Методические указания к лабораторной работе (Исследование статических характеристик биполярных транзисторов)

эквивалентная схема (графическая линейная модель) входной цепи транзистора, построенная в соответствии с соотношением (2)

совместно с типовыми элементами входной цепи. Положение переключателя этой схемы определяется режимом работы транзистора.

Типовые значения параметров схемы рис. 3,а:

Зависимость основных параметров от температуры вблизи нормальной температуры 300 К обычно принимают следующей:

- изменение температуры.

Всхеме рис. 3,а элементы еБ и RБ моделируют соответственно ЭДС и сопротивление источника питания базовой цепи. Весьма часто на практике выполняются следующие соотношения:

Вэтом случае схема рис. 3,а может быть упрощена так, как это показано на рисунке 3,б. Если, кроме этого, выполняются соотношения:

то в первом приближении входная цепь транзистора в режимах активном и насыщения может моделироваться коротко замкнутой цепью, а в режиме отсечки - разомкнутой ветвью, как показано штриховой линией на рис. 3,б.

а б

Рис. 3. Эквивалентная схема входной цепи транзистора (1 - в

активном режиме, 2 - в режиме отсечки, 3 - в режиме насыщения):

а -полная, упрощѐнная.

Модели выходной цепи.

Линейные статические модели выходной цепи транзисторов могут быть построены аналогично моделям входной цепи кусочно-линейной аппроксимацией семейства выходных вольт амперных характеристик. При спрямлении участков характеристик в режиме насыщения (кривая 3) с

приемлемой для большинства практических случаев точностью можно ограничиться одной прямой, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Кусочно-линейная модель выходной характеристики

транзистора.

Параметрами кусочно-линейных характеристик (рис. 4) являются

усредненные значения выходного сопротивления

rвых , rвыхотс. ,rвых нас. - напряжение смещения (отсечки) е0К,

характеристики режима насыщения, нулевые токи IК 0 и IК 0 ,

отсекаемые на оси токов соответственно характеристикам для iБ =0 и

iБ=-iК , а также усредненный коэффициент усиления β тока базы.

Аналитические выражения характеристик рис. 4 следующие:

Типовые значения параметров выходной цепи следующие:

Линейная модель выходной цепи транзистора, построенная по уравнениям

(7), изображена на рис. 5,а. Если на практике выполняются условия

rвых отс. >> rвых >>Rk >>rвых нас. ,то схема рис. 5,а может быть

упрощена, как показано на рис.5,б.

(1 - в активном режиме, 2 - в режиме отсечки, 3 - в режиме насыщения): а - полная, б - упрощенная.

Если, кроме того, ЕК /RК >> İK0 и IK0, как показано штриховыми линиями на рис. 5.б, в режимах активном и отсечки выходная цепь в первом приближении моделируется разомкнутой ветвью, а в режиме насыщения - коротко-замкнутой.

В заключение отметим, что в паспортах транзисторов при -

водятся значения неуправляемых токов IКЭ0 и IКБ0, замеренные соответственно для iБ =0 и iЭ=0 при некоторых значениях напряжений Uкэ.

Нетрудно установить следующую связь между указанными токами и токами İK0 и IK0 :

Линейные модели для переменных составляющих в

активном режиме . Рассмотренные выше модели (2) и (3)

пригодны для приближенного вычисления полных (мгновенных)

значений токов и напряжений электродов транзистора. В приемно -

усилительной технике, когда транзистор работает в пределах активного режима, часто используют линейные модели для переменных составляющих (приращений) сигнала относительно начальной рабочей точки, называемые также малосигнальными моделями. Малосигнальные модели могут обеспечить более высокую точность расчетов за счет более эффективной кусочно -

линейной аппроксимации характеристик вблизи рабочей точки.

а б

Рис. 6. Малосигнальные модели входной и выходной цепей транзистора: а-гибридная эквивалентная схема, б-схема Джиаколетто.

Базовой малосигнальной моделью входной и выходной цепей транзистора целесообразно считать простую гибридную экви -

валентную схему (рис. 6,а), так как h-параметры этой схемы для реального транзистора могут быть измерены методами холостого хода и короткого замыкания.

