LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Transkrypt

1 Wydział lektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politecniki Wrocławskiej STUDA DZNN W0 LAORATORUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZWODNKOWYCH Ćwiczenie nr 3 Carakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania:. złącze p-n,. budowa tranzystora bipolarnego i zjawiska fizyczne w nim występujące związane z transportem nośników prądu, 3. polaryzacja złącz w tranzystorze dla różnyc rodzajów pracy, 4. układy pracy tranzystora: O(W),O (W), OC(WC), wzmocnienie prądowe, 5. małosygnałowe parametry czwórnikowe typu [].. Program zajęć. Pomiar carakterystyki wyjściowej i wejściowej tranzystora w układzie O.. Wykreślenie carakterystyki przejściowej tranzystora w układzie O. 3. Obliczenie parametrów ij badanego tranzystora w wybranym punkcie pracy i opracowanie małosygnałowego scematu zastępczego. 4. Obliczenie wzmocnienia prądowego, wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia mocy wzmacniacza wykorzystującego badany tranzystor w przyjętym punkcie pracy.. Literatura Wykład W.Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone A.Świt, J.Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe Wykonując pomiary PRZSTRZGAJ przepisów HP związanyc z obsługą urządzeń elektrycznyc.

2 V. Wiadomości wstępne. Tranzystor jako czwórnik Tranzystor jest trójelektrodowym elementem elektronicznym, którego działanie w układzie elektronicznym najlepiej opisać przyjmując, że pracuje on w układzie czwórnika (Rys..), w którym zdefiniowano wejście i wyjście. Wejście Wyjście U TRANZYSTOR U, Rys.. Tranzystor w układzie czwórnika, Dla tranzystora traktowanego jako czwórnik można wykreślić carakterystyki -U podając zależności pomiędzy napięciami i prądami na wejściu i wyjściu, a tym samym wyznaczyć cztery rodziny carakterystyk tranzystora: U f( ) przy U parametr carakterystyka wejściowa f(u ) przy parametr carakterystyka wyjściowa f( ) przy U parametr carakterystyka przejściowa U f(u ) przy parametr carakterystyka oddziaływania wstecznego Zależność między wyjściem a wejściem mają na ogół carakter nieliniowy i można je opisać równaniami mieszanymi, a dla najczęściej używanego opisu tranzystora pracującego w zakresie małyc częstotliwości zastosowanie mają parametry czwórnika typu []. Wówczas układ równań dla sygnałów zmiennyc, opisującyc zależności W-WY wygląda następująco: u i u i i u () Na podstawie analizy takiego układu możliwe jest wyznaczenie parametrów tranzystora, które opisują jego zacowanie dla prądów stałyc oraz umożliwiają analizę przenoszenia sygnałów zmiennyc. Parametry małosygnałowe czwórnika, czyli elementy modelu

3 zastępczego tranzystora dla m.cz., mogą być wyznaczone z nacylenia carakterystyk statycznyc. tak: przy czym: DU D D D U U const. const. DU DU D DU const. const. to rezystancja wejściowa [W] współczynnik. napięciowego oddziaływania wstecznego [V/V] zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego [A/A] konduktancja wyjściowa [S] Ze względu na nieliniowość carakterystyk wartości powyższyc parametrów nie są stałe i zależą od układu pracy oraz od punktu pracy, czyli polaryzacji stałoprądowej tranzystora.. Układy pracy tranzystora Tranzystor bipolarny jest półprzewodnikowym elementem elektronicznym, który wymaga rozróżnienia symbolu w scematac układów elektronicznyc w zależności od konstrukcji. Oznaczenie symboliczne typu tranzystora przedstawia Rys.. () n-p-n --C p-n-p --C Rys.. Symbole graficzne tranzystorów bipolarnyc Ponieważ tranzystor bipolarny ma trzy wyprowadzenia (końcówki), dlatego w układzie czwórnika jedna elektroda musi być wspólna dla obwodu wejściowego i obwodu wyjściowego. W związku z tym można stworzyć trzy podstawowe układy pracy tranzystora: układ ze wspólną bazą (O) wspólną elektrodą jest baza, wejściem -, wyjściem C-, układ ze wspólnym emiterem (O) wspólną elektrodą jest emiter, wejściem -, wyjściem C-, 3

