Основные типы биполярных транзисторов

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Биполярные транзисторы  широко используются в современных  электронных устройствах в качестве активных элементов, которые обеспечивают необходимое усиление и коммутацию аналоговых и цифровых сигналов. Кроме того, биполярные транзисторы входят в состав интегральных аналоговых и цифровых микросхем многих серий.

При разработке и анализе  работы электронных устройств, содержащих биполярные транзисторы, необходимо знание основных схем включения биполярных транзисторов, особенностей их работы в различных схемах, а также методов расчета электронных схем с биполярными транзисторами. В связи с эти изучение биполярных транзисторов остается актуальным и в наши дни.

Из-за сложности учета влияния факторов окружающей среды, а также разброса параметров элементов схем, результаты расчетов схем имеют большую погрешность. Часто в этом случае требуется изготовление макета электронного устройства для проверки режимов работы активных элементов. Это приводит к значительным затратам времени. Кроме того, затрачиваются дорогостоящие комплектующие изделия и материалы.

Значительно ускорить и удешевить  процесс разработки позволяют современные  программы моделирования электронных схем. В настоящей работе рассматривается программа моделирования PROTEUS VSM, которая позволяет синтезировать схемы, проводить их точный и многосторонний анализ, а также проектировать печатные платы электронных устройств.

 

 

 

 

 

 

 

1. БИПОЛЯРНЫЕ  ТРАНЗИСТОРЫ

1.1. Основные типы биполярных транзисторов.

Условное графическое  обозначение биполярных транзисторов представлено на рисунке 1. Биполярные  транзисторы  могут иметь проводимость n-p-n типа (рисунок 1, а) и p-n-p типа (рисунок 1, б).

Биполярные  транзисторы представляют  собой  два встречно включенных  взаимодействующих p-n перехода.  Взаимодействие переходов  происходит  через  тонкую  область  базы,  ширина  которой  в современных транзисторах составляет менее 1 мкм.

Рис. 1. Условное графическое обозначение

биполярных транзисторов.

 

Для  расчета  схем  на  биполярных  транзисторах  используются различные  эквивалентные  схемы  транзисторов.  Приближенные  расчеты производятся  с  помощью  Т-образной  эквивалентной  схемы. Малосигнальная эквивалентная схема транзистора при включении с общей базой приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема  транзистора при

включении с общей базой.

 

Обозначения на рисунке 2 имеют следующее значение:

- r_Э – дифференциальное сопротивление прямосмещенного эмиттерно-базового перехода;

- α - коэффициент усиления по току в схеме с общей базой;

 

- r_К – выходное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с  общей базой;

- С_К – емкость обратно-смещенного коллекторно-базового перехода;

- r_Б – объемное сопротивление области базы.

В программах схемотехнического  моделирования используются более сложные эквивалентные схемы, обеспечивающие высокую точность расчетов. К таким схемам относятся модель Гуммеля-Пуна (интегральная зарядовая модель) и более простая модель Эберса-Молла [1].

1.2. Измерение параметров биполярных транзисторов.

Биполярные  транзисторы  характеризуются  рядом  физических  параметров,  на  основе  которых  рассчитываются  параметры  математических моделей транзисторов, используемых в программах схемотехнического моделирования аналоговых и цифро-аналоговых схем. Ниже рассматриваются методы измерения параметров транзисторов, вводимых в программы расчета параметров математических моделей транзисторов.

1.2.1. Измерение напряжения насыщения U_БЭнас и U_КЭнас.

Напряжение  насыщения U_БЭнас и U_КЭнас зависят от величины тока коллектора транзистора. Поэтому измерение этих параметров проводятся для различных значений тока коллектора. Измерительная схема приведена на рисунке 3.

Для маломощных транзисторов измерение напряжение насыщения проводится при постоянном отношении тока коллектора к току базы равном 10. Ток коллектора в режиме насыщения можно определить по формуле:

I_Кнас = (U_пит – U_КЭнас) / R_К,                                       (1)

где I_Кнас – ток коллектора в режиме насыщения, А, U_пит – напряжение питания, В, R_К – сопротивление резистора в коллекторной цепи, Ом.

Генератор тока I₁ задает ток базы I_Б транзистора VT1. Величина тока базы выбирается равной  0,1I_Кнас. Вольтметры PV1 и PV2 измеряют напряжение эмиттер-база и коллектор-база транзистора VT1 в режиме насыщения. Ток коллектора измеряется амперметром PA1. Изменяя сопротивление резистора R_К от 1 кОм до 40 кОм и, задавая ток базы равным 0,1I_Кнас, снимаются зависимости U_БЭнас и U_КЭнас как функции от тока коллектора I_К при постоянном отношении I_К / I_Б = 10.

