ĆWICZENIE 3 Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów. I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie małosygnałowych parametrów tranzystorów bipolarnych na podstawie ich charakterystyk statycznych. II. Układ pomiarowy Wszystkie pomiary należy wykonać z wykorzystaniem makiety: Pomiar charakterystyk tranzystorów bipolarnych przedstawionej na rysunku poniżej. Tranzystory: 1. BD243C 2. BC547 3. BF258 4. 2N3055 Rys. 1. Makieta Pomiar charakterystyk tranzystorów bipolarnych Makieta wymaga zasilania z dwóch zasilaczy AC1 i AC2. Przed pomiarami należy ustawić właściwy typ tranzystora bipolarnego n-p-n lub p-n-p, na podstawie informacji zawartych w notach aplikacyjnych. Podczas wykonywania pomiarów należy pamiętać o nieprzekraczaniu dopuszczalnych wartości napięć i prądów. 1
III. Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczyć parametry macierzy h = h h h h tranzystorów pracujących w układzie wspólnego emitera na podstawie statycznych charakterystyk tranzystorów uzyskanych w poprzednim ćwiczeniu, (do analizy przyjąć rodzinę charakterystyk dla U CE = 5V). Uwaga! Jeżeli w poprzednim ćwiczeniu nie wykreślono kompletnych charakterystyk, przed wyznaczaniem parametrów macierzowych należy je uzupełnić! a) rezystancję wejściową: h 11e, a następnie wykreślić zmiany tego parametru w funkcji prądu kolektora, b) wzmocnienie prądowe: h 21e i wykreślić jego zmiany w funkcji prądu kolektora, c) konduktancję wyjściową: h 22e i wykreślić jej zmiany w funkcji kolektora, d) powtórzyć obliczenia z punktu 1.a 1.c dla pozostałych tranzystorów. Uwaga! Zmiany parametrów w funkcji prądu kolektora wykreślić na jednym wykresie dla danego tranzystora. 2. Wyznaczanie parametrów modelu hybryd-π w zakresie małych częstotliwości (w tym zakresie można przyjąć: r bb = 0) a) wyznaczyć parametry: g be, g m, g ce na podstawie parametrów macierzy h; do obliczeń przyjąć parametry h uzyskane dla jednego punktu pracy w okolicach I CQ = I CQmax /2, b) porównać otrzymane wyniki z zależnościami teoretycznymi, opisanymi równaniami (8), do obliczeń przyjąć U EY = 100, β średnia wartość z katalogu (noty aplikacyjnej tranzystora). c) powtórzyć punkt 2.a i 2.b dla pozostałych tranzystorów. IV. Podstawowe wiadomości niezbędne do wykonania ćwiczenia Opis działania tranzystora bipolarnego można przeprowadzić zakładając, że pracuje on w układzie czwórnika (rys. 2). Ponieważ zależności pomiędzy prądami i napięciami między wejściem i wyjściem mają charakter nieliniowy, analizę przenoszenia sygnałów zmiennych można opisać równaniami liniowymi przy założeniu małych amplitud sygnałów zmiennych. Tranzystor pracuje wtedy w określonym punkcie (punkcie pracy) charakterystyki stałoprądowej. Rys. 2. Tranzystor w układzie czwórnika W zakresie małych częstotliwości do opisu działania tranzystora wykorzystuje się parametry mieszane (hybrydowe) czwórnika typu [h]. Układ równań dla sygnałów zmiennych, opisujących zależności wejściowo wyjściowe wygląda następująco: u =h i +h u i =h i +h u, (1) 2
gdzie: u 1, u 2, i 1, i 2 są amplitudami małych sygnałów zmiennych i są równoważne niewielkim przyrostom napięć i prądów stałych, czyli odpowiednio: U 1, U 2, I 1, I 2. Współczynniki macierzy h zależą od wyboru układu pracy wzmacniacza tranzystorowego. W celu ich rozróżnienia stosuje się odpowiednie indeksy, np. w przypadku wspólnego emitera elementy macierzy mają dodatkowy indeks e, np. h 12e. Metodyka wyznaczania parametrów h ije z charakterystyk statycznych dla układu wspólnego emitera wygląda następująco: 1. Wybieramy punkt pracy (U CEQ, I CQ ) na charakterystyce wyjściowej tranzystora. Następnie zaznaczamy na charakterystyce przejściowej punkt (I BQ, I CQ ) i na charakterystyce wejściowej (U BEQ, I BQ ). 