Исследование характеристик биполярного транзистора

• Название: Исследование характеристик биполярного транзистора
• Дата: 22.09.2022
• Размер: 231.51 Kb.
• Имя файла: Lab._rabota_№2_35.03.06_-_3kurs(z)_yelektr._i_yelektronika__1643.docx
• Тип: Исследование; #691393

Исследование характеристик биполярного транзистора

Цель работы. Изучение принципа функционирования и основных характеристик биполярного транзистора в схемах с общей базой (ОБ) и общим змиттером (ОЭ), а также овладение методикой определения малосигнальных параметров транзистора, как четырехполюсника.

Порядок выполнение работы. Лабораторная работа выполняется на виртуальной модели в программе MatLab/Simulink. Схема исследования вольтамперной характеристики транзистора (в данном случае транзистор 2N3904) по схеме с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рисунке 1.




Рис. 1. Схема исследования транзистора 2N3904 в схеме с ОЭ.

Задавая значения тока базы (с помощью источника ) в пределах от 1 ... 200 мкА, а также значения напряжения на коллекторе ( с помощью источника

от 0 до 12 В) и измеряя напряжение на базе и ток коллектора , можно построить все необходимые ВАХ. Результаты измерений занесем в соответствующие таблицы (табл. 1, 2).

Таблица 1

UКЭ = 0	UБЭ, В	0	0,46	0,54	0,56	0,57	0,59	0,60	0,61	0,62
	IБ, мкА	0	1	10	20	40	80	100	150	200
UКЭ= 4В	UБЭ, В	0	0,58	0,67	0,70	0,72	0,74	0,75	0,76	0,77
	IБ, мкА	0	1	10	20	40	80	100	150	200

Таблица 2

IБ = 0,1мА	IК, мА	0,1	2,4	15,6	15,7	15,9	16,1	16,3	16,8	17,2	17,6	18,0
	UКЭ, В	0	0,1	0,5	1	2	3	4	6	8	10	12
IБ = 0,2мА	IК, мА	0,2	4,4	29,2	29,4	29,8	30,1	30,6	31,3	32,1	32,9	33,7
	UКЭ, В	0	0,1	0,5	1	2	3	4	6	8	10	12

По полученным измерениям построим входную (рисунок 2) и выходную (рисунок 3) характеристики транзистора 2N3904 в схеме с ОЭ.




Рис. 2. Входная характеристика транзистора 2N3904 в схеме с ОЭ.



Рис. 3. Выходная характеристика транзистора 2N3904 в схеме с ОЭ.

Определим h-параметры транзистора 2N3904 в схеме с ОЭ.

Выберем на входной характеристике рабочую точку (РТ) на прямом участке ВАХ для ветви 𝑈_K3 = 4 B.

Координаты рабочей точки на входной характеристике:

𝐼_Б = 100 m A; 𝑈_Б3 = 0,75 B

Координаты рабочей точки на выходной характеристике:

𝐼_K = 16,3 mA; 𝑈_K3 = 4 B

Параметр ℎ₁₁₃ определяется по входной характеристики транзистора формулой:

^ℎ113

₌ ∆𝑈_Б3|

∆𝐼_Б

𝑈_K3 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

где ∆𝑈_Б3 – приращение напряжения база-эмиттер, ∆𝐼_Б – соответствующее ему приращение тока базы. Отношение вычисляется при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

На входной характеристике транзистора (рисунок 4) относительно рабочей точки зададимся приращением напряжения база-эмиттер ∆𝑈_Б3 = 0,76 0,74 = 0,02 B, соответствующее ему приращение тока базы на характеристике 𝑈_K3 = 4 B = составит ∆𝐼_Б = 150 65 = 5 m A.

Тогда:

^ℎ113

₌ ∆𝑈_Б3|

^∆𝐼Б 𝑈_K3 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

₌ 0,02

5 · 10⁻

= 235 Om

Параметр ℎ₁₂₃ определяется по входной характеристике транзистора формулой:

^ℎ123

₌ ∆𝑈_Б3|

∆𝑈_K3

_Б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

где ∆𝑈_Б3 – приращение напряжения база-эмиттер, ∆𝑈_K3 – соответствующее ему приращение напряжения коллектор-эмиттер. Отношение вычисляется при постоянном токе базы.

