Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.

ĆWICZENIE 3
Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.
I . Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie małosygnałowych parametrów tranzystorów
bipolarnych na podstawie ich charakterystyk statycznych.
II. Układ pomiarowy
Wszystkie pomiary należy wykonać z wykorzystaniem makiety:
charakterystyk tranzystorów bipolarnych” przedstawionej na rysunku poniżej.
„Pomiar
Tranzystory:
1. BD243C
2. BC547
3. BF258
4. 2N3055
Rys. 1. Makieta „Pomiar charakterystyk tranzystorów bipolarnych”
Makieta wymaga zasilania z dwóch zasilaczy AC1 i AC2. Przed pomiarami należy ustawić
właściwy typ tranzystora bipolarnego n-p-n lub p-n-p, na podstawie informacji zawartych
w notach aplikacyjnych. Podczas wykonywania pomiarów należy pamiętać
o nieprzekraczaniu dopuszczalnych wartości napięć i prądów.
1
III. Przebieg ćwiczenia
ℎ
ℎ
tranzystorów pracujących w układzie
ℎ
ℎ
wspólnego emitera na podstawie statycznych charakterystyk tranzystorów uzyskanych
w poprzednim ćwiczeniu, (do analizy przyjąć rodzinę charakterystyk dla UCE = 5V).
Uwaga! Jeżeli w poprzednim ćwiczeniu nie wykreślono kompletnych
charakterystyk, przed wyznaczaniem parametrów macierzowych należy je
uzupełnić!
a) rezystancję wejściową: h11e, a następnie wykreślić zmiany tego parametru w
funkcji prądu kolektora,
b) wzmocnienie prądowe: h21e i wykreślić jego zmiany w funkcji prądu kolektora,
c) konduktancję wyjściową: h22e i wykreślić jej zmiany w funkcji kolektora,
d) powtórzyć obliczenia z punktu 1.a – 1.c dla pozostałych tranzystorów.
Uwaga! Zmiany parametrów w funkcji prądu kolektora wykreślić na jednym
wykresie dla danego tranzystora.
1. Wyznaczyć parametry macierzy h=
2. Wyznaczanie parametrów modelu hybryd-π w zakresie małych częstotliwości
(w tym zakresie można przyjąć: rbb’ = 0)
a) wyznaczyć parametry: gbe, gm, gce na podstawie parametrów macierzy h; do
obliczeń przyjąć parametry h uzyskane dla jednego punktu pracy w okolicach
ICQ = ICQmax/2,
b) porównać otrzymane wyniki z zależnościami teoretycznymi, opisanymi
równaniami (8), do obliczeń przyjąć UEY = 100, β – średnia wartość z katalogu
(noty aplikacyjnej tranzystora).
c) powtórzyć punkt 2.a i 2.b dla pozostałych tranzystorów.
IV. Podstawowe wiadomości niezbędne do wykonania ćwiczenia
Opis działania tranzystora bipolarnego można przeprowadzić zakładając, że pracuje on
w układzie czwórnika (rys . 2). Ponieważ zależności pomiędzy prądami i napięciami między
wejściem i wyjściem mają charakter nieliniowy, analizę przenoszenia sygnałów zmiennych
można opisać równaniami liniowymi przy założeniu małych amplitud sygnałów zmiennych.
Tranzystor pracuje wtedy w określonym punkcie (punkcie pracy) charakterystyki
stałoprądowej.
Rys. 2. Tranzystor w układzie czwórnika
W zakresie małych częstotliwości do opisu działania tranzystora wykorzystuje się
parametry mieszane (hybrydowe) czwórnika typu [h]. Układ równań dla sygnałów
zmiennych, opisujących zależności wejściowo – wyjściowe wygląda następująco:
u =h i +h u
,
i =h i +h u
(1)
2
gdzie: u1, u2, i1, i2 są amplitudami małych sygnałów zmiennych i są równoważne niewielkim
przyrostom napięć i prądów stałych, czyli odpowiednio: ∆U1, ∆U2, ∆I1, ∆I2.
Współczynniki macierzy h zależą od wyboru układu pracy wzmacniacza
tranzystorowego. W celu ich rozróżnienia stosuje się odpowiednie indeksy, np. w przypadku
wspólnego emitera elementy macierzy mają dodatkowy indeks e, np. h12e.
Metodyka wyznaczania parametrów hije z charakterystyk statycznych dla układu
wspólnego emitera wygląda następująco:
1.
Wybieramy punkt pracy (UCEQ, ICQ) na charakterystyce wyjściowej tranzystora.
Następnie zaznaczamy na charakterystyce przejściowej punkt (IBQ, ICQ) i na
charakterystyce wejściowej (UBEQ, IBQ).
2.