 

Рис. 3. Схема измерения напряжения насыщения U_БЭнас и U_КЭнас.

1.2.2. Измерение выходного сопротивления транзистора.

Измерение выходного сопротивления R_вых в схеме с общим эмиттером производится в статическом режиме с использованием выходной вольтамперной характеристики транзистора. Схема измерения представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема измерения выходного сопротивления транзистора.

 

Ток базы транзистора VT1 задается постоянной величины. Выходная характеристика транзистора приведена на рисунке 5. Увеличивая напряжение на коллекторе транзистора, измеряется приращение тока коллектора. Выходное сопротивление транзистора определяется по формуле:

R_вых = DU_К / DI_К.                                               (2)

 

Рис. 5. Выходная характеристика транзистора.

 

В выражении (2) DI_К – приращение тока коллектора, вызванное повышением напряжения на коллекторе DU_К.

Выходные  характеристики  транзистора,  продленные  в  левую  полуплоскость, сходятся на оси напряжения в одну точку, которая определяет напряжение Эрли. Напряжение Эрли можно рассчитать по формуле:

U_Эрли = I_К1 R_вых.                                              (3)

1.2.3. Измерение коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером в статическом режиме.

Схема измерения коэффициента усиления по току представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема  измерения коэффициента усиления по току

в схеме с общим эмиттером.

 

В цепь эмиттера включен  источник тока, задающий ток в статическом режиме. Амперметрами измеряются постоянные токи  в цепях базы и коллектора  I_Б и I_К. Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером в статическом режиме (интегральная характеристика) рассчитывается по формуле:

β = I_К / I_Б.                                                     (4)

 

Коэффициент усиления транзистора по току зависит от величины тока коллектора. Поэтому измерения  коэффициента усиления транзистора проводятся для различных значений тока коллектора и отображается, как правило, в справочной литературе в виде графика, вид которого представлен на рисунке 7.

Рис. 7. Зависимость  коэффициента усиления по току

транзистора от тока коллектора.

 

1.2.4. Измерение емкости обратно смещенного коллекторно-базового перехода.

Схема для измерения  емкости обратно смещенного коллекторно-базового перехода представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема  измерения емкости коллекторно-базового

перехода транзистора.

 

Емкость  обратно смещенного  коллекторно-базового  перехода  С_К образует  с  сопротивлением  резистора R_К  делитель  переменного напряжения. Измерив значения переменных напряжений U₁ и U₂, можно рассчитать емкость С_К по формуле:

С_К = U₂ / (2π f R_К (U₁ - U₂)),                                 (5)

где f – частота источника синусоидального напряжения, Гц.

 

Для повышения точности определения емкости С_К сопротивление R_К подбирается  таким,  чтобы U₂ ≈ 0,5U₁. Измерения  производятся  при  различных значениях постоянного напряжения коллектор-база путем изменения напряжения питания транзистора. По результатам измерения строится  зависимость емкости коллекторно-базового перехода от напряжения коллектор-база С_К = f(U_КБ).

1.2.5. Измерение времени рассасывания неосновных носителей в базе.

Экспериментально  время  рассасывания накопленного  в  базе транзистора заряда проводится по схеме, представленной на рисунке 9.

 

 

Рис. 9. Схема  измерения времени рассасывания

неосновных  носителей в базе транзистора.

 

В исходном состоянии  транзистор VT1 находится в режиме насыщения. Отношение тока коллектора к току базы для маломощных транзисторов принимается равным 10. Затем на вход схемы через реле времени подается запирающее напряжение минус 3 В. При этом ток базы скачкообразно изменяется от I_Б1 до минус I_Б2. Напряжение на коллекторе контролируется с помощью запоминающего электронного осциллографа. Вид напряжение коллектора при скачкообразном изменении тока базы представлен на рисунке 10. По осциллограмме определяется время рассасывания неосновных носителей в базе транзистора.

1.2.6. Измерение граничной частоты транзистора.

Измерение граничной частоты F_гр производится в динамическом режиме по схеме, представленной на рисунке 11.

 

 

Рис. 10. Определение  времени рассасывания

неосновных  носителей в базе.

