CARACTERISTICILE STATICE ALE TRANZISTORULUI BIPOLAR

Transcript

1 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 19 LURARA nr. 3 ARATRISTIIL STATI AL TRANZISTORULUI IPOLAR Scopul lucrăr - Rdcarea caracterstclor statce ale tranzstorulu bpolar în conexunle emtorcomun () ş bază-comună (), determnarea unor parametr de curent contnuu ş de regm dnamc a tranzstorulu bpolar. 1. onvenț de notare În fgura 3.1 este reprezentat smbolul unu tranzstor NPN cu preczarea sensulu curenţlor ş tensunlor aşa cum vor f foloste în această lucrare. Între aceste mărm se pot scre relaţle: = + (3.1) U = U +U (3.2) Fg Tranzstor NPN funcțonând în RAN 2. Dependența curențlor de tensun omportarea tranzstorulu bpolar în regm contnuu este defntă de relaţle ce descru dependenţa curenţlor ş de tensunle aplcate la bornele celor două joncţun ş. În regunea actvă normală, joncţunea emtor-bază este polarzată drect ş joncţunea colectorbază este polarzată nvers; relațle de bază pentru curenţ unu tranzstor NPN sunt: (3.4) În aceste relaţ: A este suprafața joncţun bază-emtor, este constanta de dfuze a purtătorlor mnortar dn bază (electron) a căror concentraţe este n p ; (3.3)

2 2 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă la temperatura camere; este grosmea efectvă a baze dată de relaţa (3.5) În relața (3.5): - grosmea fzcă a baze; - barera de potențal a joncțun colector-bază; - concentrața de purtător majortar dn colector; - concentrața de purtător majortar dn bază; - permtvtatea electrcă a materalulu dn care este confecțonat tranzstorul. Se constată că, la creşterea tensun de polarzare nversă a joncțun bază-colector, grosmea efectvă a baze scade. Parametrul este factorul de curent al tranzstorulu în conexunea bază comună ş are expresa aproxmatvă : unde semnfcața mărmlor este: - lungmea de dfuze a electronlor (în bază); - lungmea de dfuze a golurlor (în emtor) ; - conductvtatea electrcă a baze ; - conductvtatea electrcă a emtorulu. Se remarcă dependenţa lu de tensunea colector-bază prn ntermedul lu. 3. Parametr de cuadrpol Dn punct de vedere practc, pentru determnarea regmulu de funcţonare în curent contnuu, este necesară cunoaşterea următoarelor caracterstc: caracterstca statcă de ntrare; caracterstca de transfer drect; caracterstca de eşre. În conexunea bază comună, electrodul de refernţă este baza; în conexunea emtor comun, electrodul de refernţă va f emtorul. Dn punct de vedere dnamc, la semnale mc, lent varable, tranzstorul poate f caracterzat prn parametr de cuadrpol, defnţ prn ecuaţle: (3.6) Fg Tranzstorul analzat ca un cuadrpol

3 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 21 (3.7) U, U o, I ş I o sunt mărmle varable snusodale, cu sensurle obşnute acceptate pentru cuadrpol (fgura 3.2). Parametr vor f ndexaţ sau, după cum tranzstorul este utlzat în conexunea sau ; de obce se notează. 4. aracterstca de ntrare pentru TIP în conexune aracterstca de ntrare a tranzstorulu în conexunea, adcă ( u ), se deduce dn relaţa (3.3), în care se înlocueşte u u. Reprezentarea grafcă este dată în fgura 3.3, unde s-a consderat ca parametru, tensunea u. Se constată caracterul exponenţal al caracterstc de ntrare ş nfluenţa mcă a tensun de colector asupra caracterstc de ntrare. xponentul poate f afectat de coefcentul, ca la doda semconductoare, determnarea lu expermentală făcându-se în acelaş mod (vez laborator 1). U =5V U =V I u Fg. 3.3 aracterstca de ntrare în conexunea 5. aracterstca de transfer pentru TIP în conexune aracterstca de transfer ) este descrsă de ecuaţa (3.4) ş este reprezentată grafc în fgura 3.4. ( U I I Fg. 3.4 aracterstca de transfer în conexune I