4 układ ze wspólnym kolektorem (OC) wspólną elektrodą jest kolektor, wejściem -C, wyjściem -C. Scematy poszczególnyc układów z zastosowaniem tranzystora npn przedstawiono na Rys. 3. Układ ze wspólną bazą (O) Układ ze wspólnym emiterem (O) Układ ze wspólnym kolektorem (OC) Rys. 3. Scematy podstawowyc układów pracy tranzystora npn Jednocześnie, ze względu na to, że w tranzystorze są dwa złącza: - i -C, a każde z tyc złącz może być spolaryzowane w kierunku przewodzenia lub zaporowym, można wyróżnić trzy stany pracy tranzystora. tak: stan nasycenia: oba złącza spolaryzowane są w kierunku przewodzenia; stan aktywny: złącze emiter-baza spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, a kolektor-baza w kierunku zaporowym; stan odcięcia: oba złącza spolaryzowane są w kierunku zaporowym W dalszej części przedstawione zostaną warunki, jakie należy spełnić, aby tranzystory pracowały w zakresie stanu aktywnego w układzie ze wspólną bazą i wspólnym emiterem. POLARYZACJA W UKŁADZ Z WSPÓLNĄ AZĄ (O) V C C V V C C V U V U C U V U C tranzystor pnp tranzystor npn 4

5 W układzie tym zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego zdefiniowany jest jako: C - CO C ao - U» - C const. U (3) C const. gdzie CO prąd zerowy kolektora (dla 0), czyli prąd nasycenia i generacji złącza C-. POLARYZACJA W UKŁADZ Z WSPÓLNYM MTRM (O) V V C C V V C C U V U C U V U C tranzystor pnp tranzystor npn Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego: - C CO C b o U» C const. UC const. (4) CO W tranzystorze, elemencie 3-zaciskowym, obowiązuje zawsze zasada: a C 0 stąd b (5) -a oraz U C U C U gdzie U C V C - V - to różnica potencjałów na zaciskac kolektora i emitera itp. 3. Carakterystyki statyczne tranzystorów Carakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora opisują jego zacowanie dla prądów stałyc oraz umożliwiają analizę przenoszenia sygnałów zmiennyc. Dla tranzystora traktowanego jako czwórnik można wykreślić carakterystyki -U podając zależności pomiędzy napięciami i prądami na wejściu i wyjściu, przy czym sposób znakowania napięć i prądów (kierunki strzałek), stosowany tutaj (w punkcie V. jak i V.) jest typowy dla czwórnikowego opisu tranzystora. Na Rys.4 7 przedstawiono rodziny carakterystyk stałoprądowyc tranzystora bipolarnego npn dla układu O: carakterystyki wyjściowe (Rys.4) C f(u C ) przy const. 5

6 carakterystyki przejściowe (Rys.5) C f( ) przy U C const. carakterystyki wejściowe (Rys.6) U f( ) przy U C const. carakterystyka oddziaływania wstecznego (Rys7) U f(u C ) przy const. Obszar nasycenia Obszar pracy aktywnej P300mW 0.5mA mA C [ma] mA 0.mA 0.mA U C [V] Rys. 4. Carakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie O Na carakterystyce wyjściowej naniesiono dodatkowe linie: rozdzielającą obszar pracy aktywnej (złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym) i obszar nasycenia (złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku przewodzenia), stałej mocy strat w kolektorze (iperbola C P/U CC, P300mW) U C 5V V V V C [ma] ,0 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 [ma] Rys. 5. Carakterystyka przejściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie O 6

7 0,7 U C V 0,6 U [V] 0,5 0,4 0,05 0,0 0,5 0,0 0,5 0,30 0,35 0,40 [ma] Rys. 6. Carakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie O Ze względu na niewielki wpływ napięcia U C na carakterystyki wejściowe na Rys.6 umieszczono tylko jedną krzywą dla U C V. 0,8 0,7 0,6 750mA 500mA 50mA 0,5 U [V] 0,4 0,3 0, 0 0, 0, U C [V] Rys. 7. Carakterystyka oddziaływania wstecznego tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie O 4. Parametry małosygnałowe tranzystora bipolarnego Jak widać wszystkie carakterystyki tranzystora bipolarnego są nieliniowe. Niezależnie od nieliniowości carakterystyki, jeżeli uwzględnimy odpowiednio krótki jej odcinek, możemy go zawsze przybliżyć linią prostą. Parametry macierzy [] tranzystora są właśnie współczynnikami kierunkowymi prostyc aproksymującyc carakterystyki tranzystora w określonym punkcie (nazywanym punktem pracy). Parametry te opisują właściwości tranzystora np. wzmocnienie tylko w pobliżu tego punktu, Dlatego mogą być wykorzystane do obliczenia parametrów wzmacniacza małyc sygnałów (amplituda sygnału zmiennego U m <6mV) w określonym punkcie pracy. Cztery parametry typu ij zdefiniowane wzorami 7

