tranzistorul bipolar,caracteristici statice
TRANSCRIPT
63
LUCRAREA NR. 6
TRANZISTORUL BIPOLAR
1. Structură şi procese fizice în TB convenţional
Tranzistorul bipolar (TB) convenţional reprezintă un dis-
pozitiv semiconductor cu trei terminale, a cărui funcţie principală
este cea de amplificare liniară a semnalelor electrice. Constructiv
acest tip de tranzistor constă din două joncţiuni pn "cuplate" între
ele prin intermediul purtătorilor minoritari. După modalitatea de
realizare şi cuplare a joncţiunilor se formează fie o structură npn
fie una pnp.
Fig.1 Structura fizică şi profilurile de dopare la un
tranzistor npn
++ --
IE IC
IB
n n
np
VEB VCB
N ,NA DNDE
NAB
x
a
b
E B C
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
64
Se consideră o structură npn (fig.1) la care se disting trei
regiuni: emitorul E, baza B şi colectorul C. Indiferent de natura
purtătorilor mobili de sarcină (electroni sau goluri) emitorul este
"sursa" de purtători iar colectorul "colectează" aceşti purtători. În
regim normal de funcţionare joncţiunea emitor-bază este
polarizată direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată
invers. Modelul benzilor de energie pentru această situaţie este
arătat în fig.2.b.; modelul benzilor TB la echilibru termodinamic
este reprezentat în fig.2.a. În esenţă "efectul tranzistor" constă în
comanda curentului invers de colector de către curentul direct al
joncţiunii emitor-bază; această comandă este eficientă numai când
lărgimea bazei este foarte mică în comparaţie cu lungimea de
difuzie a purtătorilor minoritari prin bază.
Tranzistorul bipolar poate fi montat în circuit în trei
conexiuni fundamentale: bază comună (BC), emitor comun (EC)
şi colector comun (CC); denumirea conexiunii este dată de
terminalul comun circuitului de intrare şi celui de ieşire.
Pentru a discuta funcţionarea TB convenţional pe baza
structurii npn din fig.1.a în conexiune BC se observă modul de
distribuţie a concentraţiilor de impurităţi în cele trei regiuni : NDE
în emitor, NAB în bază şi NDC în colector. La tranzistoarele actuale
cu bune performanţe concentraţiile impurităţilor se află în raportul
NDE>>NAB>NDC (fig.1.b); în acelaşi raport se află şi concentraţiile
purtătorilor majoritari: n0E>>p0B>n0C; concentraţiile purtătorilor
minoritari se află într-un raport invers: p0E<<n0B<p0C. Ca urmare a
profilului de dopare cu impurităţi specificat mai sus, aceste
tranzistoare sunt marcate: n++
p+n pentru o structură npn şi p
++n
+p
pentru o structură pnp.
Pe scurt, procesele de conducţie din TB decurg după cum
urmează. Joncţiunea emitor-bază este polarizată direct şi o
cantitate mare de electroni este injectată din emitor în bază. Aceşti
electroni se deplasează spre colector prin procese de difuzie (la
tranzistoarele"drift" cu concentraţie neuniformă a impurităţilor în
bază intervin şi procese de drift) şi marea majoritate, peste 99%,
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
65
ajung la joncţiunea colector-bază; o mică cantitate de electroni se
recombină cu golurile existente în bază. Electronii care ajung la
Fig. 2 Modelul benzilor energetice la tranzistorul bipolar npn
colector participă la trecerea curentului invers prin joncţiunea
colector-bază. Curentul total de emitor are două componente IE =
InE + IpE, unde componenta electronică InE este dată de electronii
injectaţi în bază, iar componenta de goluri IpE este dată de golurile
care se deplasează din bază în emitor ; având în vedere raportul
concentraţiilor de dopare avem InE >> IpE.