 

 

Рис. 11. Схема  измерения граничной частоты  транзистора.

 

В цепь эмиттера включены два источника тока: источник I_пост, задающий ток эмиттера в статическом режиме, и источник I_пер, задающий синусоидальный ток с частотой 1 кГц и амплитудой, равной 0,2 I_пост. В цепях базы и коллектора измеряются переменные токи I_Бпер и I_Кпер. Коэффициент усиления по току в динамическом режиме β для схемы с общим эмиттером (малосигнальная характеристика) равен:

β = I_Кпер / I_Бпер.                                                 (6)

 

При постоянном значении тока эмиттера I_пост измеряется коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером β при изменении частоты  переменного  сигнала и строится  график  зависимости  β  от  частоты, представленный на рисунке 12.

Рис. 12. Зависимость  коэффициента усиления по току

в схеме с  общим эмиттером от частоты.

 

Из графика находится граничная частота транзистора F_гр, при которой

значение β  уменьшается в корень из двух раз.

1.2.7. Измерение объемного сопротивления области базы.

Схема измерения объемного сопротивления области базы транзистора приведена на рисунке 13.

 

 

Рис. 13. Схема измерения объемного сопротивления

области базы транзистора.

 

При одном и  том же токе эмиттера измеряется напряжение U_БЭ при замкнутом и разомкнутом ключе. Сопротивление базы рассчитывается по формуле:

R_Б = (U_БЭ2 – U_БЭ1) / I_Э,                                          (7)

где U_БЭ2 – напряжение база-эмиттер при разомкнутом ключе, В, U_БЭ1 – напряжение база-эмиттер при замкнутом ключе, В, I_Э – ток эмиттера, А.

 

 

 

2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Усилительные  каскады на биполярных транзисторах строятся по трем основным схемам: усилитель  с общим коллектором, усилитель  с общей базой и усилитель  с общим эмиттером.

Усилитель с  общим коллектором имеет наивысшее  входное сопротивление и наименьшее выходное по сравнению с друсими схемами включения. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но коэффициент усиления по току самый высокий. Фазовый сигнала не инвертируется. Каскады с общим коллектором используются как буферные усилители и получили название эмиттерных повторителей.

Усилители с  общей базой среди трех схем включения обладают наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется. Достоинством схемы с общей базой является то, что верхняя граничная частота амплитудно-частотной характеристики ало зависит от емкости коллектор-база. В связи с этим, схема с общей базой нашла широкое применение на высоких частотах.

Схема с общим  эмиттером имеет промежуточное  значение входного и выходного сопротивления по сравнению с другими схемами включения. Коэффициент усиления по напряжению почти такой же, как у схемы с общей базой, а коэффициент усиления по току почти столь же большой, как у схемы с общим коллектором; в результате данная конфигурация обычно дает наивысший коэффициент усиления по мощности. Фаза сигнала меняется на 180°.

2.1. Усилитель с общим эмиттером.

Схема  транзисторного  усилителя с общим эмиттером приведена на

рисунке 14.

Схема содержит: усилительный элемент, в качестве которого выступает биполярный транзистор VT1; сопротивление нагрузки R_К; сопротивление для стабилизации режима по постоянному току R_Э. Делитель на резисторах R₁, R₂, задает потенциал  базы  транзистора VT1. Разделительный  конденсатор  С_разд  применяется для разделения входной цепи транзистора и источника сигнала по постоянному току, блокировочный конденсатор С_бл, служащий для увеличения коэффициента усиления каскада в рабочей полосе частот. Для рабочей полосы частот емкостное сопротивление блокировочного конденсатора С_бл должно быть много меньше сопротивления резистора R_Э.

 

Рис. 14. Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером.

 

Усилительный  каскад  сначала  рассчитывают  по  постоянному  току (статический режим).  При этом  виде  расчета проектировщик задается обычно  напряжениями и токами в узлах схемы и сопротивлением R_Э, исходя из требований к усилителю. В результате расчета определяются сопротивления резисторов, обеспечивающих выбранные режимы:

R_К = (U_пит – U_К) / I_К,                                               (8)

U_Э = I_Э R_Э,                                                        (9)

U_Б = I_Э R_Э + 0,7,                                                  (10)

I_дел ≈ 0,1 I_К,                                                    (11)

R₁ = (U_пит – U_Б) / I_дел,                                             (12)

R₂ = U_Б / I_дел.                                                  (13)

При  расчете  каскада  по  переменному  току  определяются коэффициент  усиления  по  напряжению,  входное  сопротивление,  верхняя F_В и нижняя F_Н граничные частоты. Коэффициент усиления  по напряжению в рабочей полосе частот равен:

К_U = U_вых / U_вх = R_К / (r_Э + (R_Г + r_Б) / β),                           (14)

где r_Э – дифференциальное сопротивление прямо смещенного эмиттерно-базового перехода, Ом, R_Г – сопротивление источника сигнала с учетом включенных параллельно ему резисторов R₁ и R₂, Ом, r_Б – сопротивление базовой области транзистора, Ом, β – коэффициент усиления транзистора по току.

