Wydział lektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Opracował zespół: Marek Panek, Waldemar Oleszkiewicz, wona Zborowska-Lindert, ogdan Paszkiewicz, Małgorzata Kramkowska, eata Ściana, Zdzisław Synowiec, ogusław oratyński Ćwiczenie nr 5 Tranzystor bipolarny. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania: - Złącze p-n, - udowa tranzystora bipolarnego i zjawiska fizyczne w nim występujące związane z transportem nośników prądu, - Polaryzacja złącz w tranzystorze dla różnyc rodzajów pracy, - kłady pracy tranzystora: W, W, WC; wzmocnienie prądowe, - Małosygnałowe parametry czwórnikowe typu [].. Program zajęć - Pomiar carakterystyki wyjściowej i wejściowej tranzystora w układzie W. - Wykreślenie carakterystyki przejściowej tranzystora w układzie W. - Obliczenie parametrów ij badanego tranzystora w wybranym punkcie pracy i opracowanie małosygnałowego scematu zastępczego.. Literatura. Notatki z WYKŁAD. W. Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 987 3. A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, 983 Wykonując pomiary PRZSTRZGAJ przepisów HP związanyc z obsługą urządzeń elektrycznyc.
. Wiadomości wstępne. Tranzystor jako czwórnik Działanie tranzystora w układzie elektronicznym najlepiej opisać przyjmując, że pracuje on w układzie czwórnika (rys..), w którym zdefiniowano wejście i wyjście. Tranzystor jest trójelektrodowym elementem elektronicznym, istnieje więc więcej niż jeden sposób podłączenia tranzystora, czyli zdefiniowania jego wejścia i wyjścia. Opisane to jest w p... Wejście Wyjście TRANZYSTOR, Rys.. Tranzystor w układzie czwórnika, Dla tranzystora traktowanego jako czwórnik można wykreślić carakterystyki stałoprądowe (statyczne) - podając zależności pomiędzy napięciami i prądami na wejściu i wyjściu, a tym samym wyznaczyć cztery rodziny carakterystyk prądowo-napięciowyc tranzystora: = f( ) przy = parametr carakterystyka wejściowa = f( ) przy = parametr carakterystyka wyjściowa = f( ) przy = parametr carakterystyka przejściowa = f( ) przy = parametr carakterystyka oddziaływania wstecznego Zależności - między wyjściem a wejściem mają carakter nieliniowy. Dla analizy przenoszenia sygnałów zmiennyc można zależności prądowo-napięciowe można opisać równaniami liniowymi jeśli założymy, że analizujemy małe amplitudy tyc sygnałów, tzn. jesteśmy w określonym punkcie (punkcie pracy) carakterystyki stałoprądowej. Najczęściej używany opis tranzystora pracującego w zakresie małyc częstotliwości wykorzystuje parametry mieszane (ybrydowe) czwórnika typu [] modelu tranzystora. Wówczas układ równań dla sygnałów zmiennyc, opisującyc zależności wej. - wyj. wygląda następująco: u = i + u i = i + u () gdzie: i, i, u,u są amplitudami małyc sygnałów zmiennyc i są równoważne niewielkim przyrostom prądów i napięć stałyc, czyli:,,, Na podstawie tyc zależności możliwa jest analiza przenoszenia sygnałów zmiennyc i wyznaczenie wzmocnienia tranzystora. Parametry małosygnałowe czwórnika, czyli elementy modelu zastępczego tranzystora dla m.cz., mogą być wyznaczone z nacylenia carakterystyk stałoprądowyc (statycznyc).
