49745

Характеристики и параметры биполярного транзистора

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В ходе выполнения курсовой работы для заданного типа транзистора определяются паспортные параметры и статические характеристики в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбирается положение режима покоя для которого рассчитываются величины элементов эквивалентных схем транзистора и мало сигнальные параметры транзистора графоаналитическим методом определяются параметры усилительного каскада. Характеристики используемого транзистора Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе...

Русский

2014-01-07

2.19 MB

51 чел.

Введение

Цель данной курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а также в активизации самостоятельной учебной работы, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных и полевых транзисторов, получать разностороннее представление о конкретных электронных элементах.

В ходе выполнения курсовой работы для заданного типа транзистора определяются паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбирается положение режима покоя, для которого рассчитываются величины элементов эквивалентных схем транзистора и мало сигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определяются параметры усилительного каскада.

1. Расчет усилительного каскада

1.1. Исходные данные к курсовой работе

1. Тип активного элемента

Биполярный транзистор

2. Схема включения активного элемента

С общим эмиттером

3. Используемый активный элемент

КТ201Б

4. Напряжение источника питания, Eп

15 В

5. Номинал резистора в цепи,  Rк

750 Ом

6. Номинал резистора в выходной цепи, Rн

1,3 кОм

 

В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения  с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.

1.2. Характеристики используемого транзистора

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ201Б. Транзистор КТ201Б – кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n типа, используемый в усилительных схемах.  

1.) Электрические параметры

                              Наименование

Обозначение

Значения

min

max

1.1. Обратный ток эмиттера при Uэ=10В, мкА

I эбо

3

1.2. Обратный ток коллектора, мкА

I кбо

1

1.3. Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме малого сигнала  

h21б

3·10-9

1.4. Модуль коэффициента передачи на высокой частоте

|h21э|

1

1.5. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

при Тс=+125 0С 

при Тс=-60  0С

h21э

30

30

16

150

90

1.6. Коэффициент шума, дБ

Кш

15

1.7. Выходная проводимость в режиме малого      сигнала при х.х., мкСм

h22б

2

1.8. Емкость коллекторного перехода, пФ

Сн

20

2.) Максимально допустимые параметры. Гарантируются при температуре окружающей среды Тс=-60…+125 0С

2.1. Iк maxпостоянный ток коллектора, мА

20

2.2. Iк и  max – импульсный ток коллектора, мА при tи 100 мкс и Q10

100

2.3. Uк бmax – постоянное напряжение коллектор-база, В

20

2.4. Uкэ max постоянное напряжение коллектор-эмиттер (при Rб2 кОм), В

20

2.5. Uэб max – постоянное напряжение эмиттер-база, В

20

2.6. Pк max постоянная рассеиваемая мощность,  мВт

        При Тс=-60…+90 0С

150

        При Тс=+125 0С

60

2.7.Т п мах - Температура перехода, 0С

150

2.8. Допустимая температура окружающей среды, 0С

-60…+125

1.3. Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистора

Рис. 1

Назначение элементов схемы:

Rэ - задаёт обратную связь;

сопротивление нагрузки ;

Сс - разделительный конденсатор, задерживает постоянную составляющую входного сигнала(это может привести к искажению начального тока смещения);

В нашей схеме используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора Rэ, задающего обратную связь, определяется из условия Rэ=[(0,10,3)Еп]/Iэ.

В схеме эмиттерной стабилизации напряжение смещения Uбэ0 = IдR2 - Iэ0Rэ. Ток делителя Iд выбирают во много раз больше тока Iб0, при этом напряжение UR2 = IдR2 практически не зависит от тока базы Iб0. Тогда напряжение Uбэ0  а следовательно, смещение на транзисторе будет изменяться при изменении тока Iэ0 только из-за изменения напряжения на резисторе Rэ. Положим, что Iэ0 стремится увеличиться (из-за увеличения температуры или при смене транзистора), при этом увеличится напряжение на резисторе Rэ, это приведет к уменьшению напряжения смещения Uбэ0; транзистор закроется сильнее, ток базы Iб0 уменьшится и соответственно уменьшится ток Iэ0. Для устранения ООС по переменному току, снижающей коэффициент усиления каскада, резистор Rэ шунтируют емкостью Сэ. Стабилизирующее действие рассматриваемой схемы растёт с увеличением сопротивления Rэ и с уменьшением

