Ćwiczenie 22
TRANZYSTOR I UKŁADY TRANZYSTOROWE
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami tranzystora bipolarnego i podstawowymi zastosowaniami tranzystora w układach wzmacniacza, generatora i przekaźnika.
2. Podstawy teoretyczne
2.1. Tranzystor bipolarny. Budowa, zasada działania.
Tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym o dwóch złączach p-n zbudowanym z trzech warstw półprzewodników domieszkowych wykazujących kolejno przewodnictwa typu p-n-p lub n-p-n. Są one uzyskane w monokrysztale półprzewodnika, najczęściej krzemu (rys. 1).
Rys. 1. Struktura , polaryzacja elektrod i symbol graficzny tranzystora:
a) typu p-n-p
b) typu n-p-n
Warstwa wewnętrzna nazywa się bazą (B) a warstwy zewnętrzne emiterem (E) i kolektorem (C). Emiter baza i kolektor mają doprowadzenia metaliczne zwane elektrodami tranzystora.
Stan tranzystora zapewniający uzyskanie przez niego właściwości wzmacniających uzyskuje się przez odpowiednią polaryzacją elektrod (rys. 1). Złącze emiterowe spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia , zaś kolektorowe w kierunku zaporowym. Zachodzące w tranzystorze zjawiska fizyczne wyjaśniono na przykładzie tranzystora p-n-p. (rys. 2).
W stanie równowagi, bez polaryzacji zewnętrznej na obu złączach tranzystora występują bariery potencjału (U1 i U2 na rys.2a) spowodowane rekombinacją dziur z obszarów emitera i kolektora z elektronami obszaru bazy.
Rys. 2. Zasada działania tranzystora:
a) tranzystor niespolaryzowany,
b) tranzystor z polaryzacją kolektora,
c) tranzystor w stanie normalnej polaryzacji kolektora i emitera.
Zaznaczone na rys. 2a ładunki „+” i „-” oznaczają odpowiednio ładunki nieruchomych jonów donorowych i akceptorowych.
Jeżeli złącze kolektorowe (I2) zostanie spolaryzowane w kierunku zaporowym przez włączenie źródła EC , zwiększy się bariera potencjału U2 między kolektorem a bazą (rys.2b). W obwodzie baza-kolektor płynie prąd o małym natężeniu zwany kolektorowym prądem zerowym ICB0. Jest on wynikiem ruchu nośników mniejszościowych[1] generowanych termicznie, zależy więc od temperatury. Dziury z bazy wpływają do kolektora, natomiast elektrony z kolektora do bazy.
Jeżeli połączymy źródło EE , polaryzujące złącze emiterowe (J1) w kierunku przewodzenia (rys. 2c) to obniży się bariera potencjału U1 między emiterem a bazą. Dziury z emitera przepływają drogą dyfuzji do obszaru bazy, gdzie częściowo rekombinują. Ponieważ szerokość bazy jest niewielka i np. w tranzystorach małej mocy zawiera się w granicach (0,3-1)mm, liczba rekombinujących dziur w bazie stanowi (1-5)% dyfundujących z emitera dziur. Większość dziur osiąga więc złącze kolektorowe i jest unoszona do obszaru kolektora. Miarą „ubytku” dyfundujących nośników większościowych emitera (prądu emitera) jest tzw. współczynnik wzmocnienia prądowego a, przy czym
(1)
gdzie: DIC , DIE - przyrosty prądu: kolektora i emitera.
Wartość współczynnika a jest nieco mniejsza od jedności i zawiera się w granicach (0,95-0,99). Wobec tego na podstawie rys. 2c jest:
(2)
W rozpatrywanym układzie tranzystora sygnałem wejściowym (sterującym) jest prąd emitera, zaś wyjściowym prąd kolektora. Taki układ nazywa się układem o wspólnej bazie (OB). Mimo braku wzmocnienia prądowego można uzyskać w nim duże wzmocnienie mocy, dzięki znacznemu wzmocnieniu napięciowemu. Jest bowiem spełniona zależność:
(3)
Spełnienie nierówności (3) wynika z faktu, że rezystancja baza-emiter RBE jest mniejsza od rezystancji kolektor-baza RCB (złącze kolektorowe spolaryzowane w kierunku zaporowym).
Działanie tranzystora n-p-n jest analogiczne do działania tranzystora p-n-p z tą różnicą, że napięcia polaryzujące są przeciwnych znaków, zaś na prąd emitera składa się ruch elektronów, a nie dziur. Na rys. 3 przedstawiono zasadnicze układy pracy tranzystora.
Rys. 3. Zasadnicze układy pracy tranzystora:
a) o wspólnej bazie (OB),
b) o wspólnym emiterze (OE),
c) o wspólnym kolektorze (OC).
W układzie o wspólnym emiterze (rys. 3b) prądem wejściowym (sterującym) jest prąd bazy a wyjściowym prąd kolektora. Zależność między tymi prądami powstaje po podstawieniu prądu emitera obliczonego z I-go prawa Kirchhoffa, czyli:
(4)
do wzoru (2)
(5)
Stąd po przekształceniu otrzymuje się wyrażenie:
(6)
Po wprowadzeniu oznaczeń:
, (7)
otrzymuje się zależność (6) w postaci:
(8)
gdzie:
b - współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE
ICE0 - prąd zerowy kolektor-emiter w układzie OE (rys.1b)
Po uwzględnieniu ze wzoru (7), że i podstawieniu do wzoru (6) otrzymuje się związek:
(9)
Jest to wzór umożliwiający wyznaczenie b jako tzw. statycznego (stałoprądowego) współczynnika wzmocnienia prądowego w układzie OE. W katalogach podaje się wartość współczynnika h21e oznaczającego współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE. odpowiadającą przyrostom prądów wejściowego i wyjściowego, czyli:
(10)
Współczynnik a jest bliski jedności, zatem b>>1. Typowe wartości współczynnika b zawierają się w granicach 20 ÷ 900.
