Физические основы электроники, методические указания по выполнению домашнего задания (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Старооскольский технологический институт им. А. А. УГАРОВА

(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра АИСУ

Физические основы электроники

методические указания по выполнению

домашнего задания

по теме «Расчет параметров транзистора и усилительного

каскада в режиме малого сигнала»

для студентов специальности

140604– Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

Старый Оскол

2012

Рецензент: начальник АСУ прокатного производства

Составитель:

Методические указания к выполнению домашнего задания по курсу «Электроника» по теме «Расчет параметров транзистора и усилительного каскада в режиме малого сигнала» для студентов специальности

140604– Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

©

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................................................................................... 4

1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора..................................................................................... 4

3. Постановка задания......................................................................................................................................................... 13

4. Пример выполнения задания......................................................................................................................................... 14

5. Порядок оформления домашнего задания............................................................................................................... 22

6. Контрольные вопросы................................................................................................................................................... 23

Список рекомендуемой литературы............................................................................................................................... 24

Введение

Данные методические материалы разработаны в соответствии с программой курса "Твердотельная электроника" для студентов специальности "Промышленная электроника".

Рассматриваются биполярные транзисторы в режиме малого сигнала: системы физических и h - параметров, аналитические связи между ними; расчет основных параметров транзистора и транзистор­ного усилительного каскада. Составлены практические задания и иллюстрирующие их примеры.

1. Параметры, схемы включения биполярного транзистора

Транзистор (TRANSfer resISTOR - преобразующий сопротив­ление) - это полупроводниковый прибор, имеющий три и более внеш­них выводов, предназначенный для усиления или генерации электри­ческих сигналов, а также для коммутации электрических цепей.

Транзистор является нелинейным элементом. Работа транзисторов в различных усилителях характеризуется параметрами малого сигна­ла, еще называемыми дифференциальными параметрами. Однако в ре­жиме малого сигнала, когда входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным соответствующим точке покоя напряжением, связь между токами и напряжениями в некоторой области статических вольт-амперных характеристик (вах) можно считать линейной с до­пустимой степенью приближения. В этом режиме транзистор можно представить четырехполюсником (рис. 1) и считать его линейным усилительным элементом независимо от схемы его включения (рис. 2). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в 2 раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений.

Свойства транзистора и их изменение в зависимости от режима его работы (тока коллектора, коллекторного напряжения, частоты сигнала) и температуры окружающей среды оцениваются параметрами. Физические явления в транзисторе и его электрическое состояние, а также изменение его свойств оценивают, определяют и описывают физическими параметрами.

Транзистор включается в электрическую цепь таким образом, чтобы один из его электродов являлся входным, второй - выходным, а третий - общим относительно входа и выхода. В зависимости от способа включения транзистора различают три схемы его включения (рис. 2): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Свойства разных схем включения транзистора описывают характеристическими параметрами, называемыми h – параметрами или системой h-параметров.

Между физическими и h-параметрами существует однозначная функциональная связь, позволяющая переходить от физических параметров к h – параметрам и наоборот.

Рис. 1 - Транзистор как четырёхполюсник

Рис. 2 - Схемы включения транзисторов:

а - с общей базой (ОБ); б - с общим эмиттером (ОЭ); в - с общим коллектором(OK).

Рис. 3 - Кривые типичных зависимостей h - параметров транзистора: а - от тока эмиттера; б - от коллекторного напряжения; в - от температуры окружающей среды.

Рис. 4 - Эквивалентная схема усилительного каскада с h - параметрами

1.1. Физические параметры транзистора

К числу основных физических параметров транзистора, опреде­ляющих его динамические свойства при рассмотрении переменных со­ставлявших токов и напряжений в электрических цепях, относятся следующие:

Коэффициент передачи тока эмиттера /дифференциальный/ для схемы ОБ (рис. 2-а):

; Uk=const

Для биполярных транзисторов α = 0,9÷0,995

2. Коэффициент передачи тока базы (дифференциальный) для схемы с общим эмиттером (рис 2-б)

; Uк=const

3. Сопротивление эмиттерного перехода (дифференциальное)

; Uк=const

Характеризуется нелинейной зависимостью от тока эмиттера и прак­тически не зависит от коллекторного напряжения. При изменении температуры линейно меняется приблизительно на 0,33% / oС.

4. Сопротивление коллекторного перехода (дифференциальное)

; Iэ=const

Изменяется обратно пропорционально току эмиттера, имеет нелиней­ную, с точкой экстремума зависимость от коллекторного напряжения и температуры окружающей среды.

5. Объемное сопротивление базы (или сопротивление базы) rб при увеличении тока эмиттера уменьшается и возрастает при увеличении коллекторного напряжения. Изменение от температуры обусловлено концентрацией примесей в базовой области.

Зависимость этих физических параметров от h- параметров приводится в табл 1.

Таблица 1.

№ n/n	Символ	Параметры четырёхполюсника	Физические параметры
Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
1	2	3	4	5	6
1	h11э	1100 Ом		h11k
2	h12э	2,5х10-4		1-h12k
3	h21э	50		-(1+h21k)
4	h22э	25х10-6 См		h22k
5	h11б		21,6 Ом
6	h12б		2,9х10-4
7	h21б		-0,98
8	h22б		0,49х10-6 См
9	h11к	h11э		1100 Ом
10	h12к	1-h12э
11	h21к	-(1+h21э)		-51
12	h22к	h22э		25х10-6 См
13	α		-h21б		0,98
14	rk				2,04 МОм
15	rэ				10 Ом
16	rб				590 Ом

1.2. Система h-параметров транзистора

Система h-параметров устанавливает связь между напряжениями и токами на входе и выходе транзистора, представленного линейным четырёхполюсником (рис. 1). Электрическое состояние транзистора, как четырёхполюсника в режиме малого сигнала характеризуется величинами: I1, U1 - входными; I2 , U2 - выходными. Если I1 и U2 принять независимыми переменными, то связь между входными и выходными величинами можно представить системой уравнений

U1=f1(I1,U2)

I2=f2(I1,U2) (1)

Если при малых изменениях независимых величин приращения зависи­мых величин разложить в ряд Тейлора и пренебречь членами второго и высших порядков, то из уравнений (1) получим уравнения в част­ных производных:

(2)

В уравнениях (2) заменим приращения амплитудными значениями токов и напряжений и обозначим частные производные характеристическими h - коэффициентами.

(3)

Эти введенные коэффициенты называют системой h – параметров транзистора, и они имеют в режиме малого сигнала физический смысл:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе четырехполюсника.

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

- коэффициент передачи /усиления/ тока при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе четырехполюсника.

Измерение h - параметров, как правило, производится на низ­кой частоте (50 ÷ 100 кГц). В паспортных данных транзисторов обыч­но приводят значения h-параметров, измеренных на частоте 1 кГц для одной из схем включения.

Достоинство системы h - параметров заключается в сравни­тельной простоте их непосредственного измерения испытуемого транзистора, недостаток - зависимость от режима работы транзистора и от окружающей среды (рис. 3). На графиках (рис. 3-а, б) за еди­ницу принято значение каждого характеристического параметра при Iэ = 1 мА и Uk= - 5 В, а на графиках (рис. 3 – в) при темпера­туре Т = 25 оС / Iэ =1 мА, Uk = - 6 В/.

Система h-параметров используется при расчетах низкочас­тотных усилителей, преимущественно первых каскадов, работающих при малых сигналах. В справочной литературе, как правило, полностью все h-параметры не указываются. Недостающие h-параметры могут быть легко измерены по приводимым в справочной литературе схемам измерения.