виде можно записать:

Для характеристики четырехполюсника обычно две из этих величин берут как независимые переменные, а две другие рассматриваются как функция этих величин. Для транзистора наиболее удобно выбрать I1, U2 за независимые переменные. Тогда уравнения четырехполюсника для транзистора примут вид:

U1 = H11I1 + H12U2; I2 = H21I1 + H22U2. (17)

Эти зависимости нелинейны, что усложняет анализ работы транзисторных схем. Чаще всего расчеты проводят графическим методом, когда связь между токами и напряжениями (вольт-амперные характеристики) задаются в виде графиков. Однако в общем виде эти зависимости изображаются более или менее сложными поверхностями и пользоваться ими также неудобно. Поэтому на практике пользуются так называемыми статическими характеристиками, представляющими собой зависимости тока от напряжения одного электрода, когда напряжения или токи на других электродах поддерживаются постоянными. Задавая различные значения фиксированному напряжению (аргументу) и устанавливая каждый раз зависимость электродного тока от варьируемого аргумента, получают семейство статических электродных характеристик.

Семейства статических характеристик транзистора запишутся в виде:
U1 = f(I1) при U2 = const - входные статические характеристики,
U1 = f(U2) при - характеристики обратной передачи по напряжению,
при - характеристики прямой передачи по току,
при - статические выходные характеристики.
Из (17.) легко установить физический смысл так называемых смешанных H- параметров.

Входное сопротивление транзистора для переменной составляющей тока при коротко замкнутой выходной цепи.

Коэффициент обратной передачи по напряжению при разомкнутой входной цепи по переменному току.

Коэффициент передачи переменного тока при коротком замыкании выходной цепи.

Выходная проводимость при разомкнутой входной цепи по переменному току.



Рис. 5 К определению H- параметров в схеме с ОЭ из статических харак-тик

Из рисунка 5. Видно

Аналогично можно определить H – параметры и для схемы с общей базой. Точность определения H- параметров графическим способом невысока.

В разных схемах включения вольт - амперные характеристики имеют разный ход, а параметры – разные значения. Однако физические процессы в транзисторе не зависят от схем включения. Поэтому между параметрами, определенными для транзистора в разных схемах включения, должна существовать связь. Приближенные формулы расчета H- параметров для схемы с ОЭ через H- параметры схем с ОБ и ОК и наоборот приведены в (1).
Для расчета электронных транзисторных схем достаточно знать параметры в одной из схем включения из справочной литературы.
Выбор рабочей точки и рассмотрение формы проходящего сигнала удобнее производить графическим путем с помощью нагрузочной прямой, построенной на семействах статических характеристик.


Динамический режим транзистора. Выбор и задание рабочей точки

Динамический режим транзистора – это режим, при котором выходной ток изменяется вследствие одновременного изменения входного тока и выходного напряжения. Так, для схемы с ОЭ Iк =f (IБ, Uкэ). Динамический режим возникает в транизсторе, если в коллекторную цепь его включить сопротивление нагрузки Rк.

При изменении входного тока меняется ток коллектора, и, следовательно, меняется и напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ, так как

Uкэ = Eк – Iк Rк (18)

Если увеличивается ток Iк, то уменьшается Uкэ. В свою очередь изменение Uкэ приводит к изменению Iк. Прямая линия, описываемая уравнением (18), называется нагрузочной прямой или линией нагрузки. Линию нагрузки строят на семействе выходных характеристик. Построение ее производится по двум точкам: А (Ек, 0) и В (0, Ек/Rк) и показано на рис.5. Наклон нагрузочной прямой АВ зависит от сопротивления нагрузки Rк. Для переменной составляющей коллекторного тока полное сопротивление нагрузки обычно не совпадает с сопротивлением, поставленным в цепь коллектора Rк. Входная цепь следующего каскада имеет сопротивление Rн, которое обычно разделительной емкостью отделено от Rн по постоянной составляющей. Но по переменной составляющей оно шунтирует Rк. Отсюда следует, что нагрузочная прямая по переменной составляющей будет менее наклонена к оси абцисс (прямой ЕД).

Она проходит через начальную (рабочую) точку 0 и удовлетворяет уравнению:

Uк = Eк – I 0к Rк + Ik(Rk||Rр) = U0k+ Ik(Rk||Rр (19)

Нагрузочная прямая ЕД по переменному току, часто называется выходной характеристикой.