сопротивлений делителя R1 и R2. Действительно, чем больше сопротивление резистора Rэ , тем больше падение напряжения на нём и тем сильнее изменяется это напряжение при небольших отклонениях тока Iэ0 от значения в рабочей точке. Однако с увеличением Rэ увеличивается требуемое напряжение источника питания.

1.4. Построение нагрузочной прямой по постоянному току

Выходные характеристики используемого транзистора: 

Рис. 2

Уравнение нагрузочной прямой при выборе схемы с включения биполярного транзистора

Нагрузочную прямую строим по двум точкам:

  1.  при Iк=0 и Uкэ=Eп = 15 В

  1.  при Uкэ=0 и

Рабочая точка (т.О) выбирается посередине участка насыщения в точке пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой (рис.2, прямая АВ).

Параметры режима покоя: Uкэ0 = 7,5 В, Iк0= 7 мА, Iб0= 0,2 мА, Uбэ0= 0,82 В, I0 =1,2 мА.

Стабилизация тока осуществляется за счет последовательной отрицательной обратной связи, которая вводится с помощью резистора Rэ. Нежелательная обратная связь по переменному току может быть устранена путем шунтирования резистора Rэ конденсатором большой емкости.

Определим величины резисторов R1 и R2:

Разделительный конденсатор Сс принимаем емкостью 0,1 мкФ.

Исходя из имеющихся стандартных номиналов резисторов, величину Rк выбираем равной 750 Ом, R1=1,8 кОм, R2=16 кОм.

1.5. Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке

1.) Входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора:

2.) Коэффициент передачи по току, измеряемый при коротком замыкании на выходе транзистора:

3.) Выходная проводимость, измеряемая при холостом ходе на входе транзистора:

4.) Коэффициент обратной связи, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора:

 Для всех типов биполярных транзисторов и рабочих точек принято

(Iк, Iк ,Uбэ, Uкэ – приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки О).

1.6. Определение величин эквивалентной схемы транзистора

Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиколетто) представлена на рис. 3.

Рис. 3

  1.  Барьерная ёмкость коллекторного перехода; 

  1.  Выходное сопротивление транзистора; 

  1.  Сопротивление коллекторного перехода; 

  1.  Сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока; 

  1.  Сопротивление эмиттерного перехода для базового тока; 

  1.  Распределение сопротивления базы; 

  1.  Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода; 

  1.  Собственная постоянная времени транзистора; 

  1.  Крутизна транзистора;

1.7.Определение  граничной и предельных частот биполярного транзистора.

1. Граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ:    

2. Предельная частота в схеме с ОЭ:

3. Предельная частота транзистора по крутизне:

4. Максимальная частота генерации:

1.8. Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному

току.

Сопротивление нагрузки по переменному току для биполярного транзистора рассчитывается по формуле:

Для построения нагрузочной прямой по переменному току воспользуемся двумя точками:

1.);

2.) - точка покоя (т.О)

Нагрузочная прямая по переменному току приведена на рисунке 2 (прямая CD).

1.9. Построение сквозной характеристики

Для построения сквозной характеристики воспользуемся нагрузочной прямой по переменному току и выходными характеристиками приведенными на рисунке 2. По точкам пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками строим сквозную характеристику Iк(Uбэ). Точки для построения проходной характеристики (зависимости Iк  от Uбэ) представлены в таблице 1, а график зависимости на рисунке 4.

Таблица 1

Uбэ, В

0,6

0,76

0,82

Iк, мА

0

8

19

Сквозная характеристика транзистора.

Рис.4

Графоаналитическим методом определим максимальную амплитуду входного сигнала Uвхн, при условии получения минимальных нелинейных искажений и максимального значения Uвхн. Отсюда Uвхн =0,06 В.

