42
Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку«Заверше-
ние работы».
5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
·Что такое туннельный эффект?
·Каковы особенности структуры туннельного диода по сравнению с выпрямительным диодом?
·Чем отличаются вольтамперные характеристики туннельного и выпрямительного диодов?
·Какой участок ВАХ туннельного диода является рабочим?
·Перечислите основные электрические параметры туннельного диода.
·Какие электронные устройства можно реализовать на базе туннельного диода?
·Как правильно выбрать параметры регрессии?
·Как оценить качество полученной ВАХ?
·Объясните, на основании каких соображений в работе выбираются параметры электрической схемы включения ТД.
·Насколько точно определены в работе параметры туннельного диода? От чего может зависеть качество полученных результатов?
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
·определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;
·получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;
·получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;
·установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.
2.СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро-
сами:
·устройство и принцип работы биполярного транзистора [1, с. 42-48],
·основные характеристики биполярного транзистора [1, с 44-51, 73-82],
·схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы[1,
с. 182-190],
43
· особенности работы транзистора в режиме малого сигнала[1, с. 188190].
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их условные обозначения и устройство приведены на рис. 4.1.
Рис.4.1. Условные обозначения и устройство транзисторов p-n-p (а, б) и n-p-n (в, г) типов (показано смещение переходов транзисторов при работе в линейном режиме)
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот(от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности ( от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте(низкочастотные – не более 3 МГц; средней частоты – от 3 МГц до 30МГц; высокочастотные
– от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные – более 300 МГц) и по мощности (маломощные – не более 0,3 Вт; средней мощности – от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности – более 1,5 Вт).
Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.
Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.
Широкое распространение в последние годы получили составные
44
биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.
Взависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.
Влинейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный –
вобратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным – это режим пробоя.
Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложенных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда пере-
ход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению UБЭ, через него протекает ток базыIБ. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется выражением:
где bDC – статический коэффициент передачи тока базы.
Прямое падение напряжения UБЭ на эмиттерном переходе связано с
|
током коллектора уравнением Эберса-Молла: |
|
|
I К = I КБ .О ( eU БЭ / jТ –1 ), |
(4.2) |
где IКБ.О – обратный ток коллекторного перехода, а jТ – температурный потенциал, который при температуре =300Т К составляет для кремния примерно 25 мВ.
Из выражения (4.2) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условииUБЭ>jТ ток коллектора возрастает с ростом -на пряжения UБЭ по экспоненциальному закону:
|
I К » I КБ .О eU БЭ / jТ , |
(4.3) |
где UБЭ <yК – контактная разность потенциалов.
Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтамперные характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рис.4.2.
Кроме ВАХ рассматривают статический коэффициент передачи тока, коэффициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивление. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзисто-
45
ра. На рис.4.3 приведена схема включения биполярного транзистора с обратной проводимостью (n-p-n – типа) по схеме с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следующее соотношение между токами:
где IЭ, IБ, IК – сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора, соответственно.
Рис.4.2. Входная (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора
Рис.4.3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером
Рассмотрим основные характеристики биполярного транзистора.
|
Статический коэффициент передачитока bDC |
определяется как |
||||
|
отношение тока коллектора IК к току базы IК : |
|||||
|
bDC = |
I К |
. |
(4.5) |
||
|
I Б |
приращением DIК |
||||
|
Коэффициент передачи токаbAC определяется |
|||||
|
коллекторного тока к вызывающему его приращению DIБ базового тока: |
|||||
|
bAC = |
DI К |
. |
(4.6) |
||
|
DI Б |
46
Дифференциальное входное сопротивление ri транзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:
|
ri |
= |
DU |
БЭ |
= |
U БЭ 2 –U БЭ1 |
. |
(4.7) |
|
DI |
|||||||
|
Б |
I Б 2 – I БЭ1 |
Используя полученные ранее параметры транзистора дифференциальное входное сопротивление rВХ можно определить по формуле:
|
ri = rБ + bАС × rЭ , |
(4.8) |
где rБ – распределенное сопротивление базовой области полупроводника, rЭ – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: rЭ = 25/IЭ , а IЭ – постоянный ток эмиттера в миллиамперах.
Первое слагаемое в выражении (4.8) много меньше второго, поэтому им можно пренебречь. Тогда:
Биполярные транзисторы чаще всего используются в усилительных каскадах. На рис.4.4 изображен типичный транзисторный каскад с общим эмиттером. Режим работы биполярного транзистора в таком каскаде определяется силой базового тока. Для того, чтобы базовый ток был стабилен, база соединяется с источником напряженияЕБ через высокоомное сопротивление RБ.
