Расчёт параметров транзистора

Оглавление

Введение 5

1. Теоретическое введение 6

1.1. Биполярный транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1. Принцип работы биполярного  транзистора. . . . . . 6

1.1.2. Включение транзистора  по схеме с общим эмиттером  7

1.1.3. Схема замещения биполярного  транзистора. Тран-зистор как четырёхполюсник. . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.4. Расчётh–– параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) . . . . . 13

1.2.1. Усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2. Усилительный каскад  с ОЭ . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.3. Режим работы по  постоянному току . . . . . . . . . 19

1.2.4. Термостабилизация усилительного каскада . . . . . 24

1.2.5. Графоаналитический метод  расчёта усилительного

каскада. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2. Порядок расчёта 30

2.1. Расчёт параметров транзистора. . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2. Расчёт усилительного  каскада по постоянному току. . . 31

2.3. Расчёт усилительного  каскада по переменному току. . . 33

2.4. Расчёт параметров элементов  усилителя с ОЭ . . . . . . 35

2.5. Определение параметров  усилительного каскада . . . . . 36

Введение

Важной сотавляющей подготовки современных инженеров явля-ется изучение дисциплины «Электроника», как в рамках курса «Элек-тротехника и электроника», так и в рамках отдельного курса в цикле

общепрофессиональных дисциплин (ОПД) государственных образо-вательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС

ВПО).

Наиболее сложными разделами  этого курса, являются те, которые

связаны со схемотехникой аналоговых устройств. В первою очередь

это объясняется с нелинейным характером характеристик использу-емых элементов, относительно большим разбросом их параметров, а

также сильным влиянием различных  внешних факторов (в первую

очередь температуры окружающей среды и самих элементов).

Целью данной работы является расчет параметров усилительного

каскада с общим  эмиттером, работающим в классе А с температурной

стабилизацией, который проводится графоаналитическим методом с

использованиемhпараметров транзистора.

Расчёт усилительного  каскада на биполярном транзисторе  явля-ется характерным примером, охватывающем большое количество раз-делов не только электроники, но и электротехники, среди которых

можно выделить следующие: цепи переменного тока, нелинейные це-пи, четырёхполюсник, теорию обратных связей, полупроводники.

В результате выполнения данной домашней работы, студент по-лучит базовые навыки проведения инженерных расчётов аналоговых

электронных устройств.

Для закрепления полученных при выполнении домашней работы

навыков, студентам рекомендуется  собрать полученный в результате

расчётов усилтельный каскад в виде натурного макета и проверить на

нём правильность проведённых расчётов.

Глава 1

Теоретическое введение

1.1. Биполярный транзистор

1.1.1. Принцип работы биполярного  транзистора

Рис. 1.1.Упрощённая структура

биполярного транзистора

Биполярный транзистор, это

полупроводниковый прибор, состоя-щий из двухp−nпереходов и имею-щий три вывода.

Биполярный транзистор (далее

просто транзистор) состоит  из трёх

чередующихся областей полупровод-ников, имеющих проводимостьpиn

типов (рис.1.1). В зависимости  от их расположения различают тран-зисторыp−n−pиn−p−nтипов. Условные графические обозначения

(УГО) транзисторов обоих  типов приведены на рис.1.2. Выводы тран-зистора называются: Э –– эмиттер, Б –– база и К –– коллектор. Напра-вление стрелки указывает положение области с проводимостьюnтипа.

Б

Рис. 1.2.УГО

транзистора

Рассмотрим принцип действия транзистора

(рис. 1.3). Переход эмиттер–база  включается в

прямом направление, в  результате основные но-сители заряда попадают в базу и создают ток

базыIБ. Концентрация основных носителей заря-да в базе значительно меньше, чем в эмиттере и

коллекторе, поэтому в базерекомбинирует

1

ма-лая часть зарядов из эмиттера, кроме того, база

выполняется достаточно узкой и основное количество зарядов, попав-шее в базу из эмиттера, уже имея достаточно высокую скорость и

получая дополнительное ускорение  от поля перехода база–коллектор,

пролетает в коллектор, создавая ток коллектораIК, значительно пре-вышающий ток базыIБ.

1

Рекомбинация–– процесс замещения электронами дырок, в результате чего исчезает

пара носителей заряда «электрон–дырка» исчезает. Сопровождается выделением энергии в

виде фотона.

1.1. Биполярный транзистор 7

Описанные физические процессы обеспечиваются конструктив-ными особенностями исполнения биполярных транзисторов:

1. База выполняется слаболегированной (т. е. количество основных

носителей зарядов в ней  значительно меньше чем в коллекторе

и эмиттере);

2. База выполняется достаточно  узкой;

3. Эмиттер выполняется  сильнолегированным (т. е. количество  основ-ных носителей зарядов в нём значительно больше чем в коллек-торе и базе).

