В схеме с общим эмиттером Кирпичев В.Ф.   МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Исследование характеристик и Параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
		2006

 

 

Составитель - ст. преподаватель КИРПИЧЕВ В.Ф.

Данные методические указания являются вторым изданием аналогичных указаний к лабораторной работе «Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером», выпущенным в 1983 году.

 

 

Одобрено к переизданию на заседании кафедры Автоматизированных информационных

и вычислительных систем

11.11.2006 г., протокол №3.

 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1.1. Принцип работы

 

Наиболее распространенной схемой является схема с базовым входом (с общим эмиттером), когда транзистор управляется током базы I_б. Механизм управления связан с изменением заряда базы, который определяется зарядом неосновных носителей.

Попытаемся вспомнить физику процессов в сплавном транзисторе типа p-n-p.

 

Рис. 1. Постоянные (режимные) токи в транзисторе.

 

Токи, протекающие в выводах транзистора, все физические про­цессы в транзисторе не изменяются при изменении схемы его включе­ния. Следовательно, при протекании в цепи эмиттера тока Iэ, в выводе коллектора протекает ток , а в выводе базы ток (рис. 1).

Ток образуется за счет перехода неосновных носителей че­рез коллекторный переход. Для транзистора р-n-р это могут быть электроны, входящие в область базы из области коллектора, или дырки, уходящие из области базы в область коллектора.

В эмиттерной цепи протекает ток Iэ, состоящий в основном из дырок, инжектированных в базу из р-эмиттера. Подавляющее большинство дырок () достигает коллектора и уходит в коллекторный переход, создавая в его цепи основную компоненту коллек­торного тока . Только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами в области базы, образуя рекомбинационную составлявшую тока эмиттера . Рассмотрим работу схемы в активном режиме, когда на базовый вывод подан отри­цательный потенциал.

Из анализа работы одиночного p-n перехода известно, что при приложении к переходу внешнего напряжения в прямом направлении в базовой n-области у границы перехода создается некоторая концентрация неравновесных неосновных носителей (дырок), превышающая концентрации равновесных неосновных носителей.

Одновременно с появлением неравновесных дырок в базе, в нее из внешней цепи поступает такое же количество основных неравно­весных носителей-электронов, практически повторяющих распределе­ние дырок в базе. Область базы таким путем остается электрически нейтральной. Для простоты в дальнейшем будем рассматривать толь­ко распределение дырок, являющихся для n-базы неосновными но­сителями. Вследствие наличия градиента концентрации дырок в базе, они будут двигаться (диффундировать) к коллекторному переходу. В планарных транзисторах одновременно происходит и дрейф дырок в электрическом поле неравномерно легированной базы. На практике на базовый вывод подается не только постоянное (режимное) смеще­ние, но и входной сигнал , подлежащий усилению. В этом слу­чае ток базы является входным током. Ток коллектора, как и в схе­ме с общей базой, является выходным. Усиление по току для этой схемы будет определяться отношением приращения тока коллек­тора к вызвавшему его приращению тока ба­зы .

Введение в базу неосновных носителей в количестве, определяемом величиной приращения тока базы , обязательно изменит высоту потенциального барьера эмиттерного перехода на величину, обеспечивающую изменение тока эмиттера на . Таким образом,

Из анализа работы схемы с общей базой мы знаем формулу

По закону Киргофа

Подставим выражение для Iэ в первую формулу и получим уравнение выходных характеристик:

;

;

;

,

где

;

, т.к.

Коэффициент В>>1 и может быть назван интегральным коэффициентом усиления по току.

Во многих случаях полагают , пренебрегая зависимостью от тока ( -дифференциальный коэффициент передачи тока базы).

- тепловой ток коллекторного перехода в схеме с базовым входом (при "оборванном" базовом выходе). Этот ток в (В+1) раз больше, чем тепловой ток в схеме с эмиттерным входом . Ток называют иногда сквозным током транзистора. Увеличение тока коллекторного перехода объясняется приложением части коллекторного напряжения к эмиттерному переходу в прямом направлении, что снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода и приводит к инжекции носителей через переход (рис. 2).

Рис. 2. К объяснению причин влияния напряжения на коллекторе на величину теплового (обратного) тока.

 

1.2. Входные и выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) кремниевых транзисторов

Если диапазон изменения рабочих токов не более одного поряд­ка, то входное напряжение в пределах диапазона остается постоян­ным. Его можно считать параметром кремниевого транзистора U* (рис. 3а). Для нормального токового режима (0,1-1 мА) U* ≈ 0,7 В, для микрорежима (1,0-10 мкА) U* ≈ 0,5 В.

