Биполярный транзистор (БТ) - это полупроводниковый прибор с тремя областями с чередующимися типами проводимости и с двумя p - n -переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы. Для n - p - n -транзисторов средняя р -область - базовая (Б) - имеет проводимость, противоположную крайним n-областям: эмиттерной (Э) и коллекторной (К) (рис. 3.1, а).
а) б)
Рис. 3.1
При использовании транзистора в режиме усиления управляющий переход база-эмиттер (Б-Э) смещен в прямом направлении, то есть открыт, а управляемый переход база-коллектор (Б-К) - в обратном, то есть закрыт. Электроны из эмиттера через открытый переход инжектируются в область базы. При достаточно малой ширине базы небольшое количество инжектируемых электронов рекомбинирует с дырками в базе, создавая базовый ток Ib.
Основная часть инжектируемых электронов не успевает рекомбинировать с носителями в области базы и достигает коллекторного перехода. Происходит перенос электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу. Эмиттерный ток Ie равен сумме базового тока Ib (входной) и коллекторного тока Iс (выходной):
Токи Ie, Ib, Ic связаны соотношениями:
,
где α - коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор, α = 0,95.. 0,99
,
где β - основной усилительный параметр транзистора, показывающий во сколько раз ток Ic больше Ib.
Схема включения транзистора, по которой проводится измерение его входной и передаточной характеристик, представлена на рис. 3.1, б.
Для обеспечения рабочего режима транзистора по постоянному току к его базе через токоограничивающий резистор R 1 подключается источник постоянного напряжения V 1, открывающий переход Б-Э, а к коллектору - источник напряжения V 2, запирающий переход Б-К.
Транзистор заданного преподавателем типа, например, 2N2102ON назначается по команде Component > Analog Primitives > Active Devices > NPN.
Входная характеристика отражает зависимость базового (входного) тока транзистора Ib от входного напряжения V 1: I b = f (V 1), передаточная - зависимость коллекторного(выходного) тока Ic от входного напряжения V 1: I c = f (V 2).
Для построения графиков входной и передаточной характеристик в схеме рис. 3.1, б варьируется ток базы транзистора путем изменения величины R 1 в заданных пределах через определенный интервал при нескольких значениях напряжения V 1.
Переход в режим построения характеристик осуществляется по команде Analysis > DC.
В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (рис. 3.2) в строке Variable 1 в ячейке Name указывается имя варьируемой переменной, а в ячейке Range - диапазон его изменения - максимальное и минимальное значения напряжения. Необходимо включить опцию Stepping.
Рис. 3.2
В нижней части окна указываются имена переменных, откладываемых по горизонтальной (X Expression) и вертикальной (Y Expression) осям графика при построении функций. Для графика входной характеристики это, соответственно, напряжение между базой и эмиттером V 1 и ток базы Ib. Для графика передаточной функции это напряжение V 1 и ток коллектора Ic. При использовании данного типа транзистора в ячейке X Range для напряжения V 1 рекомендуется установить пределы отображения 0,85 V, 0,4 V. Для токов Ib, Ic в ячейке Y Range рекомендуется установить пределы 2.5 mA,0 и 15 mA,0 соответственно. Для задания значений варьируемого резистора R 1 нажатием клавиши Stepping на верхней панели основного диалогового окна задания на расчет DC Analysis Limits открывается дополнительное окно Stepping (см. рис. 3.3).
Рис. 3.3
В строке Step What (какой шаг) указывается имя варьируемого параметра R 1. На последующих строках отмечаются пределы его изменения: From (от), To (к), Step value (шаг).
В графе Step it ( шаг это ) включается кнопка Yes. Ввод значений варьируемого параметра заканчивается нажатием клавиши ОК.
Построение графиков выполняется при нажатии кнопки RUN (запуск ) диалогового окна. Результат изображен на рис. 3.4.
Рис. 3.4
На каждом из построенных графиков (рис. 3.4) по заданному преподавателем значению входного напряжения Vbe 1 транзистора и приращению напряжения Δ Vbe отмечаются координаты двух точек при использовании режима электронного курсора (нажатием кнопки F 8 или выбором пиктограммы 
). В нижней части каждого графика указываются следующие значения:
- Координаты маркеров (под заголовком Left – для левого маркера и Right – для правого)
- Разности координат (под заголовком Delta), т.е. приращение токов Δ I и напряжений Δ U
- Отношение приращений (под заголовком Slope - наклон)
Измеренные значения координат заносятся в табл. 3.1.
Таблица 3.1
| Входное напряжение | Входная характеристика | Передаточная характеристика | |||
| Ток базы | Ток коллектора | ||||
| Vbe (мВ) | Δ Vbe (мВ) | Ib (мкА) | Δ Ib (мкА) | Iс (мА) | Δ Iс (мА) |
Задание
С помощью полученных данных по приведенным ниже формулам рассчитываются:
- статическое rbe и динамическое rbe’ входные сопротивления транзистора:
,
;
- коэффициенты передачи тока из эмиттера в коллектор α, статический и динамический коэффициенты усиления тока Β и β:
,
,
;
- крутизна S передаточной характеристики в области выбранной рабочей точки (измеряется в Сименсах – См):
Если воспользоваться понятием крутизны входной характеристики транзистора:
,
То можно сказать, что крутизна передаточной характеристики равна крутизне входной характеристики, помноженной на коэффициент усиления тока.
Расчетные данные сводятся в таблицу 3.2.
Таблица 3.2
| Входное сопротивление | Коэффициент | Крутизна | ||||
| Статич. | Динамич. | передачи тока | усиления тока | Входной х-ки | передаточной х-ки | |
| Статич. | Динамич. | |||||
| rbe | rbe’ | α | Β | β | 
| 
|
Лабораторная работа № 4