Какой режим работы транзистора называется динамическим

Динамический
режим
работы транзистора – это режим, при
котором во входной цепи имеется источник
переменного сигнала, а в выходной цепи
присутствует сопротивление нагрузки.

2-й закон Кирхгофа
для выходной цепи:

Данное
выражение является уравнением
выходной динамической характеристики
(уравнением нагрузочной прямой).

Нагрузочная прямая
строится на семействе выходных статических
вольт-амперных характеристик по двум
точкам (А и В):

а)
Пусть транзистор полностью закрыт
(режим отсечки), т.е.
.
Тогда из уравнения (11) получим
.

Таким
образом, координаты точки А будут:

б)
Пусть транзистор полностью открыт
(режим насыщения), т.е.
.
Тогда из уравнения (11) получим
.

Таким
образом, координаты точки В будут:

I_К,
mA
I_Б4

Е_П/R_К
B
I_Б3

I_Б2

нагрузочная

I_Б1

прямая
(выходная
A
I_Б=0

динамическая
0
Е_П
U_КЭ,В

характеристика)

Выходная
динамическая характеристика транзистора
отличается от статических выходных
ВАХ, т.к.
наличие сопротивления нагрузки резко
изменяет режим работы транзистора.

В
качестве входной динамической
характеристики используют входную
статическую характеристику транзистора
при
,
т.к. они мало чем отличаются вследствие
того, что сопротивление нагрузки слабо
влияет на входную цепь.
I_Б,mA

U_КЭ=5В

входная
динамическая

характеристика

0
1В U_БЭ,В

7.1.10 Первичные параметры транзистора

Анализировать
схему, содержащую нелинейный элемент
(например, транзистор), сложно. Но при
определенных условиях транзистор можно
заменить эквивалентной схемой, содержащей
исключительно линейные
элементы (сопротивления, емкости,
индуктивности).

Условием
замены реального транзистора эквивалентной
схемой является малый
уровень входного сигнала,
т.к. при малых амплитудах входного
сигнала можно пренебречь нелинейностью
ВАХ и считать малые участки ВАХ линейными.

Эквивалентная
схема составляется только для переменных
составляющих токов и напряжений,
поскольку
полезную информацию несут только они.

Элементы,
образующие эквивалентную схему
транзистора, и являются его первичными
параметрами.

Эквивалентных
схем транзистора много, рассмотрим одну
из них.

Т-образная
эквивалентная схема транзистора ОБ

• —
  дифференциальное сопротивление прямо
  смещенного ЭП

=доли
Ома÷единицы Ома, т.е. мало

• —
  ёмкость
  ЭП. Эта
  ёмкость диффузионная (т.к. ЭП смещен в
  прямом направлении). Она относительно
  большая, но её
  влиянием можно пренебречь, т.к. она
  шунтирована малым сопротивлением
  .
  
  десятки
  пФ

• —
  дифференциальное
  сопротивление обратно смещенного КП

—
может достигать сотен кОм÷десятки МОм,
т.е. велико.

Обратная
связь (ОС) – передача части мощности
сигнала с выхода на вход схемы.

Таким
образом, ёмкость
КП на ВЧ ухудшает усилительные свойства
транзистора.

• —
  сопротивление базы.
  Оно состоит из 2-х составляющих:

—
омическое сопротивление слабо легированной
области базы;

—
небольшое
сопротивление, обеспечивающее внутреннюю
ОС в транзисторе.

7.1.11
h-параметры

Недостаток первичных
параметров – невозможность их измерения,
т.к. общая точка, относительно которой
определяются первичные параметры,
находится внутри Базы транзистора.

Поэтому
переходят к вторичным параметрам
транзистора, которые легко измерить.
Самыми распространенными вторичными
параметрами транзистора являются
h-параметры.

В
системе h-параметров
в качестве независимых переменных
(аргументов) принимают входной ток (I₁)
и выходное напряжение (U₂).
Зависимыми переменными (функциями)
являются входное напряжение (U₁)
и выходной ток (I₂).

Связь
между зависимыми и независимыми
переменными выражается с помощью системы
уравнений:

U₁
=
h₁₁I₁
+
h₁₂U₂

I₂
=
h₂₁I₁
+
h₂₂U₂

Здесь
I₁,
I₂,
U₁,
U₂
– амплитуды переменных токов и напряжений
(индекс «1» относится к входному сигналу,
а индекс «2» — к выходному), h₁₁,
h₁₂,
h₂₁,h₂₂
являются коэффициентами пропорциональности
(индекс «11» означает 1-я строчка, 1-й
столбец; «12» — 1-я строчка, 2-й столбец и
т.д.)