tak: przy czym: const. const. const. const. to rezystancja wejściowa [] współczynnik. napięciowego oddziaływania wstecznego [V/V] zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego [A/A] konduktancja wyjściowa [S] Ze względu na nieliniowość carakterystyk statycznyc, wartości powyższyc parametrów nie są stałe i zależą od układu pracy oraz od punktu pracy, czyli polaryzacji stałoprądowej tranzystora. (). kłady 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.. npn pnp Rys.. Symbole graficzne tranzystorów bipolarnyc Ponieważ tranzystor bipolarny ma trzy wyprowadzenia (końcówki, elektrody), 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, W (O) wspólną elektrodą jest baza, wejściem -, wyjściem C-, układ ze wspólnym emiterem, W (O) wspólną elektrodą jest emiter, wejściem -, wyjściem C-, układ ze wspólnym kolektorem, WC (OC) wspólną elektrodą jest kolektor, wejściem -C, wyjściem -C. 3
Scematy poszczególnyc układów z zastosowaniem tranzystora npn przedstawiono na rys. 3. kład ze wspólną bazą (W) kład ze wspólnym emiterem (W) kład ze wspólnym kolektorem (WC) Rys. 3. Scematy podstawowyc układów pracy tranzystora npn Jednocześnie, ze względu na to, że w tranzystorze są dwa złącza p-n: - i -C, a każde z tyc złącz może być spolaryzowane w kierunku przewodzenia lub zaporowym, można wyróżnić cztery stany polaryzacji tranzystora. tak: stan aktywny: złącze emiter-baza spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym; stan nasycenia: oba złącza spolaryzowane są w kierunku przewodzenia; stan odcięcia: oba złącza spolaryzowane są w kierunku zaporowym stan inwersji: złącze - spolaryzowane w kierunku zaporowym, a złącze C- w kierunku przewodzenia (odwrotnie do stanu aktywnego) W dalszej części przedstawione zostaną warunki, jakie należy spełnić, aby tranzystor pracował w zakresie stanu aktywnego w układzie ze wspólną bazą i wspólnym emiterem. POLARYZACJA W KŁADZ Z WSPÓLNĄ AZĄ -W (O) Rys.4 kład W a) tranzystor pnp b) tranzystor npn 4
W układzie tym zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego zdefiniowany jest jako: a C CO C o C const. zwykle C const. C0 << C (3) gdzie CO prąd zerowy kolektora (dla =0), czyli prąd nasycenia i generacji złącza C-. POLARYZACJA W KŁADZ Z WSPÓLNYM MTRM W (O) Rys.5 kład W: a) tranzystor pnp b) tranzystor npn Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego: C CO C o C const. C const. (4) CO W tranzystorze, elemencie 3-zaciskowym, obowiązuje zawsze zasada: + + C = 0 stąd (5) oraz C = C + gdzie C = V C - V - to różnica potencjałów na zaciskac kolektora i emitera itp. Można łatwo wykazać (patrz Wykład), że niezależnie od układu, dla pracy aktywnej obowiązuje warunek: V C >V >V dla tranzystora npn oraz V >V >V C dla pnp..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 - podając zależności pomiędzy napięciami i prądami na wejściu i wyjściu, przy czym sposób znakowania napięć i prądów (kierunki strzałek), stosowany tutaj (w punkcie. oraz.) jest typowy dla czwórnikowego opisu tranzystora. Na rys. 6a,b,c przedstawiono rodziny carakterystyk stałoprądowyc tranzystora bipolarnego npn dla układu O: carakterystyki wyjściowe (Rys.6a) C =f( C ) przy =const. carakterystyki przejściowe (Rys.6b) C =f( ) przy C =const. carakterystyki wejściowe (Rys.6c) =f( ) przy C =const. 5
[V] C [ma] C [ma] Obszar nasycenia 00 Obszar pracy aktywnej 80 P=300mW =0.5mA 60 0.4mA 40 0.3mA 0.mA 0 0.mA 0 0 4 6 8 0 C [V] Rys. 6a. Carakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie W 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/ C, P=300mW). 00 80 60 C = 5V V V 0.5V 40 0 0 0,0 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 [ma] Rys. 6b. Carakterystyka przejściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie W 0,7 C =V 0,6 0,5 0,4 0,05 0,0 0,5 0,0 0,5 0,30 0,35 0,40 [ma] Rys. 6c. Carakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego npn (D45) w układzie W, jej przebieg praktycznie nie zależy od parametru C 6
.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 m <6mV) w określonym punkcie pracy. Cztery parametry typu ij zdefiniowane wzorami () 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 W, a ijb pracującym w układzie W. Korzystając z parametrów małosygnałowyc ij scemat zastępczy tranzystora można przedstawić tak, jak pokazano na rys.7. Rys 7. Małosygnałowy scemat zastępczy tranzystora bipolarnego - czwórnik typu []. Metodyka wyznaczania parametrów ije z carakterystyk statycznyc (dla układu wspólnego emitera):. Wybieramy punkt pracy ( * * C, C ) na carakterystyce wyjściowej tranzystora w zakresie średnic wartości napięć i prądów. Następnie zaznaczamy na carakterystyce przejściowej punkt ( * *, C ) i na carakterystyce wejściowej punkt (( *, * ).. 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: d e przy C const. d d C C e = przy C d d C C e przy d C C =const, [ e = β ] =const Analizując kształt carakterystyk stałoprądowyc można zastanowić się, w jaki sposób wartość parametrów [ ij ] zależy od punktu pracy. 7