 

Входное сопротивление транзистора в рабочей полосе частот равно:

R_вх.тр = β r_Э + r_Б.                                                    (15)

Для  определения  входного  сопротивления R_вх  каскада необходимо учесть параллельное включение сопротивлений R_вх.тр, R₁ и R₂. Верхняя и нижняя граничные частоты определяются из амплитудно-частотной характеристики усилителя. Амплитудно-частотная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U_вых от частоты F. Вид амплитудно-частотной характеристики представлен на рисунке 15.

Рис. 15. Амплитудно-частотная  характеристика

усилителя с  общим эмиттером.

 

Нижняя и  верхняя граничные частоты соответствуют частоте, на которой выходное напряжение U_вых уменьшается в корень из двух раз. Емкость конденсатора С_бл выбирается из условия обеспечения нижней граничной частоты:

С_бл = 1 / (0,82p F_Н (r_Э + (R_Г + r_Б) / β)).                                  (16)

Выражение (16) можно  упростить, если учесть, что сопротивление  источника сигнала, как правило, близко к нулю, а также тот факт,  что коэффициент усиления современных маломощных транзисторов достигает 100 и более единиц. Тогда выражение (R_Г + r_Б) / β много меньше r_Э, и выражение (16) можно представить в виде:

С_бл = 1 / (0,82p F_Н r_Э).                                           (17)

Емкость разделительного конденсатора также выбирается из условия обеспечения нижней граничной частоты:

С_разд = 1 / (0,82p F_Н R_вх).                                         (18)

Верхняя  граничная  частота  усилителя  приближенно  оценивается  из следующего соотношения, учитывающего сопротивление нагрузки в цепи коллектора и емкость перехода коллектор-база:

F_В ≈ 1 / (2p R_К С_К).                                              (19)

 

При  предложенном  методе  расчета  емкостей  конденсаторов  С_бл  и С_разд выходное напряжение уменьшается на частоте F_Н в два раза. То есть реальная нижняя граничная частота оказывается несколько выше заданной.

2.2. Усилитель с общей базой.

Схема  транзисторного  усилителя  с  общей  базой  приведена на рисунке 16. Режим по постоянному току транзистора рассчитывается также, как и для схемы с общим эмиттером.

Рис. 16. Схема  транзисторного усилителя с общей  базой.

 

Коэффициент передачи тока для каскада с общей базой меньше единицы, так как часть эмиттерного тока ответвляется в базу:

I_Э – I_Б = I_К,                                                  (20)

a = I_К / I_Э < 1,                                               (21)

где a - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой. В современных транзисторах коэффициент α близок к единице (0.98 - 0.99), поэтому в практических расчетах можно считать Iэ = Iк.

Коэффициент усиления по напряжению равен:

К_U = R_К / R_Г.                                              (22)

2.3. Усилитель с общим коллектором.

Схема  транзисторного  усилителя  с  общей  базой  приведена на рисунке 17.

Схема с общим  коллектором, как было отмечено выше, обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из всех схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Данная схема имеет высокий коэффициент усиления по току, однако не усиливает напряжение. Выходной сигнал повторяет по фазе и амплитуде входной, поэтому часто схему усилителя с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

 

Рис. 17. Схема  транзисторного усилителя с общим  коллектором.

 

Схема с общим  коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для  обеспечения большого входного и  малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами с общей базой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. КЛЮЧ  НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Схема транзисторного ключа представлена на рисунке 18. Транзисторный  ключ может находится в закрытом или открытом состоянии.

Рис. 18. Схема  транзисторного ключа.

 

В закрытом состоянии на вход ключа не подается управляющее напряжение. При этом коллекторно-базовый переход смещен в обратном направлении, эмиттерно-базовый переход закрыт. Транзистор находится в так называемом режиме отсечки. На выходе транзисторного ключа устанавливается напряжение близкое к напряжению источника питания.