Рис. 1.3.Принцип действия биполярного  транзистора

1.1.2. Включение транзистора  по схеме с общим эмиттером

Рис. 1.4.Включение

транзистора по схеме с

общим эмиттером

В зависимости от того, какой  вывод транзи-стора подключен одновременно ко входу и вы-ходу схемы, различают три схемы включения

транзистора — с общим  эмиттером (ОЭ), общей

базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Наибо-лее широкое применение нашла схема с общим

эмиттером (рис.1.4).

Работа транзистора характеризуется  семей-ствами входных ивыходных характеристик

(рис. 1.5). Эти характеристики (для по схеме с

ОЭ) приводятся в справочниках по транзисторам (например [3]).

Входные характеристики(рис.1.5,а) показывают зависимость

тока базы (IБ) от напряжения между базой и эмиттером (UБЭ), при

постоянном напряжение, приложенному к коллектору (UКЭ). Входные

8 1. Теоретическое введение

Рис. 1.5.Характеристики транзистораа–– входные, б–– выходные

характеристики слабо  зависят от напряжения на коллекторе, поэто-му обычно приводят две зависимости (например, в справочнике [3]

приводятся входные характеристики транзисторов приUКЭ= 0и5В).

Выходные характеристики(рис.1.5,б) показывают зависимость

тока коллектора (IК) от напряжения между коллектором и эмиттером

(UКЭ), при постоянном значении тока базы (IБ). Выходные характе-ристикиприводятся для достаточно большого (5и более) значений

тока базы (IБ1, IБ2, IБ3, и  т. д.), различающихся на фиксированное зна-чениеΔIБ.

1.1.3. Схема замещения биполярного  транзистора. Транзистор

как четырёхполюсник.

Рис. 1.6.Схема замещения

транзистора

Транзистор является весьма сложным

прибором и не может  быть полностью опи-сан одной –– двумя величинами (как, на-пример, резистор или конденсатор), ха-рактеризующие его зависимости (напри-мер приведённые на рис.1.5) имеют слож-ный и нелинейный характер, поэтому для

транзистора применяют различныесхемы

замещения–– математические модели, характеризующие некоторые

его свойства с заданной точностью  и в определённых пределах.

1.1. Биполярный транзистор 9

Для транзистора, включённого  по схеме с общим эмиттером, ра-ботающим вмалосигнальном

2

(линейном) режиме, наибольшее рас-пространение получила схема замещения, приведённая на (рис.1.6).

На данной схеме транзистор характеризуетсяh–– параметрами линей-ногочетырёхполюсника–– электрической схемы, имеющей два вход-ных и два выходных контакта.

Мы рассматриваем работу усилительного каскада в малосигналь-ном (линейном) режиме, поэтому мы можем представить транзистор в

виде активного линейного четырёхполюсника, который характеризу-ется входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) токами и напряжениями.

Для их расчёта используется система линейных уравнений, в которых

два тока или напряжения являются известными, а два других –– не-известными. Известные и неизвестные величины связываются коэф-фициентами, которые называютсяпараметрам четырёхполюсника.

Для расчёта усилителей применяютсяz(имеют размерность сопроти-вления),y(размерность проводимости) и h(смешанная размерность)

параметры.

При расчёте усилителей с  общим эмиттером наибольшее распо-страние получилиh—параметры, связывающие токи и напряжения с

помощью следующей системы  линейных уравнений:

 

U1=h11I1+h12U2

I2=h21I1+h22U2

Рис. 1.7.Представление транзистора,

включённого по схеме с  ОЭ, в виде

четырехполюсника

В соответствии с рисунком1.7

и учитывая, что для усилителя

входными и выходными  сигналами

являются приращения соответству-ющих токов и напряжений, запи-шем эту систему уравнений в сле-дующем виде:

 

ΔIБЭ=h11ΔIБ+h12ΔIКЭ

ΔIК=h21ΔIБ+h22ΔUКЭ

Приравнивая к нулюΔIБ(режим холостого хода на входе) иΔUКЭ

(режим короткого замыкания  на выходе) мы сможем рассчитать h–

параметры:

2

Вмалосигнальномрежиме работы транзистора амплитуды переменных составляющих

входных сигналов не выходят  за пределы линейного участка  характеристики.

10 1. Теоретическое введение

h12=

ΔUБЭ

ΔUКЭΔIБ=0

, h22=

ΔIК

ΔUКЭΔIБ=0

,

h11=

ΔUБЭ

ΔIБ ΔUКЭ=0

, h21=

ΔIК

ΔIБ ΔUКЭ=0

Следует отметить, что если изменение величины равно нулю, то

эта величина не изменяется т. е.h12 иh22 рассчитываются при посто-янном значении тока базы (IБ =const) а h11 иh21 при постоянном

значении напряжения на коллекторе (UКЭ=const).