Практическое отпирание кремниевого p-n перехода наступает лишь при прямых напряжениях U* -0,1 В, т.е. 0,4-0,6 В.

Рис. 3. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ. (транзистор кремниевый)

 

 

Таким образом, при напряжениях, меньших напряжения отпирания, вплоть до нуля, входная характеристика сливается с осью абсцисс.

Рассмотрим влияние изменение коллекторного напряжения на вид входных характеристик.

Как показано ранее (см. рис. 2), в активном режиме часть кол­лекторного напряжения смещает эмиттерный переход в прямом направ­лении. Если поддерживать постоянным ток базы, то это напряжение, складываясь с прямым напряжением на переходе, приведет к смещению входных характеристик вправо (а не влево, как в схеме ОБ) (рис. За).

Выходные ВАХ, в силу этого же, получат более значительный наклон (при увеличении U_к, увеличивается инжекция неосновных носителей эмиттерным переходом. Эти носители создают приращение тока коллектора при неизменном токе базы I_б).

Выходные ВАХ строятся практически из начала координат, по­скольку при Uкэ = 0 коллекторный переход тоже смещен в прямом направлении за счет напряжения на базе и оба перехода, примерно в равной мере, инжектируют и собирают носители.

Таким образом, режим двойной инжекции в схеме с ОЭ реали­зуется не за счет изменения знака напряжения на коллекторе, как в схеме ОБ, а при малых потенциалах Uк. Прямое смещение кол­лекторного перехода при малых Uк объясняется тем, что в схе­ме с ОЭ на базе имеется потенциал -0,7В. Поэтому коллекторный переход оказывается смещенным в прямом направлении, если

Главной особенностью выходных характеристик по схеме с ОЭ является то, что они полностью расположены в первом квадранте. Оценим напряжение, при котором наступает спад коллекторного тока, а транзистор переходит в область насыщения. Напомним, что при этом на обоих переходах (двойная инжекция) действуют прямые напряжения.

Запишем для режима двойной инжекции.

где под и понимаются прямые напряжения (рис. 4).

Рис. 4. К объяснению хода выходных характеристик в области малых напряжений на коллекторе.

 

Будем уменьшать напряжения (см. рис. 3 и 4). Формаль­но границе активного режима соответствует значение =0, т.е. = , так как змиттерный переход смещен в прямом направлении и выходное напряжение еще сравнительно велико - оно равно напряжению на открытом эмиттерном переходе: .

Заметный спад тока наступает лишь тогда, когда прямое напря­жение достигает напряжения отпирания U*-0,1 В. Отметим, что хотя к области р - коллектора прикладывается отрицательный потенциал источника коллекторного питания, но он по модулю меньше потенциала n-базы, задаваемого источником в цепи базы. Та­ким образом, напряжение на коллекторном переходе имеет прямую полярность.

Если прямое напряжение на эмиттерном переходе составляет U*, а напряжение открытия коллекторного перехода U* -0,1 В, то выходное напряжение составляет:

 

 

Минимальное значение выходного напряжения получается при нулевом токе коллектора (см. рис. З б). Наклон выходных ВАХ в схеме ОЭ значительно больше (рис. 3б), чем в схеме ОБ. Следовательно, сопротивление , характеризующее этот наклон, значительно мень­ше, чем сопротивление в схеме ОБ. Это объясняется тем, что приращение вызывает приращение . Соответственно проис­ходит приращение I_э и дополнительное увеличение тока I_к. В предпробойной области наклон ВАХ быстро возрастает. Напряжение пробоя в схеме ОЭ меньше, чем в схеме с OБ.

На входных характеристиках в схеме с ОЭ по оси ординат откла­дывается ток базы I_б, который значительно меньше тока эмиттера I_э. Поэтому входное сопротивление в схеме с ОЭ будет больше, чем в схеме с ОБ, так как напряжения, откладываемые по оси абсцисс, имеют одинаковую величину

 

т.к.

 

1.3. Малосигнальные физические и h - параметры.

 

Эквивалентная схема транзистора для малых переменных сигна­лов при включении по схеме с ОЭ приведена на рис. 5.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода вычисляется, как и в случае с ОБ, по формуле , где - постоянная составляющая тока.

Сопротивление базы является суммой сопротивлений активной и пассивной частей базы и обычно составляет несколько десятков или сотен омов.

Рис. 5. Эквивалентная схема транзисторов при включении с ОЭ.

 

Поскольку схема малосигнальная, используется не интегральный коэффициент усиления В, а дифференциальный, для которого принято особое обозначение

 

 

Сопротивление коллекторного перехода будет иметь меньшее значение, чем сопротивление в схеме с ОБ.