Рис.4.4. Установка рабочей точки с помощью стабильного тока базы
Для определения режима работы транзисторного каскада удобно построить линию нагрузки на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора во всех основных режимах работы, а именно: насыщения, усиления и отсечки.
Режим насыщения имеет место в случае, когда ток коллектора не
47
управляется током базы. Эта ситуация возникает при условииbDC IБ >IКН, где IКН – ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется сопротивлением RК в цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК:
|
I КН |
» |
EK |
. |
(4.10) |
|
RK |
Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы IБН:
|
I БН = |
I КН |
. |
(4.11) |
||
|
bDC |
|||||
|
Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопро- |
|||||
|
тивление резистора RБ следует выбрать равным: |
|||||
|
RБ |
= RБН = |
ЕБ |
. |
(4.12) |
|
|
IБН |
В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения Iкн и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:
|
I К |
= |
EК –U КЭ |
. |
(4.13) |
|
RК |
Рабочая точка транзисторного каскада
Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе.
Базовый ток транзистора в схеме(рис. 4.4) определяется как ток через сопротивление в цепи базы RБ:
|
I Б |
= |
EБ – U БЭ |
. |
(4.14) |
|
RБ |
||||
|
Он может быть также |
определен как |
точка пересечения входной |
ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.4.5а)
Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора(точка 1 на рис
4.5б.)
|
Значение тока коллектора можно вычислить по формуле: |
|
|
I K = bDC × I Б . |
(4.15) |
48
Рис.4.5. Определение рабочей точки транзистора по входной (а) и выходной (б) вольтамперным характеристикам транзистора
Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линии
|
нагрузки цепи коллектора: |
|
|
U КЭ = E K – I K × RK . |
(4.16) |
В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе RК падения напряжения. Следовательно, напряжение UКЭ максимально и равно напряжению источника питанияЕК. Данный режим соответствует точке 2 на рис. 4.5б.
Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала
При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных искажениях. Характерной особенностью данного режима является ,точто при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.
Расчет режима малого сигнала состоит в нахождении постоянных и переменных составляющих токов и напряжений в транзисторном каскаде. Расчет постоянных составляющих позволяет найти параметры рабочей точки транзисторного каскада(статический режим). Расчет переменных составляющих – усилительные свойства каскада в этой точке.
Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:
|
КУ |
= |
U ВЫХm |
. |
(4.17) |
|
U ВХm |
Величина этого параметра в схеме с общим эмиттером приближенно
49
равна отношению сопротивления в цепи коллектораrК цепи эмиттера rЭ:
KУ = rK . rЭ
Сопротивление в цепи коллектораrК определяется параллельным соединением сопротивления коллектора RK и сопротивления нагрузкиRН, роль которого может играть, например, входное сопротивление следующего каскада:
|
rK |
= |
RK × RН |
. |
(4.19) |
|
RK + RН |
Сопротивление в цепи эмиттераrЭ это сопротивление эмиттерного перехода, равное rЭ = 25мВ/IЭ. , причем в силу малости тока базы можно считать IЭ» IК. Если в цепи эмиттера включен резистор сопротивлением RЭ, то коэффициент усиления следует рассчитывать по формуле:
|
KУ |
= |
rK |
. |
(4.20) |
|
|
rЭ + RЭ |
|||||
|
Важными параметрами |
транзисторного |
каскада являются также |
входное и выходное сопротивления.
Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения UВХm
|
и входного тока IВХm: |
U ВХm |
||||
|
rВХ |
= |
. |
(4.21) |
||
|
I ВХm |
Входное сопротивление усилителя по переменному току вычисляется как параллельное соединение входного сопротивления транзистораri = bАС×rЭ и резисторов в цепи смещения базы. В схеме рис.4.4 используется один резистор RБ , поэтому входное сопротивление каскада равно:
|
1 |
= |
1 |
+ |
1 |
. |
(4.22) |
|
rВХ |
||||||
|
ri |
RБ |
Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжениюUХХm холостого хода на выходе усилителя и по напряжению UВЫХm, измеренному для сопротивления нагрузки RН , из следующего уравнения, решаемого относительно rВЫХ:
|
U ВЫХm |
= |
RН |
. |
(4.23) |
|
U ХХm |
RН + rВЫХ |
Выбор рабочей точки транзисторного каскада определяет особенности работы транзисторного каскада. Максимальная величина неис-
50
каженного переменного напряжения на выходе может быть получена при условии, когда в статическом режиме постоянное напряжение на коллекторе равно половине напряжения коллекторного источника питания UK =EK /2.