4 22 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă Factorul de curent, care dă panta aceste drepte, varază foarte puţn cu tensunea (prn ntermedul lu ) ş datortă curentululu de colector (scădere atât la curenţ mc cât ş la curenţ mar, dependenţă care nu rezultă dn teora elementară a tranzstorulu). Factorul de curent al tranzstorulu în conexunea bază comună,, se determnă cu relaţa Precza aceste relaţ este puternc afectată de mprecza măsurărlor curenţlor ş, de valor foarte apropate. I este curentul joncțun colector-bază polarzate nvers cu emtorul în gol (neconectat), de valoare foarte mcă pentru tranzstoarele realzate dn slcu ş dependent de tensunea u. 6. aracterstca de eșre pentru TIP în conexunea aracterstcle de eşre u ), sunt determnate de relaţle (3.4) ş (3.6) ş sunt reprezentate grafc în fgura 3.5. R ( (3.8) I u U Fg. 3.5 aracterstca de eșre în conexune Se constată dependența foarte mcă a curentulu de colector de tensunea u în regunea actvă normală, caracterstcle fnd practc orzontale ş ecdstante. Acest fapt conferă tranzstorulu în conexunea caracterul de generator de curent. aracterstcle de eşre sunt trasate pentru trepte constante ale curentulu de emtor. Pentru tensun u <, curentul de colector scade datortă polarzăr n conducţe drectă ş a joncțun colector-bază, ceea ce duce la funcţonarea tranzstorulu în regunea de saturațe. 7. Punctul statc de funcțonare al TIP în conexune În crcutul elementar dn fgura 3.6, punctul statc de funcţonare se determnă prn rezolvarea grafo-analtcă a sstemulu de ecuaţ:

5 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 23 ( u, u ) (, u) R u unde valoarea curentulu de emtor este fxată de crcutul de ntrare (în lucrare, de către generatorul de curent). (3.9) Fg. 3.6 rcut pentru determnarea PSF a TIP în conexunea În fgura 3.5, în planul caracterstclor statce, se trasează dreapta de sarcnă ş, pentru I, se obţne punctul statc de funcţonare cu coordonatele I, I, U ) ; pe caracterstca de ntrare, punctul statc de funcţonare este I, U ). ( ( În punctul statc de funcţonare, se pot determna parametr tranzstorulu la semnale varable mc, conform relaţlor: pentru caracterzarea funcțonăr b u, fb, ob (3.1) u forma Parametr b ş fb sunt daț ş de relaţle teoretce ( deduse dn ecuaţle (3.3) ş (3.4) ) sub b kt kt (3.11) q I q I fb (3.12) Parametrul rb nu poate f determnat prntr-o aceeaş metodă deoarece varațle foarte mc ale tensun u (la varaţ mar ale tensun u ) sunt afectate de fenomene secundare, cum ar f modfcarea regmulu termc al tranzstorulu la varaţa tensun de colector. 8. aracterstca de ntrare pentru TIP în conexune aracterstca de ntrare pentru tranzstorul în conexunea, dată de funcţa ( u ) are ca parametru tensunea u, care ntervne, în prncpal, prn parametrul w. cuaţa aceste caracterstc se obţne dn relațle (3.1), (3.3) ş (3.4) sub forma: ş este reprezentată grafc în fgura 3.7. qu n p kt ( 1 e I A q D n ) (3.13) w

6 24 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă U =1V U =5V I u U Fg. 3.7 aracterstca de ntrare la conexunea Se constată forma exponenţală a caracterstc, cu o nfluenţă redusă a tensun u (prn ntermedul varaţe grosm efectve a baze, w ) ş anularea curentulu de bază pentru o valoare dfertă de zero a tensun u (pentru u =, curentul este negatv). 9. aracterstca de transfer pentru TIP în conexune aracterstca de transfer este dată de relaţa (3.14): I (3.14) unde este factorul de curent în conexune a căru exprese dedusă dn relaţle (3.1) ş (3.4) este: (3.15) 1 I este curentul de colector măsurat cu baza în gol ş determnat prn relaţa: - I ( 1) I (3.16) Factorul de curent al tranzstorulu în conexunea depnde de tensunea colector-emtor (prn ntermedul grosm efectve a baze, w ) ş de curentul de colector (această dependenţă este ma puterncă decât a factorulu de curent ) ca în fgura 3.8. Fg. 3.8 Factorul de curent al TIP în conexune Factorul de curent se determnă dn relaţa (3.14) sub forma:

