Исследование транзисторов и транзисторных однокаскадных усилителей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1 Исследование статических характеристик и параметров биполярного транзистора.

2 Исследование одиночного усилительного каскада с общим эмиттером и общим коллектором.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов. Транзистор имеет три области: эмиттер (Э), коллектор (К) и среднюю область – базу (Б). Различают два типа транзисторов: р-n-р (рис.10а) и n-р-n (рис.10б).

а) б)

Рис.10

В работе используется транзистор типа n-p-n. На переход коллектор-база подается напряжение в прямом, проводящем направлении (10-30 В). На переход эмиттер-база напряжение подается в обратном (запирающем) направлении (0,1-0,5 В). Такое включение приводит к возникновению тока эмиттера I_э. Дырки из области эмиттера под действием внешнего поля преодолевают эмиттерный переход и попадают в область базы, где они являются неосновными носителя­ми. Здесь небольшая часть дырок частично рекомбинирует со свободными электронами базы, так как концентрация основных носителей базы значительно ниже концентрации основных носителей в двух дру­гих областях. Для восстановления электрической нейтральности ба­зы из внешней цепи приходят новые электроны, образующие ток базы I_б. Большинство дырок вследствие диффузии и под действием уско­ряющего поля коллектора достигают области коллектора, образуя в коллекторной цепи ток I_к. Токи связаны соотношением I_э = I_к + I_б. Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:

, , .

Транзистор включается по одной из возможных схем включения в зависимости от того, какой из электродов является общей точкой для входной и выходной цепей по переменному току: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Наибольшее рас­пространение получила схема с ОЭ (рис.11).

Рис.11 Рис.12

Для анализа работы транзистора по схеме с ОЭ используют семей­ства характеристик: входных I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const (рис.13а) и выходных I_к = f(U_кэ) при I_б = const (рис.13б). Характеристики снимаются в статическом режиме при постоянных токах и напряже­ниях. Входные характеристики при изменении U_кэ в широких пределах изменяются незначительно. Поэтому в дальнейшем используют одну характеристику, соответствующую среднему значению U_кэ. Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ определяется как при U_кэ = const. Так как и , то делением числителя и знаменателя на ΔI_э получим . Так как , то .

При работе транзистора в усилительном режиме при небольшом входном сигнале входные I_б, U_бэ и выходные I_к, U_кэ величины получают малые приращения, и работа усилителя проходит на линейных участках характеристик. В этом случае транзистор может быть представлен в виде линейного четырехполюсника. Для анализа схем поль­зуются малосигнальными h - параметрами, которые можно опреде­лить по семейству соответствующих характеристик вблизи рабочей точки (на линейном участке). В качестве независимых величин выби­рают I_б и U_кэ, тогда U_бэ = f₁(I_б, U_кэ), I_к = f₂(I_б, U_кэ).

Для линейных участков характеристик справедливы уравнения четырехполюсника для малых конечных приращений:

; ; (1)

, при U_кэ = const (ΔU_кэ = 0);

, при U_кэ = const (ΔU_кэ = 0);

, при I_б = const (ΔI_б = 0);

, при I_б = const (ΔI_б = 0);

где h₁₁ – входное сопротивление транзистора, Ом;

h ₂₁ – коэффициент усиления по току;

h₁₂ – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;

h₂₂ – выходная проводимость транзистора, сим.

Параметры h₁₁ и h₂₁ определяются при коротком замыкании цепи коллектора по переменному току (ΔU_кэ = 0), h₁₂ и h₂₂ – при холостом ходе в цепи базы по переменному току (ΔI_б = 0). Так как вход­ное напряжение U_бэ мало зависит от выходного U_кэ, то h₁₂ 0. В соответствии с уравнениями (1) получаем схему замещения транзистора с ОЭ (рис. 12).

Помимо h– параметров используют также предельно-допусти­мые параметры, которые определяются следующим образом:

а) для предотвращения перегрева коллекторного перехода мощность, выделяемая на коллекторе, должна быть меньше максимально допустимой:

Р_к = I_кU_кэ<Р_{к max};

б) для предотвращения пробоя закрытого коллекторного пере­ходанапряжение U_кэ должно быть меньше максимально допустимого значения U_{кэ max};

в) для предотвращения перегрева эмиттерного перехода коллекторный ток должен быть меньше максимально допустимого значения I_{к max};

г) частота входного переменного напряжения должна быть меньше граничной частоты f_гр,при которой коэффициент передачи по току уменьшается до 1.

Предельно допустимые параметры Р_кmax, U_{кэ max}, I_кmax определяют рабочую область выходных характеристик транзистора.