Задачи, решаемые на практическом занятии

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Вопросы

1 Принцип работы биполярного транзистора (БТ), включенного с общей базой (ОБ) в активном режиме.

2 Статические (вольт-амперные) характеристики БТ, включенного с ОБ.

3 Расчет h -параметров БТ, включенного с ОБ по статическим характеристикам.

Литература: [1: C.79 91, 95 100, 113 116, 121 122, 128 130, 160 161, 171 179], [2], [3].

Материальное обеспечение

1 Статические характеристики БТ, включенного с ОБ.

2 Справочник по биполярным транзисторам.

3 Образцы биполярных транзисторов.

Контрольные вопросы и задания для подготовки к занятию

1 Устройство и конструктивные особенности БТ.

2 Классификация, условное обозначение и условное графическое изображение БТ.

3 Схемы включения БТ.

4 Физические процессы и токопрохождение при включении БТ с ОБ в режимах отсечки и насыщения.

5 Физические процессы и токопрохождение при включении БТ с ОБ в активном режиме. Уравнение для тока коллектора.

6 Пояснить ход входных статических характеристик БТ, включенного с ОБ.

7 Пояснить ход выходных статических характеристик БТ, включенного с ОБ.

8 Методика построения области дозволенных режимов работы (ОДРР) на семействе выходных статических характеристик БТ, включенного с ОБ.

9 Изобразить схему включения и токопрохождение в транзисторах типа р-п-р и п-р-п.

10 Система дифференциальных h -параметров БТ и их физический смысл.

11 Методика расчета h -параметров БТ, включенного с ОБ, по статическим характеристикам.

12 Влияние температуры па ход статических характеристик БТ, включенного с ОБ.

Задачи, решаемые на практическом занятии

Задача 1. На семействе выходных статических характеристик БТ КТ339А, включенного с ОБ, построить область дозволенных режимов работы (ОДРР), используя справочные данные предельных параметров БТ. Определить структуру транзистора КТ339А.

Задача 2. На семействах входных и выходных статических характеристик БТ КТ340А, включенного с ОБ, указать точку, в которой U _КБ = 15 В, I _Э = 10 мА. Определить в рабочей точке ток коллектора I _K, напряжение на эмиттерном переходе U _ЭБ, ток базы I _Б, рассчитать статический коэффициент передачи тока эмиттера h _21Б. Определить, в каком режиме работает транзистор, изобразить схему включения и показать токопрохождение.

Задача 3. Пользуясь семействами входных и выходных статических характеристик БТ КТ339А, включенного с ОБ, рассчитать дифференциальные h -параметры при U _КБ=15 В,

I _Э=10 мА.

Задание на самоподготовку

Задача. На семействе входных и выходных статических характеристик БТ ГТ320А, включенного с ОБ, указать точку, в которой U _КБ= 5 В, I _Э=40 мА. Определить в рабочей точке ток коллектора I _K, напряжение на эмиттерном переходе U_ЭБ, ток базы I _Б, рассчитать статический коэффициент передачи тока эмиттера h_21Б, рассчитать в рабочей точке дифференциальные h -параметры. Определить режим работы транзистора, изобразить схему включения и показать токопрохождение.

Методические рекомендации по решению задач

Пример 1. На семействе выходных статических характеристик БТ 2Т603А, включенного с ОБ, построить область дозволенных режимов работы (ОДРР), используя справочные данные о предельно-допустимых параметрах БТ. Определить структуру БТ 2Т603А.

Решение. Область дозволенных режимов работы ограничивает часть выходных статических характеристик БТ при расположении рабочей точки, в которой изготовителем гарантируется безотказная работа БТ с сохранением его параметров, указанных в справочнике на БТ.

ОДРР биполярного транзистора строится в системе координат выходных статических характеристик БТ и ограничивается осями тока I _K напряжения U _КБ и тремя линиями: прямой I _Kmax, прямой U _КБmах и гиперболой Р_Kmax.

