4.10. Лабораторная работа ″Исследование статических характеристик биполярного транзистора″
Цель работы: исследование работы и статических характеристик биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общей базой и общим эмиттером.
Приборы и принадлежности: испытательный стенд, источники питания; схемы с общей базой и общим эмиттером, включающая в себя биполярный транзистор КТ-808А; измерительные приборы.
1. Общие сведения
В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n. Различают три схемы: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 1).
а) б) в)
Рис. 1. Схемы включения транзисторов: ОБ (а), ОЭ (б), ОК (в)
Один и тот же транзистор может работать в четырех режимах работы, которые определяют области и особенности его применения.
В активном (нормальном) режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.
При режиме отсечки полярность приложенных внешних источников такова, что эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, т.е. оба перехода закрыты. Этот режим соответствует закрытому состоянию транзистора.
В режиме насыщения (двойной инжекции) оба перехода смещены в прямом направлении, открыты и через них протекает большой ток. Транзистор открыт и насыщен, а его сопротивление (между контактами Э и К) крайне мало.
Инверсный режим характеризуется тем, что эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт.
Статические вольт-амперные характеристики транзистора определяют зависимости входного и выходного токов от величины постоянных напряжений на входе или на выходе схемы.
1.1. Схема с общей базой
На рис. 2, а представлена серия входных характеристик Iэ(Uэб)|Uкб для схемы с общей базой (транзистор n-p-n-типа) при различных фиксированных напряжениях Uкб.
При напряжении Uкб = 0 входная характеристика Iэ(Uэб)|Uкб, в целом, идентична прямой ветви вольтамперной характеристики диода.
Увеличение величины коллекторного напряжения (Uкб > 0) приводит к смещению серии выходных характеристик вверх (рис. 2, а): например, при фиксированном напряжении Uэб = 0,6 В значение тока возрастает (по сравнению с ВАХ при Uкб = 0) от 5 до 10 мА при Uкб = +5 В.
а) б) в)
Рис. 2. Входная (а), выходная (б) и переходная (в) характеристики схемы с ОБ
Семейство выходных характеристик (рис. 2, б) схемы с ОБ представляется кривыми Iк(Uкб)|Iэ, полученными при фиксированном значении тока Iэ.
Характеристика обратной связи Uкб(Uэб)Iэ=const представлена на рис. 2. Коэффициент обратной связи по напряжению кэ, определяемый как отношение
кэ = Uэб/Uкб |Iэ=const, (1)
показывает, на какую величину Uэб необходимо изменить напряжение эмиттер-база при изменении напряжения коллектор-база на значение Uкб для поддержания фиксированного тока эмиттера Iэ. Величина данного коэффициента мала и составляет от 10 3 до 10 4.
1,2. Схема с общим эмиттером
Входные и выходные характеристики схемы с ОЭ с маломощным транзистором представлены на рис. 3.
Входные (базовые) характеристики транзистора отражают зависимость тока базы Iб(Uбэ)|Uкэ от напряжения Uбэ между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ (рис. 3, а).
а) б)
Рис. 3. Входные (а) и выходные (б) характеристики схемы с ОЭ
Рассмотрим особенности зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер при отсутствии напряжения на коллекторе Uкэ = 0 (рис. 3, а). Зависимость тока базы Iб(Uбэ) от напряжения Uбэ представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 3, а), показывающей, что с ростом напряжения Uбэ ток через базовый контакт Б возрастает, однако величина этого тока мала (доли миллиампер).
Для того, чтобы транзистор работал в нормальном активном режиме, необходимо, чтобы его коллекторный переход был обратно смещенным, т.е. в данном случае для n-p-n-транзистора потенциал коллектора К выбирается положительным (Uкэ 0).
Зафиксируем, например, напряжение Uбэ = + 0,4 В (рис. 3, а). Увеличение обратного напряжения Uкэ на коллекторе, например, от 0 до +10 В, вызывает уменьшение тока Iб от 0,17 мА до 0,08 мА. Другими словами, по мере увеличения обратного напряжения Uкэ серия входных характеристик смещается в область меньших токов базы относительно начальной кривой Iб(Uбэ) со значением Uкэ = 0.
Обратим внимание на точку 1 (рис. 3, а) при Uбэ = 0. В этом режиме работы поток электронов из эмиттера в базу, а значит, ток Iэ, отсутствуют. Ток Iб через контакт базы Б обусловлен, главным образом, током обратно смещенного коллекторного перехода, а именно, составляющей теплового тока Iко. Именно поэтому при всех значениях Uкэ 0 входные характеристики исходят из точки 1 с отрицательным значением тока базы Iб, равным Iко, а нулевое значение тока базы достигается при напряжении Uбэ > 0,2 - 0,3 В.
Серия выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ определяет зависимость коллекторного тока Iк(Uкэ) при фиксированном токе базы Iб = const (рис. 4.5, б). На серии вольтамперных характеристик можно выделить три области: I – начальная линейная область; II рабочий участок транзистора, находящегося в режиме усиления, этот участок характеризуется слабой зависимостью Iк(Uкэ); III – область пробоя коллекторного перехода.
В области I (режим насыщения, режим двойной инжекции) оба перехода "эмиттер – база" и "коллектор – база" смещены в прямом направлении за счет того, что напряжение Uкэ мало (потенциал к коллектора меньше, чем потенциал б базы, открывающий эмиттерный переход). Обратим внимание, что крутой наклон характеристики в области I связан с малым электрическим сопротивлением открытого транзистора.
На границе ВАХ области I с областью II ранее открытый коллекторный переход начинает закрываться, и в области II закрытый коллекторный переход находится под воздействием обратного напряжения – так реализуется нормальный активный режим. Точке перехода от области I к области II соответствует напряжение Uкэ порядка 0,5…1,5 В в зависимости от величины тока базы.