 

 

Меньшая величина сопротивления коллекторного перехода объясняет­ся увеличением коллекторного тока при увеличении напряжения на коллекторе из-за снижения потенциального барьера эмиттерного пеpexода с ростом Uк. Если =1 мОм, =100, то =10 кОм.

В связи с тем, что внутренняя базовая точка Б′ (рис. 5) недоступна для непосредственного измерения физических параметров транзистора, для практических целей часто используют систему h-параметров, которые можно измерить на внешних зажимах. При этом, как и в предыдущем случае, транзистор работает с сигналами малых амплитуд (по сравнению с питающими токами и напряжениями). Поэтому транзистор можно представить активным линейным четырех­полюсником. Параметры четырехполюсника измеряются на переменном токе и являются дифференциальными. H-параметры можно опре­делить и по статическим ВАХ транзистора, аналогично тому, как это делалось для схемы с ОБ.

Следует заметить, что h-параметры в схеме с общим эмит­тером h_э имеют значения, отличные от соответствующих параметров в схеме с общей базой h_б.

Используя экспериментальные входные и выходные характеристи­ки и выбрав рабочую точку по постоянному току, можно определить h_э - параметры:

 

; ;

; .

 

Между физическими и h -параметрами существует связь:

 

; ;

 

Параметры h_б и h_э связаны между собой простыми соотношения­ми

 

; ;

 

; .

Ориентировочно величины h-параметров для двух схем включения маломощного германиевого сплавного транзистора при нормальной температуре и в номинальном режиме приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Схема включения	h11 (Ом)	h12	h21	h22 (мксим)
с общей базой		7*10-4	0,97	0,7
с общим эмиттером		9*10-4

 

Таблица также даёт возможность сравнить схемы между собой.

К этому следует добавить:

- cxeмa с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности. Удобна для использования с одним источником питания коллекторной и базовой цепи. Обладает большей точностью при измерении дифферен­циальных параметров. Как усилительная схема малых сигналов распространена наиболее широко. К недостаткам следует отнести меньшую устойчивость в диапазоне температур и меньшее предельно до­пустимое напряжение на коллекторе;

- схема с ОБ имеет наибольшее усиление по напряжению, наи­лучшую устойчивость в диапазоне температур и выдерживает большие напряжения на коллекторе. Однако не усиливает ток и имеет меньший коэффициент усиления по мощности.

 

 

1.4. Усилительный режим транзистора по схеме ОЭ.

 

Каскады усиления чаще всего выполняются по схеме с ОЭ (рис. 6).

Поскольку I_к > I_б, то транзистор в схеме с ОЭ усили­вает не только по напряжению, но и по току.

Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ больше входного сопротивления в схеме с ОБ, т.к. в схеме с ОЭ входным током является ток базы I_б, который меньше входного тока I_э в схеме с ОБ в 10…100 раз.

Рис.6. Схема усилительного каскада (ОЭ).

 

Рабочая точка А (рис. 7) выбирается на характеристиках аналогичного схеме с ОБ.

Коэффициент усиления по току транзистора в схеме с ОЭ можно записать в виде

 

Если коэффициент передачи тока α = 0,9÷0,995, то в этом случае = 10÷200.

Коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада может быть определен графоаналитическим методом по рис. 7, аналогично схеме с ОБ.

 

 

Рис. 7. Выбор рабочей точки А на входных (а) и выходных (б) характеристиках (транзистор германиевый).

 

1.5. Ключевой режим.

 

До сих пор мы, в основном, рассматривали работу транзистора в режиме усиления при малых сигналах. В этом случае, с помощью постоянных токов и напряжений, задается некоторая рабочая точка в той части семейства вольтамперных характеристик, где эти характеристики можно считать линейными.

Если транзистор работает не в режиме усиления малых сину­соидальных сигналов, а в режиме усиления малых импульсных сиг­налов, то в принципе эти режимы ничем не отличаются друг от друга, так как последовательность импульсов всегда можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих. Гораздо большего внимания заслуживает работа транзистора в режиме так называемо­го большого сигнала, когда рабочая точка перемещается в значитель­ной области характеристик, от одного края ее активной области к другому, из состояния "ВКЛЮЧЕНО" в состояние "ВЫКЛЮЧЕНО" или нао­борот. В данном случае активный режим работы является переходным. На рис.8 показана схема простейшего транзисторного ключа.

Рис.8. Простейший транзисторный ключ.