При неудачном выборе амплитуды входного сигнала и величины базового смещения возникают искажения: выходное напряжение принимает несинусоидальную форму. Для устранения искажений нужно скорректировать положение рабочей точки или уменьшить амплитуду входного сигнала.
3.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Всостав лабораторного стенда входят:
·базовый лабораторный стенд.
·Лабораторный модуль Lab4А для исследования характеристик биполярного транзистора типа КТ3102Д.
4.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word.
Установите лабораторный модуль Lab4 на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис. 4.6.
При исследовании характеристик биполярного транзистора используется схема, изображенная на рис.4.7.
|
Рис. 4.6. Внешний вид модуля Lab4А |
Рис. 4.7. Принципиальная электри- |
|
для исследования характеристик |
ческая схема для исследования ха- |
|
биполярного транзистора |
рактеристик биполярного транзи- |
|
стора |
Загрузите и запустите программу Lab-4А.vi.
После ознакомления с целью работы нажмите кнопку«Начать работу». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполнения задания 1 (рис. 4.8).
51
Задание 1. Определение коэффициента передачи биполярного транзистора по постоянному току
4.1.1. Установите с помощью ползунковых регуляторов, находящихся на передней панели ВП, напряжения источников питания ЕБ и ЕК, примерно равными указанным в табл.4.1, и измерьте с помощью ВП соответствующие значения тока коллектора IК, тока базы IБ и напряжения коллек- тор-эмиттер UКЭ. Полученные результаты запишите в табл. 4.1.
Рис. 4.8. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1
4.1.2. Вычислите по формуле(4.5) и запишите в табл.4.1 значения статического коэффициента усиления транзистораbDC. Сделайте вывод о влиянии напряжения коллектор-эмиттерUКЭ на коэффициент усиления транзистора.
|
Таблица 4.1 |
||||||
|
ЕБ, В |
ЕК, В |
IК, мА |
IБ, мкА |
UКЭ, В |
bDC |
|
|
1,25 |
5 |
|||||
|
2,5 |
5 |
|||||
|
5 |
5 |
|||||
|
1,25 |
10 |
|||||
|
2,5 |
10 |
|||||
|
5 |
10 |
52
4.1.3. Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 2 (рис.4.9).
Рис. 4.9. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2
Задание 2. Получение входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
4.2.1.С помощью цифрового элемента управления, находящегося на передней панели ВП, установите значение напряжения питания коллектора
ЕК, равным 5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости входного токаIБ транзистора от входного напряжения UБЭ.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.
4.2.2.Изменяя напряжение источника ЭДС базыЕБ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение тока базы сначала примерно равным10 мкА, а затем примерно равным 40 мкА. Запишите в отчет значения тока базыIБ и напряжения база-эмиттер UБЭ для этих точек входной характеристики.
4.2.3.Вычислите дифференциальное входное сопротивление транзистора при изменении базового тока от10 мкА до 40 мкА по формуле rВХ =
DUБЭ/DIБ. Полученное значение запишите в отчет.
4.2.4. Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 3», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 3 (рис.4.10).
53
Рис. 4.10. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3
Задание 3. Получение семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
4.3.1.Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появятся графики зависимостей коллекторного токаIК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ, полученные при плавном изменении напряжения на коллекторе транзистора от 0 до 10 В и фиксированных значениях напряжения источника ЭДС базыЕБ = 0,6 В; 0,74 В; 0,88 В; 1,02 В;1,16 В. Установившиеся при этом значения тока базыIБ отображаются на поле графика.
4.3.2.Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе, на страницу отчета. Средствами MS Word для каждой кривой отметьте соответствующие значения тока базы транзистора.
4.3.3.При фиксированном коллекторном напряжении, Равном UКЭ =5 В, определите ток коллектора IК, соответствующий значениям тока базы, при которых снимались выходные характеристики.
Для этого с помощью расположенного на панели ВП ползункового регулятора «X» установите вертикальную визирную линию напротив деления «5 В» горизонтальной оси графика выходных характеристик. Затем с помощью горизонтальной визирной линии, перемещаемой ползунковым регулятором «Y», получите значения коллекторного тока в точках пересечения выходных характеристик с вертикальным визиром. Полученные результаты запишите в отчет.
4.3.4.Определите коэффициент передачи токаbАС при изменении
тока базы в диапазоне от10 мкА до 40 мкА по формуле bАС =D IК /D IБ.