2. Na poszczególnych charakterystykach wybieramy 2 punkty w pobliżu zaznaczonych wcześniej punktów pracy (powyżej i poniżej) i liczymy przyrosty odpowiednich napięć i prądów. Jeśli punkty będą położone zbyt blisko siebie to przyrosty wartości mogą być obliczone niedokładnie, z drugiej strony punkty muszą leżeć dostatecznie blisko, tak, aby odcinek charakterystyki leżący pomiędzy nimi można było aproksymować linią prostą. 3. Obliczamy parametry h ije tranzystora w wybranym punkcie pracy: h =, przy U CE = const. (2) h =, przy U CE = const. (3) h =, przy I B = const. (4) Zmieniając punkt pracy można wykreślić przebieg parametrów macierzy h w funkcji prądu kolektora, przykład takiej rodziny charakterystyk przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Zależność parametrów h tranzystora bipolarnego BC108C od prądu kolektora [1] Ze względu na niewielkie wartości parametru h 12, w ćwiczeniu pominięto wyznaczanie tego parametru. Liniowe, małosygnałowe modele tranzystora bipolarnego są używane głównie do analizowania właściwości wzmacniaczy w dziedzinie częstotliwości oraz czasu. W modelach tranzystorów rzeczywistych, oprócz rezystancji wejściowej i sterowanego źródła prądowego 3
uwzględnia się dodatkowe wielkości, przede wszystkim pojemności złączowe i rezystancje obszarów doprowadzeń, zwłaszcza rezystancję rozproszoną bazy r b = r bb (włączoną między zacisk zewnętrzny bazy B i wydzielony zacisk bazy wewnętrznej B, dla tranzystorów krzemowych małej mocy wynosi ona 100 300 Ω), konduktancję wyjściową g ce wynikającą ze zjawiska Early ego. Najczęściej stosowanym modelem wzmacniacza pracującego w konfiguracji wspólnego emitera jest model hybryd-π, przedstawiony na rys. 4. Rys. 4. Model liniowy tranzystora bipolarnego w konfiguracji wspólnego emitera, typu hybryd-π [1] C je, C de, modelują odpowiednio pojemność złączową i dyfuzyjną złącza B-E, zaś C jc pojemność złączową złącza C-B. Pojemność złączowa C jc zwykle podawana jest w katalogach tranzystorów, ale może być także wyznaczona ze wzoru: =, (5) gdzie: C jc0 pojemność przy polaryzacji złącza C-B napięciem U CB = 0 V (typowe wartości tego parametru leżą w zakresie 0,2 1 pf), U CB napięcie polaryzujące złącze kolektor baza, ψ 0 potencjał bariery złącza (typowo 0,55 0,8 V). Dla typowych punktów pracy wartość C jc wynosi od ułamka do kilkudziesięciu pikofaradów [2]. Pojemość C e = C je + C de (równoległe połączenie emiterowych pojemności: złączowej i dyfuzyjnej) można wyznaczyć z zależności [2]: =!" #, (6) gdzie: f T częstotliwość graniczna tranzystora (parametr podawany w katalogach, jego wartość zależy od przeznaczenia tranzystora wynosi od 100 khz do kilku GHz). Zależności pomiędzy parametrami modelu hybryd-π a parametrami czwórnika typu h są następujące: h = %&' +( ))* ; h 0; h = %&' =- ; h. ; (7) Parametry modelu: g be, g m, g ce w danym punkcie pracy tranzystora (U CEQ, I CQ ) można wyznaczyć na podstawie przybliżonych zależności:. ) = /,. 0 = 1,. 2 = 1, (8) # 1 3 4 gdzie: 5 6 = 76 8 =26 ;<, U EY napięcie Early ego, β współczynnik wzmocnienia prądowego. 4
V. Pytania kontrolne 1. Tranzystor jako czwórnik, elementy macierzy h. 2. Wyznaczanie wartości elementów macierzy h na podstawie charakterystyk tranzystora. 3. Model hybryd-π. Literatura 1. Z. Nosal, J. Baranowski, Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe, WNT Warszawa 1998 2. A. Guziński, Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT Warszawa 1993 3. U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT Warszawa 1996 4. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone WNT Warszawa 1984 5. A. Prałat [red.] laboratorium układów elektronicznych. Część II, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001 5