лабораторная по электронике. исследование транзистора. лаба. Основные теоретические положения
 Скачать 0.56 Mb.
|
|
Содержание Биполярным транзистором (БТ) называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда. Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, – дырок и электронов. В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный – в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты. Наряду с транзисторами n-p-n структуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Принцип работы n-p-n- и p-n-p-транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит усилительный каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности. Характеристиками транзисторов пользуются для определения режимов работы транзисторных каскадов по любой схеме включения, а также для графического анализа этих каскадов при больших сигналах. При аналитическом методе расчета транзисторных каскадов пользуются линейными эквивалентными схемами транзисторов, которые отражают структурную связь малосигнальных параметров транзистора в режиме переменного тока. Эквивалентные схемы транзистора подразделяют на две большие группы: эквивалентные схемы, построенные с учетом физических свойств транзистора, его структуры и геометрии (модели транзистора), и эквивалентные схемы, отражающие свойства транзистора как активного линейного четырехполюсника (формальные эквивалентные схемы). Первые характеризуются физическими (внутренними) параметрами транзистора, вторые – параметрами транзистора как четырехполюсника (характеристическими параметрами). Эквивалентная схема, содержащая физические параметры транзистора, может быть составлена для любой схемы его включения: ОБ, ОЭ, ОК. На рисунке 1, показана упрощенная, так называемая линейная П-образная эквивалентная схема транзистора (модель Джиаколетто).  Эквивалентная П-образная схема замещения БТ (модель Джиаколетто) Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ). Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Статические характеристики транзистора могут задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Семейства входных и выходных характеристик транзистора считаются основными и приводятся в справочниках, с их помощью легко могут быть получены два других семейства характеристик. В различных схемах включения транзистора в качестве входных и выходных токов и напряжений выступают токи, протекающие в цепях различных электродов, и напряжения, приложенные между различными электродами. Поэтому конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора. В схеме с ОЭ входным током является ток базы Iб , а выходным – ток коллектора, соответственно, входным напряжением является напряжение Uбэ , а выходным – напряжение Uкэ. Выходные ДХ – это прямые линии, которые в координатах Iк , Uкэ соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току. Пример построения ДХ показан на рисунке 2.  Динамические характеристики каскада с ОЭ Точку пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном токе Iб2 = I0б , определяемом источником смещения Eк , называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала) – точкой покоя P. Точка покоя определяет ток покоя выходной цепи I0к и напряжение покоя U0к . Положение точки покоя определяется назначением схемы, в которой используется транзистор, значением и формой входного сигнала и т. д. Если, например, входной сигнал симметричен (на рис. 39 показан такой сигнал синусоидальной формы с амплитудой входного напряжения Uбm и амплитудой входного тока Iбm ), то точку покоя P выбирают примерно на середине нагрузочной линии. При этом в коллекторной цепи проходит ток с амплитудой Iкm , а на коллекторе будет напряжение с амплитудой Uкm . Отметим, что в режиме покоя напряжение U0б составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на Rк возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т. е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180o . Если координаты рабочей точки для малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной вольтамперной характеристики (ВАХ) БТ, то усилитель работает в так называемом режиме (классе) усиления А. Задание на выполнение лабораторной работы: выписать из базы элементов программы LТspice основные параметры для заданного типа биполярного транзистора; для схемы включения заданного транзистора с ОЭ рассчитать и построить с помощью программного приложения LТspice: графики входной, выходной характеристик и характеристики прямой передачи; зависимости от тока базы статического и дифференциального коэффициентов передачи тока базы β; зависимость дифференциального сопротивления эмиттерного перехода от тока эмиттера; зависимость дифференциального сопротивления коллекторного перехода от напряжения Uкэ. |