7 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 25 I (3.17) 1. aracterstcle de eșre pentru TIP în conexune aracterstcle de eşre (fgura 3.9) dau dependenţa curentulu de colector de tensunea având ca parametru curentul de bază,, ş sunt descrse de relaţa (3.14); dependenţa ma puterncă a factorulu de curent al tranzstorulu,, de u, determnă o înclnare ma puterncă a caracterstclor faţă de orzontală. În zona tensunlor u mc, ecuaţa (3.14) nu ma este valablă, tranzstorul funcţonând în regunea de saturaţe. R u I u U Fg aracterstcle de eșre la conexunea 11. Punctul statc de funcțonare al TIP în conexune Pentru crcutul elementar dn fgura 3.9b, punctul statc de funcţonare se determnă prn metoda grafo-analtcă de rezolvare a sstemulu format dn ecuaţle: ( u, u) (, u) (3.18), R u curentul fnd determnat de crcutul de ntrare (în cazul lucrăr, prn generator de curent constant). Fg. 3.9b - rcut pentru determnarea PSF a TIP în conexunea

8 26 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă În punctul statc de funcţonare,, caracterzat prn parametr I, I, U, U ), se pot ( defn parametr pentru semnal mc, lent varabl (ceea ce permte lnarzarea în jurul PSF, dec ntroducerea varațlor prn Δ ) : La fel ca ş rb, parametrul u e, fe, oe (3.19). u re nu se poate măsura cu precze prn această metodă. Între parametr brz în conexunea ş ce în conexunea exstă următoarele relaţ aproxmatve : f kt e ( fe 1) b (3.2) qi fe fb (3.21) 1 fe Observaț: În anumte crcute electronce, tranzstorul bpolar poate f folost în conexune nversă prn scmbarea rolurlor termnalelor emtor ş colector. Parametrul ce caracterzează această funcţonare este factorul de curent în conexune nversă, sau. u excepţa unor tranzstoare specal construte, factorul de curent, este foarte mc, de obce, subuntar.

9 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 27 DSFĂŞURARA LURĂRII Se dentfcă montajul dn fgura 3.1, în care se foloseşte un crcut ajutător în caltate de generator de curent reglabl dn potenţometrul P. Pentru curenţ de bază necesar tanzstorulu NPN în conexune se almentează scema cu +5 V (aproxmatv) la borna 2 faţă de borna de masă (borna 1) ş se obţne la borna 3 un curent reglabl (în sensul săgeţ) între 2 µa ; pentru curenţ de emtor necesar aceluaş tranzstor NPN în conexune se almentează scema cu -5V la borna 2 faţă de borna 1 (borna de masă) ş se obţne la borna 4 un curent reglabl între 5 ma. Fg ontajul de laborator 1. Se trasează caracterstca de ntrare a tranzstorulu în conexunea conform sceme de măsură dn fgura Pentru aceasta, generatorul de curent se va almenta cu 5 V la borna 2 faţă de borna de masă (borna 1), eşrea generatorulu de curent fnd borna 4, care se conectează la 6. orna 5 (baza tranzstorulu T) se conecteaza la masă (1). orna 7 se conectează la plusul une alte surse de tensune, ar mnusul aceste surse se conectează tot la borna 5; deea de bază este fxarea, în acest mod, a tensun colector-bază la U =5V. Ampermetrul se leagă între bornele 4 ș 6 ș se conectează un voltmetru între 5 ș 6. Fg rcut pentru trasarea caracterstc de ntrare în conexune Pentru curentul de emtor se vor lua valorle:,1;,2;,5; 1; 2; 5; 1; 2; 5 ma, ar tensunea colector-bază va f de 5 V. Rezultatele se trec în tabelul 3.1 ş se trasează caracterstca de ntrare atât la scară lnară cât ş la scară logartmcă (pentru curent) pentru determnarea parametrulu ca la doda