Начальному режиму транзистора соответствует начальное положение рабочей точки «0», которая определяется значениями Iок, Iоб, Uокэ. Она выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока в зависимости от уровня входного сигнала, назначения данного каскада, заданного коэффициента нелинейных искажений, температурного режима и т.п.
Положение ее на нагрузочной прямой обычно выбирают так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были наименьшими.
Коэффициент усиления КU по напряжению, амплитуду входного сигнала, входное сопротивление транзистора по переменному току можно определить графически, пользуясь динамическими выходной и входной характеристиками. Входная динамическая характеристика лежит внутри узкого пучка входных статических характеристик и практически совпадает с ними.

Выполнение работы

Принадлежности к работе

1. Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР схемотехника транзисторов.
2. Многофункциональный генератор-частотомер АТАКОМ АНР-1001.
3. Осциллограф универсальный ОСУ-20.
4. Соединительные провода и 4 форматки с масштабной сеткой.
Методика снятия семейства статических характеристики биполярного транзистора

Вольт - амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в любой необходимой системе координат можно снимать по точкам, измеряя соответствующие постоянные напряжения и типы эмиттера, коллектора и базы. Однако, такой метод, несмотря на сравнительно малую погрешность изменений  (5-10) %, является весьма трудоемким. Кроме того, длительное нахождение транзистора под током неизбежно приводит к изменению его параметров в процессе измерения.

Указанные недостатки можно устранять, применив для снятия статических характеристик транзисторов осциллографический метод, погрешность которого составляет  (15-20) %, что вполне допустимо на практике.
Поскольку вольт – амперные характеристики транзисторов определяются тремя параметрами, для получения изображения характеристики на экране осциллографа один из параметров должен быть зафиксирован. Тогда, подавая на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины напряжения, пропорциональные двум другим параметрам, плавно изменяющимся по определенному закону со временем, можно получить вольт – амперную характеристику транзистора, соответствующую фиксированному значению первого параметра. Чаще всего в качестве независимого переменного параметра используют однополупериодное синусоидальное напряжение. Например, если необходимо снять выходную статическую характеристику транзистора в схеме с ОЭ при определенном токе базы Iк = f (Uк) при Iб = const, в цепь базы подают заданный ток (рис. 3.12.), измеряя его миллиамперметром, а к цепи коллектора подключают однополупериодное синусоидальное напряжение, полученное от генератора синусоидальных сигналов и пропущенное через вентиль.

Рис. 6 Принципиальная схема для осциллографического снятия выходных характеристик транзисторов в схеме с ОЭ и вид выходных характеристик

Это изменяющееся по синусоидальному закону напряжение управляет отклонением луча по горизонтали. По такому же закону изменяется и коллекторный ток, который создает на сопротивлении падение напряжения URк =IкRк, подаваемое на вход «у» осциллографа и управляющее отклонением луча по вертикали. При этом род синхронизации должен быть «внеш.», род работы – «усилитель». Таким образом, если в течение одного полупериода синусоиды каждому мгновенному значению напряжения на коллекторе будет соответствовать определенное мгновенное значение Uу, пропорциональное току коллектора, то отклонение луча по вертикали образует все пробегаемые мгновенные значения Iк, Uк, т.е. электронный луч “начертит” вольт – амперную характеристику. Эту характеристику зарисовывают на форматку, предварительно отградуировав отклонение по “у” – по току и отклонение по “х” – по напряжению. Так как чувствительность осциллографа по оси “у” выше, чем по оси “х”, то наименьшие величины следует подавать на вход “у”, а большие на вход “х”. Напряжение с генератора должно быть такого размера, чтобы амплитудные напряжения синусоиды было несколько меньше максимального напряжения коллектора. В зависимости от полярности снимаемых напряжений и подачи их на входы “х” и “у” соответственно чувствительности последних, вольт – амперные характеристики могут быть повернуты на 90 – 1800 относительно принятого расположения оси. Поэтому снятые на форматку характеристик потом следует развернуть так, чтобы с ними было удобно работать далее.

После снятия семейства характеристик проводят градуировку вертикальной и горизонтальной шкал.
Внимание! При градуировке ручки “усиление” и “синхронизация” по входам “у” и “х” не трогать (чтобы не изменить масштаб снятых вольт – амперных характеристик).
Для градуировки вертикальной шкалы по току:

• 
  записать отклонение луча в мм (показания вольтметра перевести в амплитудные значения Um);
  
• 
  полученное отклонение соответствует току, равному
  

Для градуировки горизонтальной шкалы по напряжению:

• 
  записать показания вольтметра и соответствующее отклонение луча в мм, предварительно переводя показания вольтметра в амплитудное значение;
  
• 
  полученное отклонение луча соответствует значению напряжения, равному 2 Um (развертка луча проводится биполярным синусоидальным сигналом).
  