Таким образом,
имеем систему 2-х уравнений с четырьмя
неизвестными. Решить такую систему
уравнений в общем виде невозможно. Для
ее решения необходимы дополнительные
условия.

Так,
например, чтобы определить из первого
уравнения h₁₁,
нужно второе слагаемое этого уравнения
занулить, т.е. считать, что U₂=0.

Тогда

при
— входное
сопротивление транзистора при
короткозамкнутом выходе.

Аналогично
определяем:

при

— коэффициент
обратной связи по напряжению
при разомкнутом входе;

при

— коэффициент
усиления по току
при

короткозамкнутом
выходе;

при

— выходная
проводимость транзистора
при разомкнутом входе.

Пример
расчета h-параметров
транзистора ОЭ

Изобразим транзистор
ОЭ с его входными и выходными токами и
напряжениями:

а)
Определим входное сопротивление
транзистора.
Для этого запишем формулу:
при

.
Заменив амплитуды на малые приращения
и подставив значения входного тока,
входного и выходного напряжений конкретно
для транзистора ОЭ, получим:

при

,
т.е. при

индекс
«э» означает, что транзистор собран по
схеме ОЭ

Входное
сопротивление транзистора определяется
по входным вольт-амперным характеристикам.
Точка А – это рабочая точка, в которой
определяются h-параметры.

Iб
(mA)
Uкэ=5В

0,75

б

=

0,25

Uбэ
(В)

0,3

бэ
0,55

Чтобы
определить
,
необходимо выполнить дополнительное
построение: это построение обязательно
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

(в данном случае
).
Исходя из вышесказанного, строим
небольшой прямоугольный треугольник
таким образом, чтобы его гипотенуза
прилегала к входной характеристике и
делилась рабочей точкой А пополам.
Тогда катеты этого треугольника и будут
искомыми значениями

и
,
зная которые, легко определить входное
сопротивление транзистора:

б) Определим
коэффициент обратной связи по напряжению.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Коэффициент
обратной связи по напряжению определяется
по входным вольт-амперным характеристикам
транзистора. Дополнительное построение
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

.
В данном случае это будет прямая,
параллельная оси
напряжений
и проходящая через точку А.

Iб(mA)

кэ

Uкэ=0
Uкэ=5В

А^`

А

Uбэ(В)

0,5

бэ
0,7

в)
Определим
коэффициент усиления по току.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Коэффициент
усиления по току определяется по выходным
вольт-амперным характеристикам
транзистора. Дополнительное построение
должно проходить через рабочую точку
А и при этом должно выполняться условие

.
В данном случае это будет
прямая, параллельная оси токов и
проходящая через точку А.

Iк(mA)

40
Iб=1,5mA

А

Iб=1mA

к
А`

б

Iб=0,5mA

20
Iб=0

Uкэ(В)

Для
транзистора, собранного по схеме ОЭ:

, где
—
коэффициент передачи тока базы в
коллектор.

г)
Определим выходную проводимость и
выходное сопротивление транзистора.

Заменив
в формуле
при

амплитуды на малые приращения, получим:

при

,
т.е. при
.

Дополнительное
построение должно проходить через
рабочую точку А и при этом должно
выполняться условие
.
В данном случае это будет прямоугольный
треугольник, у которого гипотенуза
делится рабочей точкой А пополам.

Iк(mA)

Iб=1mA

7

A
Iб=0,5mA

к

6
Iб=0

Uкэ(В)

5

кэ
10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА  «Изучение
работы транзистора».

Цель работы: Ознакомиться
с режимами работы транзистора,  научиться определять основные характеристики
транзистора по его входным и выходным характеристикам.

Теоретическая часть.

Транзистор  —  это
полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и
способный усиливать мощность.

Основой биполярного
транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости,
который также как и вывод от него называется базой.

Область, имеющая  бóльшую
площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором.

Область, имеющая меньшую площадь p-n
перехода, и вывод от неё называют эмиттером.

p-n переход между коллектором и базой
называют  коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным
переходом.

Направление стрелки в транзисторе
показывает направление протекающего тока.

Динамический режим
работы транзистора.

Динамическим
режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной
 цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или
напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.