 

Транзистор включен по схеме с ОЭ. Управляемой (прерываемой) является коллекторная цепь с источником питания Е_к и нагрузкой в виде резистора R_к. В управляющей (базовой) цепи включен ис­точник управляющего напряжения Е_б и последовательное сопротив­ление R_б.

Если напряжение Е_б имеет положительную полярность, то эмиттерный переход транзистора (р-n-р) смещен в обратном направ­лении, транзистор заперт и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение U_кэ на ключе близко к Е_к.

Если напряжение Е_б имеет отрицательную полярность и доста­точно велико, то транзистор открыт, в цепи нагрузки протекает ток I_к, и остаточное напряжение на ключе может быть близким к нулю.

Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является ин­вертирующей схемой, т.к. увеличение (по модулю) напряжение на входе (Е_б), сопровождается уменьшением выходного напряжения U_кэ от Е_к до малого остаточного напряжения.

Остаточный ток и остаточное напряжение - главные статистичес­кие параметры ключа. Рассмотрим их подробнее.

В запертом состоянии ключа, строго говоря, должно выполнять­ся условие Е_б > 0. Однако, практически кремниевый переход ос­тается запертым и при Е_б < 0 до тех пор, пока прямое смещение на эмиттерном переходе не достигнет величины -0,6В. При этом токи всех трех электродов транзистора очень малы. Поэтому падением напряжения на сопротивлениях R_б и R_к можно пренебречь и счи­тать U_б =Е_б и U_кэ = Е_к. Запертому состоянию ключа соответст­вуют точки А на рис. 9.

Когда напряжение Е_б достигает значения U*, транзистор открывается. Начинает протекать базовый ток I_б1 и пропорциональ­ный ему коллекторный ток I_к1, а потенциал коллектора соответственно уменьшается (см. точки 1 на рис. 9 а,б).

При дальнейшем росте напряжения Е_б потенциал базы U_б практически остается равным U* (рис. 9а), но токи продолжают расти, а потенциал коллектора - падать. На рисунке, для нахождения рабочих точек, используется метод линий нагрузки; по оси на­пряжений откладывается заданное напряжение (в данном случае ве­личины Е_б или Е_к) и из этой точки проводится вольтамперная характеристика нагрузки (в данном случае - прямая линия для резисторов R_б и R_к). Точка пересечения обеих характерис­тик - основной и нагрузочной - определяет ток и напряжение в той или иной цепи.

В точке 2, при токе I_б2, потенциал коллектора U_к делает­ся равным U*, а напряжение на коллекторном переходе U_кб становится равным нулю. При еще больших токах напряжение U_кб становится положительным, т.е. прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако до тех пор, пока прямое напряже­ние на коллекторе остается меньше напряжения отпирания (0,6В), инжекция коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы.

Только в точке 3, при токе I_б3, когда прямое напряжение U_кб достигает напряжения отпирания (а потенциал коллектора со­ответственно падает примерно до 0,1 В), инжекция коллектора на­чинает препятствовать дальнейшему увеличение коллекторного тока и этот ток остается практически неизменным. Такой максималь­ный ток называют током насыщения и обозначают I_кн (точка В рис. 9б). Соответственно и режим двойной инжекции, характерный для открытого состояния ключа, обычно называют режимом насыщения транзистора.

Рис.9. Расположение рабочих точек ключа на статических характеристиках транзистора: а – входной; б – выходной.

Открытому (насыщенному) состоянию ключа соответствуют точки В на рис. 9 а, б. Управляющие ток и напряжение в открытом состоянии обозначены через и .

Остаточное напряжение на ключе в точке В содержит две со­ставляющие:

,

где - разность напряжений на переходах;

- падение напряжения на горизонтальном сопротивлении коллекторного перехода (рис. 1б схеме ОБ).

Уменьшению способствует прежде всего увеличение ин­версного коэффициента усиления B_I. Уменьшение осуществ­ляется форсированием так называемого скрытого слоя на дне кол­лекторной области.

 

 

2. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Цель работы - исследование транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

В процессе работы снимаются семейства входных и выходных характеристик; по характеристикам рассчитываются Н-параметры. Вычисляются некоторые параметры Т-образной схемы замещения.

 

 

3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

 

Схема для снятия характеристик реализуется на универсаль­ном стенде установкой переключателей в положение ОЭ (рис. 10).

Рис. 10. Схема для снятия статических характеристик транзистора.

 

Питающие напряжения подаются от источников Е_б и Е_к и регулируется потенциометрами R₁ и R₂. Входной и выходной токи, напряжение на коллекторе измеряются встроенными приборами: микроамперметром ИТ1, миллиамперметром ИТ2, вольтметром ИН2. Входное напряжение измеряется внешним (переносным) милливольтметром ИН1.