На входной характеристике транзистора (рисунок 5) относительно рабочей точки зададимся приращением напряжения коллектор-эмиттер ∆𝑈_K3 = 4 0 = 4 B (соседние ветви характеристики), соответствующее ему приращение напряжения база-эмиттер при постоянном токе базы 𝐼_Б = 100 m A = составит ∆𝑈_Б3 = 0,75 0,6 = 0,15 B.

Тогда:

^ℎ123

₌ ∆𝑈_Б3|

^∆𝑈K3 _Б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

= ^0,15 = 37,5 · 10⁻³

4

Рис. 4. Определение параметра h11э.


Рис. 5. Определение параметра h12э.

Параметр ℎ₂₁₃ рассчитывается по формуле:

^ℎ213

= 𝛽 = ^∆𝐼K|

∆𝐼_Б

𝑈_K3=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

где ∆𝐼_Б – приращение тока базы, ∆𝐼_K – соответствующее ему приращение тока коллектора. Отношение вычисляется при постоянном напряжении коллектор- эмиттер.

На выходной характеристике транзистора (рисунок 6) относительно рабочей точки зададимся приращением тока базы ∆𝐼_Б = 0,2 − 0,1 = 0,1 mA (соседние ветви характеристики), соответствующее ему приращение тока коллектора при постоянном напряжении коллектор-эмиттер 𝑈_K3 = 4 B = составит ∆𝐼_K = 31 − 16,3 = 14,7 mA.

Тогда:

^ℎ213

= 𝛽 = ^∆𝐼K|

^∆𝐼Б 𝑈_K3=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

= ^14,7 = 147

0,1

Параметр ℎ₂₂₃ определяется по выходной характеристике транзистора по формуле:

^ℎ223

₌ ∆𝐼_K

∆𝑈_K3

|

_Б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

где ∆𝑈_K3 – приращение напряжения коллектор-эмиттер, ∆𝐼_K – соответствующее ему приращение тока коллектора. Отношение вычисляется при постоянном токе базы.

На выходной характеристике транзистора (рисунок 7) относительно рабочей точки зададимся приращением напряжения коллектор-эмиттер ∆𝑈_K3 = 6 − 2 = 4 B, соответствующее ему приращение тока коллектора при постоянном токе базы 𝐼_Б = 0,1 mA = составит ∆𝐼_K = 16, − 15,9 = 0,9 mA (таблица 2).

Тогда:

_{ℎ =} ∆𝐼_K

223 _∆𝑈K3
|

_Б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

0,9 · 10⁻³

= ₄ ≈ 0,23 mCm

На выходной ВАХ транзистора построим нагрузочную прямую, задав

𝐸_K = 10 B и 𝑅_K = 500 Om.

Нагрузочная прямая описывается уравнением:

𝑈_K3 = 𝐸_K − 𝐼_K𝑅_K

при 𝐼_K = 0: 𝑈_K3 = 𝐸_K = 10 B


K
при 𝑈_K3 = 0: 𝐼_K = ^𝐸K⁄_𝑅 = ¹⁰⁄₅₀₀ = 20 mA

Рис. 6. Определение параметра h21э.


Рис. 7. Определение параметра h22э.

По этим точкам строим нагрузочную прямую (выделена красным цветом на рисунке 8).


Рис. 8. Нагрузочная прямая.
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

где:

𝐾<sub>𝑈

=</sub> ^ℎ213^𝑅K ℎ₁₁₃ + ∆ℎ₃𝑅_K

Тогда:

ℎ ℎ


113 123
^∆ℎ3 ^{= |}_{ℎ213 ℎ223}^{| = ℎ}113^ℎ223 ^{− ℎ}213^ℎ123 ⁼

= 235 · 0,23 · 10⁻³ − 147 · 37,5 · 10⁻³ ≈ −5,46

𝐾<sub>𝑈

=</sub> 147 · 500

235 − 5,46 · 500

≈ −29,5

Исследуем параметры транзистора в схеме с общей базой (ОБ). Схема для исследования показана на рисунке 9.

Входные характеристики: задавая значения тока эмиттера (с помощью источника 𝐼₁) при фиксированных напряжения коллектор-база измеряем напряжение эмиттер-база.

Выходные характеристики: задавая напряжение коллектор-база (с помощью источника ₁ при фиксированных токах эмиттера измеряем ток коллектора.

Результаты измерений занесем в соответствующие таблицы (табл. 3, 4).

Рис. 8. Схема исследования транзистора 2N3904 в схеме с ОБ.