54
Полученное значение запишите в отчет.
4.3.5.Выберите сопротивление коллектора равнымRК = 300 Ом, а ЭДС коллекторного источника питанияЕК = 5 В, и средствами MS Word постройте в отчете на графике выходных характеристик транзистора -ли нию нагрузки по двум точкам: точка ЕК = 5 В на оси абсцисс и точка IК = Ек/RК на оси ординат.
4.3.6.Оцените по выходным характеристикам и линии нагрузки значения тока коллектора IК* и тока базы IБ* в рабочей точке, для которой UK =EK /2. Полученные значения запишите в отчет.
4.3.7.Нажмите на передней панели ВП кнопку«Перейти к заданию 4», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 4 (рис.4.11).
Рис. 4.11. Лицевая панель ВП при выполнении задания 4
Задание 4. Установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером
4.4.1.Установите с помощью органов управления ВП амплитуду напряжения источника входного гармонического напряженияuВХ.m =0, и величину напряжения источника ЭДС коллектора ЕК = 5 В. Нажмите кнопку
«Измерение».
На графике выходных характеристик транзистора появится изображение линии нагрузки. Сравните его с изображением, полученным при выполнении п.4.3.5.
4.4.2.Регулируя ЭДС источника смещения базыЕБ, установите значение тока базы IБ*, равное значению, полученному в п.4.3.6. Измерьте и запишите в табл.4.2 параметры статического режима транзисторного уси-
55
лителя с общим эмиттером.
Таблица 4.2
|
IБ, мкА |
UБЭ, В |
IК , мА |
UК, В |
4.4.3.Плавно увеличивая амплитуду входного сигнала uВХ.m, получите на графическом индикаторе ВП максимальный неискаженный выходной сигнал. Скопируйте изображение выходного сигнала в отчет. Сопоставьте осциллограммы и сделайте вывод о соотношении фаз входного и выходного сигналов транзисторного каскада с общим эмиттером.
4.4.4.С помощью ВП измерьте значения амплитуд входногоUВХ и выходного UВЫХ сигналов. Для этого, используя визирные линии графических индикаторов, определите по осциллограммам входного и выходного сигналов максимальные и минимальные мгновенные значения указанных напряжений. При отсчете значений напряжения используйте цифровые индикаторы, совмещенные с ползунковыми регуляторами ВП. Для определения амплитуды сигналов используйте формулуUm=(umax-umin)/2. Полученные результаты запишите в отчет.
4.4.5.Используя полученные значения амплитуды входного и -вы ходного сигналов, определите по формуле(4.17) коэффициент усиления транзисторного каскада. Результат запишите в отчет.
4.4.6.Вычислите коэффициент усиления транзисторного каскада по формуле (4.18). Результат запишите в отчет. Сравните измеренное и рассчитанное значения коэффициента усиления. Объясните полученный результат.
4.4.7.Исследуйте, как влияет положение рабочей точки на работу транзисторного каскада с общим эмиттером. Для этого, регулируя напря-
жение ЭДС источника смещения базыЕБ, измените значение тока базы примерно на 30% от величины IБ*, полученной в разделе 4.3.6, сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения. Пронаблюдайте характер искажения выходного сигнала. Скопируйте в отчет изображение, полученное на графическом индикаторе ВП в обоих случаях. Объясните причину наблюдаемых искажений выходного сигнала.
4.4.8.Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку«За-
вершение работы».
5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
·Изобразите возможные схемы включения биполярного транзистора.
·Укажите факторы, определяющие силу тока, протекающего через коллектор биполярного транзистора.
·Зависит ли коэффициент bDC от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обоснуйте ответ.
Содержание
- Расчет сопротивления резистора в цепи коллектора
- Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
- 4. Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.
Расчет сопротивления резистора в цепи коллектора
Расчет сопротивления Rк в цепи коллектора заключается в определении минимально и максимально допустимых значений. Значение Rк выбирается из полученного интервала значений.
Проверка параметров усиления на соответствие заданным
По результатам расчетов параметров и элементов усилительного каскада проводится проверка на соответствие требованиям, установленным в исходных данных. Проверка осуществляется по расчетам следующих параметров:
— эквивалентная проводимость нагрузки ;
— коэффициент усиления на средних частотах ;
— постоянная времени на высоких частотах ;
— верхняя граничная частота.
По результатам расчетов проводится проверка на соответствие требованиям исходных данных:
— полученное значение коэффициента усиления должно быть больше заданного;
— полученное значение верхней граничной частоты должно быть больше заданного.
