ZADANIA DO ĆWICZEŃ Z ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH temat: Tranzystory bipolarne

Transkrypt

1 ZADANIA DO ĆWICZEŃ Z ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH tat: Tranzystory bipolarn prowadzący Piotr Płotka, -ail pplotka@ti.p.da.pl, tl , pok. 301 ZADANIE 1. W układzi jak na rysunku wyznaczyć wilkości CEdc, ICdc, IEdc oraz IBdc. Przyjąć, ż βn = 100 oraz IP = 10 µa. Rys. 1.1 Rozwiązani: Widziy, ż IBdc = IP (1.1) Prąd tn polaryzuj przwodząco złącz baza-itr. Z wystarczająco dokładny inżynirski przybliżni ożna przyjąć, ż BEdc = 0,7 (1.2) Załóży, ż tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny, to znaczy ż złącz bazaitr jst spolaryzowan przwodząco, a baza-kolktor jst spolaryzowan zaporowo. W taki razi ICdc βn IBdc (1.3) Uwzlędniając Zal. 1.1 ay ICdc βn IP = µa = 1 A (1.4) Wartość IEdc usi być oczywiści równa sui ICdc oraz IBdc IEdc = ICdc + IBdc (βn + 1) IBdc (1+1/βN) ICdc (1.5) czyli IEdc (βn + 1) IP = 1,01 A (1.6) Równani oczkow CC = CEdc + ICdc Ro (1.7) pozwala na wyliczyć CEdc = CC - ICdc Ro (1.8) CEdc = 5 1,0 A 1 kω = 4,0 (1.9) Moży traz sprawdzić czy tranzystor rzczywiści pracuj w obszarz aktywny noralny. W ty clu pozostaj do sprawdznia czy BCdc < 0 (1.10) - 1 -

2 Napięci BCdc przdstawiay jako BCdc = BEdc - CEdc (1.11) czyli BCdc = 0,7 3,99 = -3,29 < 0 (1.12) Złącz baza-kolktor jst spolaryzowan zaporowo, a złącz baza-itr - przwodząco. Tranzystor pracuj rzczywiści w obszarz aktywny noralny. ZADANIE 2. W układzi jak na rys. 2.1 wyznaczyć wilkości CEdc, R3 oraz R3dc. Przyjąć, ż IBdc jst poijalni ały w porównaniu z prądai płynącyi przz rzystory R1 oraz R2. Przyjąć, ż βn = 100. Rys. 2.1 Rozwiązani: Rys. 2.2 Prąd IBdc jst poijalni ały w porównaniu z prądai płynącyi przz rzystory R1 oraz R2, więc wartość 2 wyznaczay z dzilnika napięciowo R1, R2. 2 CC R2 /( R1+ R2) (2.1) 2 5 (2.2) - 2 -

3 Wartość 2 jst dodatnia i większa niż 0,7, więc złącz baza-itr tranzystora jst spolaryzowan przwodząco, a jo przybliżona wartość wynosi BEdc 0,7 (2.3) Zakładay, ż tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny. Podobni jak w zad.1 IEdc (1+1/βN) ICdc (2.4) IEdc (1+1/100) 1 A = 1,01 A (2.5) Wartość 2 jst suą 2 = BEdc + R3dc (2.6) Gdzi spadk napięcia na rzystorz R3 R3dc = IEdc R3 (2.7) Postawiając zal. 2.4 otrzyujy R3 = (1+1/βN) R3 ICdc (2.8) Uwzlędniając zal. 2.6 wyznaczay 2 - BEdc = (1+1/βN) R3 ICdc (2.9) Stąd R3 = (2 - BEdc) / [(1+1/βN) ICdc] (2.10) R3 (5 0,7 ) / (1,01 1 A) 4,3 kω (2.11) Z zal. 2.8 obliczay wartość R3 : R3dc 4,3 (2.12) Wartość CEdc wyznaczay z równania oczkowo: CEdc = CC - ICdc Ro- R3 (2.13) CEdc = CC - ICdc Ro- IEdc R3 (2.14) CEdc = CC - ICdc [Ro+ (1+1/βN) R3] (2.15) otrzyując: CEdc 2,7 (2.16) Moży traz sprawdzić czy tranzystor rzczywiści pracuj w obszarz aktywny noralny. Pozostaj do sprawdznia czy zachodzi zal Przy uwzlędniniu zal otrzyujy BCdc 0,7 2,7 = -2 < 0 (2.17) Złącz baza-kolktor jst spolaryzowan zaporowo, a złącz baza-itr - przwodząco. Tranzystor pracuj rzczywiści w obszarz aktywny noralny. ZADANIE 3. Dla układu przdstawiono na rys. 3. okrślić zakrs zian rzystancji RBB, dla któro tranzystor pozostaj w obszarz aktywny. Dan: Ro = 1 kω, ECC = 10, βn = 100. Rys