10 28 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă semconductoare. U 5V (ma),1,2, u (mv) Tabelul Se trasează caracterstca de transfer ) folosnd scema de măsură dn fgura ( Voltmetrul se va muta între 5 ș 7, comparatv cu fgura Întrucât valorle curenţlor ş sunt foarte apropate, se preferă măsurarea curentulu de bază pentru fecare valoare a curentulu de emtor, ar curentul de colector se deduce dn relaţa (3.1); tensunea u este de 5 V. Pentru curentul de emtor se vor lua aceleaş valor ca la punctul precedent. Rezultatele se trec în tabelul 3.2 ş se trasează caracterstca de transfer la scară lnară. Ampermetrul se conectează între 5 ș 1 (în baza tranzstorulu). Fg rcut pentru trasarea caracterstc de transfer în conexune Pentru =2 ma, se determnă factorul de curent al tranzstorulu în conexunea,, cu relaţa (3.8), în care I este valoarea curentulu de colector obţnut cu emtorul în gol. Se vor compara valorle obţnute pentru ş I cu valorle rezultate dn relaţle (3.15) ş (3.16), în care are valoarea determnată în acelaş punct de funcţonare la punctul 7. U 5V (ma),1,2, (ua) (ma) Tabelul Se trasează caracterstcle statce de eşre în conexunea cu scema de măsură dn fgura Pentru tensunea de eşre se vor lua valorle,1;,5; 1; 2; 5; 1 V, ar curentul de emtor va f fxat la valorle 2; 4; 6; 8; 1; ma. Rezultatele se trec în tabelul 2.3. (ma) u (V),1,2, (ua) (ua) 4 (ua) (ua)

11 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 29 6 (ua) (ua) 8 (ua) (ua) 1 (ua) (ua) abelul 3.3 T Pentru = 2 ma, se nversează semnul tensun U (se scmbă bornele surse) ş se determnă valoarea aceste tensun pentru care curentul de colector se anulează; măsurătoarea se va face cu atenţe, deoarece anularea curentulu de colector se produce la valor mc ale tensun colector bază ( în ntervalul,6,7 V). 4. În planul caracterstclor rdcate la punctul precedent, se trasează dreapta statcă de funcţonare, conform relaţe (3.9) în care R = 3,6 kω ş =12 V ş se determnă coordonatele punctulu statc de funcţonare, ştnd că I = 2 ma (metoda grafo-analtcă). Se realzează montajul elementar dn fgura 3.6b cu R = 3,6 kω ş =12 V. Fg. 3.6b - rcut pentru determnarea PSF în conexune Se realzează montajul de la cernța 2. orna 8 se conecteaza la plusul surse c, mnusul surse c se conectează la 1. Se măsoară coordonatele punctulu statc de funcţonare pentru I = 2 ma (U ș I ). Se compară rezultatele obţnute prn cele două metode (grafo-analtcă ș expermentală). În punctul de funcţonare astfel determnat, se calculează parametrul pe caracterstca de ntrare, ar parametr fb ş ob se calculează folosnd rezultatele dn tabelele corespunzătoare, având în vedere dfcultatea măsurăr unor varaţ foarte mc ale curentulu de colector drect pe grafc. Se vor folos relaţle (3.1). 5. Se almentează generatorul de curent cu +5 V la borna 2 (faţă de borna 1); se trasează caracterstca de ntrare în conexunea, ( u ), conform sceme de măsură dn fgura ornele 1 ş 6 sunt legate împreună; borna 7 se leagă împreună cu borna 2; mlampermetrul se conectează între bornele 3 ş 5. Tensunea u se va măsura cu un voltmetru electronc, de prefernţă numerc (conectat între bornele 5 ș 6). Se va măsura tensunea 2; 3; 4 ş 5 µa. b u pentru următoarele valor ale curentulu de bază: = ; 1;

12 3 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă Fg rcut pentru trasarea caracterstc de ntrare în conexune Întrucât caracterstca de ntrare ( u ) pleacă de la valor negatve ale curentulu de bază, se vor pune în scurt crcut baza cu emtorul ş se va măsura () (scmbând bornele mlampermetrulu). Se menţne curentul de bază la valoarea constantă I = 5 µa ş se măsoară tensunea bază-emtor pentru următoarele valor ale tensun colector-emtor: ; 1; 5 ş 1 V. Rezultatele se vor trece în tabelul 3.4. Se va trasa grafcul u ) cu U =5V, la scară lnară. ( U (V) 5,1 1 1 (ua) u (mv) Tabelul Se măsoară mărmle necesare pentru rdcarea caracterstc de transfer, conform sceme de măsură dn fgura Fgura rcut pentru trasarea caracterstc de transfer în conexune Tensunea colector-emtor va f u = 5 V. Se va nota, ma întâ, valoarea curentulu de colector cu baza în gol, I. Se va regla apo curentul de bază pentru a se obţne curenţ de colector de valoare.5; 1; 2; 5; 1; 2; 5 ma, rezultatele fnd trecute în tabelul 3.5. U (V) (ua) (ma), β -