Физический смыслh–параметров следующий:

h11=

ΔUБЭ

ΔIБ UКЭ=const

–– входное сопротивление, при корот-ком замыкании на выходе;

h12=

ΔUБЭ

ΔUКЭIБ=const

–– коэффициент обратной связи по на-пряжению;

h21=

ΔIК

ΔIБUКЭ=const

–– коэффициент передачи тока при

коротком замыкании на выходе;

h22=

ΔIК

ΔUКЭIБ=const

–– выходная проводимость при холо-стом ходе на входе.

Рис. 1.8.Схема замещения

транзистора на базе

коффициентаβ

Помимоh–параметров, для анализа ра-боты транзисторов применяются коэффици-енты передачи тока эмиттера(α=ΔIК/ΔIЭ)

и тока базы (β = ΔIК/ΔIБ). Значение

коэффициента α для  современных тран-зисторов, подключенных по схеме с об-щим эмиттером, практически равно едини-це(α= 0,9. . .0,995), поэтому при анализе

схем с ОЭ он не применяется, а использует-ся для схем с общей базой. Намного боль-шее значение при расчёте схем с общим эмиттером имеет коэффици-ентβ, значение которого составляет β= (20. . .200). При грубых рас-чётах схем с ОЭ, коэффициентβможет использоваться как основной

параметр, характеризующих транзистор, В этом случае используется

схема замещения, приведённая  на рисунке1.8.

1.1. Биполярный транзистор 11

1.1.4. Расчётh–– параметров

В нашей работе мы получимh–параметры графоаналитическим

методом из входных (h11, h12) и  выходных (h21, h22) характеристик

транзистора.

При расчётеh–параметров необходимо обратить внимание на то,

что каждой точке характеристики соответствуют три величины:

•для входной характеристики ––IБ, UБЭиUКЭ;

•для выходной характеристики ––IК, UКЭиIБ.

Третий параметр, который  отсутствует на осях рассматриваемой

характеристики, является величиной, для соответствующего значения

которой строилась зависимость. Для входных характеристик, обычно,

строятся две зависимостиIБ(UБЭ)для двух значенийUКЭ(в основном

это0и5В), для выходных –– зависимостиIК(UКЭ) для разных значе-нийIБ, различающихся на величину ΔIБ, которая имеется в справоч-ных данных на транзистор.

Следует обратить особое внимание на то, что все параметры рас-считываются  на линейных (или близким к линейным) участках вход-ных и выходных характеристик транзистора.

Расчёт по входным характеристикам  транзистора

Рис. 1.9.К расчётуh–параметров транзистораа––h11, б––h12

Расчёт параметра h11 =

ΔUБЭ

ΔIБ UКЭ=const

(рис. 1.9,а) производит-ся следующим образом: на одной из имеющихся входных характе-ристик (соответствующих выбранному напряжению на коллекторе ––

UКЭ=const) выбирается линейный (или максимально близкий к не-

12 1. Теоретическое введение

му) участок и на нём две точки (точки 1 и 2 на рис.1.9,a). Раз-ность напряжений базы, соответствующих этим точкам, даст нам

ΔUБЭ=UБЭ2−UБЭ1, а разность соответвующих значений тока –– изме-нение тока базыΔIБ=IБ2−IБ1.

При расчёте параметраh12=

ΔUБЭ

ΔUКЭ

IБ=const

(рис.1.9,б), мы выбира-ем значение тока базы, для которого будем производить расчёт (т. е.

обеспечиваем выполнение условия IБ =const), и на двух кривых,

построенных для разных значений напряжения коллектора, отмеча-ем соответствующие этому току точки (точки 3 и 4 на рис. 1.9,a).

Разность напряженийUБЭ, соответствующих этим точкам, даёт из-менение напряжения между базой и эмиттером:ΔUБЭ=UБЭ4−UБЭ3.

ВеличинаΔUКЭопределяется как разность между напряжениямиUКЭ,

для которых строились  входные характеристики (для характеристик,

приведённых на рис1.9,aΔUКЭ= 5−0 = 5В).

Расчёт по выходным характеристикам  транзистора

Рис. 1.10.К расчётуh–параметров транзистораа––h21, б––h22

Для расчёта параметрh21=

ΔIК

ΔIБ UКЭ=const

необходимо выбрать зна-чениеUКЭи на кривых, соответствующим двум значениям тока базы,

различающихся наΔIБ отметить соответствующие точки (точки 1 и

2 на рис.1.10,а). Разность  значений IК, соответствующих этим  точ-кам, даст нам значение ΔIК =IК2−IК1. Величина ΔIБ берётся из

справочника.

При расчёте параметраh22=

ΔIК

ΔUКЭ

IБ=const

, выбирается одна из  име-ющихся характеристикIБи на ней отмечаются две точки (точки 3 и

4 на рис.1.10,б). Разность  напряжений коллектора, соответствующих