Домашнее задание №1 по курсу ”Электроника и микропроцессорная техника” (стр. 4 )

Рис. 19. Изменения входного сопротивления по постоянному току Rвх (верхний график) и по переменному току rвх(h11э) (нижний график) от тока коллектора Ic(Q1)

Из полученных результатов моделирования можно сделать вывод, что входное сопротивление транзистор по переменному току практически на порядок меньше входного сопротивления по постоянному току, а его величина определяется постоянным током коллектора, с которым работает транзистор в активном режиме в схеме ОЭ. Для получения rвх >1 кОм постоянный ток коллектора в данной схеме должен быть менее 1 мА практически для многих биполярных транзисторов.

Усилительные свойства транзистора в схеме ОЭ характеризует коэффициент передачи тока базы. В данной схеме вводят понятия коэффициента передачи (усиления) постоянного тока B, под которым понимают отношение

и коэффициента передачи (усиления) переменного тока b (параметр h21э), под которым понимают отношение

Согласно теории коэффициенты передачи тока базы транзистора зависят от тока эмиттера (коллектора), с которым он работает в активном режиме. Для получения данных зависимостей заданной марки транзистора проведите анализ DC при следующих параметрах. Во-первых, верните диапазон изменения генератора тока I1 от 1 мкА (1u) до I1max, во-вторых, закажите по результатам моделирования построения графиков с указанием по оси абсцисс тока коллектора Ic(Q1), а по оси ординат математические выражения вычислений коэффициентов передачи В и b (h21э). В-третьих, так как ток коллектора при заказанных изменениях тока базы (генератора тока I1) изменяется в широких пределах, то представьте его изменение на графиках в логарифмическом масштабе. Для этого поменяйте форму пиктограммы, расположенную первую слева от строки графика на вид (по умолчанию программа предлагает линейное изменение по оси Х с видом соответствующей пиктограммы ). Окно DC Analysis Limits проведения анализа DC, в результате которого следует получить зависимости коэффициентов передачи тока базы от тока коллектора, на примере для транзистора KT315A_SO показано на рис. 20, а соответствующее решение на рис. 21.

Рис. 20. Окно DC Analysis Limits для получения зависимостей коэффициентов передачи тока базы по постоянному и переменному току для транзистора KT315A_SO.

Рис. 21. Изменения коэффициентов передачи тока базы по постоянному току B=Ic(Q1)/Ib(Q1) и по переменному току b= h21э =del(Ic(Q1))/del(Ib(Q1)) от тока коллектора Ic(Q1) для транзистора KT315A_SO при работе в активном режиме (Vce(Q1)=5B)

Из полученных зависимостей B=f(Ic) и b=f(Ic) следует, что их отличия по величине и по поведению от тока коллектора незначительно, что позволяет при расчетах электронных схем использовать единую зависимость коэффициента передачи тока базы как по постоянному, так и по переменному току. Каждый транзистор сохраняет высокий коэффициент передачи тока базы только в определенном диапазоне изменения тока коллектора.

В иностранной литературе при анализе усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме ОЭ, часто используют передаточную характеристику транзистора. Под передаточной характеристикой транзистора принимают зависимость коллекторного тока Ic от напряжения между базой и эмиттера Vbe при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером Vce в активном режиме

С использованием данной характеристики усилительные свойства транзистора характеризуют его крутизной S, которую определяют для малых переменных компонент сигнала как

где Vceo и Ico – координаты рабочей точки по постоянному току, для которой определяется крутизна.

Для получения проходной характеристики транзистора заданной марки проведите анализ DC при изменении генератора тока I1 (Variable 1) в диапазоне от 1 мкА до I1max при одном напряжении батарейки V1 (Variable 2) 5В. По результатам анализа закажите построения на одном графике передаточной характеристике (по оси Х – напряжение Vbe(Q1), по оси Y – ток коллектора Ic(Q1)), на втором графике зависимость крутизны S от тока коллектора (по оси Х – ток коллектора Ic(Q1), по оси Y – математическое выражение крутизны: del(Ic(Q1))/del(Vbe(Q1))). Заполнение окна DC Analysis Limits с целью получения заданных функций на примере для транзистора KT315A_SO представлено на рис. 22, а результаты анализа на рис. 23.

Рис. 22. Окно DC Analysis Limits для получения передаточной характеристики Ic=f(Vbe) и зависимости крутизны от тока коллектора S=f(Ic)

Рис. 23. Передаточная характеристика транзистора KT315A_SO (верхний график) и зависимость крутизны S=del(Ic(Q1))/del(Vbe(Q1)) [A/B] от постоянного тока коллектора Ic(Q1) (нижний график), полученные при напряжении Vce(Q1)=5B.