Расчет мощности, рассеиваемой на резисторах и транзисторе
Определяются следующие параметры:
— рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность;
— мощность, рассеиваемая на всех резисторах схемы;
— мощность, потребляемая всем усилителем от источника.
По результатам расчетов проводится:
— проверка рассеиваемой мощности на транзисторе на соответствие исходным данным;
— выбор номинальной мощности резисторов схемы.
Разработка схемы электрической принципиальной
В соответствии с требованиями ГОСТ ЕКСД требуется начертить схему электрическую принципиальную рассчитанного усилительного каскада (формат А4) и составить перечень элементов к ней.
Децимальные номера в документах должны соответствовать формату:
где ХХ — номер варианта.
Расчет двухкаскадного усилителя
В соответствии с методикой, приведенной в [1] произвести расчет двухкаскадного усилителя, состоящего из последовательного соединения двух копий ранее рассчитанного каскада.
Выводы
В разделе формулируются выводы по проделанной работе, а также анализируется соответствие рассчитанных параметров усилительного каскада исходным требованиям.
1. Расчет усилительных устройств: Учеб. пособие / В.И. Давидич, Ю.Т. Давыдов, Ю.Ю. Мартюшев, Б.М. Породин, А.Н. Харламов; Под ред. Ю.Т. Давыдова. — М.: Изд-во МАИ, 1993. — 76 с.: ил.
2. Справочники по полупроводниковым транзисторам.
Источник
Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
1.2.7 Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
Ом Rэ=0.1Rк=310 Ом
1.2.8 Расчет элементов фиксации рабочей точки
N= 
= Iко
=0.0033×Iка N= 
Входное сопротивление входного каскада: Rвх=R1||R2||h11э, где h11э — входное сопротивление транзистора, вычисляемое по входной характеристике в окрестности рабочей точки, и равно 600 Ом.
1.2.9 Расчет элементов повторителя
Ом.
1.3 Расчет емкостных элементов
Расчет разделительных емкостей рассчитывается по формуле:
,
где Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада (или внутреннее сопротивление генератора), Rн — входное сопротивление следующего каскада (или сопротивление нагрузки), а wн =2pfн.
Пренебрегая выходным сопротивлением повторителей, получаем:
С1=
4 мкФ. С2=
6 мкФ. С3=
1.5 мкФ.
Емкости в цепи эмиттера рассчитывается по формуле:
Сэ=
,
где h11э и h21э — соответственно входное сопротивление транзистора и b, рассчитываемые по входной и выходной ВАХ в окрестности рабочей точки. Для КТ339А h11э=500 Ом, h21э=50, а для КТ315Б h11э=600 Ом, h21э=80.
Сэвых=
340 мкФ Сэвых=
450 мкФ
1.4 Расчет элементов обратной связи
Для усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению выполняется соотношение:
,
где 
составляет 5—10 Ом и отделяется от Rэ1.
b вычислим по известным K и Kb, рассчитанным в 2.1: b=Kb/K=-0.506/33.1=-0.0153
Назначим =10 Ом. Тогда Rос= / b — =10/0.0153—10»640 Ом.
1.5 Расчет реально достигнутого в схеме коэффициента усиления K разомкнутого усилителя в области средних частот
В области средних частот реально развиваемый коэффициент усиления одного каскада определяется формулой:
где
Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление генератора,
R1 и R2 — сопротивления делителя,
Rн — сопротивление нагрузки или входное сопротивление последующего каскада, если каскад не имеет повторителя, или входное сопротивление повторителя, равное (1+b)×(R||Rн)
Пренебрегая выходным сопротивлением повторителя, получаем:
=220
=26
K=Kвых×Kвх=5720>33.123, следовательно расчет усилителя окончен.
1.6 Построение характеристики Moc(w)
Характеристика Moc(w) для двухкаскадного усилителя с отрицательной обратной связью описывается выражением:
Оно имеет одинаковый вид для нижних и верхних частот, но предполагает подстановку разных значений x: x=wн/w для области нижних и средних частот, x=w/wв для средних и верхних частот.
усилитель электронный ток моделирование
Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования MicroCap III. В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.
Источник
4. Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.
Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 3.5
Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением:
Рабочая точка определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Ток базы определяется из выражения:
Как видно из выражения, ток базы зависит от напряжения коллектор-эмиттер, что делает схему менее чувствительной к разбросу значений статического коэффициента передачи устанавливаемых в нее транзисторов. Ток коллектора в схеме определяется по формуле:
Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется по закону Кирхгофа для напряжений:
Статический коэффициент передачи тока 
определяется отношением тока коллектора к току базы:
Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме c резистором в цепи база-коллектор определяется как:
Как следует из выражения, коэффициент нестабильности этой схемы несколько выше, чем у схем с сопротивлением в цепи эмиттера.
