Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения




Скачать 427.79 Kb.
НазваниеМетодические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения
страница1/4
Дата конвертации14.04.2013
Размер427.79 Kb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4
Министерство Российской Федерации по связи и информатизации


УрФУ


ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА


Методические указания и контрольные задания

для выполнения контрольной работы по курсу

Физические основы электроники

для студентов всех форм обучения


Екатеринбург 2006


УДК 621.25

ББК 32.844.1


Составители: В.И. Паутов,

В.А. Матвиенко.


Научный редактор доц., канд.техн.наук В.В. Муханов


ФОЭ. Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по теме "Характеристики и параметры биполярного транзистора"


В пособие включен теоретический материал, необходимый для более глубокого понимания использования эквивалентных схем биполярного транзистора его характеристик и параметров.

Имеются варианты задач для самостоятельного решения по разделу "Характеристики и параметры биполярного транзистора"

Приведены методические указания по выполнению контрольного задания, а также указана основная и справочная литература.


Библиография: 7 назв., табл. 4, приложений 2.


Подготовлено кафедрой АУТС


УрФУ 2010


1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

1.1. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя областями чередующейся электропроводности, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Эти транзисторы называют биполярными, потому что их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярные транзисторы могут быть типа р-n-р и n-р-n, показанные на рис. 1.

Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних – эмиттером (Э), другой — коллектором (К).

База — область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттер — область, из которой осуществляется инжекция носителей заряда в базу. Коллектор предназначен для экстракции носителей заряда из базы. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерный переходом, между базой и коллектором — коллекторным переходом.

Э Б К Э Б К




p n p n p n




Рис. 1. Структура биполярного транзистора р-n-р и n-р-n типа

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК)
(рис. 2. а, б, в).

Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Она имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, по току и относительно высокое входное сопротивление.

Схему ОК называют также эмиттерный повторитель, в нем напряжение на эмиттере по фазе совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению. Эта схема усиливает ток и мощность, но не усиливает напряжение. Она обладает наибольшим из всех трех схем включения входным сопротивлением и наименьшим выходным сопротивлением, поэтому часто используется как буферный усилитель для согласования низкого сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением каскада, иначе говоря, применяется как трансформатор сопротивлений.

Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток. Подобно схеме ОЭ, она имеет высокое выходное сопротивление. Входное сопротивление этой схемы очень мало. Схема используется для согласования низкоомного источника сигнала с входным сопротивлением усилителя [2].


3

ОБ ОЭ ОК Iэ

э Iэ Iк к Iк э

Iб Iб UКЭ

UЭБ UКБ UКЭ

Вход Iб Выход UБЭ Iэ UБК


а) б) в)

Рис. 2. Схемы включения биполярного транзистора

1.2. Схема Эберса – Молла

Для определения аналитических зависимостей между токами и напряжениями транзистор представляют идеализированной схемой Эберса–Молла
рис. 3 [3]. Объемные сопротивления слоев, емкости р–n–переходов и эффект модуляции толщины базы не учитываются.

αII2 αI1




э к

IЭ IК

I1 I2

UЭБ UКБ

IБ Б

Рис. 3. Схема Эберса – Молла

Токи эмиттера и коллектора выражаются следующим образом

IЭ = IЭБК[exp(UЭБт) – 1] – αI IКБК [exp(UКБт) – 1],

IК = αIЭБК[exp(UЭБт) – 1] – IКБК [exp(UКБт) – 1], 1)

где IЭБК и IКБК — тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов при коротком замыкании на входе транзистора (UКБ = 0 и UЭБ = 0 соответственно);
α – коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме; αI – коэффициент передачи тока эмиттера при инверсном включении;
UЭБ и UКБ – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно; φт = kT/e — температурный потенциал.

Можно показать, что

IКБК = IКБ0/(1 – α αI), IЭБК = IЭБ0/(1 – α αI), 2), 3)

где IЭБК и IКБК — обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые соответственно при отключенном коллекторе и эмиттере.

Подставив выражения 2), 3) в формулы 1), получим зависимость токов IЭ, IК и IБ от напряжений UЭБ и UКБ. Эти выражения описывают статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) идеализированного транзистора:

IЭ = [IЭБ0/(1 – ααI)] [exp(UЭБт) – 1] – [αI IКБК/(1 – α αI)] [exp(UКБт) – 1], 4)

IК = [αIЭБ0/(1 – ααI)] [exp(UЭБт) – 1] – [IКБК/(1 – α αI)] [exp(UКБт) – 1]. 5)

Учитывая, что IБ = IЭ – IК получим

IБ = [(1 – α)IЭБ0/(1 – ααI)] [exp(UЭБт) – 1] + →

→+ [(1 – αI)IКБ0/(1 – α αI)] [exp(UКБт) – 1]. 6)

