Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ)"

_________________________________________________________

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовой работе по дисциплине "ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА"

Санкт Петербург

2005

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначены для выполнения курсовой работы студентами по курсу "Твердотельная электроника". В них включены описания работы относящейся ко разделу курса, посвященного анализу и исследованию принципиально важного дискретного полупроводникового прибора биполярного транзистора. Особенностью курсовой работы является сочетание расчетов с экспериментальной работой.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Целью работы является изучение и исследование основных параметров биполярного транзистора, определяющих работу линейного усилителя низкой частоты на основе математических моделей и экспериментальных измерений.

1. Транзистор и схемы на его основе

Транзистор полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала. Различают кремниевые и германиевые транзисторы. Они бывают р-п-р и п-р-n- типа. На рис. 1.1 и 1.2 показаны их условные обозначения.

Рис. 1.1. и 1.2.п-р-п- и р-п-р- транзистор и их диодная эквивалентная схема.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим п или р- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой В. Два других электрода называются эмиттером Е и коллектором С. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 1.3 и 1.4.

Основная особенность транзистора состоит в том, что коллекторный ток Ic является кратным базовому току Iв. Их отношение B = Ic/ Iв называют коэффициентом усиления по току. Режим транзистора подробно описывается с помощью семейства его характеристик.

Рис. 1.3. и 1.4. 'Полярность включения п-р-п- и р-п-р- транзисторов

Ниже рассматриваются п-р-п- транзисторы. Для р-п-р транзисторов знаки напряжений и токов следует изменить на противоположные.

1.1. Характеристики и параметры в режиме малых сигналов

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение U_ВЕ и измерим выходной ток Ic как функцию выходного напряжения U_CЕ . Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис. 1.6).

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения U_CЕ определенного значения. Этой особенностью обладает пентод. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на передаточной характеристике, изображенной на рис. 1.5, которая представляет собой зависимость Ic от U_ВЕ ; при этом U_CЕ варьируется как параметр. Известно, что передаточная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции.

Рис. 1.5. и 1.6. Передаточная и выходная характеристики транзистора.

Тогда

(1.1)

так что Ic больше обратного тока Is.

Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке Ica, Uca, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. При расчете схем характеристика заменяется касательной в рабочей точке. Увеличение тангенса угла наклона касательной означает увеличение дифференциального параметра (параметра малого сигнала).

Изменение коллекторного тока Ic в зависимости от U_ВЕ характеризуется крутизной S:

Эту величину можно рассчитать, используя выражение

(1.2)

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением.

Из рис. 1.6 видно, что с увеличением коллекторного тока оно уменьшается, так как наклон характеристики увеличивается. С высокой точностью сопротивление г_CE обратно пропорционально Ic, т.е.

(1.3)

Коэффициент пропорциональности Uy называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив г_CE . Тогда несложно рассчитать выходное сопротивление для любого коллекторного тока. Типовое значение Uy находится в пределах 80-200 В для п-р-n- транзисторов и 40-150 В для р п р- транзисторов.

В отличие от электронной лампы входной ток транзистора не равен нулю. Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление

Его можно определить по входной характеристике Iв = f(U_ВЕ ), приведенной на рис. 1.7. Эта характеристика, как и передаточная характеристика (рис. 1.5), описывается экспоненциальной функцией. Таким образом, коллекторный ток пропорционален базовому току.

Рис. 1.7. Входная характеристика.

Коэффициент пропорциональности В = Iс/Iв называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как В зависит от Iс. Эта зависимость показана на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Типовые зависимости коэффициентов статического и динамического усиления по току от коллекторного тока для маломощного транзистора.

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением

Зависимость этой величины от Ic тоже представлена на рис. 1.8. У мощных транзисторов максимум коэффициента усиления соответствует диапазону токов, измеряемых в амперах, а абсолютное его значение значительно ниже, чем у маломощных транзисторов. Зная ( и крутизну, можно рассчитать входное сопротивление

(1.4)

В координатах рис. 1.7 можно изобразить семейство кривых с U_CЕ в качестве параметра. Однако зависимость от U_СЕ так незначительна, что кривые практически совпадают. При малых сигналах эта зависимость характеризуется коэффициентом обратной передачи по напряжению и обратной крутизной:

При малых коллекторных токах коэффициент обратной передачи по напряжению положителен, при больших отрицателен. Абсолютное значение его не превышает 10^-4. Поэтому влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать. Ее же следует принимать во внимание при рассмотрении влияния емкости коллектор-база.