Curentul total de colector are, de asemenea, două compo-
nente IC = InC + IpC; componenta InC este dată în principal de elec-
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
66
tronii proveniţi din emitor şi care au traversat baza; componenta
IpC este dată de golurile care trec din colector în bază. Aşa cum
rezultă din procesele descrise mai sus, cantitatea de electroni ce
traversează joncţiunea colector-bază este mult mai mare decât
cantitatea de goluri care trece din colector în bază, prin urmare are
loc inegalitatea InC >> IpC. Curentul de bază IB are mai multe
componente: electronii care se recombină în bază, golurile care se
deplasează înspre emitor, curentul rezidual de colector IC0, obţinut
în condiţa IE = 0.
2 Expresiile curenţilor din TB.
Expresiile curenţilor prin TB sunt date de ecuaţiile genera-
lizate Shockley:
1) - e(a + 1) - e(a = I V
V
12V
V
11E T
CB
T
EB
(1) (1)
1) - e(a + 1) - e(a = I V
V
22V
V
21C T
CB
T
EB
(2) (2)
unde coeficienţii aij sunt definiţi de relaţiile:
] L
pD +
L
wcth
L
nD [ qA = a
E
0EE
BB
0BBE11 (3)
(3)
L
wshL
pDqA - = a
B
B
0BB
E12 (4) (4)
L
wshL
pDqA = a
B
B
0BB
C21 (5) (5)
] L
pD -
L
wcth
L
nD [ qA = a
C
0CC
BB
0BBC22 (6)
(6)
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
67
Mărimile utilizate în aceste relaţii au următoarele semnificaţii:
VEB şi VCB sunt tensiunile aplicate pe joncţiunea emitor-bază,
respectiv colector-bază; VT=KBT/q este potenţialul termic (la
temperatura camerei T ≃300K, VT ≃0,025 V; AE, AC sunt ariile
joncţiunilor; DE, DB, DC sunt constantele de difuzie pentru
purtătorii minoritari în emitor, respectiv bază şi colector ; LE, LB,
LC ,sunt lungimile de difuzie ale purtătorilor minoritari în regiuni-
le specificate de indici; p0E, n0B, p0C sunt concentraţiile purtătorilor
minoritari în emitor, respectiv bază şi colector; w este lărgimea
efectivă a bazei.
Curentul din bază rezultă din relaţia:
I + I = I BCE (7) (7)
3. Caracteristici statice în conexiunea BC
Fiind un dispozitiv cu trei terminale, la TB există trei
tensiuni şi trei curenţi, unde ca urmare a legilor lui Kirchhoff,
numai două tensiuni şi doi curenţi sunt independenţi; a treia
mărime (tensiune sau curent) este univoc determinată de primele
două. Din cele patru mărimi rămase, două se consideră variabile
independente iar celelalte două sunt considerate funcţii; rezultă
astfel patru familii de caracteristici statice. În conexiunea BC
aceste caracteristici sunt definite prin relaţiile (în ordinea
importanţei):
ctI| )V(f = V ,ct V| )I(f = V
ctV| )I(f = I , ct. I| )V(f = I
ECB4EBCBE3EB
CBE2CECB1C
(8)
(8)
În practica curentă se utilizează primele trei familii; a patra familie
se utilizează pentru tranzistoarele speciale de înaltă frecvenţă.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
68
a. Caracteristici de ieşire, IC = f(VCB), cu IE parametru este
reprezentată în fig.3.a. Pe această familie se disting trei regiuni de
funcţionare a tranzistorului:
-(I) Regiunea activă în care joncţiunea emitor-bază este polarizată
direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers; este
regiunea de funcţionare normală a TB ca amplificator şi oscilator.
Întrucât IC este un curent invers, el prezintă o slabă dependenţă de
tensiunea VCB; creşterea uşoară a curentului IC în funcţie de VCB
este datorată micşorării lărgimii efective a bazei w (prin efect
Early) când VCB creşte.
Fig.3. Caracteristici statice ale tranzistorului bipolar în montaj
bază comună:a.-caracteristici de ieşire,b.-caracteristici de transfer,
c.-caracteristici de intrare d.-caracteristici de reacţie inversă
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
69
-(II) Regiunea de saturaţie, caracterizată prin polarizarea directă a
ambelor joncţiuni; este situată în cadranul al doilea unde VCB
devine negativ.
-(III) Regiunea de blocare, caracterizată prin faptul că ambele
joncţiuni sunt polarizate invers.
Regiunile (II) şi (III) sunt utilizate în procesele de comutare ale
TB. Drept expresie analitică aproximativă pentru descrierea
acestei familii de caracteristici poate servi relaţia (2) în care se
neglijează exp(VCB/VT) în raport cu unitatea; neglijarea este
posibilă întrucât VCB este o tensiune de polarizare inversă şi
VCB>>VT.
b. Caracteristici de transfer, IC = f(IE), cu VCB parametru sunt reprezentate în fig.3.b şi arată că între IC şi IE există o
dependenţă liniară. Această dependenţă poate fi descrisă analitic
printr-o relaţie simplificată. Cel mai important parametru care se
utilizează pentru caracterizarea globală a TB în conexiunea BC
este câştigul (factorul) de curent h21b = 0, definit prin relaţia:
.ct=V| dI
dI =
I
I = α CB
E
C
E
C0
(9)
(9)
ţinând cont de această relaţie şi de curentul rezidual IC0, se poate
scrie:
I + Iα = I C0E0C (10) (10)
Influenţa slabă a tensiunii VCB asupra familiei caracteristicilor de
transfer se explică tot prin efect Early; micşorarea lărgimii
efective a bazei duce la creşterea câştigului de curent.
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
70
c. Caracteristici de intrare, reprezentate sub forma IE = f(VEB)
cu VCB parametru, sunt date în fig.3.c. Forma unei caracteristici
este asemănătoare cu cea a unei diode polarizate direct. Acest fapt
decurge şi din relaţia (2) în care se neglijează exp (VCB/VT) în
raport cu unitatea. Se constată o anumită influenţă a tensiunii VCB,
care poate fi explicată prin creşterea gradientului de concentraţie a
purtătorilor minoritari în bază odată cu creşterea tensiunii VCB.
4. Caracteristici statice în conexiune EC
a. Caracteristici de ieşire, IC=f(VCE), cu IB parametru
prezentate în fig.4.a. Se disting trei regiuni de funcţionare:
-(I) Regiunea activă în care joncţiunea bază-emitor este polarizată
direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers. Trebuie
observat că în această regiune atât pe bază cât şi pe colector sunt
aplicate tensiuni pozitive în raport cu emitorul şi VCE>VBE . Panta
caracteristicilor este mai mare decât la conexiunea BC; această
particularitate se explică prin faptul că în cazul conexiunii EC
efectul Early influenţează curentul IC prin intermediul factorului
0 = 0/(1-0) (în conexiunea BC efectul Early influenţează
curentul IC prin intermediul factorului 0). În acest sens este utilă
stabilirea unei dependenţe convenabile între IC şi IB. Dacă în (10)
se înlocuieşte IE cu valoarea scoasă din (7) se obţine:
I + Iβ = I CE0B0C (11) (11)
unde
α - 1
I = I ,
α - 1
α = β
0
C0CE0
0
0
0 (12)
(12)
mărimea 0 reprezintă câştigul de curent în conexiune EC.
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
71
Fig. 4 Caracteristici statice ale tranzistorului în montaj emitor
comun.a.- caracteristici de ieşire, b.-caracteristici de transfer, c.-
caracteristici de intrare, d-caracteristici de reacţie inversă .
-(II) Regiunea de saturaţie în care ambele joncţiuni sunt polarizate
direct; această regiune este situată în primul cadran, între ordonată
şi dreapta VCE=VBE ; pentru VCE<VBE, ambele tensiuni fiind
pozitive, cele două joncţiuni sunt polarizate direct .
-(III) Regiunea de blocare în care ambele joncţiuni sunt polarizate
invers; aşa cum rezultă din (12) curentul ICE0, care se obţine pentru
IB=0, este mult mai mare decât IC0.
b. Caracteristici de transfer, IC = f(IB), cu VCE parametru prezentate în fig.4.b. Forma lor diferă mult de caracteristicile
similare din conexiunea BC; atât timp cât VCE>VBE
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
72
(regiunea activă), caracteristicile reprezintă drepte descrise de
relaţia (11), având panta egală cu 0; pentru tensiuni VCE<VBE
coeficientul 0 scade rapid la zero, putând lua valori negative
întrucât IC îşi poate schimba sensul.
c. Caracteristici de intrare, IB=f(VBE) cu VCE parametru,
ca în fig.4.c. Sunt de semnalat câteva particularităţi: numai
caracteristicile corespunzătoare valorii VCE = 0 trec prin origine;
pentru restul caracteristicilor avem IB(VBE=0) = - IC0; influenţa
tensiunii VCE este mai puternică în domeniul de valori VCE<VBE şi
devine neglijabilă pentru VCE>VBE.
5. Parametrii h. Scheme echivalente de cuadripol Pentru calculul circuitelor de amplificare, oscilaţie,
comutare, filtrare ş.a. realizate cu TB, se utilizează schemele de
cuadripol. În funcţie de tipul circuitului electronic şi de regimul de
funcţionare al TB schemele echivalente pot fi liniare (de semnal
mic) sau neliniare. În continuare se prezintă scheme echivalente
(modele) de semnal mic cu parametrii h.
Indiferent de conexiune TB poate fi privit ca un
cuadripol (reţea electrică) la care se disting patru borne
accesibile, două la intrare şi două la ieşire. Cele trei tipuri de
conexiuni fundamentale ale TB sunt indicate în fig.5.
Fig. 5 Modurile fundamentale de conectare în circuit a
tranzistorului bipolar :a.- Bază comună (BC) , b.- Emitor comun
(EC) , c.- Colector comun (CC)
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
73
Sub formă generală, mărimile de intrare şi de ieşire au o
componentă continuă şi una variabilă (de semnal)
iΔ + I = i , iΔ + I = i
vΔ + V = v , vΔ + V = v
IIIIQIIIIQI
IIIIQIIIIQI (13)
(13)
unde VIQ, I IQ, VIIQ, I IIQ reprezintă valorile continue ce definesc
punctele statice de funcţionare; vI, i I, vII, i II sunt variaţii
ale mărimilor respective în jurul valorilor continue. Condiţia de
semnal mic presupune: vI << VIQ, i I << I IQ, vII << VIIQ, i II
<< I IIQ. Parametrii h se obţin dacă mărimile i I şi v II sunt
considerate variabile independente, iar v I şi i II funcţii; se poate
scrie:
)v,i(f = i
)v,i(f = v
III2II
III1I (14)
Dacă i I şi v II prezintă variaţii în jurul valorilor IIQ şi VIIQ, atunci şi
v I, i II vor prezenta variaţii în jurul valorilor VIQ şi IIIQ. Pentru a
stabili legătura între variaţiile tensiunilor şi curenţilor se
efectuează o dezvoltare în serie Taylor a expresiilor (14), în care
se neglijează apoi termenii de ordin superior; rezultă:
vΔh + iΔh + |i = i
vΔhiΔh + |vv
II22I21QIIII
II12I11QII (15)
(15)
unde mărimile:
I = |i , V = |v IIQQIIIQQI (16) (16)
Q
|v
i = h , |
i
i = h
|v
v = h ,
i
v = h
II
II22Q
I
II21
II
I12
1
I11
(17)
(17)
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
74
reprezintă parametrii h ai TB. Presupunând că variaţiile iI, vI.
vII, iII reprezintă componente de semnal, ele pot fi notate prin
valorile instantanee alternative
v = vΔ , v = vΔ
i = iΔ , i = iΔ
2II1I
2II1I (18)
(18)
Ţinând cont de (13), din (15) se scoate:
vh + ih = i
vh + ih = v
2221212
2121111 (19)
(19)
parametrii h au un caracter diferenţial.
Relaţiile (19) pot fi particularizate pentru cele trei tipuri de
conexiuni:
-conexiunea EC, h b:
vh + ih = i
vh + ih = v
cb22be21bc
cb12be11beb (20)
(20)
-conexiunea EC, h e:
vh + ih = i
vh + ih = v
ce22eb21ec
ce12eb11ebe (21)
(21)
-conexiunea CC, h c:
vh + ih = i
vh + ih = v
ec22cb21ce
ec12cb11cbc (22)
(22)
Schemele echivalente corespunzătoare sunt reprezentate în fig.6.
Sursele de tensiune şi de curent din aceste scheme sunt controlate
(dependente) astfel încât valorile lor depind de curenţii şi
tensiunile la terminalele tranzistorului. Trebuie observat că
schemele echivalente prezentate se referă numai la componentele
alternative de semnal ; parametrii h11 şi h21 se determină în
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
75
condiţii de scurtcircuit la ieşire iar h21 şi h22 în condiţii de gol la
intrare.La TB se pot defini, de asemenea, parametrii y şi z care se
utilizează mai rar.
Fig.6 Scheme echivalente cu parametri h pentru TB
6. Studiul experimental al TB. Trasarea caracteristicilor
statice la TB
Trasarea caracteristicilor statice poate fi realizată pe
caracteriscop, pe înregistrator grafic X-Y şi prin metoda punct cu
punct. Cea mai performantă modalitate este prima deoarece per-
mite o analiză rapidă pentru diferite polarizări, o comparaţie
directă a mai multor dispozitive de acelaşi tip şi asigură iden-
tificarea regimurilor maxime de funcţionare fără distrugerea com-
ponentelor. În continuare se prezintă metoda trasării punct cu
punct.
iie ch11b
veb
h12bvcb h i21b e
vh22b
b c
vbe
vbc
h11e
11c
h12evce
h12cvec
h21ei
h21ci
h
h
22e
22c
v
v
ce
ec
i ib e
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
76
Pentru comanda circuitului de intrare al TB este necesară o
sursă de curent constant. Aceasta se realizează cu un circuit
electronic activ sub forma unui modul SC, fixat pe planşeta de
lucru care este alimentat de la o sursă stabilizată de tensiune S1 şi
prezintă o rezistenţă internă ridicată. După montarea pe planşetă a
modulului de curent constant sursa de tensiune care îl alimentează
este reglată la 30V după care nu se mai acţionează asupra ei,
curentul constant fiind modificat din potenţiometrul modulului SC
şi măsurat cu instrumentul M1. Atenţie la polarităţile sursei de
alimentare şi a modulului de curent constant.
I. Conexiunea BC Va fi utilizat montajul din fig.7 (pentru
tranzistor npn).
Fig.7 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice în
conexiune BC la un tranzistor npn
Sursa de curent SC pentru montaj BC asigură o modificare
continuă a curentului de emitor în limitele 110 mA. Urmărind
înregistrarea dependenţelor (8) se ridică valori pentru cel puţin 5
caracteristici din fiecare familie, iar apoi se reprezintă grafic. Din
caracteristicile statice obţinute se determină parametrii h b în acord
cu definiţiile din 1.3.
mA
M1
mA
M2E
B
C
+
-
S1+
-
SC
+
-S2
VE
M3
VE
M430V 0-20V
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
77
ct.=I| VΔ
IΔ = h , ct.=V|
IΔ
IΔ = h
ct.=I| VΔ
VΔ = h , ct.=V|
IΔ
VΔ = h
E
CB
C22bcb
E
C21b
E
CB
EB12bCE
E
EB11b
(23)
(23)
II. Conexiunea EC
Se realizează montajul din fig.8 (tranzistor npn).
Fig.8 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice în
conexiune EC la un tranzistor npn
Sursa de curent SC pentru monaj EC furnizează un curent
constant reglabil între 10100 A. Se ridică valori pentru trasarea
următoarelor familii de caracteristici:
-caracteristicile de ieşire IC = f1(VCE), IB parametru;
-caracteristicile de intrare IB = f2(VBE), VCE parametru;
-caracteristicile de transfer IC=f3(IB), VCE parametru;
-caracteristicile de reacţie VBE=f4(VCE), IB parametru. .