Таблица 3

UКБ = 0	UБЭ, В	0	0,62	0,65	0,67	0,68	0,69	0,71	0,73	0,75
	IЭ, мА	0	0,2	0,5	1	2	3	5	10	20
UКБ = 4В	UБЭ, В	0	0,62	0,64	0,66	0,67	0,69	0,71	0,73	0,75
	IЭ, мА	0	0,2	0,5	1	2	3	5	10	20

Таблица 4

IЭ = 5 мА	IК, мА	-	0	2,6	4,3	4,8	4,9	5,0	5,0	5,0
	UКБ, В	-	-0,75	-0,70	-0,65	-0,60	-0,50	0	5	10
IЭ =10 мА	IК, мА	1,2	4,6	7,4	9,2	9,8	10,0	10,0	10,0	10,0
	UКБ, В	-0,80	-0,75	-0,70	-0,65	-0,60	-0,50	0	5	10

По полученным измерениям построим входную (рисунок 9) и выходную (рисунок 10) характеристики транзистора 2N3904 в схеме с ОБ. По данным таблицы 3 видно, что входные характеристики при 𝑈_KБ = 0 B и 𝑈_KБ = 4 B практически не отличаются, поэтому построим одну из них.



Рис. 9. Входная характеристика транзистора 2N3904 в схеме с ОБ.



Рис.10. Выходная характеристика транзистора 2N3904 в схеме с ОБ.

Для определения h-параметров транзистора в схеме с ОБ воспользуемся формулами пересчета.

^ℎ11Б

_≈ ^ℎ113

1 + ℎ<sub>213

=</sub> 235

1 + 147

= 1,59 Om

^ℎ113^ℎ223



235 · 0,23 · 10⁻³ ₋₃

^ℎ12Б ^≈ _{1 + ℎ}

213

− ℎ₁₂₃ =

_{1 + 147} − 37,5 · 10

= −0,04

^ℎ21Б

_≈ ^ℎ213

1 + ℎ<sub>213

=</sub> 147

1 + 147
= 0,99

_{ℎ ≈} ^ℎ223

22Б _{1 + ℎ213}

0,23 · 10⁻³

= _{1 + 147} = 1,6 · 10⁻⁶ Cm

Коэффициент усиления по напряжению:

𝐾<sub>𝑈

=</sub> ^ℎ21Б^𝑅K ℎ_11Б + ∆ℎ_Б𝑅_K

Тогда:

ℎ ℎ


11Б 12Б
^∆ℎБ ^{= |}_{ℎ21Б ℎ22Б}^{| = ℎ}11Б^ℎ22Б ^{− ℎ}21Б^ℎ12Б ⁼

= 1,59 · 1,6 · 10⁻⁶ + 0,99 · 0,04 = 0,0396

𝐾<sub>𝑈

=</sub> ^ℎ21Б^𝑅K ℎ_11Б + ∆ℎ_Б𝑅<sub>K

=</sub> 0,99 · 500

1,59 + 0,0396 · 500

= 23,1

Примечание. Виртуальные модели в программе MatLab/Simulink по схеме с общим эмиттером (ОЭ) – рисунок 1и по схеме с общей базой (ОБ) – рисунок 9 позволяют получать ВАХ биполярного транзистора  автоматически, без проведения ручных построений. Например, на рисунке 11 показаны характеристики коллекторного тока (Ic) и коллекторно-эмиттерного напряжения (Vce) для различных уровней базового тока (Ib) для схемы с ОЭ.








Рис. 11. Входная характеристика транзистора 2N3904 в схеме с ОБ.

Контрольные вопросы

1. 
   Как образуется n-p-переход и каковы его свойства?
   
2. 
   Каково устройство биполярного транзистора и принцип его работы в схеме с общей базой и с общим эмиттером?
   
3. 
   Как изображают на схемах транзисторы n-p-nи p-n-p-типов?
   
4. 
   Какова полярность напряжений между электродами транзисторов n-p-n и p-n- pтипов?
   
5. 
   Какие функции выполняет эмиттер и коллектор?
   
6. 
   Объясните характер входных и выходных характеристик биполярного транзистора.
   
7. 
   Почему запрещается отключать вывод базы при наличии напряжения на эмиттере и коллекторе?
   
8. 
   Что представляет собой обратный ток коллекторного перехода?
   
9. 
   Объясните физический смысл h-параметров транзисторов и как они определяются по входным и выходным характеристикам?
   
10. 
    Почему коэффициент усиления по току  не остается постоянным при изменении тока эмиттера?