Порядок проведения экспериментов
Э 
ксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора.
а). Открыть файл с10_005 со схемой, изображенной на рис. 3.6. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения база-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы на рис. 3.6 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить базовый ток, напряжение коллектор-эмиттер.
Ток коллектора вычислить, используя значение тока базы, полученное в п. а) и значение , посчитанное в эксперименте 1 предыдущего раздела. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравните их с экспериментальными данными.
в). В разделе «Результаты экспериментов» построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904, полученной в эксперименте 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученные в пункте а), определить рабочую точку (Q) на нагрузочной линии и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току ( 
) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента 
позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить новую рабочую точку на нагрузочной прямой, построенной в пункте с) и отметить ее положение на графике в разделе «Результаты экспериментов».
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току ( ) транзистора 2N3904 (204).
ж). Подсчитать сопротивление , необходимое для перевода транзистора в режим насыщения. Подставить в схему значение сопротивления , чуть меньше подсчитанного. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
з). Уменьшить значение на более значительную величину и снова активизировать схему. Если транзистор находится в режиме насыщения, то изменение тока коллектора очень мало даже при очень большом изменении тока базы.
Э 
ксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор).
а). Открыть файл с10_006 со схемой, изображенной на рис. 3.7. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить коэффициент передачи . Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы рис. 3.7 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке . Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера ( 
0.7В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в). В разделе «Результаты экспериментов» построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. Используя значения токов и напряжений, полученных в пункте а), определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току ( ) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в) и отметить её положение на графике,
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току ( ) транзистора 2N3904 (204).
ж). Провести изменения параметров цепи базы, необходимые для перевода транзистора в режим насыщения. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения на базе и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
Эксперимент 3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-транзистор).
а). Открыть файл с10_007 со схемой, изображенной на рис. 3.8. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи .
Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы рис. 3.8 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить значение напряжения в точке . Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера ( 0.7 В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов». Сравнить их с экспериментальными данными.
в). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3906 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току ( ) со 180 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
г). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току ( ) транзистора 2N3906 (180).
Эксперимент 4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера. а). Открыть файл с10_008 со схемой, изображенной на рис. 3.9. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи . Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). Для схемы на рис. 3.9 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить напряжение в точке по измеренному ранее значению тока базы, рассчитать ток эмиттера и вычислить ток коллектора по величине тока эмиттера ( 0.7 В). Вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным значениям тока эмиттера и тока коллектора. Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в 
). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 3.9 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904 из эксперимента 3 предыдущего раздела. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току( ) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, Рис. 3.9
чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента
позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току ( ) транзистора 2N3904 (204).
Эксперимент 5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор.
а 
). Открыть файл с10_009 со схемой, изображенной на рис. 3.10. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов». Вычислить статический коэффициент передачи . Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
б). По формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить ток коллектора, используя значение , вычисленное ранее. 0.7 В. По полученному току коллектора вычислить Рис 3.10
значение напряжения коллектор-эмиттер.
Результаты записать в раздел «Результаты экспериментов».
в). В разделе «Результаты экспериментов» для схемы рис. 3.10 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определить рабочую точку (Q) и отметить её положение на графике.
г). Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току ( ) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов».
д). По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить её положение на графике.
е). Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току ( ) транзистора 2N3904 (204).
Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора.
а 
).
Источник
Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора.
Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.
Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных
элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы – транзисторы.
Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики
позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.
При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами – малосигнальной
эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры – всё остаётся без изменений, меняется лишь направление
источника тока.
Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого
набора незамысловатых формул.
Рис.1
Итак:
rб = τос / Cк
– объёмное сопротивление базы, где τос –
постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а
Cк – ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то “постоянная времени цепи обратной связи
на высокой частоте” указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции
транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам
и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить
величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
rб(Ом) ≈ 10 / Рмакс(Вт),
где Рмакс – максимальная рассеиваемая мощность транзистора.
Едем дальше:
rэ(Ом) = 25,6 / Iэ(мА) – активное сопротивление
эмиттера , где
Iэ – ток эмиттера.
rк = ∆Uкэ / ∆Iк (при Iб = const)
– дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает
наличие пресловутого эффекта Эрли – эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ.
Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится
производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.
На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.
Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h21э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически
не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).
При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В – 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.
Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.
Рис.2
На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
Ск – ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и
Сэ – диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками,
повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства
полупроводников.
Далее на повестке – источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной
Iк = α x Iэ , где
α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные
схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема
с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.
Рис.3
Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение,
поданное между эмиттером и базой транзистора,
поэтому:
Rвх ≈ rэ ;
Iэ = Uвх / (Rист + rэ), где
Rист – выходное сопротивление источника сигнала ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) ;
Rвых = (rк + rэ) ll Rк ;
Ku = α x Rк / (rэ + Rист) ≈
Rк / (rэ + Rист) ;
Ki = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед
схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.
Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
Rвх = rэ x (1 + β) ;
Iб = Uвх / Rвх ;
Iэ = Iб + Iк = Iб x (1 + β) ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) = Iб x β
;
Rвых = Rк ll [rэ + rк / (1 + β)]
;
Ku = – β x Rк / [(β + 1) x rэ] ≈ Rк / rэ
;
Ki = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению,
так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с
ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление
на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с
выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.
И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный
повторитель:
Rвх = (rэ + Rэ) x (1 + β) ;
Iб = Uвх / Rвх ;
Iэ = (β + 1) x Iб ;
Iк = α x Iэ = Iэ x β / (1 + β) = Iб x β
;
Rвых = rэ + Rист / (1 + β) ;
Ku = Rэ / [Rэ + rэ + Rист / (1 + β)]
;
Ki = β + 1 .
Как уже было сказано – данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных
свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим
запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов
транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.
А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту
сопутствующих им элементов.
Проверка биполярного транзистора мультиметром
Добавлено 27 сентября 2017 в 07:35
Биполярные транзисторы построены из трехслойного полупроводникового «сэндвича» либо NPN, либо PNP. Как таковые транзисторы при проверке мультиметром в режиме «сопротивление» или «проверка диода», как показано на рисунке ниже, показываются как два диода, соединенных друг с другом. Показания низкого сопротивления с черным отрицательным (-) выводом на базе соответствует N-типу материала в базе PNP транзистора. На условном обозначении на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, который в этом примере является базой. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер. Коллектор очень похож на эмиттер и так же является материалом P-типа PN-перехода.
Здесь я предполагаю использовать мультиметр с единственной функцией измерения (сопротивление) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями измерения: сопротивление и “проверка диода”, каждая служит своей цели. Если у вашего мультиметра есть функция “проверка диода”, используйте её, вместо измерения сопротивления, в этом случае мультиметр покажет прямое падение напряжения PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.
Разумеется, показания мультиметра будут совершенно противоположными для NPN транзистора, причем оба PN-перехода будут направлены в противоположную сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) выводом на базе являются «противоположным» состоянием для NPN транзистора.
Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверка диода», будет установлено, что переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база. Эта разница прямых напряжений обусловлена несоответствием концентрации легирования между областями эмиттера и коллектора: эмиттер представляет собой кусок полупроводникового материала, гораздо более легированный, чем коллектор, в результате чего его переход с базой создает более высокое прямое падение напряжения.
Зная это, становится возможным определение назначение выводов на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что корпуса, к сожалению, не стандартизированы. Разумеется, все биполярные транзисторы имеют три вывода, но расположение этих трех выводов на реальном физическом корпусе не имеет универсального стандартизированного порядка.
Предположим, что техник нашел биполярный транзистор и начинает измерять его проводимость с помощью мультиметра, установленного в режим «проверка диода». Измерения между парами выводов и запись значений, отображаемых мультиметром, дают ему следующие данные.
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 2 (-): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 2 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 3 (-): 0.655 V
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 3 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 2 (+) и 3 (-): 0.621 V
Мультиметр подключен к выводу 2 (-) и 3 (+): “OL”Единственными комбинациями тестовых измерений, дающих на мультиметре показания, говорящие о проводимости, являются выводы 1 и 3 (красный щуп на выводе 1, черный щуп на выводе 3) и выводы 2 и 3 (красный щуп на выводе 2, черный щуп на выводе 3). Эти два показания должны указывать на прямое смещения перехода эмиттер-база (0,655 вольт) и перехода коллектор-база (0,621 вольт).