Wartość parametru e można obliczyć także analitycznie (materiał uzupełniający). Dynamiczna rezystancja złącza p-n emiter-baza, w którym prądem płynącym przez złącze (jak w diodzie) jest prąd emitera, opisuje wzór: d d re (6) d Ponieważ dla prądów stałyc (7) więc analogicznie dla prądów zmiennyc d e d (8) czyli: d r e (9) d e Przekształcając powyższe równanie wyznacza się e : r d e re e (0) d Korzystając z zależności na dynamiczną rezystancję złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia kt kt r d otrzymujemy re () q n q n kt oraz przy założeniu, że e >>, oraz n = (w temperaturze pokojowej =6mV) q to związek pomiędzy parametrami e i e wyznaczanymi w ćwiczeniu powinien być następujący e 6mV e ().5 Właściwości wzmacniające tranzystora bipolarnego (materiał uzupełniający). Ten punkt będzie pomocny także w Ćw. 6 Na rys.8 przedstawiono scemat prostego wzmacniacza na tranzystorze bipolarnym. Rys.8. Scemat prostego wzmacniacza w układzie W (tranzystor pnp). 8
Dla małyc sygnałów układ wzmacniacza przedstawiony na rys.8 można zamienić scematem zastępczym przedstawionym na rys.9 wg zasady: - zasilacz, jako źródło napięciowe o zerowej rezystancji wewnętrznej, stanowi zwarcie do masy dla sygnałów zmiennyc, stąd rezystory R, R L na wejściu i wyjściu dołączone do masy - tranzystor jest zastąpiony jest małosygnałowym scematem zastępczym (rys. 7) gdzie, dla uproszenia, w analizowanym modelu tranzystora pominięto wpływ parametru, który zazwyczaj ma bardzo małą wartość. Rys. 9. Małosygnałowy scemat zastępczy wzmacniacza tranzystorowego. 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 : k i czyli ki e (3) b) Wzmocnienie napięciowe k u k u (4) Jeżeli na wejście układu przyłożymy napięcie, to w obwodzie tym popłynie prąd, którego wartość określi zależność (5) e Prąd źródła prądowego * przepływając przez R L wytwarza spadek napięcia równy: ebrl Podstawiając (5) i (4) do (3) i przekształcając otrzymane równanie, wyznaczamy wzmocnienie napięciowe: ku R 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 k P kiku (7) P Podstawiając zależności (3) i (6) do (7) uzyskujemy: e k P RL (8) e 9
. Przebieg ćwiczenia. W ramac ćwiczenia należy wyznaczyć prądowo-napięciowe carakterystyki wyjściowe, wejściowe i przejściowe tranzystora w układzie W. 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. stalić biegunowość zasilania na wejściu i wyjściu układu, wymaganą dla tranzystora pnp lub npn w odpowiednim układzie pracy. Pomiary carakterystyk prądowo-napięciowyc można wykonać przy pomocy programu komputerowego Rejestrator XY lub tzw. metodą tecniczną czyli odczytu danyc z mierników punkt po punkcie. O sposobie wykonywania pomiarów decyduje prowadzący. Obsługa programu Rejestrator opisana jest w instrukcji do Ćw.... Carakterystyki wyjściowe: C =f( C ) przy ustalonej wartości. Pomiar carakterystyk wyjściowyc tranzystora npn w układzie W wykonujemy w układzie, którego scemat przedstawia Rys.0. 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 ATO. Rys.0. kład do pomiaru carakterystyk wyjściowyc w układzie W 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 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. 0
. Carakterystyki wejściowe: =f( ) przy ustalonej wartości C. Zmontować układ pomiarowy do pomiaru carakterystyk wejściowyc tranzystora według scematu pomiarowego z Rys.. Jako zasilacza w układzie kolektora należy użyć zasilacz 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 C =0V, V i 0V. Zakres napięcia na zasilaczu z narostem napięcia ustalić tak, aby zakres na osi X prądu bazy, był dwa razy większy niż wartość prądów bazy stosowanyc do pomiaru carakterystyk wyjściowyc. zyskane carakterystyki wejściowe wydrukować i bazując na nic wyznaczyć wartość parametru e. Rys.. kład do pomiaru carakterystyk wejściowyc w układzie W dla tranzystora npn.3 Carakterystyki przejściowe: C =f( ) przy ustalonej wartości C Na podstawie uzyskanyc carakterystyk wyjściowyc narysować odręcznie na papierze milimetrowym carakterystykę przejściową badanego tranzystora dla wybranej wartości napięcia C (np. C = V)..4 Zadanie dodatkowe - obliczanie parametrów wzmacniacza zbudowanego na badanym tranzystorze (wg p..5) Kolejność postępowania: - Przyjmij rezystancję obciążenia analizowanego wzmacniacza (np. R L =k.) - Narysuj małosygnałowy scemat zastępczy analizowanego wzmacniacza. Dodatkowo, na carakterystyce wyjściowej narysuj odpowiednią prostą pracy (dla cc=0v). - Oblicz wzmocnienia: prądowe, napięciowe i mocy wzmacniacza wykonanego na badanym tranzystorze w wybranym punkcie pracy.