1.10. Определение динамических параметров усилительного каскада

Динамические параметры усилительного каскада определяются для двух величин амплитуды входного сигнала Uвх: Uвхн и Uвхн/2.

1) Коэффициент  усиления по напряжению, Кu (отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе) определим по формуле

,

где значение берем на выходной характеристике вблизи рабочей точки (точки E и F на графике);

  1.  для Uвхн:

,

где значение  с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн;

1.2.) для Uвхн/2:

,

где значение  с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн.

2.) Коэффициент усиления по току Кi (отношение установившегося значения тока сигнала в нагрузку к току сигнала на входе) определим по формуле

,

где  значение , берем на выходных характеристиках вблизи рабочей точки (точки E и F на графике);

2.1) для Uвхн:

;

где значение  с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн;

2.2.) для Uвхн/2:

;

где значение  с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн;

3.) Коэффициент усиления по мощности определим по формуле

3.1) для Uвхн:

3.2) для Uвхн/2:

4.) Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник).

Нелинейные искажения - это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов,  полупроводниковых конденсаторов, микросхем и др. элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.

Коэффициентом гармоник называется  отношение эффективного (действующего), значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению первой его гармоники, вычисляется по формуле.

где  - действующие напряжения отдельных гармоник выходного напряжения.

Этот коэффициент можно определить по сквозной характеристике (метод Клина), который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники выходного сигнала по формуле:

,

где - коэффициенты второй и третьей гармоники, определяются графически.

Для этого на сквозной характеристике, рис. 4, отмечают пять точек, соответствующих: точке покоя, наибольшей амплитуде входного сигнала, половине наибольшей амплитуды сигнала (с учетом обеих полуволн). Значения переменных а, в и с определяются графически по рис 4.

a = 19-8=11

b= 8-3=5

с = 15-4=11

2. Теоретическая часть работы

Ответ на вопрос: «Пояснить особенности МОП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналом. Нарисуйте и поясните физический смысл и порядок величин элементов эквивалентной схемы полевого транзистора?»

МОП-транзистор –транзистор, у которого в качестве диэлектрика используют окисел – чаще всего диоксид кремния SiO2.  

Эквивалентная схема полевого транзистора

Рис.5

где   Свх.дин – входная динамическая ёмкость;

 S – крутизна транзистора;

Uзи – входная ёмкость;

Riвнутреннее сопротивление транзистора;

Сси – выходная ёмкость;

Сзс – проходная ёмкость;

- статический коэффициент усиления.

Транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы этого типа называют также МДП-транзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-транзисторами (если в качестве диэлектрика используют окисел — чаще всего диоксид кремния SiO2). МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным.

Основу   МДП-транзистора  со  встроенным   каналом   (рис.5а)

Рис.5

составляет слабо насыщенная примесью пластина (подложка) полупроводника с электропроводностью п- или р-типа (на рисунке n-Si), в которой созданы две сильно насыщенные примесью области противоположного

типа электропроводности (на рисунке р+). Расстояние между р -областями ~1 мкм. Они соединены тонким слоем полупроводника того же типа электропроводности, что и р+-области, но этот слой слабо насыщен примесью (р-канал). Поверхность пластины полупроводника покрыта

слоем диэлектрика толщиной ~0,1 мкм. На слой диэлектрика над каналом нанесен металлический контакт - затвор 3. Области р+ также имеют металлические контакты, один из которых называют истоком И, другой — стоком С. Обычно для пластины полупроводника

используют кремний, а в качестве диэлектрика — пленку диоксида кремния, выращенную на поверхности кремния путем окисления его при высокой температуре.

На рис.5.1  показаны схемы включения МДП-транзистора: а — с общим истоком (ОИ); б - с общим стоком (ОС); в - с общим затвором (ОЗ) (полярность выводов на рисунке не показана, так как она зависит от режима работы).