Для построения линии Р_Kmax – необходимо задать от 5 до 10 значений напряжения U _КБ и рассчитать соответствующие им максимальные значения тока коллектора I _K по формуле:

. (2.1)

Полученные координаты точек (U _КБ, I _K) представляются в табличной форме и используются для построения гиперболы .

Справочные данные БТ 2Т603А [3: C.153]

· максимально-допустимое напряжение на коллекторном переходе _max = 30 В;

· максимально-допустимый ток коллектора =300 мА;

· максимально-допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе =500 мВт.

На семействе выходных статических характеристик БТ 2Т603А, включенного с ОБ (рисунок 2.1), строим прямую I _Kmах = 300 мА (она ограничивает ОДРР сверху), прямую =30 В (она ограничивает ОДРР справа). Точки гиперболы Р_Кmах рассчитываются по формуле (2.1) и представляются в табличной форме (таблица 2.1).

Строим гиперболу Р _Кmax по рассчитанным точкам. Она ограничивает ОДРР сверху (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Область дозволенных режимов работы БТ 2Т603А,
включенного по схеме с ОБ

Таким образом, ОДРР транзистора 2Т603А находится между осями тока I _K, напряжения U _КБ, ниже прямой I _Kmах, левее прямой U _КБmax и ниже гиперболы Р_Kmax.

В соответствии со статическими выходными характеристиками БТ 2Т603А (см. рисунок 2.1) активному режиму работы БТ соответствует положительное напряжение U _КБ (см. ось U _КБ выходных характеристик). Так как в активном режиме работы коллекторный р-n-переход транзистора используется в обратном включении, то при положительном напряжении U _КБ коллектор БТ – n -область. Тогда БТ 2Т603А имеет структуру п-р-п.

Таблица 2.1 – Координаты точек гиперболы

Можно рассуждать и по-другому. В соответствии со статическими входными характеристиками БТ 2Т603А (рисунок 2.2) активному режиму работы БТ соответствует отрицательное напряжение U _ЭБ (смотри ось U _ЭБ входных характеристик). Так как в активном режиме работы эмиттерный p-n переход транзистора имеет прямое смещение, то при отрицательном напряжении U _ЭБ эмиттер БТ – n -область. Получаем тот же ответ: БТ 2Т603А имеет структуру п-р-п.

Пример 2. На семействах входных и выходных статических характеристик БТ 2Т603А, включенного с ОБ, указать точку, в которой U _КБmax=4 В, I _Э=40мА. Определить в рабочей точке ток коллектора I_K, напряжение на эмиттерном переходе U _ЭБ, ток базы I _Б, рассчитать статический коэффициент передачи тока эмиттера h _21Э. Определить, в каком режиме работает транзистор, изобразить схему включения и показать токопрохождение.

Решение. На выходных характеристиках транзистора из точки U _КБmax=4В проводим вертикальную линию. Рабочая точка транзистора (назовем ее точкой А), лежит на пересечении этой линии с ветвью ВАХ, снятой при I _Э = 40 мА (см. рисунок 2.2). Согласно рисунку 2.1 рабочая точка транзистора находится внутри ОДРР, что должно обеспечить безотказную работу транзистора 2Т603А в выбранном режиме. Определяем ток коллектора в рабочей точке I _K = 38, 5 мА.

Для определения U_ЭБ необходимо нанести рабочую точку на входную статическую характеристику БТ. Семейство входных статических характеристик БТ 2Т603А представлено двумя характеристиками, снятыми при U _КБ = 0 В, U _КБ=10В (см. рисунок 2.2). В соответствие с условием задачи в рабочей точке напряжение U_кб= 4В. В качестве рабочей выбираем ветвь, снятую при ближайшем к U_кб = 4В и отличном от нуля коллекторном напряжении (при U_кб =10 В). Из точки I _Э=40мА на оси тока эмиттера проводим горизонтальную линию до пересечения с выбранной ветвью ВАХ. Рабочая точка находится в месте пересечения указанных линий, она обозначена точкой А. Опуская из рабочей точки перпендикуляр на ось напряжения U _ЭБ, определяем напряжение в рабочей точке на эмиттерном р- n- переходе транзистора: U _ЭБ= − 0, 635В.

