Входные и выходные характеристики биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БПТ) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, применяющийся для усиления и генерации электрических сигналов, имеющий три и более выводов. Биполярные транзисторы строятся на основе структур p-n-p или n-p-n. Процессы в данных структурах проходят одинаково.

Рис. 7. Структура(а) и обозначение БПТ(б)

Центральная область структуры называется базой, две другие области являющиеся источниками зарядов и приемниками называются эмиттер и коллектор соответственно.

В основном рабочем режиме, который носит название – Активный, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, что означает что к переходу эмиттер база прикладывается прямое напряжение, а переход коллектор-база смещен в обратном.

Основной схемой включения БПТ считают схему. Где общим электродом для входной и выходной цепи является электрод эмиттера.

Для анализа усилительных свойств транзистора применяются семейства входных и выходных характеристик. Для схемы с общим эмиттером (ОЭ) входными будут являться зависимости при (рис.8 а), а выходными – при (рис 8. б).

Рис. 8. Входные (а) и выходные характеристики (б) БПТ

Наклон характеристик в активном режиме обусловлен модуляцией ширины базы коллекторным напряжением. С ростом обратного напряжения на коллекторе увеличивается ширина ОПЗ коллекторного перехода и уменьшается ширина базы, вследствие чего рекомбинация дырок в базе становится меньше и коллекторный ток возрастает.

В схеме с общим эмиттером помимо большого усиления по напряжению происходит значительное усиление по току и, как следствие, по мощности.

К параметрам транзистора отвечающим за усиление электрического сигнала относят статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером , при и α – коэффициент усиления по току для схемы с общей базой, при . Данные коэффициенты связанны между собой зависимостью .

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 5632 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Рис.4.3.

В демонстрации «demo4_1» показана схема (рис.4.4) получения семейства входных характеристик I_Б(U_Б).

Рис.4.4. demo4_1. Схема для получения входных ВАХ. Аргумент ВАХ – напряжение U_Б изменяется в пределах от 0 до 1В с шагом 1мВ, параметр семейства U_К изменяется в пределах от 0 до 15В с шагом 0.1В.

На рис.4.5 приведено семейство полученных входных характеристик БТ. Из графиков следует, что в интервале значений параметра U_К от 0 до 0.5В вид ВАХ существенно зависит от параметра, но далее кривые практически сливаются, т.е. влияние параметра U_К при его значениях больше 0.5В можно не учитывать. В реальных электронных устройствах напряжение U_К >0.5В, поэтому свойства транзистора описывают одной входной характеристикой при напряжении U_К≈10В.

Рис.4.5. Входные характеристики, полученные в demo4_1.

Рабочим участком входной ВАХ транзистора в электронных устройствах является линейный участок AB. При малых изменениях тока базы эта связь на линейном участке AB (рис. 4.6) описывается параметром h₁₁ – входное сопротивление транзистора. Для примера на рис.4.6 следует:

h₁₁ =∆ U _Б/∆ I _Б=(0.85-0.8)/(908-425)*10 6 =103.5 Ом при U _K=const. По сути это дифференциальное сопротивление. Этот параметр приводится в справочниках.

Рис.4.6. Входная характеристика биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером I _Б (U _Б) при постоянном напряжении U _К.

На участке A B можно аппроксимировать входную ВАХ транзистора прямой линией (красная линия на рис.4.6):

Здесь постоянные параметры: h₁₁ –входное сопротивление транзистора,

U` _Б – напряжение «отпирания» транзистора.

Таким образом, входная характеристика позволяет найти ток базы при заданном напряжении между базой и эмиттером биполярного транзистора.

Выходные характеристики БТ так же получают экспериментально с помощью схемы на рис.4.3. Однако, аргументом выбирают напряжение U _К, функцией – ток коллектора I_К , а параметром – ток базы I_Б.

Схема опыта, проведенного в демонстрации demo4_2, приведена на рис.4.7.

Рис.4.7.Схема получения выходных характеристик (demo4_2).