Резистор Rк – это
коллекторная нагрузка для транзистора, включённого по схеме с ОЭ,
обеспечивающая динамический режим работы.

E_к =
U_Rк + U_кэ

U_Rк= I_к ∙ R_к

E_к = U_кэ + I_к ∙ R_к

Уравнение динамического
режима работы транзистора: U_кэ = E_к — I_к ∙ R_к

Уравнение динамического
режима является уравнением выходной  динамической

характеристики. Так как это уравнение
линейное, выходная динамическая характеристика

представляет собой прямую линию и строится
на выходных статических характеристиках.

Две точки для построения прямой находятся
из начальных условий.

Iк при Uкэ=0
называется током коллектора насыщения.

Выходная динамическая характеристика
получила название

нагрузочной прямой.

Точка пересечения нагрузочной прямой с
одной из ветвей выходной

статической характеристикой для заданного
тока базы называется

рабочей точкой  транзистора. Рабочая
точка позволяет определять токи и

напряжения, реально существующие в схеме.

Режимы работы
транзистора

1. Режим отсечки  —  это режим, при
котором оба перехода транзистора закрыты (и эмиттерный и

коллекторный).

·        
Ток базы в этом случае равен нулю.

·        
Ток коллектора будет равен обратному току.

·        
Уравнение динамического режима будет иметь вид: Uкэ = Eк — Iкбо ∙
Rк

·        
Произведение Iкбо ∙ Rк будет равно нулю. Значит, Uкэ → Eк.

2. Режим насыщения – это режим,
когда оба перехода – и эмиттерный, и коллекторный открыты.

·        
В транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов

·        
Ток базы будет максимальный : Iб = max

·        
Ток коллектора будет равен току коллектора насыщения Iк ≈ Iк.н.;

·        
Уравнение динамического режима будет иметь вид: Uкэ = Eк – Iк.н ∙
Rн

·        
Произведение Iк.н ∙ Rн будет стремиться к Eк. Значит, Uкэ → 0.

3. Линейный режим – это режим, при
котором эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.

·        
I_б.max > I_б > 0;

·        
I_к.н > I_к > I_кбо

·        
E_к > U_кэ > U_кэ.нас

Ключевым режимом  работы транзистора
называется такой режим, при котором рабочая точка

транзистора скачкообразно переходит из
режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя

линейный режим.

Расчет основных
характеристик транзистора.

·        
Входное сопротивление транзистора переменному току:      

·        
Мощность рассеивания на коллекторе:

Практическая
работа

1.  Решите задачи.

2.  Сделайте вывод о проделанной работе.

Задача №1

Для транзистора КТ312А обратный ток
коллектора  Iк  = 10 мкА при напряжении  Uк  = 15 В.

Определите обратное сопротивление коллекторного перехода
постоянному току.

Задача №2

Для транзистора обратный ток коллектора 
Iк  = 15 мкА при напряжении  Uк  = 20 В.

Определите обратное сопротивление коллекторного перехода
постоянному току.

Контрольные вопросы.

1.  Что такое транзистор?

2.  Какой режим работы транзистора
называется динамическим?

3.  Что такое рабочая точка?

4.  Какие параметры транзистора можно
определить, зная рабочую точку на его характеристике?

5.  Перечислите режимы работы транзистора.

Петербургский Государственный Университет

Путей Сообщения

Кафедра «Радиотехника»

Лабораторная работа по электронике №5

«Динамический режим работы транзистора»

Выполнил: студент гр. АР-309

          Маныгин М.А.

          Проверил: доц. Яковлев П.Б.

Санкт-Петербург

2004г.

1. Схемы исследуемых цепей:

Рис.1 Схема для снятия входных
статических характеристик

Рис.2 Схема для снятия выходных
статических характеристик

Рис.3 Схема для исследования динамического
режима работы

2. Таблицы измерений:

