План урока по дисциплине: Основы промышленной электроники.
СабаK жоспары.
План учебного занятия №7
К_ні П‰н Основы промышленной _Тобы _______
электроники
Дата Предмет Группа
ОKытушыныS Т.€.А. Галина Александровна _____
Ф.И.О. преподавателя
І. СабаKтыS таKырыбы ______________
Тема занятия Схемы включения биполярного транзистора и их характеристики
СабаKтыS типі ______________
Тип занятия комбинировонное ______________
1. МаKсаты _______
Цель Представить характеристики и параметры биполярного транзистора
2. Міндеттері ______________
3. Задачи ____________ ______________
а) БілімдіK ______________
образовательные: 1) Представить вольт-амперную характеристику биполярного транзистора 2) Рассмотреть параметры схемы включения биполярного транзистора.
‰) т‰рбиеліK _______________
воспитательные: воспитывать у учащихся аккуратность, ответственность, готовность прийти на помощь друг другу, чувство гордости за науку. _________
б) дамтыушылыK _________
развивающие: развивать у учащихся умение сравнивать, обобщать изученное, логически излагать свои мысли. _______________
ІІ. К_тілетін н‰тиже.Ожидаемые результаты:
а) учащиеся должны знать параметры биполярного транзистора
‰) учащиеся должны уметь объяснить -амперную характеристику биполярного транзистора.
б) учащиеся должны владеть знаниями по определению диффузионных и дрейфовых биполярных транзисторов.
План занятия
Организационный момент
Опрос по пройденной теме:
Объяснение новой темы:
Домашнее задание: конспект лекции
Схемы включения транзистора и их характеристики
Схема с общей базой
Схема включения транзистора в электрическую цепь, изображенная на рис. 1, называется схемой с об щей базой, так как база является общим электродом для ис точников напряжения.
Рис. 1
Транзисторы традиционно характеризуют их входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения uбэ при заданном на пряжении uкб, т.е. зависимость вида
где f – некоторая функция.
Входной характеристикой называют и график соответ ствующей зависимости (это справедливо и для других ха рактеристик).
Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при за данном токе iэ, т.е. зависимость вида
где f – некоторая функция.
Входные характеристики для схемы с общей базой. Каж дая входная характеристика в значительной степени оп ределяется характеристикой эмиттерного перехода и по этому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора – 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор–база – 30 В при t < 70° С) (рис. 2). Сдвиг характерис тик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением эффекта Эрли (эффекта мо дуляции толщины базы).
Рис. 2.
Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный р-n-переход). Если концен трация атомов примеси в базе меньше концентрации ато мов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопро тивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается. Как было отмечено при рас смотрении диода, при малом по модулю обратном напря жении на р-n-переходе это напряжение влияет на шири ну перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответству ющие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб>5 В (или даже если uкб>2 В).
Входные характеристики часто характеризуют диффе ренциальным сопротивлением rдиф, определяемым анало гично дифференциальному сопротивлению диода.
Теперь.
Выходные характеристики для схемы с общей базой. Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 3).
Рис. 3.
Как уже отмечалось, если коллекторный переход сме щен в обратном направлении (uкб>0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера. Это соотношение сохраняется даже при uкб = 0 (если ток эмиттера достаточ но велик), так как и в этом случае большинство электро нов, инжектированных в базу, захватывается электри ческим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.
Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении (uкб<0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. Ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия |uкб|< 0,75 В.
Режим, соответствующий первому квадранту характе ристик (uкб>0, iк>0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзисто ра. На координатной плоскости ему соответствует область активной работы.
Режим, соответствующий второму квадранту (uкб<0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.
При увеличении температуры ток Iко возрастает (для КТ603 Iко = 100 мкА при t < 85°С) и все выходные харак теристики несколько смещаются вверх.
Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током Iко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вбли зи оси напряжений называют областью отсечки.
В активном режиме напряжение uкб и мощность рк=iк·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном пе реходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не пе регрелся, должно выполняться неравенство
где Рк макс – максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк макс = 500 мВт при t< 50°С).
График зависимости iк = Рк макс/uкб (гипербола) изоб ражен на выходных характеристиках пунктиром.
Таким образом, в активном режиме эмиттерный пере ход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.
Транзистор часто характеризуют диф ференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока
·, который определяется выражением
Для приращения тока коллектора
·iк и приращения тока эмиттера
·iэ можно записать
Коэффициент
· несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у раз личных (вполне годных) экземпляров транзистора одно го и того же типа коэффициент
· может заметно отличать ся. Для транзистора КТ603А при t = 25° С a = 0,909...0,988.
Наличие наклона выходных характеристик, отражаю щее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера, при увеличении напряжения икб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектирован ных эмиттером, переходит в коллектор.
Наклон выходных характеристик численно определя ют дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода
С учетом эффекта Эрли
Схема с общим эмиттером
Значительно чаще, чем схема с общей базой, применяется схема, представленная на рис. 4. Ее называют схе мой с общим эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.
Рис. 4.
Для этой схемы входной характеристикой называют за висимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напря жении uкэ, т.е. зависимость вида
где f – некоторая функция.
Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т.е. зависимость вида
где f – некоторая функция.
Очень важно уяснить следующие два факта.
1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никаких новых физических эффектов по срав нению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свой ствах транзистора. Для объяснения особенностей ха рактеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
2. При расчетах на компьютерах моделирующие про граммы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математи ческие модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Однако очень полезно уметь определить тип схемы включения транзисто ра. Это облегчает понимание принципа работы схемы.
Входные характеристики для схемы с общим эмиттером. Изобразим характеристики уже рассмотренного транзис тора КТ603А (рис. 5).
Рис. 5.
Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление в этом случае определяется выражением
Выходные характеристики для схемы с общим эмитте ром. Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 6).
Рис. 6.
Обратимся к ранее полученному выражению
В соответствии с первым законом Кирхгофа
,
и с учетом предыдущего выражения получим
откуда
Введем обозначение
Коэффициент
·ст называют статическим коэффициен том передачи базового тока. Его величина обычно состав ляет десятки или сотни (это безразмерный коэффициент).
Легко заметить, что
Введем обозначение I'ко = (
·ст + 1) · Iко
В итоге получаем iк =
·ст · iб + I'ко.
Это выражение в первом приближении описывает вы ходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.
Для учета наклона выражение записывают в виде
где
В первом приближении r'к = (1/1 +
·ст) · rк (сопротив ление rк определено выше).
Часто пользуются дифференциальным коэффициентом передачи базового тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
По определению
Для приращения тока коллектора
·iк и тока базы
·iб можно записать
Для транзистора КТ603А при t = 25°С b = 10...80. Величина 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 от тока эмит тера (он практически равен току коллектора) для uкб = 2 В (рис. 7).
Рис. 7.
Инверсное включение транзистора
Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – роль коллектора. Это инверсный режим. Ему соответствует инверсный коэффици ент передачи базового тока
·1. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концен трациях примесей в слоях полупроводника обычно 13 EMBED Equation.DSMT4 14151<<13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Часто 13 EMBED Equation.DSMT4 14151 = 1.
Изобразим выходные характеристики для схемы с об щим эмиттером и для прямого, и для инверсного вклю чения (рис. 8).
Рис. 8.
Root Entry