Теоретическая часть. Методические указания к выполнению лабораторных работ

ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Микроэлектроника»

Москва 2006

Лабораторная работа № 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Цель работы – изучить, как влияют различные способы включения биполярного транзистора и величина сопротивления нагрузки на свойства усилительного каскада.

Теоретическая часть

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление)(в дальнейшем транзистор-Т.), электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

В биполярных Т. (которые обычно называют просто Т.) ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой Т. представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой с помощью особых технологических приёмов созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (p) и электронной (n). В зависимости от порядка их чередования различают Т. p—n—p -типа и n—p—n -типа. Средняя область (её обычно делают очень тонкой) — порядка нескольких мкм, называется базой, две другие — эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электронно-дырочными переходами (р—n-переходами): эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в Т., на примере Т. n—p—n -типа. К ЭП прикладывают напряжение U _бэ, которое понижает потенциальный барьер перехода и тем самым уменьшает его сопротивление электрическому току (то есть ЭП включают в направлении пропускания электрического тока, или в прямом направлении), а к КП — напряжение U _kб, повышающее потенциальный барьер перехода и увеличивающее его сопротивление (КП включают в направлении запирания или в обратном направлении). Под действием напряжения U _бэ через ЭП течёт ток i _э, который обусловлен главным образом перемещением (инжекцией) электронов из эмиттера в базу. Проникая сквозь базу в область КП, электроны захватываются его полем и втягиваются в коллектор. При этом через КП течёт коллекторный ток i _k. Однако не все инжектированные электроны достигают КП: часть их по пути рекомбинирует с основными носителями в базе — дырками (число рекомбинировавших электронов тем меньше, чем меньше толщина базы и концентрация дырок в ней). Так как в установившемся режиме количество дырок в базе постоянно, то это означает, что часть электронов уходит из базы в цепь ЭП, образуя ток базы i _б таким образом, i _э = i _k + i _б. Обычно i _б<< i _k, поэтому i _k» i _э и D i _k» D i _э. Величина a = D i _k/D i _э называется коэффициентом передачи тока (иногда — коэффициентом усиления по току), зависит от толщины базы и параметров полупроводникового материала базы и для большинства Т. близка к 1. Всякое изменение U _бэ вызывает изменение i _э (в соответствии с вольтамперной характеристикой p—n -перехода) и, следовательно, i _k.

В транзисторных схемах источник сигнала может включаться в цепь базы или эмиттера, нагрузка – в цепь коллектора или эмиттера, а третий электрод транзистора оказывается общим для входной и выходной цепи.

рис.1

В зависимости от того, какой электрод транзистора оказывается общим, различают схемы ОЭ (с общим эмиттером), ОБ(с общей базой) и ОК (с общим коллектором), показанные на рис. 1 и рис.2

В этих схемах конденсаторы С1 и С2 служат для связи каскада с источником сигнала и нагрузкой на переменном токе и исключают в то же время влияние источника сигнала и нагрузки на режим работы каскада по постоянному току. Резисторы R1, R2, Rк и Rэ обеспечивают выбранный режим работы транзистора в активной области, т.е. выбранное положение рабочей точки на вольт -амперных характеристиках транзистора. Конденсатор С3 выполняет роль блокировочного конденсатора, исключая из работы на переменном токе резистор Rэ (каскад ОЭ) или делитель напряжения в цепи базы R1, R2 (каскад ОБ), и тем самым обеспечивает присоединение эмиттера (базы) к общей точке схемы.

рис.2 Принципиальные схемы каскадов: а) ОЭ, б) ОБ, в) ОК

Для анализа транзисторных схем важно знать, как связаны электродные токи и напряжения между выводами транзистора, т.е. знать вольт -амперные характеристики.

При анализе каскада ОЭ удобно пользоваться зависимостями и . Первые из них называются семейством входных, а вторые – семейством выходных характеристик. Их типичный вид приведен на рис. 3. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянному току и выбранная на ней рабочая точка транзистора А с координатами , которая отображена также на семействе входных характеристик и имеет координаты . Для построенной нагрузочной прямой (рис.3а) транзистор будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне . В усилительных схемах транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переход смещен прямо (для p-n-p транзистора ), а коллекторный – обратно (). При этом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродов связаны между собой через статические коэффициенты передачи по току транзистора B и

откуда следует, что .

а) выходная характеристика транзистора в) передаточная характеристика

б) входная характеристика транзистора г) переходная характеристика

Рис. 3. Статические вольт- амперные характеристики транзистора: а) выходные, б) входные

Рис. 4. Малосигнальная Рис. 5 Эквивалентная схема каскада ОЭ

Т-образная эквивалентная для диапазона средних частот

схема транзистора

Для оценки параметров усилителя его принципиальную схему преобразуют в эквивалентную, в которой транзистор замещается своей малосигнальной эквивалентной схемой рис. 4.

Нас интересуют формулы для в диапазоне средних частот. На этих частотах можно не учитывать частотную зависимость коэффициента передачи по току и емкость (она отбрасывается). Емкости конденсаторов С1, С2 и С3 выбирают настолько большим, чтобы на средних частотах их сопротивление было пренебрежимо малым по сравнению с суммарным сопротивлением окружающих их резисторов. Поэтому в эквивалентной схеме на рис. 5 они представлены коротко-замкнутыми ветвями. То же относится и к источнику питания , так как схема на рис. 5 справедлива только для переменных составляющих токов и напряжений. С учетом сказанного резисторы и , так же как и резисторы и ( - нагрузка, подключаемая к выходным клеммам усилителя), оказываются соединенными параллельно.

Пара- метр	Схема включения транзистора
ОЭ	ОБ	ОК
Rвх
Ki
Ku
Rвых
G

. Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют и . Аналогично можно получить эквивалентные для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентным схемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, метод контурных токов), можно получить приближенные формулы для оценки основных параметров усилительных каскадов, представленные в таблице. В этих формулах , где а – внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем .

рис.6 рис.7

Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этой частоте в раза меньше, чем на средней частоте) транзисторного каскада зависит от параметров транзистора и , нагрузки , внутреннего сопротивления источника сигнала и схемы включения транзистора. Для любого усилительного каскада , где . В последней формуле , а коэффициент

Рис.8 АЧХ G для каждой схемы включения транзистора. вычисляют по формулам таблицы.

Описание макета

Исследуемая в работе схема представлена на рис. 9. С помощью переключателей расположенных на передней панели лабораторной установки, можно путем соответствующей коммутации эмиттерной, базовой и коллекторной цепей транзистора собрать любой из трех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ или ОК).

Для оценки входного тока усилителя служат измерительные резисторы R1 (ОЭ,

рис.9 Схема макета.

ОК) и R6 (ОБ). При этом , где - напряжение на клеммах генератора, - напряжение на входе усилителя (за измерительным резистором).

При оценке выходного сопротивления усилителя будем считать, что холостой ход на выходе усилителя возникает, если установить , а режим короткого замыкания - при , так как других возможностей данная лабораторная установка не предоставляет.

Питание усилительного каскада осуществляется от источника G1, напряжение на выходе которого устанавливают 10 В.

В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотный транзистор МП42А (.Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы: R1=1кОм; R2=11кОм; R3=5,1кОм; R4=R5=R9=3,6кОм; R6=47Ом; R7=20 Ом; R8=510 Ом; R10=10кОм; C1=C2=C3=20,0мкФ.