Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інструкція до лабораторної роботи № 5
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Захист інформації
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРАНЗИСТОРА В СХЕМІ ЗІ СПІЛЬНОЮ БАЗОЮ
Інструкція до лабораторної роботи № 5
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму 6.0914
«Інформаційна безпека», «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», «Системи технічного захисту інформації», «Управління інформаційною безпекою»
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № від 2009 р.
Львів – 2009
Моделювання характеристик і визначення параметрів транзистора в схемі зі спільною базою: Інструкція до лабораторної роботи №5 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. , ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009. ( с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Собчук І.С., к.ф.-м.н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з особливостями роботи транзистора в схемі зі спільною базою, промоделювати вхідні та вихідні статичні характеристики, визначити hb-параметри транзистора.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Серед напівпровідникових приладів важливе місце займає транзистор, який застосовується для підсилення і перетворення електричних сигналів і має три виводи. Найбільше розповсюдження отримали транзистори з двома n-p переходами, які називають біполярними, оскільки їх робота основана на використанні носіїв заряду обох знаків. Транзистор побудований на основі напівпровідникової монокристалічної пластини, в якій створені три області з різною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори з електропровідністю типу p–n–p, в яких діркову p електропровідність мають дві крайні області, а середня область має електронну n електропровідність.
Роботу біполярного транзистора розглянемо на прикладі n р n-транзистора, у режимі без навантаження, коли увімкнені тільки джерела постійного живлення, напругою Е1 і Е2 (рис.1).
а б
Рис.1. Рух електронів і дірок у транзисторах з електропровідністю
типу n-p-n ( а ) і p-n-p ( б )
Полярність джерел живлення така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Опір емітерного переходу малий, і для отримання струму в цьому переході достатньо напруги E1 в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е2 зазвичай складає одиниці або десятки вольтів. З рис.1 видно, що напруга між електродами транзистора пов’язана простою залежністю
UKЕ = UKБ + UБЕ. (1)
При роботі транзистора в активному режимі зазвичай UБЕ << UKБ, тому
UKЕ ( UKБ. (2)
Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового р-n-переходу за прямого зміщення. А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода за зворотної напруги.
Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (UБЕ), істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менша за зміну струму емітера. Таким чином, напруга UБЕ, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора ґрунтується саме на цьому явищі.
Фізичні процеси у транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги UБЕ знижується потенціальний бар’єр на емітерному переході, і відповідно зростає струм ІЕ через цей перехід. Електрони інжектуються з емітера в базу і, завдяки дифузії, проникають через базу до колекторного переходу. Оскільки колекторний перехід працює за зворотної напруги, то в цьому переході виникають об’ємні заряди, які показані на рисунку кружками із знаками “+” і “–”, між якими виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягує електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази достатньо мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, у рівноважному режимі кількість дірок у базі повинна бути незмінною. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е1 така ж кількість електронів. Інакше кажучи, у базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих у базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то така ж сама кількість електронів повинна вийти з бази у вигляді струму IБ. Оскільки струм колектора виходить меншим за струм емітера, то, згідно з першим законом Кірхгофа, завжди існує таке співвідношення між струмами у транзисторі:
IЕ = IK + IБ. (3)
Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був якомога меншим. Зазвичай ІБ складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто IБ<<IЕ, а тому струм колектора лише трохи менший за струм емітера, і можна вважати, що ІK( IЕ. Саме для того, щоб струм IБ був якомога меншим, базу роблять дуже тонкою і зменшують у ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менша кількість електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок у ній була велика, то значна частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.
Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу, і по обидві сторони від межі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області і дірок з n-області.
Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера інжектуються електрони, які для даної області є неосновними носіями. Не встигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більший струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу, тим меншим стає його опір і, відповідно, збільшується струм колектора. Інакше кажучи, зі збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.
Потрібно зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід виготовляють зі значно більшою площею, ніж емітерний, оскільки потужність, що розсіюється на колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, яка розсіюється на емітерному переході. Тому, якщо використати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки за значно меншої потужності, що є недоцільним. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати як емітер або колектор.
Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:
. (4)
Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.
Роботу транзистора можна наочно подати за допомогою енергетичної зонної діаграми, яка наведена на рис.2 для транзистора з електропровідністю типу n-р-n.
Рис.2. Енергетична зонна діаграма n-p-n транзистора
В емітерному переході є невеликий енергетичний бар’єр. Чим більша напруга UБЕ, тим нижчий цей бар’єр. Зміщений у зворотному напрямку колекторний перехід має значну різницю потенціалів, і електричне поле, створене нею витягує електрони з базової області в колекторну, створюючи колекторний струм.
Повний струм колектора транзистора складає
, (5) де ( – коефіцієнт передачі струму емітера, значення якого переважно складає (0,95 ( 0,99);
– тепловий (некерований) зворотний струм колектора.