Таблица 1. Снятие семейства входных статических
характеристик

№ п/п	Устанавливается	Измеряется
Е1	Е2	PA1	PA2
Uбэ, мВ	Uкэ, мВ	Iбэ, мкА	Iкэ, мА
1	0	20	0	0
2	100	20	0,014	0
3	200	20	0	0
4	300	20	0,111	0
5	400	20	0,167	0
6	500	20	0,389	3553
7	600	20	0,888	74610
8	700	20	15,88	3,261
9	725	20	35,97	7,599
10	750	20	75,05	15,88
11	775	20	139,1	28,96
12	800	20	228,4	46,39
13	825	20	340,5	67,05
14	850	20	472,2	89,82
15	875	20	620,1	113,9
1	0	0	0	0
2	100	0	0,014	0
3	200	0	0	0
4	300	0	0,111	0
5	400	0	0,222	0
6	500	0	0,888	0
7	600	0	18,32	0
8	700	0	381,5	0
9	800	0	1580	0
10	825	0	1951	0
11	850	0	2,338	0
12	875	0	2,736	0

Таблица 2. Снятие семейства выходных статических
характеристик

Uк, В	Iк, мА
Iб1=0	Iб2=0,5	Iб3=1	Iб4=1,5	Iб5=2	Iб6=2,5
0	0	-455800	-851200	-1,2	-1,512	-1,795
0,1	0	14,04	18,89	21,75	23,74	25,23
0,15	0	27,41	34,54	38,45	41,09	43,04
0,2	0	41,97	51,66	56,55	59,74	62,07
0,5	0	76,48	135,7	166,2	177,4	183,3
1	0	76,96	138,4	190,8	237,4	279,6
3	0	78,81	141,7	195,4	243,1	286,4
5	0	80,65	145	200	248,8	293,1
10	0	85,26	153,3	211,4	263	309,9

3.
Основные формулы:

Коэффициент усиления по току:

    k_i =
2I_km /
2I_бm

Коэффициент усиления по
напряжению:

    k_u =
2U_km / 2U_бm

Коэффициент усиления по мощности:

    k_p
= 0.5I_kmU_km / 0.5I_бmU_бm = k_i k_u

Входная мощность сигнала:

    P_вх = 0.5I_бmU_бm

Выходная мощность сигнала:

    P_вых = 0.5I_kmU_km

4. Графики характеристик:

рис. 1 Входные
статические характеристики

рис. 2 Выходные
статические характеристики

5.
Выводы по данной работе:

В ходе
выполнения работы мы исследовали усилительные свойства транзистора в статическом
и динамическом режимах работы. А также изучили графический метод расчета
транзисторных усилителей.

Некоторые осциллограммы,
наблюденные во время опытов со схемой №3, имеют искажения (уплощения
экстремумов синусоид), вызванные выходом входного сигнала за пределы рабочей
области передаточной характеристики транзистора. Расчеты, проведенные на
основании графиков динамических характеристик, построенных на семействах снятых
статических, позволили с достаточной точностью определить положение рабочей
точки, а также предельные значения сигнала на входе усилителя. Т.е., найти
оптимальный режим работы усилительного каскада. 

1


Компьютерная электроника Лекция 10. Динамический режим работы биполярного транзистора

2


Динамический режим Динамическим называется режим, при котором в выходную цепь транзистора включено сопротивление. Конденсатор С1 предназначен: 1 для подачи усиливаемого сигнала на вход транзисторного каскада; 2 устраняет связь по постоянному току; 3 исключает шунтирование базо- эмиттерного перехода транзистора. Токи и напряжения в каскаде определяются не только параметрами и характеристиками транзистора, но и параметрами и характеристиками примененных пассивных компонентов.

3


Динамический режим Напряжение по постоянному току на коллекторе транзистора описывается соотношением: U кэ = E к — I к *R к, которое называется динамической характеристикой. Для построения динамической характеристики рассматривают два крайних случая: 1 I к = 0, в этом случае U кэ = E к ; 2 U кэ = 0, в этом случае I к max = E к / R к. На оси абсцисс отложим отрезок, равный – напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат — отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи I к max. Между этими точками проведем динамическую характеристику.

4


Динамический режим Из анализа статических характеристик транзистора и динамической характеристики каскада выделяют три режима работы транзистора: режим насыщения — оба перехода открыты, падение напряжение на транзисторе мало и равно U кэ нас ; режим отсечки — оба перехода закрыты, падение напряжение на транзисторе описывается соотношением U кэ отс = U кэ1 = E к — R к * I кэ0 E к ; активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Каскад работает в режиме усиления электрических сигналов.