4 Rozwiązani: Dla tranzystora bipolarno npn w obszarz aktywny BCdc 0. Z druij strony CEdc = BEdc + CBdc = BEdc - BCdc (3.1) Zat, w obszarz aktywny CEdc BEdc (3.2) Wartość napięcia CEdc ożna przdstawić jako: CEdc = ECC ICdcRo (3.3) Tranzystor będzi zat pracował w obszarz aktywny dy ECC ICdcRo BEdc (3.4) Paiętay, ż w obszarz aktywny noralny ICdc βn IBdc (3.5) Prąd bazy IBdc wyrażay jako IBdc = (ECC BEdc)/RBB (3.6) Po skorzystaniu z Zal. (3.6), Zal. (3.5) i Zal. (3.4) otrzyujy warunk na pracę tranzystora w obszarz aktywny noralny w postaci: ECC RoβN (ECC BEdc)/RBB BEdc (3.7) Ostatczni otrzyujy warunk na pracę tranzystora w obszarz aktywny noralny w postaci: RBB RoβN (3.8) czyli: RBB 100 kω (3.9) ZADANIE 4. Naszkicować zalżność vc(t) w układzi z rys Zalżność b(t) przdstawiono na rys Dan: RK = 1 kω, RB = 20 kω, E = 10, βn = 100. Rys. 4.2 Rys Rozwiązani: Napięci vc(t) w układzi z rys. 4.1 ożna przdstawić jako vc = E icrk (4.1) Prąd ic pozostaj poijalni ały dopóki b < b1 0,6, to jst dla t < 1,2 s oraz dla t > 18,8 s. Zat vc = E = 10 dla t < 1,2 s oraz dla t > 18,8 s. Przy dalszy wzrości b, w pwny zakrsi b1 b b2, tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny. Przy dużych wartościach b > b2 tranzystor pracuj w obszarz nasycnia. Ścisła dfinicja obszaru nasycnia to vb>0 i jdnoczśni vbc<0 (4.2) Jdnak zalżność - 4 -

5 icdc βn ibdc (4.3) pozostaj równiż z dobry przybliżni słuszna dla wartości vbc niwil nijszych od vb, czyli dla wartości vc niwil większych od 0. W łęboki nasycniu wartość vc wynosi około 0,2 i dla potrzb naszo zadania przybliżyy ją wartością 0. Gdy tranzystor wjdzi w łęboki nasycni Zal. (4.3) przstaj obowiązywać. Z Zal. (4.1) wynika, ż tranzystor wchodzi w łęboki nasycni dy ic E /RK (4.4) Korzystając z Zal. (4.3) warunk tn zapisujy jako: ib E /(βn RK) (4.4) Zauważy, ż b = vb + ibrb (4.5) Z Zal. (4.4) i Zal. (4.5) otrzyujy b2 vb + E RB /(βn RK) (4.6) Biorąc pod uwaę, ż vb 0,6 otrzyujy b2 2,6 (4.6) Z uwai na zalżność przdstawioną na rys. 4.b napięci b(t) jst równ b2 dy t = 5,2 s oraz dy t = 14,8 s. Wykrs przybliżonj zalżności vc(t) przdstawia rys Rys. 4.3 ZADANIE 5. W układzi jak na rysunku wartość wzocninia napięciowo dla ałych częstotliwości K0 = o/e = -100 (5.1) dzi o oraz E są aplitudai ałych napięć zinnych. Wyznaczyć wartość R3. Przyjąć, ż IBdc jst poijalni ały w porównaniu z prądai płynącyi przz rzystory R1 oraz R2. Przyjąć, ż βn = 100. Wartości pojności C1 oraz C2 są tak duż, ż kondnsatory ożna traktować jako zwarcia dla ałych synałów zinnych. Rys