Рабочее задание

1. Снять осциллографическим методом семейство статических выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ Iк =f (Uкэ) при 4-х базовых токах:

• 
  собрать схему;
  
• 
  включить источник постоянного тока. Установить определенный ток базы. Получить ВАХ на экране осциллографа. Переснять ее на масштабную форматку, предварительно поместив начало характеристики в левом верхнем углу осциллографа.
  
• 
  Установить другие значения тока базы и зарисовать последовательно соответствующие ВАХ, помещая начала их в одной точке.
  

2. Для снятия входных характеристик удобнее использовать другие схемы. Измерение параметра h11э, являющегося входным сопротивлением транзистора для малого переменного напряжения.



Рис.7 Схема измерения параметров: а) – h11э и h21э; б) – h12э и h22э

Все параметры транзистора зависят от режима по постоянному току, поэтому прежде всего для транзистора в схеме устанавливают режим работы по постоянному току. Например, параметры маломощных транзисторов часто измеряют при напряжении Uk =5B и токе Ik =1 мА. Необходимый режим по постоянному току можно установить следующим образом. Возьмем напряжение источника питания Uп = 9В и включим резистор Rк=3кОм, тогда при коллекторном токе Iк=1мА постоянное напряжение Uк относительно земли будет равно примерно 3 – 4 В. Этого добиваются подбором потенциала цепи базы (примерно 0,67В).

Установив нужный режим по постоянному току, подключают звуковой генератор и подают с его выхода напряжение U1, не превышающий 30 – 40мВ. Частоту измерения обычно берут равной 1 – 5 кГц. Сопротивление Rбг можно взять равным 1 – 2 кОм. Измеряя U1 и U2 электронным милливольтметром переменного тока, определяют ток через Rбг, который с большой точностью является также и переменным током базы, так как можно пренебречь ответвлением переменного тока в Rб. Очевидно, что h11э = Rвх=U2/Iб.
Для измерения параметра h21э используют ту же схему, но в разрыв между точками А и В включают небольшое сопротивление, например R=100 510 Ом. Электронным вольтметром переменного тока измеряют напряжение точки В относительно земли и убеждаются в том, что напряжение точки А относительно земли равно нулю. Зная падение напряжения на включенном сопротивлении, определяют переменную составляющую коллекторного тока и вычисляют h21э = Ik/Iб.
Для измерения h22э и h12э собирают схему, показанную на рис.2.13. б). Установив режим по постоянному току, подключают звуковой генератор. Устанавливают переменное напряжение U2 = 1-2 В. Измеряя переменные напряжения U1 и U2 и зная Rкг, находят переменную составляющую коллекторного тока. Поделив переменную составляющую коллекторного тока на переменное напряжение U2, получают параметр h22э=Ik/U2. Измеряя милливольтметром напряжение Uб, находят h12э = Uб/U2.

Отчет

Отчет должен содержать:

1. 
   Исследуемые схемы, рабочие задания и методику измерений.
   
2. 
   Форматки и графики семейства статических характеристик.
   
3. 
   Расчеты, указанные в пунктах 5,6,7.
   
4. 
   Выводы.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Какой полярности подаются напряжения на эмиттерный и коллекторный переходы?
   
2. 
   Что называется явлением инжекции и при каких условиях оно возникает?
   
3. 
   Объяснить с точки зрения физических процессов передачу тока из эмиттера в коллектор.
   
4. 
   Чем объясняется обратный ток?
   
5. 
   Почему транзистор чаще всего характеризуют H-параметрами?
   
6. 
   Объяснить ход статических характеристик в схемах с ОЭ и ОБ, уметь объяснить разницу.
   
7. 
   Как выбирается рабочая точка транзистора?
   
8. 
   Чем отличается нагрузочная прямая от динамической?
   

ток биполярный транзистор амперный

Литература

1. 
   В.И. Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.
   

2. В.Н. Ушаков, О.В. Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352с.
3. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д. Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.
4. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488с.
5. А.А. Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с. 6. А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415с.
7. В.И. Нефедов. Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 2000, 399 с. 8. В.И. Лачин, Н.С. Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.