8 () opisują w pełni właściwości tranzystora dla małyc sygnałów i dla małyc częstotliwości oraz przyjmują wartości rzeczywiste (dla wielkic częstotliwości będą to liczby zespolone). W zależności od układu pracy posługujemy się parametrami ije dla tranzystora pracującego w układzie O, a ijb pracującym w układzie O. Korzystając z parametrów małosygnałowyc ij scemat zastępczy tranzystora można przedstawić tak, jak pokazuje Rys.8. Rys. 8. Małosygnałowy scemat zastępczy tranzystora bipolarnego. Praktyczne wskazówki do wyznaczania parametrów ije z carakterystyk statycznyc (dla układu wspólnego emitera):. Wybieramy punkt pracy ( U 0 0 C, C ) na carakterystyce wyjściowej tranzystora w zakresie średnic wartości napięć i prądów. Następnie zaznaczamy na carakterystyce przejściowej punkt ( 0 0, C ) i na carakterystyce wejściowej punkt (( 0, U 0 ).. Na poszczególnyc carakterystykac wybieramy punkty w pobliżu punktu pracy i liczymy przyrosty odpowiednic prądów i napięć. Jeżeli punkty będą leżały zbyt blisko siebie to przyrosty wartości prądów lub napięć mogą być obliczone niedokładnie, z drugiej strony punkty muszą leżeć dostatecznie blisko tak aby odcinek carakterystyki leżący między nimi można było aproksymować linią prostą. 3. Obliczamy parametry ije tranzystora w wybranym punkcie pracy: du DU e» przy U C const. d D d D» C C e przy C d D d» D U C C e przy du C DU C const const Analizując kształt carakterystyk stałoprądowyc można zastanowić się, w jaki sposób wartość parametrów [ ij ] zależy od punktu pracy. 8

9 Wartość parametru e można obliczyć także teoretycznie. Dynamiczna rezystancja złącza emiter-baza, w którym prądem płynącym przez złącze jest prąd emitera, opisuje wzór: Ponieważ dla prądów stałyc więc analogicznie czyli du r e (6) d ( ) (7) ( e ) d d (8) du r e (9) d ( e ) Przekształcając powyższe równanie wyznacza się e jako ( ) (0) e re e Korzystając z zależności na dynamiczną rezystancję złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia kt r e otrzymujemy q n r e kt () q n kt oraz przy założeniu, że >>, n a w temperaturze pokojowej 6mV q to związek pomiędzy parametrami e i e wyznaczanymi w ćwiczeniu powinien być następujący 6mV e e () 9

10 5. Właściwości wzmacniające tranzystora bipolarnego. Na Rys.9 przedstawiono scemat prostego wzmacniacza na tranzystorze bipolarnym. Rys. 9. Scemat prostego wzmacniacza w układzie O. Dla małyc sygnałów układ przedstawiony na rys.9 można zamienić scematem zastępczym przedstawionym na rys.0 wg zasady: - zasilacz jako duża pojemność zwarty do masy, - tranzystor zastąpiony jego scematem zastępczym (Rys. 5) gdzie dla uproszenia w analizowanym układzie tranzystora pominięto wpływ parametru, który zazwyczaj ma bardzo mała wartość. Rys. 0. Małosygnałowy scemat zastępczy wzmacniacza. Dla takiego układu można obliczyć wzmocnienie prądowe, wzmocnienie napięciowe i wzmocnienie mocy. W przedstawianyc poniżej zależnościac założono R L <</ oraz R >>. Pozwala to na pominięcie konduktancji wyjściowej tranzystora i rezystora polaryzującego bazę R. a) Wzmocnienie prądowe k i : i k i i czyli ki e (3) 0

11 b) Wzmocnienie napięciowe k u u u Jeżeli na wejście układu przyłożymy napięcie zmienne u, to w obwodzie tym popłynie prąd i, którego wartość określi zależność k u (4) u i (5) e Prąd źródła prądowego i * przepływając przez R L wytwarza spadek napięcia u równy: u -ei R Podstawiając (5) i (4) do (3) i przekształcając otrzymane równanie, wyznaczamy wzmocnienie napięciowe: k u R L L (6) c) Wzmocnienie mocy k p Wzmocnienie mocy jest to stosunek mocy wydzielonej w obciążeniu P do mocy doprowadzonej do wejścia układu P, czyli P ui k P kiku (7) P ui Podstawiając zależności (3) i (6) do (7) uzyskujemy: ( e ) k P RL (8) e V. PRZG ĆWCZNA. W ramac ćwiczenia należy wyznaczyć prądowo-napięciowe carakterystyki wyjściowe, wejściowe i przejściowe tranzystora w układzie O. Przed przystąpieniem do pomiarów należy:. Zidentyfikować za pomocą katalogu typ tranzystora (npn czy pnp), rozmieszczenie wyprowadzeń (elektrod) oraz jego parametry dopuszczalne,. Określić, jaki zakres prądów i napięć można stosować podczas pomiarów, aby nie przekroczyć mocy admisyjnej P c max i zapisać to w sprawozdaniu, 3. Ustalić biegunowość zasilania na W i WY, wymaganą dla tranzystora pnp lub npn w odpowiednim układzie pracy. Pomiary carakterystyk prądowo-napięciowyc można wykonać przy pomocy programu komputerowego Rejestrator XY lub metodą tzw. tecniczną czyli odczytu danyc z

