Badanie tranzystora bipolarnego

Badanie tranzystora bipolarnego
Symulacja komputerowa PSPICE 9.1
www.pspice.com
Spis ćwiczeń:
1.
2.
3.
4.
Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego
Wyznaczanie rezystancji wejściowej
Rysowanie charakterystyk wyjściowych
Rysowanie charakterystyki przejściowej
1. Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego
Opis
Tranzystor bipolarny jest trójnikiem i ma trzy końcówki: emiter E, bazę B oraz
kolektor C. W układach elektronicznych jedna końcówka jest wspólna i dlatego
rozróżniamy trzy różne konfiguracje układowe, czyli układy wspólnego emitera
WE, wspólnej bazy WB i wspólnego kolektora WC (inne oznaczenia: OE, OB i OC
In CE, CB i CC). Najczęściej wykorzystywany jest układ wspólnego emitera i
dlatego charakterystyki i podstawowe parametry tranzystora bipolarnego NPN
wyznaczmy dla tranzystora Q2N2222 pracującego w układzie WE. Tranzystor
bipolarny będzie pracował w obszarze pracy aktywnej wówczas, gdy złącze
emiterowe spolaryzujemy w kierunku przewodzenia napięciem UBE > U (TO), zaś
złącze kolektorowe spolaryzujemy w kierunku wstecznym, czyli UCB > 0. Warunek
ten jest spełniony, gdy napięcie kolektor-emiter jest dodatnie i ma wartość
większą od napięcia nasycenia UCesat. Ponieważ oznaczenia poszczególnych
prądów i napiec w układzie symulacyjnym inne niż w katalogach, w tabeli 1
podano zestawienie oznaczeń.
Tabela 1. Zestawienie oznaczeń dla obwodu wejściowego tranzystora
bipolarnego w układzie wspólnego emitera
L.p.
Wielkość fizyczna, parametr
1
Napięcie baza – emiter , napięcie
wejściowe
Prąd bazy, prąd wejściowy
Napięcie kolektor – emiter, napięcie
wyjściowe
2
3
Oznaczenia
Katalogowe
W prog. Probe
UBE
V_V1
IB
UCE
Ib(Q1)
V(Q1:c)
Sposób postępowania przy rysowaniu charakterystyk wejściowych tranzystorów
bipolarnych jest bardzo podobny do rysowania charakterystyk statycznych diod
konwencjonalnych, ale w układzie występuje dodatkowo napięcie zasilające
obwód kolektor – emiter: podstawowe ustawienia dla analizy DC Sweep:
• Źródło V1: od –1 do 1 co 0.01,
• Źródło V2 (analiza Nested Sweep): od 5 do 20 co 5.
1
Rysunek nr 1. Schemat układu
Ćwiczenia:
1. Narysuj charakterystykę wejściową tranzystora Q2N2222 dla UCE = 0.
2. Narysuj charakterystykę wejściową dowolnego innego tranzystora
bipolarnego.
3. Na podstawie charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2222 dla IB = 2.5 mA
wyznacz wartość temperaturowego współczynnika napięcia (jest ot zmiana
napięcia baza – emiter przypadająca na 1 stopień zmiany temperatury).
Porównaj ją z danymi katalogowymi typowych tranzystorów małej mocy.
2
2. Wyznaczanie rezystancji wejściowej
Rezystancja statyczna diody emiterowej w dowolnym punkcie może być
obliczona ze stosunku wartości napięcia baza-emiter do wartości prądu bazy przy
stałym napięciu kolektor-emiter:
UBE
RBE = I
(1)
B
gdzie: UCE = const
W katalogach rezystancja statyczna oznaczana jest przez h11E . W celu
narysowania wykresu zależności statycznej rezystancji wejściowej od napięcia
baza-emiter po uruchomieniu symulacji w programie Probe klikamy kolejno:
Trace → Add... i w okienku Trace Expression wpisujemy V(V1:+)/IB(Q1).
Klikamy OK i otrzymujemy wykres zależności rezystancji statycznej diody
emiterowej do napięcia baza – emiter.
Rezystancja statyczna może zmieniać się w bardzo dużym zakresie w
zależności od położenia punktu pracy na charakterystyce, dlatego w celu
zwiększenia dokładności odczytu należy zawęzić zakres zmian napięcia bazaemiter.
Rysunek nr 2 Schemat układu do wyznaczania rezystancji wejściowej
Rezystancja dynamiczna diody emiterowej w pobliżu pewnego punktu może
być obliczona ze stosunku przyrostu napięcia baza – emiter od przyrostu prądu
bazy:
∆UBE
rbe = h11e=
(2)
∆IB
gdzie: UCE = const
3
w programie Probe klikamy kolejno: Trace → Add... i w okienku Trace
Expression wpisujemy: 1/D((IB(Q1)), co odpowiada odwrotności pochodnej
prądu bazy.
Zarówno rezystancja statyczna, jak i dynamiczna zależą od położenia punktu
pracy na charakterystyce i mogą zmieniać się w bardzo dużych granicach.
Zwiększenie dokładności odczytu możliwe jest po zawężeniu zakresu zmian
napięcia baza – emiter.