Рабочая точка транзистора располагается в области ВАХ, соответствующих активному режиму, поэтому транзистор работает в активном режиме.

Для токов справедливо следующее соотношение:

I _Э = I _K + I _Б, (2.2)

тогда

I _Б = I _Э − I _K = 40 - 38, 5 = 1, 5 мА. (2.3)

Статический коэффициент передачи тока эмиттера

(2.4)

Рисунок 2.2 – Статические характеристики БТ 2Т603А, включенного по схеме с ОБ

Схема включения транзистора строится на основании знания его принципа работы в активном режиме и данных о его типе (п-р-п или р-п-р). Для смещения эмиттерного и коллекторного переходов нужны два источника питания. Вывод базы является общим для обоих источников питания, поэтому источники обозначаются U _ЭБ и U _KБ. Изображаем транзистор в виде четырехполюсника с развернутым вниз выводом базы, поскольку база является общей для входной и выходной частей транзистора (рисунок 2.3). Эмиттерный переход заключен между выводами эмиттера и базы, поэтому напряжение U _ЭБ однозначно определяет его смещение. В активном режиме эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, поэтому к р-области (базе транзистора 2Т603А) подключается «плюс» источника питания U _ЭБ, а к n -области (эмиттеру транзистора 2Т603А) – «минус» источника питания U _ЭБ. Коллекторный переход заключен между выводами коллектора и базы, поэтому напряжение U _КБ однозначно определяет его смещение. В активном режиме коллекторный переход должен быть смещен в обратном направлении, поэтому к n -области (коллектору транзистора 2T603A) подключается «плюс» источника питания U _КБ, а к p -области (базе транзистора 2Т603А) – «минус» источника питания. На базовом выводе транзистора объединены «плюс» источника U _ЭБ и «минус» источника U _КБ. Это говорит о том, что база имеет более высокий потенциал, чем эмиттер и более низкий потенциал, чем коллектор. Например, потенциал базы – 0 В, потенциал эмиттера – минус 0, 7 В, потенциал коллектора – плюс 4В относительно общей шины.

Теперь о токопрохождении в транзисторе. В цепях трех электродов БТ протекают одноименные токи: ток эмиттера I _Э, ток коллектора I _K и ток базы I _Б. Первопричиной токопрохождения в транзисторе (кроме тока I _КБО) является ток эмиттера. Протекание тока эмиттера обусловлено наличием источника питания U _ЭБ, поэтому направление эмиттерного тока определяется полярностью этого источника. Ток эмиттера направлен от «плюса» к «минусу» источника U _ЭБ и совпадает с направлением стрелки на эмиттерном выводе транзистора. Ток базы и ток коллектора направлены так, чтобы в сумме дать ток эмиттера (2.2).

Рисунок 2.3 – Схема включения и токопрохождения в БТ 2Т603А
включенного по схеме с ОБ

Для построения схемы включения БТ можно использовать и данные статических характеристик БТ (см. рисунок 2.2). Транзистор включен с общей базой (на осях напряжений – U _ЭБ и U _КБ) и работает в активном режиме. Напряжение U _КБ положительное (см. ось U _КБ выходных характеристик на рисунке 2.2), т.е. напряжение на коллекторе положительное относительно базы. Поэтому «плюс» источника напряжения U _КБ подключается к коллектору БТ, а «минус» – к базе (см. рисунок 2.3).

Напряжение U _ЭБ отрицательное (см. ось U _ЭБ входных характеристик на рисунке 2.2), т. е. напряжение на эмиттере отрицательное относительно базы. Поэтому «минус» источника напряжения U_ЭБ подключается к эмиттеру БТ, а «плюс» – к базе.