Из полученной передаточной характеристики для транзистора KT315A_SO следует, что в активном режиме коллекторный ток существует только при напряжении между базой и эмиттером более 0.6 В и возрастает от данного напряжения практически по экспоненциальной зависимости. С ростом коллекторного тока крутизна S транзистора увеличивается, но скорость ее изменения уменьшается.

Для определения влияния температуры окружающей среды на входную и проходную характеристики транзистора повторите их моделирование с указанием двух заданных температур 27оС и 47оС. Для этого в окне DC Analysis Limits на строке Temperature укажите в окне Method – List, а в окне Range – 27,47, как показано на рис. 24. В этом же окне задана команда на построение зависимостей коэффициента передачи тока базы по переменному току и крутизны от тока коллектора с представлением его по логарифмическому масштабу (последние две строчки). Однако, чтобы не перегружать информацией по результатам моделирования экран компьютера, первоначально выводятся входная и проходная характеристика (в столбце Р для двух последних строчек указано N). При вторичном расчете выводятся на экран зависимости b=f(Ic) и S=f(Ic), для чего в соответствующих строках столбца Р ставятся номера 1 и 2, а в первых двух строках данного столбца N. Соответствующие результаты моделирования представлены на рис. 25 и рис. 26.

Рис. 24. Окно заказа проведения анализа DC для определения влияния температуры окружающей среды на входную и проходную характеристики транзистора KT315A_SO.

Рис. 25 Входная (верхний график) и проходная (нижний график) для двух температур.

Рис. 26. Зависимости коэффициента передачи тока базы по переменному току b (h21э)=del(Ic(Q1)/del(Ib(Q1) и крутизны S=del(Ic(Q1)/del(Vbe(Q1) [A/B] от тока коллектора Ic для двух температур.

По результатам моделирования входной и проходной характеристикам транзистора можно вычислить температурный коэффициент напряжения (ТКН). Так согласно рис. 15 ТКНвх по входной характеристике равен

а ТКНпр по проходной характеристике равен

Таким образом, ТКН, измеренный по входной и проходной характеристикам, имеет приблизительно одинаковое значение и лежит в пределах ТКН, характерного для p-n перехода, выполненного на кремневом полупроводнике (»-2 мВ/oC).

Из результатов моделирования, представленных на рис. 26,следует, что коэффициент передачи тока базы существенно зависит от температуры, а крутизна S транзистора практически не зависит. Так если при увеличении температуры от 27оС до 47оС коэффициент передачи, принимающий максимальное значение при коллекторном токе Ic»3.6 мА, возрастает с ~58 до 63 (увеличивается на 8.6%), то крутизна при этом крутизна остается практически неизменной.

5.  Представьте эквивалентные схемы биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ.

При анализе электронных схем, включающих транзистор, последний представляют некоторой эквивалентной схемой, отражающей реальное соотношение токов и напряжений в анализируемой схеме. Для малых переменных компонент ВАХ транзистора лианеризируют, на базе которых определяют параметры транзистора и создают эквивалентную схему транзистора. Как и для любого линейного четырехполюсника, входной ток и входное напряжение транзистора однозначно связаны с его выходным током и напряжением системой двух линейных уравнений. Для транзистора, включенного по схеме ОЭ, используют следующую систему уравнений

где dV… и dI… представляют малые переменные компоненты соответствующих напряжений и токов, при этом постоянные составляющие данных переменных имеют значительно больше. Достоинством h-параметров транзистора является непосредственное их вычисление по статическим ВАХ транзистора, как показано выше. Согласно системе уравнений с h-параметрами транзистор при анализе электронных схем по переменному току может быть заменен схемой, представленной на рис. 27.

Рис. 27. Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ, с h-параметрами.

Как показали представленные выше исследования, h-параметры транзистора зависят от постоянных составляющих напряжений и токов, с которыми работает транзистор в активном режиме. Определяющими являются постоянный ток коллектора Ico, соответствующий ему постоянный ток базы Ibo, а постоянное напряжение между коллектором и эмиттером Vceo на h-параметры не влияет. Для модели транзистора KT315A_SO зависимость его входного сопротивления h11э от коллекторного тока представлена на рис. 19. Согласно результатам моделирования (см. рис. 17, где представлены входные характеристики транзистора) величина постоянного напряжения Vceo в активном режиме практически не влияет на входную характеристику. Из этого следует, что для данной модели транзистора h12э=0. Зависимость выходной проводимости по переменному току h22э от постоянного коллекторного тока Ico представлена на рис. 13б, а влияние Ico на коэффициент передачи тока базы h21э на рис. 21.