5


Рабочая точка транзисторного каскада Динамическая характеристика определяет возможные соотношения между токами и напряжениями в каскаде. Для определения конкретного тока и напряжения выбирают рабочую точку. Рабочей называется точка на динамической характеристики, которая определяет напряжение на транзисторе и ток, протекающий через него, при отсутствии входного сигнала. Рабочая точка характеризуется 4-мя параметрами: U к0, I к0 и I б0 — определяют по выходной динамической характеристике; U б0 — определяют по входной динамической характеристике. Построение входной динамической характеристики затруднительно, поэтому для инженерных практических расчетов в качестве входной динамической характеристики принимается входная статическая характеристика при напряжении питания отличном от нуля.

6


Рабочая точка транзисторного каскада

7


Усиление сигналов с помощью транзистора Поясним качественно усиление электрических сигналов с помощью транзистора. Для минимизации искажений рабочую точку выбирают в середине линейного участка входной характеристики. Тогда базовый ток будет изменяться по закону изменения входного напряжения

8


Усиление сигналов с помощью транзистора

9


Коллекторный ток I к *I б, поэтому он изменяется по закону изменения базового тока. Рабочая точка по переменному току перемещается по динамической характеристике, изменяется напряжение на коллекторе транзистора. В схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличение базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжение при этом уменьшается. Из этого следует, что в этой схеме входное и выходное напряжение изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор С2 и выделяется на нагрузке R н. По постоянному и переменному току нагрузка каскада описывается соотношениями: R = = R к ; R = (R к * R н ) / (R к +R н ), поэтому динамические нагрузки по постоянному и переменному току проходят по разному. Из анализа рисунка следует, что подключение нагрузки уменьшает амплитуду выходного сигнала.

10


Температурные свойства транзистора Транзисторы в аппаратуре подвергаются нагреванию как за счет собственного тепла, выделяющегося при протекании по ним тока, так и за счет внешних источников тепла. Рассмотрим влияние температуры на параметры Т-образной эквивалентной схемы: 1/(1- ) – существенно возрастает из-за увеличения времени жизни носителей заряда при возрастании температуры; r э — линейно зависит от температуры, так как r э = Т /I э, где Т = к*Т /е – температурный потенциал. При комнатной температуре (Т = 300К) Т T/11600=25 мВ; эк — линейно зависит от температуры через температурный потенциал; r б – возрастает из-за изменения удельного сопротивления материала полупроводника; r к R ут – зависит, в основном, через диффузионную длину и должно возрастать при увеличении температуры. В районе комнатной температуры наблюдается спад из-за возрастания токов утечки.

11


Температурные свойства транзистора

12


Наибольшее влияние на работу транзистора оказывает увеличение обратного тока закрытого перехода при возрастании температуры, которое, как известно, описывается соотношением: I 0 (T) = I 0 (T 0 ) *2T/T*. Пусть, для примера, I к0 = 4 мА, = 100, а I кб0 = 1 мкА, а температура изменилась на 40 С. У германиевого транзистора T* = 8 С. Тогда ток коллектора при повышенной температуре составит: в схеме ОБ I к (Т) = I к0 + I кб0 (Т) = 4,032 мА; в схеме ОЭ I k (Т) = I к0 + I kэ0 (Т) = 7,2 мА. В схеме ОЭ выходные характеристики и рабочая точка существенно изменяются, что может привести к заметным искажениям усиливаемого сигнала. Из анализа приведенного можно сделать вывод, что схема ОБ обладает заметно лучшими температурными свойствами.

13


Температурные свойства транзистора

14


Частотные свойства транзистора С повышением частоты усиление транзисторных каскадов снижается, главным образом, по трем причинам. 1 Шунтирующее действие барьерной емкости. С возрастанием частоты все большая часть генератора тока замыкается через барьерную емкость С к. 2 Шунтирующее действие диффузионной емкости. С возрастанием частоты уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе, а ток эмиттера, как известно, зависит от этого напряжения. 3 Инерционные свойства, приводящие к отставанию тока коллектора от тока эмиттера.

15


Частотные свойства транзистора Третью причину проиллюстрируем векторными диаграммами. На более высокой частоте запаздывание тока I к относительно тока I Э ведет к появлению заметного сдвига фаз φ между этими токами. Теперь ток базы I Б равен геометрической разности токов I Э и I К, вследствие чего он заметно увеличивается. Коэффициент β снижается. Коэффициент усиления по току в схеме ОБ и ОЭ описывается соответственно соотношениями: = I К / I Э и = I К / I Б. Из анализа векторных диаграмм следует, что наиболее сильно возрастает базовый ток. Это позволяет сделать вывод о лучших частотных свойствах схемы ОБ.