6 Rozwiązani: Zakładay, ż tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny. Schat zastępczy układu z rys. 5.1 dla ałych synałów, ałj częstotliwości przdstawia rys Zauważy, ż pojności C1 oraz C2 zwirają synał zinny, a rzystancj R1 oraz R2 Rys. 5.2 obciążają bzpośrdnio źródło napięciow E. Dla oblicznia wzocninia napiciowo schat zastępczy ożna więc uprościć do postaci przdstawionj na rys Rys. 5.3 Konduktancję oraz transkonduktancję wyznaczay z składowych stałych prądów kolktora lub bazy: I Bdc ICdc = = (5.1) β I T T Cdc = (5.2) T W tpraturz pokojowj wartość napięcia triczno, T = kbt/q, równa jst w przybliżniu 25. Aplituda o równa jst o = - Ro (5.3) Uwzlędniając równość = E (5.4) Wzocnini napięciow K0 wyznaczay jako: K = = R I = R o Cdc o 0 o (5.5) E T Znając wartość K0 oży wyznaczyć niznaną wartość ICdc - 6 -

7 K 0 T ICdc = (5.6) Ro po podstawiniu danych otrzyujy ICdc = 2,5 A (5.7) Znając wartość ICdc oży rozważyć stałoprądow działani naszo układu. Jst ono idntyczn jak w zad. 2. Mtodą użytą do rozwiazania zad. 2, dla danych z zad. 3 otrzyujy: R3dc 4,3 (5.8) R3 (5 0,7 ) / (1,01 2,5 A) 1,7 kω (5.9) Podobni, jak w zad. 2 sprawdzay na końcu czy tranzystor rzczywiści pracuj w obszarz aktywny noralny. W ty clu obliczay CEdc CEdc = CC - ICdc [Ro+ (1+1/βN) R3] (5.10) Otrzyujy: CEdc 3,25 (5.11) Stąd: BCdc = BEdc - CEdc 0,7 3,25 = -2,55 < 0 (5.12) Złącz baza-kolktor jst spolaryzowan zaporowo, a złącz baza-itr - przwodząco. Tranzystor pracuj rzczywiści w obszarz aktywny noralny. ZADANIE 6. Wartość częstotliwości ranicznj wzocninia prądowo tranzystora bipolarno wynosi ft = 50 GHz. Tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny. Prąd kolktora a wartość ICdc = 1 A. Wyznaczyć wartości czasu przlotu lktronów ttn oraz pojności CE = CdifE + CjE + C (6.1) dzi CdifE pojność dyfuzyjna baza-itr, CjE - pojność złączowa baza-itr, C - pojność złączowa baza-kolktor. Rozwiązani: Wartość częstotliwości ranicznj wzocninia prądowo tranzystora bipolarno ft związana jst z czas przlotu nośników ttn w obszarz aktywny noralny: 1 ft = (6.1) 2πttn Inaczj ożna tę saą zalżność przdstawić jako ft (6.2) 2 π ( CdifE + C je + C ) Z zal. 6.1 otrzyujy 1 ttn = (6.3) 2πf T Po podstawiniu danych: ttn = 3, s = 3,2 ps (6.4) Z zal. 6.2 otrzyujy - 7 -