Теперь мы ищем один провод, общий для обоих показаний проводимости. Это должен быть вывод базы транзистора, поскольку база единственным слоем трехслойного устройства, общего для обоих PN-переходов (база-эмиттер и база-коллектор). В этом примере это провод номер 3, являющийся общим для комбинаций тестовых измерений 1-3 и 2-3. В обоих этих измерениях черный (-) щуп мультиметра касался к выводу 3, что говорит нам, что база этого транзистора изготовлена из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, это PNP-транзистор с базой на выводе 3, эмиттером на выводе 1 и коллектором на выводе 2, как показано на рисунке ниже.
Обратите внимание, что вывод базы в этом примере не является средним выводом транзистора, как это можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвичной» модели биполярного транзистора. Это довольно частый случай, и, как правило, это часто путает новых студентов. Единственный способ определить назначение выводов – это проверка мультиметром или чтение технического описания на конкретную модель транзистора.
Знание того, что биполярный транзистор при тестировании мультиметром в режиме проводимости ведет себя как два соединенных «спинами» диода, полезно для идентификации неизвестного транзистора только по показаниям мультиметра. Это также полезно для быстрой проверки работоспособности транзистора. Если техник измерит проводимость между тремя выводами в разных комбинациях, он или она сразу узнает, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а что-то еще – отличная возможность, если на детали нет маркировки для точной идентификации!). Однако модель «двух диодов» для транзистора не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.
Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, рассмотрим одну из схем транзисторных ключей, используя для представления транзистора физическую схему (как показано на рисунке ниже), а не условное обозначение. Так легче будет видеть два PN-перехода.
Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, так как электроны протекают от эмиттера N-типа к базе P-типа, очевидно прямое смещение перехода. Однако с переходом база-коллектор совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. С базой из материала P-типа и коллектором из материала N-типа, это направление потока электронов явно указывает на направление, противоположное тому, с каким ассоциируется PN-переход! Обычный PN-переход не позволил бы потоку электронов протекать в этом «обратном» направлении, по крайней мере, не без значительного сопротивления. Однако открытый (насыщенный) транзистор демонстрирует очень малое противодействие электронам на всем пути от эмиттера к коллектору, о чем свидетельствует свечение лампы!
Ясно, что здесь происходит что-то, что бросает вызов простой «двухдиодной» модели биполярного транзистора. Когда я впервые узнал о работе транзистора, я попытался построить свой собственный транзистор из двух диодов, включенных в противоположных направлениях, как показано на рисунке ниже.
Моя схема не работала, и я был озадачен. Однако полезное «двухдиодное» описание транзистора может использоваться для проверки, оно не объясняет, почему транзистор ведет себя как управляемый ключ.
То, что происходит в транзисторе, заключается в следующем: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает протекание тока коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (закрыт, т.е. при отсутствии тока базы). Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении с помощью управляющего сигнала, нормально блокирующее поведение перехода база-коллектор изменяется, и ток через коллектор пропускается, несмотря на то, что электроны через этот PN-переход идут «неправильно». Это поведение зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода расположены правильно, и концентрации легирования этих трех слоев распределены правильно. Два диода, соединенных последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться», когда он смещен в обратном направлении, независимо от того, какая величина тока проходит через нижний диод в схеме через вывод базы. Для более подробной информации смотрите раздел «Биполярные транзисторы» главы 2.
То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых способностях транзистора, еще раз подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми. Если транзистор просто рассматривается как два противоположно направленных PN-перехода или просто как N-P-N или P-N-P сэндвич материалов, может показаться, что любой конец этого сэндвича может служить в качестве коллектора или эмиттера. Это, однако, неверно. При «противоположном» включении транзистора в схему, ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что эти оба слоя (эмиттер и коллектор) биполярного транзистора имеют один и тот же тип легирования (либо N, либо P), коллектор и эмиттер определенно не одинаковы!
Ток через переход эмиттер-база позволяет протекать току через обратно смещенный переход база-коллектор. Действие тока базы можно рассматривать как «открывание клапана» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока от эмиттера к базе допускает протекание ограниченной величины тока от базы к коллектору. На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и через вывод базы, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов и не более.
В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.
Подведем итоги:
- При проверке с помощью мультиметра в режимах «сопротивление» и «проверка диода» биполярный транзистор ведет себя как два встречно направленных PN-перехода (диода).
- PN-переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
- Обратно смещенный переход база-коллектор обычно блокирует любой ток через транзистор между эмиттером и коллектором. Однако этот переход начинает проводить ток, если протекает ток и через вывод базы. Ток базы можно рассматривать как «открывание клапана» для определенной, ограниченной величины тока через коллектор.
Теги
PN переходБиполярный транзисторМультиметрОбучениеЭлектроника