W przypadku układu ze wspólnym kolektorem (rys. 3c) otrzymuje się zależność prądu wyjściowego (IE) od wejściowego IB w analogiczny sposób jak dla układu OE. Opisuje ją wzór:
(11)
Dla każdego z trzech układów pracy tranzystora, celem ułatwienia analizy układów wzmacniających w zakresie dużych zmian prądów i napięć przy małej częstotliwości, podaje się charakterystyki statyczne, najczęściej wejściową i wyjściową. Na rys. 4 podano typowy przebieg charakterystyk statycznych tranzystora n-p-n w układzie OE.
Rys. 4 Statyczne charakterystyki tranzystora w układzie OE.
a) wejściowa
b) wyjściowa
2.2. Analiza pracy jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego prądu zmiennego w układzie OE.
Rozpatrzmy przedstawiony na rys. 5 prosty układ wzmacniacza małej częstotliwości z tranzystorem pracującym w konfiguracji OE. Przy braku zmiennego sygnału wejściowego (u1=0) wzmacniacz znajduje się w tzw. stanie spoczynkowym. W układzie płyną stałe prądy IB, IC, IE. Pisząc równania dla oczek , dostajemy związki:
(12)
(13)
Rys. 5 Wzmacniacz tranzystorowy w układzie OE.
Z równania (12) wynika zależność określająca wartość spoczynkowego prądu bazy:
(14)
przy czym: UBE - napięcie progowe złącza emiterowego (0,7 V)
Równanie (13) opisuje w układzie współrzędnych IC , UCE tzw. prostą pracy wzmacniacza (rys. 6). Punkt przecięcia P, odpowiadającej prądowi bazy IB0 charakterystyki IC=f(UCE) z prostą pracy, ma współrzędne równe składowym stałym napięcia kolektorowego UCE0 i prądu kolektora IC0 .
Jeżeli pojawia się sygnał wejściowy w postaci napięcia przemiennego u1, np. sinusoidalnego o równaniu u1=U1msinwt, to wymusza on w obwodzie bazy sinusoidalny prąd o amplitudzie:
(15)
rBE - rezystancja dynamiczna złącza emiterowego w kierunku przewodzenia (kilka kW),
dużo mniejsze od (R1+rBE).
Rys. 6 Analiza graficzna wzmacniacza w układzie OE z rys. 5
Składowa zmienna prądu bazy powoduje okresowe przesuwanie się punktu P po prostej pracy od punktu P’ do P”, co wywołuje pojawienie się składowych zmiennych: prądu kolektorowego iCz(t) i napięcia uCEz(t) o równaniach:
(16)
(17)
Znak minus we wzorze (17) oznacza, że dodatniemu przyrostowi prądu bazy odpowiada ujemny przyrost napięcia kolektorowego, a zatem omawiany wzmacniacz przesuwa fazę napięcia wejściowego o p rad. Ponieważ napięcie wyjściowe u2 jest równe napięciu uCE (rys.5), więc wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wynosi :
(18)
Jeżeli przyjąć że odbiornikiem włączonym do wzmacniacza jest rezystor RC , to składowa zmienna napięcia na nim wynosi:
(19)
z równania (13) dla składowej zmiennej jest:
(bo ) (20)
czyli:
(21)
wobec tego:
(22)
czyli amplituda napięcia na odbiorniku RC jest taka sama jak napięcia kolektor-emiter. Wzmocnienie napięciowe może więc być obliczone ze wzoru (18). Wzmocnienie prądowe oblicza się ze wzoru:
(23)
Najczęściej jednak odbiornik włączony jest za pośrednictwem kondensatora CS między kolektor a masę, czyli jak na rys. 7. Sprzężenie pojemnościowe z odbiornikiem dotyczy szczególnie przypadku, gdy obciążeniem wzmacniacza jest następny stopień wzmacniający (wzmacniacz wielostopniowy).
Rys. 7 Wzmacniacz tranzystorowy OE z odbiornikiem włączonym między kolektorem a masą
R0 oznacza rezystancję obciążenia wnoszoną np. przez następny stopień. Uwzględniając, że XCS<<R0 impedancję obciążenia stanowi praktycznie tylko rezystancja R0 . Pojemność CS blokuje przepływ składowej stałej prądu odbiornika. Pisząc równanie dla oczka (rys. 7) dla składowych zmiennych () otrzymuje się związek:
(24)
iCz , i0 - składowe zmienne odpowiednio prądu kolektora i odbiornika
IC0 , UCE0 - składowe stałe prądu i napięcia kolektora
Ponieważ przy pomijalnym spadku napięcia na kondensatorze CS dla składowej zmiennej prądu i0:
(25)
(26)
więc po uwzględnieniu wzorów (25) i (26) we wzorze (24) otrzymuje się zależność:
...
Bpd_6