Завдання 2
Тема “Біполярний транзистор”
Зміст завдання
Для схеми вмикання біполярного транзистора із спільним емітером (рис. 1) та заданих вхідних (табл. 1) і вихідних (рис. 2) статичних вольт-амперних характеристик транзистора, а також опорів резисторів RК та RБ і напруг джерел ЕК та ЕБ (табл. 2) провести такі розрахунки:
а) визначити робочу точку транзистора, саме значення його постійних струмів і напруг: струму бази IБ, напруги база-емітер UБЕ, струму колектора IК, колекторної напруги UКЕ;
б) на підставі заданих вольт-амперних характеристик визначити значення низькочастотних h-параметрів транзистора в робочій точці, що відповідає знайденим постійним струмам і напругам транзистора.
EMBED Word.Picture.8
Рис. 1. Схема до завдання
Таблиця 1.
Вхідні статичні вольт-амперні характеристики біполярного транзистора
EMBED Word.Picture.8
Рис. 2. Вихідні статичні вольт-амперні характеристики транзистора
(номер варіанту, за яким вибираються струми бази ІБ, визначається за передостанньою цифрою залікової книжки студента)
Таблиця 2.
Параметри компонентів схеми
Методичні вказівки до виконання завдання
Приступаючи до виконання індивідуального завдання, необхідно вивчити принцип роботи біполярного транзистора та його вольт-амперні характеристики. Варіант вихідних даних для заданої схеми вибирати з табл. 2, вольт-амперні характеристики - по табл. 1 та рис. 2 за номером залікової книжки. Всі графіки будувати на міліметровому папері.
Приклад виконання завдання
Розглянемо приклад виконання індивідуального завдання для вихідних даних, поданих в табл. 3, та статичних вольт-амперних характеристик транзистора (табл. 1 та рис. 2, варіант 2).
Таблиця 3.
Виконання пункту а
Визначимо спочатку значення постійного струму бази ІБ і напруги база-емітер UБЕ, які відносяться до вхідного кола схеми (рис. 1). Вхідне коло представляє собою замкнутий контур, який складається з джерела вхідної напруги ЕБ, резистора RБ і перходу емітер-база транзистора. На резисторі RБ спад напруги URБ= ІБ·RБ, на переході емітер-база - UБЕ. Оскільки за другим законом Кірхгофа в замкнутому контурі сума напруг дорівнює нулеві:
ЕБ - ІБ·RБ- UБЕ=0, (1)
то звідси струм бази
ІБ=( ЕБ - UБЕ)/ RБ. (2)
Отриманий вираз представляє собою лінійну залежність ІБ від UБЕ. Однак існує ще одна залежність ІБ від UБЕ, а саме вхідна вольт-амперна характеристика транзистора ІБ=f(UБЕ), яка задана таблично (табл. 2). Об’єднаємо ці дві залежності в одну систему рівнянь, оскільки обидві залежності діють в одній і тій же схемі:
EMBED Equation.3 (3)
Таким чином, ми отримали систему двох рівнянь з двома невідомими (ІБ та UБЕ), яку можна розв’язати графічним способом, тобто побудувати графіки обох рівнянь в одній системі координат і знайти їх точку перетину.
Графік залежності ІБ=f(UБЕ) побудуємо на підставі даних табл. 2. Для побудови графіку першого рівняння, який буде прямою лінією, достатньо визначити координати двох точок.
Для першої точки задамо напругу переходу база-емітер UБЕ=0. Значення струму бази для цієї напруги визначимо на підставі першого рівняння системи (3): ІБ= ЕБ/RБ=2В/30кОм=67 мкА. В результаті перша точка матиме координати (0; 67) і лежатиме на вертикальній осі.
Для другої точки задамо струм бази ІБ=0. Значення напруги база-емітер для цього струму визначимо знову ж таки на підставі першого рівняння системи (3): UБЕ= ЕБ=2 В. В результаті друга точка матиме координати (2; 0) і лежатиме на горизонтальній осі.