Задача 3. Пользуясь семействами входных и выходных статических характеристик БТ 2Т603А, включенного с ОБ, рассчитать дифференциальные h -параметры при U _КБ = 4В, I _Э=40 мА.

Решение. Методика расчета дифференциальных n -параметров по статическим характеристикам БТ:

1 Нанести рабочую точку на выходные и входные статические характеристики БТ.

2 Назвать h -параметр и записать формулу для его расчета.

3 Провести через рабочую точку (или определить) линию константы для рассчитываемого h -параметра.

4 На линии константы нанести точки приращений по обе стороны (если это возможно) от рабочей точки. Если линией константы является статическая характеристика, то точки приращений наносятся на ее линейном участке. Для упрощения дальнейших расчетов точки приращений желательно размещать в местах пересечения соответствующих статических характеристик и линий масштабной сетки.

5 Определить разность необходимых для расчета токов
и напряжений (используются их модули) между точками приращений.

6 Рассчитать дифференциальный параметр по формуле, учитывая его размерность.

Параметры h _11Б и h _12Б определяют по входным характеристикам биполярного транзистора.

Входное сопротивление БТопределяется при постоянном напряжении на коллекторном переходе. Линией константы для параметра h _11Б является входная статическая характеристика, снятая при U _КБ = 10 В. Точки приращений размещаем на линии константы при токах эмиттера, равных 20 мА и 60 мА. В этих точках напряжения на эмиттерном переходе равны U _ЭБ= − 0, 61В и U _ЭБ= − 0, 66 В.

(2.5)

Коэффициент обратной связи по напряжению определяется при постоянном токе эмиттера. Линией константы для параметра h _12Б является горизонтальная линия, проходящая через рабочую точку и соответствующая постоянному току эмиттера I _Э = 40 мА (см. рисунок 2.2). Наносим первую точку приращения в месте пересечения линии константы и входной статической характеристики, снятой при U _КБ=10 В. В этой точке U _ЭБ= − 0, 635 В, U _КБ=10 В. Вторую точку следует выбрать в месте пересечения линии константы с входной характеристикой, снятой при напряжении U _КБ = 0 В. В этой точке U _ЭБ = − 0, 68 В.

(2.6)

Следует отметить, что величины приращений Δ U _ЭБ, входящие в формулы (2.5) и (2.6) различны, так как они определяются при разных условиях.

Параметры h _21Б и h _22Б определяются по выходным характеристикам транзистора.

Коэффициент передачи тока эмиттера h_21Б определяется при условии постоянного напряжения на коллекторном переходе. Линией константы для параметра h _21Б является вертикальная линия, проходящая через рабочую точку и соответствующая постоянному напряжению на коллекторном переходе U _КБ =4 В (см. рисунок 2.2). Точки приращений наносятся в местах пересечений линии константы с соседними (как правило) относительно рабочей точки выходными характеристиками БТ, снятыми при токах эмиттера 20 мА и 60 мА.

(2.7)

В точках приращений токи коллектора равны 18, 5мА и 58мА.

Выходная проводимость БТ определяется при условии постоянного тока эмиттера. Линией константы для параметра h _22б является выходная статическая характеристика, снятая при I _Э=40 мА. Выходные статические характеристики БТ, включенного с ОБ, имеют очень малый наклон к оси напряжения, что говорит о большом выходном сопротивлении транзистора. Для повышения точности расчетов следует выбирать приращение тока коллектора максимально большим в пределах линейного участка ВАХ. Выбираем точки приращений при U _КБ = 4 В и U _КБ =7 В. В этих точках токи коллектора равны 38 мА и 39мА.

(2.8)

Следует отметить, что величины приращений Δ I_K, входящие
в формулы (2.7) и (2.8), различны, так как они определяются при разных условиях.

Зная величину выходной проводимости БТ, легко рассчитать
еще один важный параметр БТ –выходное сопротивление БТ, включенного с ОБ:

.

Содержание отчета:

• Наименование и цель работы;

• расчетные формулы и результаты расчетов;

• краткие выводы;

• дата, подпись.