 

 

4. ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

 

Записать паспортные данные исследуемого транзистора и зари­совать схему расположения его выводов. Изобразить схему экспери­мента.

 

4.1. Определить диапазон изменений токов базы, коллектора, напря­жений на коллекторе. Построить кривую допустимой мощности на координатных осях выходных характеристик.

4.2. Снять семейство входных характеристик для трех значений напряжения на коллекторе: U_кэ = 0, U_кэ = -5В, U_кэ = -10В, точки откладывать непосредственно на графике.

4.3. Снять семейство выходных характеристик . Для трех значений тока базы: I_б=30мкА, I_б=60мкА, I_б=90мкА. При снятии выходных характеристик напряжение и ток коллектора не должны превышать значений, определяемых кривой допустимой мощности.

4.4. Используя построенные семейства входных и выходных характеристик, определить h_э-параметры в рабочей точке. Для большей точности рекомендуется отсчитать значения приращений токов и напряжений непосредственно с измерительных приборов (в рабочей точке).

4.5. Используя вычисленные h_э-параметры, определить малосигнальные параметры , .

 

5. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА.

 

Отчет по работе должен содержать:

5.1. Паспортные данные исследуемого прибора.

5.2. Схему для снятия характеристик.

5.3. Краткое описание хода работы со ссылками на все рисунки, таблицы отчета.

Все рисунки, графики должны иметь сквозную нумерацию по типу данного описания. Надпись типа: Рис.3. Входные характерис­тики транзистора МП-41 включенного по схеме ОЭ, должна быть рас­положена под рисунком.

Все таблицы должны иметь заголовок, номер и головку по типу:

 

Паспортные данные транзистора МП...

Таблица 2

 

Параметр	Единицы измерения	Номинал

 

В тексте ссылки на таблицы делать по типу: паспортные дан­ные приведены в табл.2.

В отчете не должно быть ненумерованных рисунков и таблиц.

Отчет должен быть оформлен на листах одного формата (жела­тельно 210x297), включая графики на миллиметровой бумаге и сшит.

5.4. Анализ полученных результатов должен заключаться в сравнении рассчитанных параметров с паспортными, в сравнительной харак­теристике параметров схемы ОЭ с схемой ОБ.

 

 

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ

 

1. Что заставляет дырки двигаться в базе по направлению к кол­лектору в планарном транзисторе?

2. Как связаны между собой входной и выходной токи транзистора в схеме с общим эмиттером?

3. Какой ток называют сквозным током транзистора и как он связан с обратным током коллекторного перехода и почему?

4. Что такое интегральный и дифференциальный коэффициенты передачи тока и как они обозначаются?

5. Как влияет коллекторное напряжение на потенциальный барьер эмиттерного перехода?

6. Нарисуйте входные характеристики кремниевого и германиевого транзистора на одних координатных осях, укажите характерные параметры.

7. Нарисуйте входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ при разных напряжениях на коллекторе. Объясните влияние Uкэ на положение характеристик.

8. Нарисуйте семейство выходных характеристик. Укажите режим работы транзистора. Почему выходные ВАХ имеют два участка - с малой и большой крутизной?

9. Объясните, чем определяется значительный наклон выходных характеристик?

10. Покажите, как по выходным характеристикам определить и В?

11. Укажите численные величины и полярность напряжений на электродах кремниевого транзистора в режиме насыщения.

12. Как связаны между собой коэффициенты передачи тока и ?

13. Как связаны между собой и ?

14. Покажите, как определить h₁₁ и h₁₂ по семейству входных характеристик.

15. Покажите, как определить h₂₁ и h₂₂ по семейству выход­ных характеристик.

16. Какие значения имеют коэффициенты h_21б и h_21э?

17. Какие значения имеют коэффициенты h_11б и h_11э?

18. Перечислите основные достоинства и недостатки транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой.

19. В каких случаях транзистор можно заменить линейным четырехполюсником?

20. Нарисуйте схему усилительного каскада на транзисторе типа n-р-n.

21. Что такое нагрузочные характеристики? Как они строятся?

22. Изобразите схему простейшего ключа на биполярном транзисторе n-р-n типа и укажите полярность источников питания.

23. Изобразите полярность и величины напряжений на переходах n-р-n транзисторного ключа в режимах отсечки и насыщения.

24. Поясните, почему простейший транзисторный ключ является инвертором.

25. Что такое "скрытый слой" и для чего он создается в планарном транзисторе?

 

Методические указания

 

Кирпичев Валерий Федорович