Рис.5.1

Принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом рассмотрим на примере схемы с ОИ (рис. 5.1а). В полупроводнике у его поверхности в электрическом поле происходит обеднение или обогащение приповерхностного слоя носителями заряда, что зависит от направления электрического поля в канале транзистора. Это направление электрического поля определяется знаком потенциала на затворе относительно пластины. Если на затвор подан положительный потенциал 1/зи, электрическое поле будет выталкивать дырки из канала и канал объединится основными носителями (дырками), а проводимость канала уменьшится. Если на затвор подан отрицательный потенциал, то дырки начнут втягиваться в канал и обогащать его основными носителями, проводимость канала увеличится. В первом случае транзистор работает в режиме обеднения, во втором случае — в режиме обогащения. Если исток и сток подсоединить к источнику питания UСИ, то начнется дрейф дырок через канал, т. е. через канал пройдет ток стока Iс, значение которого зависит как от Uси, так и от Uзи- При прохождении тока в канале создается падение напряжения. Потенциал истока равен нулю, а потенциал стока равен — 1/си (как и в транзисторе с управляющим р-n-переходом). На границе пластины n-типа с областями р-типа и каналом р-типа образуется р-n-переход, который смещен в обратном направлении. Так как в МДП-транзисторах затвор изолирован от полупроводника пленкой диэлектрика, то эти транзисторы могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении Uзи.

Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рис.5.2: выходные (стоковые) — на рис.5.2а, характеристика передачи (стокозатворная) — на рис.5.26; для режима обеднения - область I, обогащения - область II.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (см. рис.56) канал не создается в процессе изготовления, а образуется под воздействием электрического поля. Если к транзистору с ОИ подключить напряжение Uси, по цепи стока пойдет обратный ток р-п-перехода, значение которого очень мало. При подключении в цепь затвора напряжения Uзи так, чтобы потенциал затвора относительно истока и пластины был обязательно отрицательным (для транзистора на рис.5б), под действием электрического поля под затвором приповерхностный слой пластины полупроводника объеднится.

Если Uзи достигнет определенного значения, называемого пороговым (Uзи = Uзипор), то слой полупроводника под затвором настолько объеднится, что произойдет его инверсия: образуется канал р-типа, -который соединит обе области р-типа. Если UСИ 0, по каналу потечет ток стока. Изменяя напряжение на затворе Uзи Uзипор, можно менять толщину и поперечное сечение канала и тем самым его сопротивление, а следовательно, и ток стока Iс- На значение Iс влияет также напряжение UСИ. При этом изменяется и форма канала.

Семейство выходных статических характеристик (рис.5.3а) аналогично семейству выходных характеристик транзистора с управляющим p-n-переходом. Однако характеристика для Uзи = 0 в этом случае отсутствует, так как канал индуцируется при Uш > Uзипор.

Характеристики передачи (рис. 5.36) Iс = f(UЗИ) при Uси = const.. Они сдвинуты относительно нуля координат на Uзи пор.

Параметры МДП-транзисторов те же, что и для транзисторов с управляющим p-n-переходом. В качестве параметра используют также

Рис5.2

крутизну характеристики по подложке:

с помощью которого учитывается влияние напряжения на пластине на ток стока. Обычно     Sn < S.

На рис.6а, в даны условные обозначения МДП-транзистора с встроенным n- и р-каналом, на рис.6 б, г — с индуцированным n- и р-каналом.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом используют чаще, чем транзисторы с встроенным каналом. Существенно то, что при отсутствии сигнала на входе они находятся в закрытом состоянии и не потребляют мощности от источника питания.

Рис5.3

Рис.6

3. Заключение

В ходе курсовой работы изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала. Выяснено, что коэффициенты гармоник и степень нелинейных искажений существенно зависят от амплитуды входного сигнала (при уменьшении амплитуды искажения уменьшаются).

Принципиальная электрическая схема проектируемого усилительного каскада приведена на рисунке .

4. Список литературы

  1.  Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.
  2.  Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.
  3.  Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи,  2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.

                                                                          МЕ-21У.010 ПЗ