Полученное семейство выходных характеристик I_К(U_К, I_Б) приведено на рис.4.8.

Рис.4.8. demo4_2. Семейство выходных характеристик I_К(U_К, I_Б) биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Основное свойство биполярного транзистора – большое влияние тока базы на ток коллектора. На рис. 4.8 видно, что при изменении тока базы на 10 мкА и при постоянном напряжении на коллекторе 10 В ток коллектора изменяется почти на 2мА. Отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при изменениях тока базы и постоянном напряжении между коллектором и эмиттером – коэффициент передачи тока h₂₁ , важный параметр транзистора. В нашем примере

Анализ показывает, что значение h₂₁ зависит от режима транзистора. На рис.4.9 на примере demo4_3 показана зависимость h₂₁(I_Б, U_К) при значениях U_К= 0.5, 2.5…15.5. Здесь видно, что на начальном участке при малых токах базы параметр h₂₁ быстро растет, достигает максимума, а потом плавно уменьшается.

Рис.4.9. Зависимости параметра h₂₁ от тока базы при разных напряжениях между коллектором и эмиттером БТ.

Из этого семейства следует, что можно использовать для расчетов только некоторое среднее значение параметра h₂₁ в рабочей области характеристик.

Другой важной ВАХ транзистора является статическая переходная характеристика транзистора I_К(I_Б) при фиксированном напряжении U_к. На рис.4.10 из demo4_3 приведено семейство переходных характеристик при U_КЭ= 0.5, 2.5…15.5.

На рис.4.10 видно, что практически зависимости I_К(I_Б) можно считать линейными при значительном изменении напряжения U_К: I_К= h₂₁I_Б

Транзисторы имеют предельные эксплуатационные параметры, которые не должны быть превышены при подключении транзистора к источникам энергии:

Рис.4.11. Рабочая область семейства выходных характеристик транзистора.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9026 – | 7255 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Характеристики биполярного транзистора в основном нелинейные и выражаются сложными формулами, неудобными на практике. Поэтому проще и нагляднее использовать графики зависимости параметров транзистора между собой . Так же удобнее изображать измеренные показания параметров конкретного транзистора графическим способом.

Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки.
Эти характеристики будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОЭ можно использовать схему как на рис.1 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

На рис.2 , для сравнения, показаны входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ германиевого и кремневого транзисторов. Они выражают (при определенном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ ) зависимость базового тока Iб от приложенного между базой и эмиттером напряжением Uбэ . По форме они нелинейны и похожи на характеристики диодов, т.к. эмиттерный переход транзистора можно представить в виде диода включенным в прямом направлении.
Для каждого типа транзисторов при увеличении коллекторного напряжения характеристики немного смещаются в сторону увеличения базового напряжения, но на практике это увеличение не учитывается.
Из графиков еще видно , что в схеме с ОЭ базо-эмиттерное напряжение в германиевых транзисторах не превышает 0,4В, а в кремниевых – 0,8В. При превышении этих входных напряжений токи, проходящие через транзистор, могут стать недопустимо большими, которые приведут к пробою транзистора.

Так как входная характеристика биполярного транзистора нелинейна, значит и входное сопротивление, зависящее от входного напряжения и тока, тоже нелинейно.
Для примера определим базовый и коллекторный токи транзистора МП42Б с коэффициентом усиления β=50 ( рис.3 ) в разных точках характеристики.
В точке А базовый ток Iб=0,02mA и тогда коллекторный ток равен
Iк=β•Iб=50•0.02=1mA.
Можно наоборот определить на графике по известному коллекторному току Iк=13mA базовое напряжение Uэб . Базовый ток при таком Iк равен:
Iб=Iк/β=13/50=0,26mA.
Значит Uэб=0,25В ( точка В ).
На этой же характеристике так же можно найти входное сопротивление транзистора для постоянного и переменного (дифференциально динамического) токов.
Сопротивление по постоянному току относится к постоянной составляющей сигнала, а по переменному току – к переменной составляющей сигнала. Входное сопротивление по переменному току имеет существенное значение для согласования между собой транзисторных каскадов.
Сопротивление по постоянному току определяется по закону Ома:
R_=U/I .
В точке А на графике оно будет равно:
Rвх_= Uбэ/Iб = 0,1/ 0,02•10ˉ³ = 5 кОм.
Таким же образом находим сопротивление в точке Б – Rвх_= 1,6 кОм, и в точке В – Rвх_= 1 кОм.
Сопротивление по переменному току находим тоже по закону Ома, но в только в дифференциальной форме:
Rвх