Разрешая уравнение 4) относительно UЭБ, получим выражение для

4

идеализированных входных характеристик транзистора UЭБ =f(Iэ)|UКБ = const:

UЭБ = φт ·ln[IЭ/IЭБ0 + 1 + α·exp(UКБт) – 1]. 7)

Выражение для выходных характеристик можно получить из уравнения 5)

IК = α·IЭ – IКБ0·exp(UКБт – 1). 8)

Для активной области |UКБ| < 0 и |UКБ| » φт, поэтому

IК = α·IЭ + IКБО 9)

Величина

α = (IК – IКБО)/IЭ, 10)

называется статическим (интегральным) коэффициентом передачи эмиттерного тока. Для современных транзисторов α составляет величину 0,95 – 0,999.

Так как IК >> IКБО, то обычно принимают статический коэффициент α = IК/IЭ.

Для анализа работы транзистора на переменном токе (с сигналами малых амплитуд) вводят дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

αД = dIК/dIЭ при UКБ = const.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, ток коллектора

IК = [α/(1 – α)] ·IБ + IКБО/(1 – α) 11)

Запишем это выражение в виде

IК = В·IБ + IКЭО, 12)

где В = α/(1 – α) — статический (интегральный) коэффициент передачи тока базы;
IКЭО = IКБО/(1 – α) = (1 + B) IКБО – обратный ток коллекторного перехода в схеме ОЭ при IБ = 0, т. е. при разомкнутом выводе базы.

Статический коэффициент передачи тока базы

В = (IК – IКБО)/(IБ + IКБО).

Так как IКБО << IК и IКБО << IБ, то коэффициент передачи тока базы

В = IК/IБ. 13)

При работе транзистора на переменном токе при малых амплитудах используют дифференциальный коэффициент передачи тока базы

β = dIк/dIб |При UКЭ = const.

На основании выражений 7) и 8) построены статические ВАХ транзистора для схемы ОЭ рис. 4. б, в.

На рис. 4. а изображена передаточная характеристика IК = ƒ(IБ) |Uкэ = const.
На рис. 4. б изображены выходные характеристики – IК = ƒ(Uкэ) |IБ = const.
На рис. 4. в изображены входные характеристики – IБ = ƒ(Uбэ) |Uкэ = const.

1.3. Схемы замещения и параметры транзистора

Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. В основном используются физические и формализованные схемы. В физической схеме параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рис. 5 показана Т-образная схема для переменных токов и напряжений для схемы включения ОЭ. Она справедлива для линейного режима входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Здесь гэ — дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база

гэ = dUЭ/dIЭ |При UКЭ = const.

5

IК мА IК Рк.доп

6 IБ4(50оС)

IКТ IБ5

5 IК5 * 5

∆IК IБ4 (20оС)

4 IК4 4 ∆I*К

IБ3 = const

3 ∆UКЭ = (10 – 5) = 5 В

∆IБ 2 * IБ2

IБ UКЭ

мкА IБ5 IБ4 5 10 В

а) б)

IБ IК IБmax

t = 500С IКmax

IБТ Uкэ = 5 В

t = 200С IБрт

IБ5 I0К рт

IБрт ∆IБ = (IБ5 – IБ4)

IБ4

∆Uбэ

Uбэ UКЭ

UБЭрт мВ U0кэ 15 B

в) г)

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Значение гэ зависит от постоянной составляющей тока эмиттера

гэ = φт/IЭ =0,026/IЭ. 14)

Например, при IЭ = 1 мА, гэ = 26 Ом. Числовое значение гэ лежит в пределах от единиц до десятков Ом. гб - объемное сопротивление базы. Обычно
гб >> гэ и составляет 100-500 Ом.

Сопротивление

г = dUКЭ/dIК |При IБ = const.

– дифференциальное сопротивление коллекторного перехода. Значения г лежат в пределах 5 – 500 кОм.

Сэ и емкости эмиттерного и коллекторного переходов.
ВIБ




IБ гб г IК

Б к



UБЭ Сэ UКЭ

гэ IЭ

Э

Рис. 5. Физическая схема замещения транзистора

6
Входным током в схеме ОЭ является ток базы, в выходную цепь введен источник тока B·IБ. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы

Β = dIК/dIБ |При UКЭ = const.

1.4. Формализованная схема транзистора в h–параметрах

Формализованные модели основаны на представлении транзистора в виде активного четырехполюсника. Он может быть охарактеризован системой дифференциальных уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. В зависимости от того, какие величины принять за зависимые, а какие за независимые, возможно шесть схем.

Наиболее широко используется схема h-параметров.

U1 = h11I1 + h12U2

I2 = h21I1 + h22U2.