12 mierników punkt po punkcie. O sposobie wykonywania pomiarów decyduje prowadzący. Obsługa programu Rejestrator X-Y opisana jest w Dodatku na stronie ttp:// /lpp. Carakterystyki wyjściowe C f(u C ) przy ustalonej wartości. Pomiar carakterystyk wyjściowyc tranzystora npn w układzie O wykonujemy w układzie, którego scemat przedstawia Rys.9. Jako zasilacz wejściowy zastosować zasilacz podwójny Agilent 3649A lub 363A, a do pomiarów odpowiednic prądów i napięć zastosować mierniki HP3440A. Mierniki mierzące prąd ustawić w trybie pomiaru prądu AUTO. Rys.9. Układ do pomiar carakterystyk wyjściowyc w układzie O dla tranzystora npn Przed wykonaniem pomiaru w zasilaczu wejściowym ustawić ograniczenie prądowe na poziomie 5mA, a na zasilaczu wyjściowym z narostem napięcia - 30mA. Wykonać serię pomiarów dla co najmniej trzec wartości prądu bazy dla U C zmieniającym się od zera do 0V. Jeżeli pomiary wykonujemy metodą tecniczną, to wyniki zapisujemy w tabelce, a na ic podstawie na papierze milimetrowym wykreślamy uzyskane carakterystyki. Jeżeli natomiast pomiary wykonujemy przy pomocy komputera, to odpowiednio (zgodnie z instrukcją obsługi Rejestratora ) nazywamy mierniki w obwodzie wyjściowym, a prędkość narostu napięcia w zasilaczu ustawiamy na 30s. Po wykonaniu pomiaru drukujemy uzyskane carakterystyki wyjściowe (wydruk podpisujemy nazwiskami studentów w grupie). Z uzyskanyc carakterystyk wyjściowyc wyznaczamy parametry małosygnałowe e i e w punkcie pomiarowym wskazanym przez prowadzącego.. Carakterystyki wejściowe U e f( ) przy ustalonej wartości U C. Zmontować układ pomiarowy do pomiaru carakterystyk wejściowyc tranzystora według scematu pomiarowego z Rys.0. Jako zasilacza w układzie kolektora należy użyć zasilacz

13 podwójny Agilent 3649A lub 363A, a na wejściu zasilacz z narostem napięcia. Na wejściu zasilania bazy (zasilacz z narostem napięcia) ustawić ograniczenie prądowe 5 ma, a na zasilaniu kolektora 30 ma. Wykonać należy serie pomiarowe dla napięć U C 0V,V i 0V. Zakres napięcia na zasilaczu z narostem napięcia ustalić tak, aby zakres na osi X ( prąd bazy ) był dwa razy większy niż wartość prądów bazy użytyc dla carakterystyk wyjściowyc. Uzyskane carakterystyki wejściowe wydrukować i bazując na nic wyznaczyć wartość parametru e. Rys.0. Układ do pomiaru carakterystyk wejściowyc w układzie O dla tranzystora npn 3. Carakterystyki przejściowe Na podstawie uzyskanyc carakterystyk wyjściowyc narysować odręcznie na papierze milimetrowym carakterystyki przejściowe badanego tranzystora dla kilku wartości napięć U C. 4. Zadanie dodatkowe - obliczanie parametrów wzmacniacza na badanym tranzystorze Kolejność postępowania: - Przyjmij rezystancję obciążenia analizowanego wzmacniacza (np. R L kw.) - Narysuj scemat zastępczy analizowanego wzmacniacza. Dodatkowo na carakterystyce wyjściowej narysuj odpowiednią prostą pracy. - Oblicz wzmocnienia: prądowe, napięciowe i mocy wzmacniacza wykonanego na badanym tranzystorze w wybranym punkcie pracy. 3