В открытом состоянии на вход ключа подается управляющее напряжение, оба перехода смещены в прямом направлении и транзистор находится в режиме насыщения. Выходное напряжение близко к нулю. Открытое состояние характеризуется током насыщения ключа:

I_Кнас = (U_пит – U_КЭнас) / R_К,                                   (23)

где U_КЭнас – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в насыщенном состоянии, В.

Нагрузочная способность  ключа зависит от степени его  насыщения, которая определяется по формуле:

S = β I_Б / I_Кнас,                                             (24)

где S – коэффициент насыщения транзистора, β – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. При увеличении коэффициента насыщения увеличивается нагрузочная способность ключа, снижается влияние дестабилизирующих факторов, но ухудшается его быстродействие.

Для исследования динамических характеристик транзисторного ключа используется схема, представленная на рисунке 19.

 

Рис. 19. Схема  для исследования динамических

характеристик транзисторного ключа.

 

В динамическом режиме на вход транзисторного ключа  подаются импульсы прямоугольной формы. При этом в ключе возникают переходные процессы. На рисунке 20 приведены графики зависимости напряжения на коллекторе от времени при подаче на вход ключа прямоугольных импульсов напряжения.

Рис. 20. Форма  напряжения на входе и выходе

транзисторного  ключа.

 

На рисунке 20 приняты следующие обозначения:

- t_ЗФ – задержка фронта;

- t_Ф – время формирования фронта;

- t_зс или t_рас – время рассасывания неосновных носителей в базе, определяется временем жизни неосновных носителей заряда в базовой области и коллекторе;

- t_С – время формирования среза.

Сумма времени  задержки фронта t_ЗФ и времени формирования фронта t_Ф определяет время включения транзисторного ключа, сумма времени рассасывания неосновных носителей заряда в базе t_рас и времени формирования среза t_С определяет время выключения ключа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ PROTEUS VSM

4.1. Главное окно программы PROTEUS VSM.

Программа PROTEUS VSM разработана компанией Labcenter Electronics (Великобритания) и предназначена для автоматизированного проектирования электронных схем. Программа PROTEUS VSM состоит из двух подпрограмм: ISIS – программа синтеза и моделирования электронных схем, ARES – программа разработки печатных плат. После установки программы PROTEUS VSM на персональном компьютере, указанные подпрограммы обозначаются ярлыками, изображенными на рисунке 21.

 

 

Рис. 21. Ярлыки подпрограмм PROTEUS VSM.

 

В данной работе будет рассмотрена только подпрограмма синтеза и моделирования электронных  схем ISIS.

Программа компьютерного  моделирования PROTEUS VSM позволяет синтезировать схему будущего  электронного устройства и промоделировать его работу. Программа PROTEUS VSM позволяет работать не только с простыми аналоговыми и цифровыми схемами, но и со схемами, содержащими контроллеры, имеющими собственное программное обеспечение. В процессе моделирования могут быть выявлены ошибки, которые были допущены при синтезе схемы, а также ошибки в программном обеспечении сложных контроллерных схем. Кроме того, программа моделирования позволяет оперативно дорабатывать схему разрабатываемого электронного устройства, удалять элементы, добавлять новые элементы в схему, и многое другое.

Рассмотрим  окно программы PROTEUS VSM в режиме моделирования  электронных схем. Окно программы представлено на рисунке 22.

Все рабочее  пространство программы разделено на несколько областей. В левом верхнем углу основного окна программы располагается окно обзора, позволяющее оперативно перемещаться по схеме проекта.

 

Рис. 22. окно программы PROTEUS VSM в режиме

моделирования электронных схем.

 

Основной рабочей  зоной является окно редактора схем. Синтез схемы из отдельных компонентов производится именно здесь. При перемещении курсора по окну редактора текущие координаты курсора отображаются для удобства в правом нижнем углу.

Ниже окна обзора располагается окно выбора объектов, в котором при редактировании схем и симуляции отображаются доступные элементы в зависимости от выбранного режима. Например, в режиме «Virtual Instruments Mode» (режим виртуальных инструментов) вид окна выбора представлен на рисунке 23. Программа моделирования позволяет в качестве инструментов исследования электронных схем использовать осциллограф, логический анализатор, вольтметр постоянного и переменного напряжения, амперметр постоянного и переменного тока, счетчики времени и так далее.