Биполярные транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биполярные транзисторы

Цель работы: Изучение электрических параметров и применения биполярных транзисторов

Теоретические сведения:

Биполярный транзистор -- трёхэлектродный полупроводниковый прибор. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) -- электронный тип примесной проводимости, p (positive) -- дырочный). Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. Схематическое обозначение биполярных транзисторов показано на рис.5.1.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярных транзисторов.

Транзисторы с проводимостью n-p-n и p-n-p отличаются друг от друга полярностью питающих напряжений. Вольт-амперные характеристики переходов база - эмиттер и база - коллектор практически совпадают с вольт-амперными характеристиками обычного полупроводникового диода. Физические процессы, на которых основана работа биполярного транзистора, подробно описаны в литературе [2], [3]. Главным принципиальным свойством биполярного транзистора является зависимость тока коллектора от величины тока через переход база - эмиттер. На рис.5.2 показаны три основные схемы включения биполярных транзисторов:

· cхема с общим эмиттером;

· cхема с общим коллектором;

· cхема с общей базой.

Рис.5.2. Основные схемы включения биполярных транзисторов.

В схеме с общим эмиттером (рис.5.2а) при отсутствии входного напряжения отсутствует и входной ток. При отсутствии входного тока участок коллектор - эмиттер имеет очень большое сопротивление и ток в цепи коллектора практически отсутствует. При появлении на переходе база-эмиттер прямого напряжения порядка 0,6 В (для кремниевых транзисторов) появляется ток базы, который вызывает появление много тока коллектора. При этом небольшие изменения тока базы могут вызывать в десятки и сотни раз большие изменения тока коллектора. Для большинства современных биполярных транзисторов коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером находится в пределах В=10…400.

Входное сопротивление маломощного каскада с общим эмиттером обычно не превышает 1…2 кОм. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, то каскад с общим эмиттером будет усиливать не только ток, но и напряжение входного сигнала. Схема с общим коллектором или эмиттерный повторитель (рис.5.2б) имеет коэффициент усиления по току примерно такой же, как и схема с общим эмиттером.

Преимуществом схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление (для маломощных усилительных каскадов порядка десятков и сотен килоом), недостатком - отсутствие усиления по напряжению. Схема с общей базой (рис.5.2в) имеет устойчивое усиление на более высоких частотах, чем схема с общим эмиттером. Недостатками схемы с общей базой являются низкое входное сопротивление (порядка десятков ом) и отсутствие усиления по току. В данной лабораторной работе будет исследоваться ключевой режим работы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером, способы задания рабочей точки для усиления аналоговых и импульсных сигналов. электрод биполярный транзистор коллектор

При работе транзистора в ключевом режиме он может находиться в одном из двух состояний, - режиме отсечки и режиме насыщения. В режиме отсечки, из-за отсутствия тока базы, ток через коллектор также отсутствует, транзистор заперт и напряжение на коллекторе равно напряжению питания коллекторной цепи. В режиме насыщения, при наличии достаточно большого тока базы, транзистор полностью открыт, величина коллекторного тока ограничивается сопротивлением нагрузки в цепи коллектора, напряжение насыщения коллектор - эмиттер составляет порядка 0,2…0,5 В. В ключевом режиме работы закрывание биполярного транзистора требует намного большего времени, чем открывание. Это объясняется тем, что при прохождении через транзистор достаточно большого тока имеет место накопление внутреннего заряда. Для рассасывания накопленного заряда, после прекращения открывающего импульса в цепи базы, требуется определенное время, пропорциональное величине этого заряда. Существуют различные методы увеличения быстродействия транзисторных ключей, такие как применение быстродействующих транзисторов в ненасыщенном режиме, использование форсирующих конденсаторов, включаемых параллельно базовому резистору и т.д.

Если известно напряжение питания, амплитуда входных импульсов, сопротивление нагрузки и минимальный коэффициент усиления по току выбранного транзистора, то простейший расчет ключа в статическом режиме сводится к расчету последовательного резистора в цепи базы.

Пример №1

Исходные данные: напряжение источника питания Uпит = 10В, амплитуда входных управляющих импульсов Um =+5 В, сопротивление нагрузки в цепи коллектора Rк = 100 Ом, минимальный коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером В = 10.

Решение:

· При полном открытии транзистора величина тока коллектора составит:

IK = UR/Rк = 10/100 = 0,1 А

· Необходимая величина тока базы:

IБ = IK//В = 0,1/10 = 0,01А

· Величина сопротивления в цепи базы:

RБ = (Um - UБЭ)/IБ,

где UБЭ - типовое значение напряжения база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов в ключевых каскадах можно принять UБЭ = 0,7 В.

RБ = (5 - 0,7) / 0,01 = 430 Ом

Если ключ должен надежно работать в экстремальных климатических условиях, а к его быстродействию не предъявляется повышенных требований, то значение тока базы берут с запасом.

Например, при коэффициенте запаса КЗ = 2 необходимая величина тока базы составит IБ(З) =2 IБ = 0,02 А, а величина сопротивления в цепи базы будет равна:

RБ = (5 - 0,7)/ 0,02 = 215Ом.

Для обеспечения неискаженного усиления аналоговых и импульсных сигналов биполярному транзистору требуется задать необходимую рабочую точку. Если транзисторный каскад с резисторной нагрузкой в цепи коллектора предназначен для усиления аналоговых сигналов, то напряжение на коллекторе должно составлять половину напряжения источника питания. Простейший способ задания рабочей точки, - включить резистор между цепью питания и базой (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема для установки режима транзистора по постоянному току.

В этом случае в цепи базы начнет протекать ток, который будет зависеть от напряжения источника питания, величины резистора в цепи базы и падения напряжения на переходе база-эмиттер. Появление тока базы вызовет переход транзистора в активный режим, когда он будет находиться в частично открытом состоянии и реагировать на аналоговые сигналы минимального уровня.

Пример №2

Исходные данные: напряжение источника питания Uпит = 10 В, сопротивление нагрузки в цепи коллектора Rк = 1кОм, коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером В = 100.

Решение:

· Напряжение источника питания должно быть поровну разделено между резистором Rк и транзистором (рис.5.3), поэтому напряжение на резисторе Rк равно :

UR =Uпит/2 = 10/2 = 5В

· Ток коллектора равен току через резистор Rк, поэтому :

IK = UR/Rк = 5/1000 = 0,005А = 5мА = 5000 мкА

· Необходимая величина тока базы:

IБ = IK//В = 5000/100 = 50мкА

· Величина сопротивления в цепи базы:

RБ = (Uпит - UБЭ)/IБ,

где UБЭ - типовое значение напряжения база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов в маломощных каскадах можно принять UБЭ = 0,6 В.

RБ = (10 - 0,6)/50,

выбираем ближайший стандартный номинал RБ=180 кОм. При усилении с помощью транзистора n-p-n аналогового сигнала положительной полярности для получения выходного неискаженного сигнала максимальной амплитуды целесообразно установить напряжение на коллекторе при отсутствии сигнала порядка 0,9 Uпит., при этом напряжение на коллекторном резисторе составит 0,1 Uпит. Если входной сигнал имеет отрицательную полярность, то напряжение на коллекторе при отсутствии сигнала устанавливают близким к 0,1 Uпит., при этом напряжение на коллекторном резисторе составит 0,9 Uпит.

Недостатками такой схемы являются необходимость подстройки сопротивления RБ в зависимости коэффициента усиления каждого конкретного транзистора и возможность нарушения работы каскада при изменении напряжения питания или температуры окружающей среды. Поэтому на практике используют более сложные схемы с автоматической стабилизацией режима.

Выполнение работы:

1. Собрать схему, приведенную на рис.5.4, выбрав транзистор по табл.5.1.

Рис.5.4. Схема для определения коэффициента усиления по току (при токе базы 100 мкА).

Табл.5.1

2. Установив с помощью потенциометров R1, R2 ток базы равным 100+1 мкА = 0.1 мА, зафиксировать соответствующую величину тока коллектора.

3. Найти для данного транзистора величину коэффициента усиления по току (для данного примера B = Iк/IБ = 33,4/0,1=334).

4. Собрать схему электронного ключа, приведенную на рис.5.5 .

Рис.5.5. Схема электронного ключа на биполярном транзисторе.

5. Включить моделирование схемы, произвести измерение амплитуды входных и выходных импульсов, длительности переднего и заднего фронтов выходных импульсов.

6. Произвести расчет базового сопротивления транзисторного ключа по методике, приведенной в примере №1 по данным табл.5.2. Коэффициент усиления транзистора по току принять равным найденному в п.3 лабораторной работы.

Табл.5.2

7. Собрать схему усилителя, приведенную на рис.5.6

Рис.5.6 Схема усилителя на биполярном транзисторе.

8. Задав амплитуду выходного напряжения функционального генератора порядка 10 мкВ (чтобы сигнал генератора не влиял на режим транзистора), установить с помощью потенциометра R1 величину постоянного напряжения на коллекторе примерно равную половине напряжения источника питания.

Установив на функциональном генераторе частоту синусоидальных колебаний 1 кГц и амплитуду 10мВ, определить по осциллограммам входного и выходного сигналов коэффициент усиления транзисторного каскада по напряжению:

К = Umвых / Umвх (5.1)

9. Произвести расчет необходимого сопротивления в цепи базы по методике, приведенной в примере №2 при напряжении питания 5В, коэффициенте усиления транзистора по току В = 20, двухполярном входном сигнале и сопротивлении нагрузки в цепи коллектора Rк = (200+20N) Ом, где N - номер варианта.

Контрольные вопросы:

1. Как называются электроды биполярных транзисторов?

2. Какая полярность напряжения на коллекторе относительно эмиттера необходима для работы биполярных n-p-n транзисторов?

3. Какая полярность напряжения на коллекторе относительно эмиттера необходима для работы биполярных p-n- p транзисторов?

4. Какая из основных схем включения биполярных транзисторов обеспечивает усиление сигналов и по току и по напряжению?

5. Какая из основных схем включения биполярных транзисторов имеет наиболее высокое входное сопротивление?

6. Какая из основных схем включения биполярных транзисторов обеспечивает усиление сигналов только по току?

7. Какая из основных схем включения биполярных транзисторов обеспечивает усиление сигналов только по напряжению?

8. Как выбирают величину постоянного напряжения на коллекторе при резисторной нагрузке и большом уровне двухполярного выходного сигнала?

9. Что учитывают при выборе величины постоянного напряжения на коллекторе при резистивной нагрузке и большой амплитуде однополярного выходного сигнала?

10. Имеет ли схема с общим эмиттером инвертирующие свойства?

11. Имеет ли схема с общим коллектором инвертирующие свойства?

12. Какие преимущества имеет схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)?

Размещено на Allbest.ru