Підставляючи значення іе з (3) в (5) отримуємо
. (6)
Розв’язавши це рівняння відносно ік, отримуємо
(7)
і (8) де ( – коефіцієнт передачі струму бази;
ікн ( початковий наскрізний струм, який протікає через весь транзистор, коли іб=0.
З врахуванням прийнятих позначень отримуємо остаточний вираз для ік
(9)
Коефіцієнт ( , так само як і ( відноситься до важливих параметрів транзистора. Якщо відомий ( , то ( можна визначити за формулою
(10)
При значному підвищенні напруги на колекторі струм ікн різко зростає і відбувається електричний пробій. Необхідно знати, що при роз’єднанні кола бази в транзисторі може відбуватися лавиноподібне збільшення струму колектора, що приводить до його перегріву і виходу транзистора з ладу. Тому при експлуатації транзисторів заборонено роз’єднувати коло бази при ввімкненному колекторному живленні.
Рис.3. Схема увімкнення біполярного n-p-n транзистора зі спільною базою
У схемі зі спільною базою (рис.3.) у вхідне коло (між базою та емітером) послідовно з джерелом живлення емітера Е1 увімкнене джерело вхідного сигналу, яке виробляє деяку змінну напругу Uвх. Джерело живлення колектора Е2 увімкнене у вихідне коло між колектором та базою. Отже, база є спільним електродом для вхідного та вихідного кіл.
У цій схемі через джерело сигналу проходить струм емітера IЕ. Струм, що проходить через джерело вхідного сигналу називається вхідним струмом. Отже, для схеми зі СБ Івх= IЕ.
Вихідним струмом у цій схемі є струм колектора Івих= IK.
Коефіцієнт передачі струму у схемі зі СБ
. (11)
Вхідний опір схеми зі СБ
. (12)
Цей опір є малим (одиниці – десятки Ом), оскільки вхідне коло транзистора являє собою відкритий емітерний перехід транзистора.
Схема зі СБ не дає підсилення за струмом ((<1), а низький вхідний опір схеми зі СБ є її суттєвим недоліком, оскільки виявляє шунтувальну дію у багатокаскадних схемах на опір навантаження попереднього каскаду і різко зменшує підсилення цього каскаду за напругою та за струмом.
Статичні характеристики транзистора відображають залежність між струмами і напругами на його вході та виході, знятими за постійного струму і відсутності навантаження у вихідному колі.
Однією сім’єю характеристик цю залежність показати не можна. Тому необхідно користуватись двома видами сімей статичних характеристик транзистора.
Для схеми зі спільною базою вхідна характеристика являє собою залежність струму емітера IЕ від напруги між емітером та базою UБЕ за постійної напруги між колектором та базою UKБ:
IЕ=f(UБЕ) якщо UKБ = const. (13)
Типові вхідні статичні характеристики для схеми зі СБ подані на рис.4,а.
а б
Рис.4. Статичні характеристики транзистора для схеми зі спільною базою: вхідні (а), вихідні (б)
З рисунка видно, що вхідні характеристики аналогічні вольт-амперній характеристиці р-n-переходу для прямого струму, причому зміна напруги UKБ мало впливає на струм емітера. Це пояснюється тим, що поле, яке створюється напругою UKБ у схемі зі СБ майже повністю зосереджується в колекторному переході і незначно впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Так, на рис.4,а вхідні характеристики, виміряні за UKБ(0, майже накладаються. Тому в довідниках зазвичай наводять лише дві вхідні характеристики для певного типу транзистора – одну, виміряну за UKБ=0, та іншу, виміряну за UKБ(0, наприклад, за UKБ=5В.
Вихідні характеристики транзистора для схеми зі СБ дають залежність струму колектора від напруги на колекторному переході за постійних значень емітерного струму
IK=f (UKБ) якщо IЕ=const. (14)
Приклад вихідних статичних характеристик транзистора поданий на рис.4,б. З рисунка видно, що за нормальної робочої полярності, коли колекторний перехід працює у зворотному напрямку, вихідні характеристики являють собою майже прямі лінії, які йдуть з невеликим нахилом. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв заряду, що проникають з емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму визначається передусім величиною струму емітера і незначно залежить від напруги UКБ, прикладеної до колекторного переходу. Навіть за UКБ=0 відбувається явище екстракції, і струм колектора може мати достатньо велике значення, яке залежить від величини струму емітера.
За IЕ=0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис. Вона відповідає звичайній характеристиці зворотного струму р-n-переходу. Струм ІКБ0, який визначається цією характеристикою, є некерованим, і є одним з параметрів транзистора. З рисунка також видно, що за зміни полярності напруги UKБ струм IK різко зменшується і досягає нуля за значень UKБ порядку десятих часток вольта. У цьому випадку колекторний перехід працює у прямому напрямку, струм через цей перехід різко зростає і йде у напрямку, протилежному до нормального робочого струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Тому ділянки характеристик, показані на рис.4,б пунктирними лініями, не є робочими і зазвичай на графіках не наводяться.