13 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 31 Tabelul 3.5 În acelaş tabel, se va trece factorul de curent al tranzstorulu,, calculat cu relaţa (3.7). Se măsoară factorul de curent al tranzstorulu în conexunea la alte două tensun colector-emtor, =1 V ş u =1 V. Pentru fecare dntre aceste valor, se determnă, ma întâ I (cu baza în gol) ş apo curentul de bază necesar obţner aceluaş curent colector I = 2 ma. Se va trasa grafcul funcţe de transfer, la scară lnară. u 7. Se determnă caracterstcle de eşre ale tranzstorulu în conexune cu parametru, conform sceme de măsură dn fgura Fg rcut pentru trasarea caracterstclor de eșre în conexune Între bornele 3 ș 5 se conectează un mcroampermetru; între bornele 6 ș plusul surse de tensune un mlampermetru, ar între bornele 6 ș 7 un voltmetru numerc. Pentru curentul de bază,, se vor lua valorle 1; 2; 3; 4; 5 µa, ar curentul colector se va măsura pentru următoarele valor ale tensun colector-emtor care asgură funcţonarea tranzstorulu în regunea actvă normală:,5; 1; 2; 5; 1 V ş se trasează famla de caracterstc u ) la scară lnară. ( Se efectuează măsurătorle pentru rdcarea caracterstclor de eşre în zona de saturaţe a tranzstorulu ş în zona actvă normală învecnată, pentru tensun mc între colector ş emtor. Se va folos acelaş montaj ş se vor consdera aceleaş valor ale curentulu de bază ar tensunea colectoremtor se reglează la valorle,1;,2;,3;,4 ş,5 V. Rezultatele se trec în acelaş tabel 3.6 ş se va trasa un grafc separat pentru această zonă la o scară convenablă pentru u.

14 32 P a g n a Îndrumar laborator lectroncă Analogcă Fg. 3.15b - rcut pentru determnarea PSF în conexune 8. Se realzează scema dn fgura 3.15b pentru determnarea punctulu statc de funcţonare. Se fxează sursa = 12 V ş se reglează curentul de bază până când I = 2 ma. Se vor nota coordonatele punctulu statc de funcţonare ( I, I, U ). U, Pe caracterstcle statce de eşre ale tranzstorulu desenate la punctul precedent se trasează prn nterpolare, cu aproxmaţe, caracterstca statcă corespunzătoare curentulu de bază măsurat anteror ş dreapta de sarcnă descrsă de ecuaţa (3.18). La ntersecţa lor se obţne punctul statc de funcţonare ale căru coordonate trebue să fe apropate de cele măsurate. În acest punct statc de funcţonare, se vor determna parametr ntrare), fe (pe caracterstca de transfer), e (pe caracterstca de (pe caracterstcle de eşre) conform relaţlor (3.19). oe Se vor verfca relaţle de legătură între parametr brz în cele două conexun, conform relațlor (3.2) ş (3.21), punctele de funcţonare fnd apropate. 9. Se măsoară factorul de curent al tranzstorulu în conexune nversă, conform sceme de măsură dn I fgura 3.16 ş folosnd relaţa, unde este curentul înregstrat de ampermetrul dn emtor pentru = 2 µa, ar I este curentul înregstrat de acelaş aparat pentru = (baza în gol). Fg rcut pentru determnarea factorulu de curent în conexunea Referatul va conţne: scemele de măsură pentru parametr ş pentru caracterstcle statce ale tranzstorulu în cele două conexun; tabelele cu rezultatele măsurătorlor; grafcele corespunzătoare ş determnărle făcute pe baza acestora aşa cum se ndcă la modul de lucru; scemele elementare cu tranzstoare pentru determnarea punctelor statce de funcţonare respectve; rezultate obțnute în smularea lucrăr utlzând ultsm; în cazul unor neconcordanțe între rezultatele teoretce ş cele expermentale se vor da scurte justfcăr.

15 aracterstcle statce ale tranzstorulu bpolar P a g n a 33 Dataseet-ul tranzstorulu utlzat: ttp://