В схеме рис. 6,а за положительные направления приращения токов iБ и iК приняты токи, втекающие в базу и коллектор; генератор управляемого напряжения h12uk моделирует воздействие напряжения коллектора на базовый ток (эффект Эрли).

Аналитические соотношения между токами и напряжениями схемы рис. 6, а можно записать в матричной форме:

Для определения h-параметров составляется система

I1=const;

Поскольку в систему h-параметров входят сопротивление,

проводимость и безразмерные величины, их иногда называют смешанными, или гибридными, параметрами. Эти параметры зависят от схемы включения транзистора и в разных схемах имеют разные значение. Поэтому к индексу добавляют букву, обозначающую схему включения: для схемы ОБ параметры h11Б, h12Б , h21Б , h22Б

для схемы c ОЭ h11Э, h12Э , h21Э , h22Э для схемы с ОК добавляется буква "к".

Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора для схемы ОЭ показано на рис 7, где h11 определяется по

одной входной характеристике, h22 - по одной выходной, h12 - по двум входным, h21 - по двум выходным. Учитывая, что характеристики транзистора нелинейны и параметры зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки по малым приращениям токов и напряжений.

Значения h-параметров для разных схем включения связаны соотношениями, из которых по h-параметрам одной схемы можно найти h-параметры другой. Например:

Рис. 7. Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а -h11Э, б- h22Э ,в- h21Э г- h12Э .

Нетрудно видеть, что схема рис. 6,а может быть получена из схем рис. 3,а и 5,а при исключении неуправляемых генераторов тока и напряжения, а также с учетом пренебрежения эффектом Эрли (h12 =0)

и с учетом введенных выше обозначений параметров

Другой малосигнальной схемой, часто применяемой на практике, является П-образная схема (рис. 6,б), называемая также часто схемой Джиаколетто.

Ее элементы несколько теснее связаны с конструкцией транзистора в том отношении, что суммарное электрическое сопротивление базы разбито на две части rБ и r. Резистор rБ

моделирует объемное сопротивление тела базы (сопротивление растекания), а резистор г моделирует сопротивление эмиттерного перехода для базового тока: r = (1+β)re , где re = mφT/iЭ.

Эффект Эрли в схеме рис. 6,б моделируется резистором rБК

обратной связи. Зависимый источник тока выходной цепи формирует ток, пропорциональный напряжению и на клеммах Э-Б. Коэффициент пропорциональности S называют крутизной

транзистора.

Коэффициенты h-матрицы для схемы рис. 6,б будут следующими:

Типовые значения параметров для схемы рис. 6,б

С учетом выполнения неравенства соотношения (13) упрощаются: r/ rБК << 1 и Sr >> 1 .

Из схемы рис. 6,б и формулы (14) также cледует, S=β/r=α/ re,

где коэффициент усиления тока эмиттера α=β/(1+β). Из проведенного рассмотрения следует, что при пренебрежении эффектом Эрли в схеме рис. 6,6 резистор гБК может быть исключен.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка для исследования биполярных транзисторов

(рис.8) включает источник стабильного тока ИСТ с токозадающим потенциометром П1; переключатель SA1,

включающий транзистор VT по схеме с общим эмиттером (ОЭ, в

положении "1") или по схеме с общей базой (ОБ, в положении

"2"): источник стабильногонапряжения ИСН с задающим напряжение потенциометром П2; переключатель SA2,

положении "2") токов, переключатель SA3, обеспечивающий включение миллиамперметра мА с учетом необходимой полярности контролируемого сигнала, переключатель SA4,

обеспечивающий включение источника стабильного напряжения

ИСН с учетом необходимой полярности задаваемого

(коллекторного) напряжения, переключатель SA5, включающий вольтметр V для измерения входного (в положении " 1 " ) или выходного (в положении "2") напряжений, при этом в зависимости от положения переключателя SA1 (ОЭ/ОБ) входное и выходное напряжения есть UБЭ ,UКЭ ,UЭБ ,UКБ , в первом случае входной ток iБ во втором - iЭ, соответственно;

переключатель SA6, обеспечивающий включение вольтметра V с

учетом необходимой полярности контролируемого напряжения;

переключатель SA7, обеспечивающий включение микроамперметра мкА (измеряющего базовый ток IБ) с учетом необходимой полярности контролируемого сигнала.