При ввімкненні транзистора в схемі з спільною базою підсилювальний каскад забезпечує підсилення за напругою і за потужністю, а коефіцієнт підсилення за струмом менший від одиниці. Для такої схеми ввімкнення транзистора відсутній фазовий зсув між вихідною і вхідною напругами. Транзистор має найменший вхідний (від одиниць до десятків Ом) і найбільший вихідний (сотні кілоом) опори. Схема ввімкнення транзистора з спільною базою забезпечує найкращі частотні властивості і найвищу температурну стабільність підсилювального каскаду.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтезувати схему, рис.6., за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерелела постійної напруги Е1=10В і Е2=1В, транзистора n-p-n типу 2Т315А .
Зняти вхідну ВАХ IЕ=f(UБЕ) якщо UKБ =const, вихідну ВАХ IK=f(UKБ) якщо IЕ=const.
Розрахувати hб-параметрів транзистора включеного у схему зі спільною базою.
Рис.5. Схеми дослідження транзистора, включеного у схему зі спільною базою.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Транзистори можна вибирати таким способом - вибрати у рядку інструментів Компоненты рис.6., відриється вікно у якому вибирають елементи, наприклад n-p-n транзистор, і розміщають у будь-якому місці робочого вікна.
Вибрати джерело живлення можна, наприклад, таким шляхом – зайти в Компоненты і вибрати Analog Primitives. Після того як відкриється вікно вибрати джерела живлення різного призначення, наприклад Waveform Sources. В цьому розділі вибираємо джерело живлення необхідне для реалізації схеми, наприклад використовуємо джерела типу Voltage Source див рис.7,8.
Рис.6. Вікно вибору Компоненты .
Рис.7. Вибір параметрів джерела постійної напруги.
Для побудови ВАХ вибираємо в основному меню Аналіз/Передаточные характ. по постоянному току і встановлює опції і параметри . Для побудови вхідної характеристики транзистора, включеного у схему рис.5, IЕ=f(UБЕ) якщо UKБ =const необхідно встановити параметри див.рис. 9. Вихідну характеристику IK=f(UKБ) якщо IЕ=const можна отримати подібним способом див.рис.10.
Для визначення hб-параметрів транзистора використовують метод характеристичного трикутника. Як приклад розглянемо рис.11 і рис.12.
На вхідних характеристиках транзистора будують характеристичний трикутник аbс (рис.11), з якого знаходимо h11б ( вхідний опір транзистора в схемі з спільною базою
при
де , а
Рис.8. Вибір параметрів джерела постійної напруги.
Рис.9. Вікно аналіз/передаточные характ. по постоянному току, для побудови вхідної характеристики.
Рис.10. Вікно аналіз/передаточные характ. по постоянному току, для побудови вихідної характеристики.
Отже,
З цього ж трикутника визначаємо h12б ( коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою транзистора в схемі з спільною базою при
,
де , а
Підставляємо значення і у вираз для h12б і отримуємо
Параметри h21б і h22б визначають за вихідними характеристиками, які зображені на рис.12. Побудувавши характеристичний трикутник fnk знаходимо h21б ( коефіцієнт підсилення транзистора за струмом в схемі з спільною базою.
при
де ; а
З цього ж характеристичного трикутника fnk на вихідній характеристиці визначаємо h22б ( вихідну провідність транзистора в схемі з спільною базою
при
де а
Використавши з панелі інструментів можемо отримаємати значення напруги у будь-якій точці графіка , в даному випадку напруга = 1.4В.
Звіт повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схему для зняття характеристик транзистора з коротким описом параметрів елементів, що входять у цю схему.
Вхідні статичні характеристики IЕ=f(UБЕ) якщо UKБ =const.
Вихідні статичні характеристики IK=f(UKБ) якщо IЕ=const
Розрахунок hб-параметрів.
Короткі висновки по роботі.
Контрольні запитання та завдання
Розповісти про побудову біполярних транзисторів, їх умовне позначення.
У чому відмінність керування струмом колектора транзистора від керування анодним струмом електронної лампи?
Вкажіть особливості ввімкнення транзистора в схемі із спільною базою.
Яку залежність описує вхідна статична характеристика транзистора?
Яку залежність описує вихідна статична характеристика транзистора?
Чим пояснити відсутність підсилення за струмом у схемі із спільною базою ?
Як впливає значення напруги між базою і колектором на вигляд вхідної статичної характеристики транзистора?
Охарактеризуйте кожен з hб-параметрів транзистора для схеми із спільною базою. Вкажіть розмірність hб-параметрів, поясніть їхній фізичний зміст.
Яким чином можна визначити hб-параметри за статичними характеристиками транзистора?
Яке практичне застосування транзистора в схемі із спільною базою?
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
Жеребцов И.П. Основы электроники. ( Л.: Энергоатомиздат, 1989.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. ( М.: Высшая школа, 1987.
Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства информационной автоматики. ( К.: Выща шк., 1989.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора