Моделирование биполярного транзистора в режиме большого сигнала. Полевой транзистор: Методическое руководство к проведению лабораторных работ № 5-6 по электронике

Лабораторная работа № 5

МОДЕЛИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА

Цели работы.

1. Изучить методику экспериментального определения параметров транзистора для модели Эберса–Молла.

2. Рассчитать семейства статических входных и выходных характеристик в схеме с общим эмиттером.

1. Краткие теоретические сведения

Модель Эберса–Молла идеального биполярного транзистора. Математические модели полупроводниковых приборов находят широкое применение при компьютерном анализе и расчете характеристик электронных схем.

Модель Эберса–Молла – одна из трех наиболее известных моделей биполярного транзистора. Она описывает его работу при различных соотношениях величин напряжений на электродах, в том числе и в режиме большого сигнала. В основе модели – суперпозиция нормального и инверсного транзисторов, работающих в активном режиме. Переходы транзистора в модели представляются в виде диодов. Часть тока диода каждого из переходов передается через базу транзистора  и собирается электродом другого перехода. Моделирование осуществляется  с  помощью  эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5.1.

Схема включает два диода, моделирующих встречно включенные эмиттерный и коллекторный переходы, и два источника тока, учитывающих их взаимное влияние и определяющих усиление транзистора по мощности.

На рис. 5.1 приняты следующие обозначения:

, ,  – соответственно токи эмиттера, коллектора и базы;

, – инжектируемые токи эмиттерного и коллекторного переходов;

 – собираемый ток эмиттерного и коллекторного переходов;

 – коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме;

 – коэффициент передачи тока коллектора в инверсном режиме;

, – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах.

Рис.  5.1. Эквивалентная схема транзистора

Для схемы, приведенной на рис. 5.1, справедливы следующие уравнения Эберса–Молла:

,                   (5.1)

,                   (5.2)

, (5.3)

где , , ; ;       (5.4)

– обратный ток эмиттерного перехода при отключенном коллекторе; – обратный ток коллекторного перехода при отключенном эмиттере; – температурный потенциал, который при температуре  равен 0,026 В;  – постоянная Больцмана;  – заряд электрона.

Заметим, что уравнения (5.3) в явном виде описывают семейство статических входных характеристик.

Совместное решение уравнений (5.1) – (5.3) позволяет получить уравнение, которое описывает семейство статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: .  Результирующее выражение для тока коллектора имеет вид

,  (5.5)

где

– напряжение база–эмиттер;  – напряжение коллектор–эмиттер (для n–p–n-транзистора вактивном режиме  ).

Как видно из соотношений (5.1) – (5.5), модель Эберса–Молла свя-зывает токи на выводах транзистора с напряжениями на р–n-пере-ходах, что позволяет использовать ее в системах автоматизированного проектирования электронных схем. 

Учет эффекта модуляции ширины базы. В активном режиме ширина базы транзистора меняется в соответствии с изменением обратного напряжения на коллекторе. Это приводит к тому, что величина коэффициента передачи тока эмиттера становится функцией напряжения на коллекторе:

,                   (5.6)

где – напряжение кoллeктop–эмиттер врабочей точке;

– коэффициент, определяющий влияние модуляции ширины базы на коэффициент передачи тока эмиттера a;  – значения коэффициентов передачи тока базы при двух заданных значениях напряжения на коллекторе  и ;    – линейная функция, аппроксимирующая экспериментальную зависимость коэффициента передачи тока базы от напряжения на коллекторе; – постоянные коэффициенты аппроксимирующей функции, которые находятся графически по экспериментально снятой зависимости .

2. Методика выполнения работы

Экспериментальная часть работы проводится в блоке 2В, схема которого представлена на рис. 5.2. Для подведения напряжений питания  к схеме включите стенд и нажмите кнопку «2Б», расположенную в нижнем левом углу лабораторного стенда.

Рис. 5.2.  Принципиальная схема блока 2В

Порядок выполнения работы

1. Снимите экспериментальную зависимость

.

С помощью внешних проводников, как показано на схеме рис. 5.2, подключите приборы для измерения тока: миллиамперметр с пределом измерения 5 мА – к клеммам Х17 и Х18, микроамперметр с пределом измерения 200 мкА – к клеммам Х11и  Х12. Переключатель поставьте в положение, при котором сопротивление нагрузки (R4)выключено. Переключатель транзисторов VT2 и VT3 поставьте в положение, соответствующее выбранному типу  транзистора (по указанию преподавателя).

Подключите вольтметр к клеммам Х19 и Х20. Ручкой регулировки напряжения на источнике питания V2 установите напряжение на коллекторе в рабочей точке . Изменяя напряжение источника питания V1, по микроамперметру, подключенному к клеммам Х11 и Х12, установите ток базы в рабочей точке I_бр, при котором ток коллектора равен I_кр = 2 мА.

По вольтметру,  подключенному к клеммам Х13 и Х14, отсчитайте значение напряжения на базе в рабочей точке . Результаты измерения  I_бр, U_бэр и установленное значение  U_кэр занесите в отчет.

Поддерживая постоянным установленное значение тока I_бр, измерьте ток коллектора  I_к при напряжениях на коллекторе U_кэ, равных 12, 9, 5, 1, и 0,5 В. Для перечисленных значений  рассчитайте коэффициент передачи тока базы

.

Постройте графики зависимостей  при условии .