Відкладемо координати точок на графіку (рис. 3) і проведемо через них пряму, яку називають навантажувальною лінією, та визначимо координати точки перетину прямої з вхідною вольт-амперною характеристикою, тобто робочу точку транзистора: UБЕ=0,68 В; ІБ=44 мкА. Це і будуть шукані значення постійного струму бази і постійної напруги база-емітер.
EMBED Word.Picture.8
Рис. 3. Графічні побудови на вхідній вольт-амперній характеристиці транзистора
Перейдемо до розрахунку струму колектора IК і постійної напруги колектор-емітер UКЕ. Для цього накреслимо вихідні вольт-амперними характеристиками транзистора, подані на рис. 2. Перш за все зауважимо, що отримані графіки вихідних характеристик є лише для значень струму бази IБ=10; 20; 30; 40; 50; 50; 70; 80 мкА, але немає саме того графіку, який нам потрібен, а саме для значення струму бази IБ=44 мкА. Тому спочатку наближено побудуємо потрібну нам характеристику (штрихова лінія) для IБ=44 мкА.
В подальшому скористаємось тим же методом, що і для визначення струму бази ІБ і напруги база-емітер UБЕ, оскільки вихідне коло схеми рис. 1 є також замкнутим контуром, який складається з джерела напруги EК, резистора RК та ділянки колектор-емітер транзистора. Будуємо на вихідних характеристиках (рис. 4) навантажувальну лінію за формулою:
EMBED Equation.3 (4)
Навантажувальна лінія проходить через точку EК=6 В на горизонтальній осі і точку ІК=ЕК/RK=6 В/2 кОм=3 мА на вертикальній осі. На місці перетину навантажувальної лінії з харктеристикою транзистора для IБ=44 мкА визначаємо робочу точку транзистора. Вона має координати: ІК=2,2 мА; UКЕ=1,65 В.
EMBED Word.Picture.8
Рис. 4. Графічні побудови на вихідних вольт-амперних характеристиках транзистора
Таким чином робоча точка транзистора відповідає таким координатам (значенням постійних струмів і напруг):
Виконання пункту б
Визначаємо значення низькочастотних h-параметрів транзистора, а саме h11Е, h21Е, h22Е на підставі його вольт-амперних характеристик для робочої точки, яка відповідає вищерозрахованим постійним струмам і напругам транзистра.
Параметр h11Е (малосигнальний вхідний опір транзистора) наближено визначаємо по вхідній ВАХ транзистора на підставі невеликих приростів струму бази IБ та напруги база-емітер UБE, вибраних навколо робочої точки (див. рис. 3):
h11Е UБE/IБ=0,08/0,000052=1538 Ом. (5)
(Зауважимо, що, чим меншими вибрані прирости, тим точніше буде визначено параметр).
Значення параметра h21Е (малосигнального коефіцієнта підсилення струму транзистора) визначаємо на підставі вихідних ВАХ транзистора (рис. 4) через прирости колекторного IК та базового IБ струмів, відрахованих відносно робочої точки при умові, що UКE = const:
h21Е IК/IБ. (6)
Значення приросту клекторного струму IК визначаємо як різницю колекторних струмів IК2-IК2 , які відповідають точкам перетину C та D сусідніх по відношенню до робочої точки характеристик, та вертикальної прямої, проведеної через робочу точку, яка забезпечує виконання умови UКE = const. Приріст струму бази IБ визначаємо як різницю базових струмів, при яких задані дві вищезгадані сусудні характеристики: IБ=IБ2-IБ1=50-40=10 мкА. Таким чином:
h21Е IК/IБ=0,4·10-3/10-5=40.
Значення параметра h22Е (малосигнальна вихідна провідність транзистора) визначаємо також на підставі вихідних ВАХ транзистора (рис. 5) як відношення приростів напруги колектор-емітер UКE та колекторного струму IК, вибраних навколо робочої точки, забезпечуючи умову ІБ = const:
h22Е IК/UКЕ=0,3·10-3/6=1,67·10-4 См. (7)
EMBED Word.Picture.8
Рис. 5. Графічне визначення h-параметрів по вихідних вольт-амперних характеристиках
Таким чином значення h-параметрів транзистора у визначеній робочій точці складають:
Укладач доц., к.т.н. Якубенко