= ∆U/∆I ,
где ∆U ) и ∆I ) – приращения напряжения и тока возле выбранной точки.
Для примера определим сопротивление по переменному току в точке Б ) ( рис.4 ). Задаем приращения (желтый треугольник на рисунке):
∆Uбэ = 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 0,16-0,06 = 0,1 mA.
Тогда сопротивление по переменному току равно:
Rвх

=0,05/0,1•10ˉ³ = 500 Ом
Аналогично вычислим сопротивление по переменному току в точке А – Rвх

= 4кОм, а в точке В – 400 Ом. Обычно в схеме с ОЭ это сопротивление бывает в пределах от 500 Ом до 5 кОм.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Выходные характеристики биполярного транзистора показывают зависимость коллекторного тока Iк ) от выходного напряжения Uэк ) при определенном базовом токе Iб .

На рис.5 приведено семейство выходных характеристик транзистора.
На графике видно, что выходные характеристики нелинейны, и что при увеличении напряжения Uэк от нуля до 0,4÷0,8 вольт коллекторный ток увеличивается быстро, а затем приращение уже мало и почти не зависит от величины Uэк , а зависит от базового тока. Отсюда можно сделать вывод: в основном базовый ток управляет коллекторным током.

По выходной характеристике транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
А для точки А ток базы при коллекторном напряжении Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

Так же по выходной характеристике этого транзистора можно найти выходные сопротивления для постоянного и переменного токов.
Сопротивление по постоянному току в точке Б будет равно:
Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
Сопротивление по переменному току при приращении:
∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
равно:
Rвых

= ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
Это cопротивление может достигать 50 кОм.

Статистические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОБ используют схему как на рис7 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики биполярного транзисторат с ОБ показывают, как зависит эмиттерный ток Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при выбранном напряжении Uкб ( рис.8 ) для транзисторов разной проводимости.
Сравнив с входной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ видим, что они похожи, но и имеют различия.
Это, во-первых, при увеличении коллекторного напряжения ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево, Во-вторых, ток эмиттера в этом случае намного больше чем базовый ток при включении с ОЭ и масштаб измерения по оси ординат уже не в микроамперах, а в милиамперах.
По входным характеристикам биполярного транзистора с ОБ можно определить такие же параметры как и с ОЭ: зависимость Iэ от Uэб , входные сопротивления Rвх_ и Rвх

.
По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем входные сопротивления в точке А :
∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
Rвх

= ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: входные сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

На рис.10 показано семейство выходных характеристик биполярного транзистора МП42Б которые выражают зависимость коллекторного тока Iк от выходного напряжения Uбк при определенном эмиттерном токе Iэ . Они чем то похожи на выходные характеристики с ОЭ, но имеют и большие различия.
Одним из отличий является то, что коллекторный ток протекает даже тогда, когда коллекторное напряжение равно нулю. Причина в наличии источника тока в цепи эмиттера.
Второе отличие – выходные характеристики в схеме с ОБ почти горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше чем при ОЭ и может достигать по переменному току до 2 МОм.

Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить коэффициенты усиления по току в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
.Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
β=∆Iк/∆Iб
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iб=30-20=10 μА.
β=0,8/10•10ˉ³= 80.
Коэффициент усиления по току с ОБ равен:
α=∆Iк/∆Iэ
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iэ=3-2=1 mA;
α=0,8/1=0,8.
Можно сделать вывод, что при включении транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.