В общем случае токи и напряжения – гармонические и являются комплексными величинами.

h-параметры транзистора имеют следующий физический смысл:
– h11 = U1/I1|U2 =0 - входное сопротивление транзистора в режиме короткого замыкания (к. з.) на выходе для переменного тока;
– h12 = U1/U2|I1=0 – коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (х. х.) на входе для переменного тока;
– h21 =I2/I1 |U2=0 - коэффициент передачи тока в режиме к.з. на выходе для переменного тока;
– h22 = I2/I1|U2=0— выходная проводимость транзистора в режиме х. х. на входе для переменного тока.

Формальная схема транзистора в h-параметрах представлена на рис.6.

Параметры h – , как и r – параметры являются дифференциальными. Поэтому, если строго, то следовало бы давать им определение в следующем виде: h11 = dU1/dI1|U2 = 0.


I1 h11 I2 I1= IБ I2 = IК



U1 h21I1 h22 U2 U1= UБЭ U2 = UКЭ

h12U2







Рис. 6. Формализованная модель транзистора

По определению частный дифференциал dU1 можно заменить приращением ∆U1. При этом приращение ∆U1 можно рассматривать как изменение напряжения U1 – напряжения на входе 4–х полюсника. Под изменением напряжения U1 можно рассматривать изменение напряжения сигнала, но малой амплитуды, в частности, синусоидальной формы. Переход от дифференциала к конечным приращениям позволяет определить h-параметры по ВАХ транзистора.

Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора.
h-параметры транзистора связаны с физическими параметрами, поскольку они отражают свойства одного и того же объекта – транзистора.

7

1.5. Допустимые электрические и тепловые параметры

Максимально допустимые электрические и тепловые параметры – это такие параметры, которые не должны быть превышены при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность работы транзистора.

Максимально допустимые напряжения: UКБmах; UКЭmах, UЭБmах. Это такие предельные напряжения, при которых транзистор не теряет своих электрических свойств. Превышение этих напряжений не допускается, т.к. может наступить электрический пробой.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора Pк.max - наибольшая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора при температуре окружающей среды Тс (или корпуса Tк).

Различают три основные причины нестабильности тока коллектора при изменении температуры. Прежде всего, от температуры существенно зависит обратный ток коллекторного перехода IКБО. Напряжение база – эмиттер с ростом температуры уменьшается. Коэффициент передачи тока базы B (h21) с увеличением температуры переходов увеличивается. Все указанные факторы приводят к увеличению тока коллектора при увеличении температуры.

Превышение температуры выше допустимой может привести к пробою транзистора по току.

Частотные свойства транзисторов принято характеризовать предельной частотой коэффициента передачи тока h2l. Это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в 1,41 раза, т. е. на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте.

Граничной частотой коэффициента передачи тока базы в схеме ОЭ называют такую частоту fгр, на которой модуль коэффициента B становится равным единице.

  1   2   3   4

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения
Фоэ. Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по теме "Характеристики и параметры биполярного...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconГоу впо «Уральский государственный технический университет упи» кафедра Автоматики и Управления в Технических
Физические основы электроники. Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по теме "Диоды и их...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconГоу впо «Уральский государственный технический университет упи» кафедра Автоматики и Управления в Технических
Физические основы электроники. Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по теме "Диоды и их...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания по самостоятельному изучению дисциплины для студентов всех форм обучения и задания для контрольной работы сдудентам-заочникам
Лесное товароведение с основами древесиноведения: методические указания по самостоятельному изучению дисциплины для студентов всех...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconФизические основы электроники. Преобразовательная техника программа
Методические указания предназначены для студентов специальности «Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов»....

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания и задания для выполнения контрольной работы для студентов заочной формы обучения по специальности 140211. 65 «Электроснабжение»
Информационно-измерительная техника и электроника : методические указания и задания для выполнения контрольной работы / Е. И. Папанцева,...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания к выполнению контрольной работы №2 Задания к контрольной работе №1 Задания к контрольной работе №2 Приложения Литература Пояснительная записка. Программа дисциплины «Основы автоматики и автоматизации производства»
Методические рекомендации и контрольные задания для учащихся заочной формы обучения

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания и контрольные задания для студентов очного и заочного обучения специальностей 180403 «Эксплуатация сэу»
Методические указания предназначены для изучения курса «Электрооборудование судов». Теоретическая часть включает в себя два основных...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания и контрольные задания к выполнению контрольной работы для студентов специальности 1-36 01 01 «Технология машиностроения» заочной формы обучения
В методических указаниях приведены контрольные вопросы к изучению отдельных тем курса, контрольные задания и методические указания...

Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по курсу Физические основы электроники для студентов всех форм обучения iconМетодические указания и варианты для выполнения контрольной работы Контрольная работа по курсу «Транспортное право»
Транспортное право: задания и методические указания для выполнения контрольной работы для студентов заочного отделения по специальности...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница