Исследование статических характеристик биполярного транзистора

Цель работы

1 Изучить принципы функционирования биполярных транзисторов.

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

 

2.1 Теоретические сведения

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и предназначенный для усиления сигнала.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором созданы три области с различной электропроводностью. Соответственно, различают транзисторы nрn и pnp – типа.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, вторая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два рn- перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором (рис. 2.1).

В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис. 2.2).

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора рnр – типа, включенного по схеме с общей базой (ОБ).

 

Рис. 2.1 Структура и условно-графическое обозначение транзисторов pnp (а) и npn (б) типа

 

Внешние напряжения двух источников питания подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода – в обратном направлении.

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током.

Для транзисторов nрn и pnp в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рис. 2.2 Схемы включения биполярного транзистора: с общей базой – ОБ (а), с общим эмиттером – ОЭ (б), с общим коллектором – ОК (в).

 

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Всего таких характеристик три:

- входная, представляющая собой зависимость входного тока от входного напряжения,

- выходная, представляющая собой зависимость выходного тока от выходного напряжения и

- проходная (сквозная), представляющая собой зависимость выходного тока от входного напряжения.

Для схемы включения ОЭ эти характеристики приобретут следующий вид (рис. 2.3):

- входная характеристика: I_б = f (Uбэ);

- выходная характеристика: Iк = f (Uкэ);

- сквозная характеристика: Iк = f (Uбэ);

а) б)

Рис. 2.3 Общий вид входной (а) и выходной (б) характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

 

2.2 Проведение компьютерного эксперимента

2.2.1 Запустить программу MicroCap.

2.2.2 Составить схему для снятия статических характеристик, согласно показанной на рис. 2.4. В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие транзисторы:

1 – BC337	4 – 2N2222
2 – BC338	5 – 2N3734
3 – BC413	6 – BC238A

 

 

Рис. 2.4 Схема для снятия статических характеристик биполярного транзистора

 

2.2.3 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить входную характеристику транзистора, включенного по схеме ОЭ.

2.2.3.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве первой переменной источник тока базы (на рис. 2.4 Ib), закон изменения переменной – линейный (Linear). Установить в качестве второй переменной источник напряжения коллектор-эмиттер (на рис. 2.4 Vce), закон изменения переменной – линейный (Linear),.как показано на рис. 2.5. Установить автомасштабирование графиков.

2.2.3.2 Для отображения графика входной статической характеристики задать в качестве выражения по оси Х – напряжение база-эмиттер транзистора Q1 Vbe(Q1), а в качестве выражения по оси Y – ток базы Ib(Q1).

2.2.3.3. Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон изменения значений переменных Ib и Vce. Полученную входную статическую характеристику занести в отчет.

 

Рис. 2.5 Окно установок анализа по постоянному току для входной статической характеристики

 

2.2.4 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить выходную характеристику транзистора, включенного по схеме ОЭ.

2.2.4.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве первой переменной источник напряжения коллектор-эмиттер (на рис. 2.4 Vce), закон изменения переменной – линейный (Linear). Установить в качестве второй переменной источник тока базы (на рис. 2.4 Ib), закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 2.6. Установить автомасштабирование графиков.

2.2.4.2 Для отображения графика выходной статической характеристики задать в качестве выражения по оси Х – напряжение коллектор-эмиттер транзистора Q1 Vce(Q1), а в качестве выражения по оси Y – ток коллектора Ic(Q1).

2.2.4.3 Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон изменения значений переменных Vce и Iс. Полученную выходную статическую характеристику занести в отчет.

 

Рис. 2.6 Окно установок анализа по постоянному току для выходной статической характеристики

 

2.2.5.1. На линейном отрезке входной характеристики определить параметр транзистора:

2.2.5.2. На линейном отрезке выходной характеристики определить параметры транзистора:

,

Способы вычисления аналогичны представленным на рис. 1.6.

 

2.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

- схема для снятия статических характеристик транзистора;

- входная и выходная статическая характеристика биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ;

-рассчитанные значения h -параметров;

- краткие выводы по результатам работы;

 

 

2.4 Контрольные вопросы

1 Что называется статическими характеристиками транзистора?

2 Что подразумевается под термином «статические»?

3 Какой проводимости был транзистор в Вашей схеме?

4 Перечислите особенности работы транзистора в каждой из схем включения.

5 В чем заключается физический смысл h -параметров транзистора?

6 В чем отличие входных и выходных характеристик транзистора при схеме включения ОБ и ОК?

Лабораторная работа 3