8 C C C C I Cdc E = dife + je + (6.5) 2πT ft Po podstawiniu danych: CE = CdifE + CjE + C 0, F 0,13 pf (6.6) ZADANIE 7. Tranzystor bipolarny npn o wartości częstotliwości ranicznj ft = 50 GHz, jak w zadaniu 6, został wykorzystany w układzi wzacniacza z wspólny itr, podobno do układu z zad. 5. Tranzystor pracuj w obszarz aktywny noralny przy ICdc = 1 A, a rzystancja obciążnia a wartość Ro = 1 kω. Rzystancja szrowa nratora synału zinno a wartość R = 50 Ω. Rzystancja szrowa bazy tranzystora Rb = 10 Ω, pojność złączowa baza-kolktor C = 0, F, a współczynnik wzocninia prądowo βn = 100. Wyznaczyć wartości wzocninia napięciowo dla ałych częstotliwości K0 oraz órnj częstotliwości ranicznj pasa prznosznia f0. Przyjąć, ż wartości rzystancji R1 i R2 są tak duż, ż ozna j poinąć w analizi zinnoprądowj. Rozwiązani: Przy uwzlędniniu R, Rb oraz pojności tranzystora schat ałosynałowy naszo wzacniacza a postać jak na rys Rys. 7.1 Wzocnini napięciow K0 Dla ałych częstotliwości ożna poinąć pojności w schaci zastępczy. Widać, ż dla ałych częstotliwości zalżność aplitudy o od aplitudy jst taka saa, jak zad. 3: o ICdcRo = Ro = (7.1) b ' T Wartość wzocnini napięciow K0 ożna przdstawić jako: o b ' K 0 = (7.2) E Z schatu na rys. 7.1 wynika, ż dla ałych częstotliwości wartość ożna wyznaczyć z dzilnika napięciowo tworzono przz r, rb oraz : E 1+ ( r + rb ) (7.3) Z zal. 7.1 zal. 7.3 otrzyujy: o Ro K 0 = = E 1+ ( r + r ) (7.4) b - 8 -

9 czyli K 0 E o = = (7.5) T R I o Cdc [ 1+ ( r + r ) ] b Korzystając z danych i zal. 5.1 oraz zal. 5.2 otrzyujy dla ałych częstotliwości, to jst kidy ożna zanidbać pojności tranzystora K0 = o/e = (7.6) Częstotliwość raniczna f0 Zauważy, ż wartość aplitudy prądu Icjc w układzi z rys. 7.1 wynosi Icjc = jωc( - c) (7.7) Dla częstotliwości takich, ż wzocnini napięciow niwil odbia od wartości K0 aplitudę napięcia o ożna przybliżyć zalżnością ICdcRo c = o Ro = (7.8) T Podstawiając zal. 7.8 do zal. 7.7 otrzyujy Icjc = jω(1+ Ro) C (7.9) Wartość prądu przdstawiono w zal. (7.9) jst taka saa, jak wartość prądu płynąco przz pojność CM w układzi przdstawiony na rys dzi CM = (1+ Ro) C (7.9) W układzi przdstawiony na rys. 7.2 obwód wjściowy jst nizalżny od obwodu wyjściowo. Łatwo wyznaczyć częstotliwość biuna doinująco f0 jako częstotliwość biuna funkcji prznosznia /E, jak zrobił to J.M. Millr w 1920 r. dla lap lktronowych Rys. 7.2 E ( ω) = (7.10) 1+ ( R + R ) b [ + jω ( C + C + C + R C )] dife je o stąd f 0 = 2π ( R + R 1+ ( R b ) ( C + C + C + R C ) dife + R b ) je o (7.11) Suę pojności CE = CdifE + CjE + C (7.12) wyliczay wdłu zal. (6.5). Transkonduktancję i konduktancję obliczay wdłu zal. (5.1) i zal. (5.2). Pozostał wilkości są dan