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

50 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 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56557. Турнір знавців Франції 31.5 KB
  Мета заходу: практична: навчити учнів використовувати знання, отримані при вивченні теми; розвивати мовлєневі навички; освітня: узагальнити та систематизувати знання учнів з теми «Франція»; розвивальна: розвивати пам’ять, логічне мислення, увагу...
56558. Турнір допитливих та кмітливих 50 KB
  Мета: закріпити знання з вивчених предметів; розвивати у дітей мовлення, пам'ять, кмітливість і старанність, уміння розгадувати ребуси, загадки; виховувати почуття відповідальності за команду.
56559. Государственная служба какмеханизм государственного управления 131.5 KB
  Народ осуществляет свою власть непосредственно, а также через органы государственной власти, самоуправления, политические партии и общественные организации, что в своей совокупности составляет политическую систему. Особое место в этой системе занимает государство
56560. Турнир знатоков информатики 120 KB
  Цели: Воспитательная: воспитание умения работать в команде, уважения к сопернику, воспитание чувства ответственности; Учебная: теоретическое повторение ранее изученного материала в увлекательной форме...
56561. Турнір «Лицарі ввічливості» 243.5 KB
  Привітання І команди: Посміхнися стане день ясніш І веселка тобі також посміхнеться А від цього буде веселіш Ще не раз до тебе посмішка вернеться. Привітання II команди: Як без сонця жодна не росте рослина Так без слова доброго не живе людина. Конкурс Розминка Запитання для І команди.
56562. Педагогічний турнір «Гра — господиня освітнього процесу» 102 KB
  Гра виконує в суспільстві певні функції: передачі накопиченого суспільно-історичного досвіду; відтворення суспільних відносин людей; здійснення всебічного гармонійного розвитку; відображення оточуючого світу; ріднить з мистецтвом; виявляє самодіяльність людей...
56564. Велика літера у кличках тварин. Складання опису тварин 40 KB
  Мета. Поглибити й розширити знання учнів про вживання великої літери на письмі; вчити писати клички тварин з великої літери; розрізняти назви тварин та їх клички; розвивати мовні вміння...
56565. Творчість на кожному уроці 98.5 KB
  Педагогічна практика свідчить про те що тільки знання набуті самостійною працею роблять випускника фахівцем здатним творчо вирішувати професійні задачі та моральноетичні проблеми.