Ćwiczenia:
1.
Narysuj wykres zależności statycznej rezystancji wejściowej tranzystora
od napięcia baza – emiter dla napięć baza – emiter zmieniających się w
granicach od 300mV do 500mV
2.
Narysuj wykres zależności dynamicznej rezystancji wejściowej
tranzystora od napięcia baza – emiter dla napięć baza – emiter
zmieniających się w granicach od 300mV do 500mV
3.
Narysuj wykres zależności statycznej rezystancji wejściowej tranzystora
od napięcia baza – emiter dla napięć baza – emiter zmieniających się w
granicach od 100mV do 200mV
3. Rysowanie charakterystyk wyjściowych
Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego w układzie
wspólnego emitera nazywamy zależność prądu wyjściowego od napięcia kolektor
– emiter przy stałej wartości prądu wejściowego:
(3)
IC = f(UCE) | IB = const
Oznaczenia:
UBE – napięcie baza-emiter, czyli napięcie wejściowe;
IB – prąd bazy, czyli prąd wejściowy;
UCE – napięcie kolektor-emiter, czyli napięcie wyjściowe;
IC – prąd kolektorowy, czyli prąd wyjściowy.
Tabela nr 2. Zestawienie oznaczeń dla tranzystora bipolarnego w układzie
wspólnego
Emitera.
L.p.
Wielkość fizyczna, parametr
1
2
3
Napięcie baza-emiter, napięcie wejściowe
Prąd bazy, prąd wejściowy
Napięcie kolektor-emiter, napięcie
wyjściowe
Prąd kolektorowy, prąd wyjściowy
4
5
6
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia
prądowego
Konduktancja wyjściowa
4
Oznaczenia
Katalogowe w prog. Probe
UBE
V(Ql:b)
IB
I_I1
UCE
U_U1
Ic
h21E
Ic(Q1) lub
IC(Q1)
IC(Q1)/IB(Q1)
h22E
IC(Q1)/V(Q1:C)
Rysowanie rodziny charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego
metodą krok po kroku
1. Rysujemy schemat symulowanego układu zgodnie z rysunkiem nr .... W
bibliotece źródeł źródło prądowe I1 nosi nazwę ISRC, zaś źródło napięciowe
V1 nosi nazwę VSRC.
2. Po podwójnym kliknięciu symbolu każdego ze źródeł deklarujemy i zapisujemy
ich parametry. Dla źródła V1 przykładową wartość DC = 20 V; dla źródeł
przyjmujemy DC = 10 pA.
3. Wydajemy polecenia: Analysis → Setup → DC Sweep..., a następnie
deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep. W tym celu w okienku DC Swep
zaznaczamy Voltage Source i Linear, w polu Name wpisujemy V1 i
deklarujemy:
• Start Value: 0,
• End Value: 20,
• Increment: 0.01.
4. Klikamy Nested Sweep... i otwiera sie okno DC Nested Sweep, w którym
zaznaczamy Current Source i Linear, wpisujemy Name: I1 oraz:
• Start Value: 0,
• End Value: 50µ,
• Increment: lOµ.
Zaznaczamy Enable Nested Sweep i klikamy OK. Zamykamy okno Analyst
Setup.
5. Zapisujemy schemat i klikamy przycisk uruchamiający symulacje Simulate
Uwagi:
•
•
Należy zwrócić uwagę na strzałkę w symbolu prądu - przy pobieraniu
symbolu źródła prądowego z biblioteki strzałka skierowana jest w dół, a
wiec należy ją odwrócić (po zaznaczeniu symbolu źródła dwukrotnie
wykorzystujemy klawisze Ctrl+R).
Umieszczenie na schemacie rezystora R1 o wartości 1 mΩ nie zmienia
wyników, a umożliwia obliczanie parametrów dla napięć zmieniających
się od 0 V.
5
Rysunek nr 3. Schemat układu do wyznaczania rodziny charakterystyk wyjściowych
Do rodziny charakterystyk wyjściowych możemy dorysować proste obciążenia
W tym celu w programie Probe wydajemy polecenia: Trace → Add.... W okienku
Trace Expression wpisujemy: (20-V(Q1:c))/R1, gdzie R1 oznacza wartość
rezystancji kolektorowej oznaczanej tradycyjnie przez Rc. Proste obciążenia
narysować dla konkretnych rezystancji o wartościach 1 kΩ, 2 kΩ i 5 kΩ.
Rysowanie hiperboli mocy dopuszczalnej
W celu narysowania hiperboli mocy dopuszczalnej w polu charakterystyk
wyjściowych tranzystora rysujemy dodatkowy wykres opisany równaniem: P/V(Q1:c),
gdzie P oznacza moc dopuszczalną wyrażoną w watach [W].
Ustaw Trace → Add... → Trace Expression: 0.1/V(Q1:c).
Ćwiczenia:
1. Narysuj rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora dla prądów bazy
zmieniających się w granicach od 1 do 5 µA
2. Narysuj rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora dla napięć kolektor –
emiter zmieniających się od 0V do 5V
6