Na poszczególnych charakterystykach wybieramy 2 punkty w pobliżu zaznaczonych
wcześniej punktów pracy (powyżej i poniżej) i liczymy przyrosty odpowiednich napięć
i prądów. Jeśli punkty będą położone zbyt blisko siebie to przyrosty wartości mogą być
obliczone niedokładnie, z drugiej strony punkty muszą leżeć dostatecznie blisko, tak,
aby odcinek charakterystyki leżący pomiędzy nimi można było aproksymować linią
prostą.
3.
Obliczamy parametry hije tranzystora w wybranym punkcie pracy:
ℎ
=
∆
,
∆
∆
ℎ
=
ℎ
=∆
∆
∆
przy UCE = const.
,
,
(2)
przy UCE = const.
(3)
przy IB = const.
(4)
Zmieniając punkt pracy można wykreślić przebieg parametrów macierzy h w funkcji
prądu kolektora, przykład takiej rodziny charakterystyk przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Zależność parametrów „h” tranzystora bipolarnego BC108C od prądu kolektora [1]
Ze względu na niewielkie wartości parametru h12, w ćwiczeniu pominięto wyznaczanie tego
parametru.
Liniowe, małosygnałowe modele tranzystora bipolarnego są używane głównie do
analizowania właściwości wzmacniaczy w dziedzinie częstotliwości oraz czasu. W modelach
tranzystorów rzeczywistych, oprócz rezystancji wejściowej i sterowanego źródła prądowego
3
uwzględnia się dodatkowe wielkości, przede wszystkim pojemności złączowe i rezystancje
obszarów doprowadzeń, zwłaszcza rezystancję rozproszoną bazy rb = rbb’ (włączoną między
zacisk zewnętrzny bazy B i wydzielony zacisk bazy wewnętrznej B’, dla tranzystorów
krzemowych małej mocy wynosi ona 100 ÷ 300 Ω), konduktancję wyjściową gce wynikającą
ze zjawiska Early’ego. Najczęściej stosowanym modelem wzmacniacza pracującego
w konfiguracji wspólnego emitera jest model hybryd-π, przedstawiony na rys. 4.
Rys. 4. Model liniowy tranzystora bipolarnego w konfiguracji wspólnego emitera, typu hybryd-π [1]
Cje, Cde, – modelują odpowiednio pojemność złączową i dyfuzyjną złącza B-E, zaś – Cjc
pojemność złączową złącza C-B. Pojemność złączowa Cjc zwykle podawana jest
w katalogach tranzystorów, ale może być także wyznaczona ze wzoru:
=
,
(5)
gdzie: Cjc0 – pojemność przy polaryzacji złącza C-B napięciem UCB = 0 V (typowe wartości tego parametru leżą
w zakresie 0,2 ÷ 1 pF), UCB – napięcie polaryzujące złącze kolektor –baza, ψ0 – potencjał bariery złącza (typowo
0,55÷0,8 V).
Dla typowych punktów pracy wartość Cjc wynosi od ułamka do kilkudziesięciu
pikofaradów [2]. Pojemość Ce = Cje + Cde (równoległe połączenie emiterowych pojemności:
złączowej i dyfuzyjnej) można wyznaczyć z zależności [2]:
=
!"#
−
,
(6)
gdzie: fT – częstotliwość graniczna tranzystora (parametr podawany w katalogach, jego wartość zależy od
przeznaczenia tranzystora wynosi od 100 kHz do kilku GHz).
Zależności pomiędzy parametrami modelu hybryd-π a parametrami czwórnika typu h są
następujące:
ℎ
=
+ ())* ;
ℎ
≈ 0;
%&'
ℎ
=
%&'
=-;
ℎ
≈. ;
(7)
Parametry modelu: gbe, gm, gce w danym punkcie pracy tranzystora (UCEQ, ICQ) można
wyznaczyć na podstawie przybliżonych zależności:
.) =
gdzie: 5 6 =
76
8
/
,
.0 =
1
2#
,
.
=
1
13
4
,
(8)
= 26;<, UEY – napięcie Early’ego, β – współczynnik wzmocnienia prądowego.
4
V. Pytania kontrolne
1. Tranzystor jako czwórnik, elementy macierzy h.
2. Wyznaczanie wartości elementów macierzy h na podstawie charakterystyk tranzystora.
3. Model hybryd-π.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Z. Nosal, J. Baranowski, „Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe”, WNT Warszawa 1998
A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”, WNT Warszawa 1993
U. Tietze, Ch. Schenk, „Układy półprzewodnikowe”, WNT Warszawa 1996
W. Marciniak, „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone” WNT Warszawa 1984
A. Prałat [red.] „laboratorium układów elektronicznych. Część II”, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001
5