M1
mA
M2
E
B
C+
-S1
+
-SC
+
-S2
VE
M3
VE
M430V 0-20V
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
78
Se vor reprezenta minimum cinci caracteristici din fiecare
familie. Vor fi calculaţi parametrii h e conform relaţiilor:
ct.=I| VΔ
IΔ = h , ct.=V|
IΔ
IΔ = h
ct.=I| VΔ
VΔ = h , ct.=V|
IΔ
VΔ = h
B
CE
C22eCE
B
C21e
B
CE
BE12eCB
B
BE11e
(24)
(24)
În cadrul lucrării practice sunt analizate tranzistoarele
de mică putere cu siliciu din seria BC 413-414
1. Tranzistoarele planar-epitaxiale prezintă o dependenţă de
curent a amplificării. La curenţi mici de 0,11 mA amplificarea
este mai redusă şi creşte de 2...3 ori la creşterea curentului,
atingând un maxim la 1020 mA. Tranzistoarele sunt marcate cu
indici suplimentari în funcţie de amplificarea în curent astfel:
2. Familia BC413-BC414 în capsulă din plastic TO-92 se
produce pe plan mondial din 1965 de către Philips, Siemens,
AEG-Telefunken, SESCOSEM, Texas Instruments, Motorola
Fairchild, SGS Thomson , IPRS Băneasa.
3. Puterea disipată la 45C este pentru toate tipurile de cel
puţin 300 mW. Nu se recomandă ca la funcţionarea de lungă
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
79
durată puterea să depăşească 150 mW, astfel încât joncţiunea să
aibă o temperatură sub 125C, asigurându-se fiabilitatea.
În continuare sunt prezentate caracteristicile tranzistoarelor din
seria BC413-BC414.
Valori maxime absolute
Mărimea simbol min tip max UM Observaţii
Tensiunea colector-baza UCB0 45 50 V
Tensiunea colector-emitor UCE0 30 45 V
Tensiunea emitor-baza UEB0 5 V
Curent de vârf la colector ICM 100 mA
Curent de bază IBM 20 mA
Puterea totală disipată Ptot 300 mW Tamb;< 25 0C
Temperatura jonc;iunii tj 150 0C
Temperatura de stocare tstg -55 … +150 0C
Rezistenţa termică Rthja 420 K/W
Caracteristici de curent continuu
Mărimea simbol min tip max UM Observaţii
Curent rezidual de colector
La UCB=30V
ICB0 15 nA Tamb=250C
5 Tamb=1250C
Curent rezidual de emitor IEB0 15 nA
Tensiune de străpungere
colector bază (IC= 10
U(BR)CB0 45 V BC413
50 BC414
Tensiune de străpungere
colector emitor (IC= 10mA)
U(BR)C0 30 V BC413
45 BC414
Tensiune de străpungere emitor
baza (IE= 10
U(BR)EBO 5 V
Tensiune de saturaţie colector emitor
UCEsat
90 250 mV IC= 10mA, IB= 0,5mA
200 600 mV IC= 100mA,
IB= 5mA
Tensiunea de satura;ie bază emitor
UBEsat 700 mV IC= 10mA, IB= 0,5mA
Tensiunea baza emitor UCE 620 mV UCE=5V
IC= 2mA
Amplificarea în curent hFE B: C:
180 290 460 380 500 800
UCE=5V IC= 2mA
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
80
Caracteristici dinamice (la t =25
0C)
Mărimea simbol min tip max UM Observaţii
Produsul bandă x amplificare
La f = 100MHz
fT 250 MHz UCE=5V
IC=10mA
Capacitatea bază colector CCB0 2,5 pF
Factorul de zgomot f= 30Hz- 15KHz
F 3 dB UCE= 5V
Ic= 200
Parametrii h în montaj EC
Parametrul grupa min tip max UM
hie B
C
3,2 4,5 8,5
6 8,7 15 K
hre B
C
2x10 - 4
3x10 - 4
hfe B C
330 600
hoe B
C
30 60
60 110 S
Fig.9 Caracteristicile statice de ieşire la tranzistorul BC413 în
montaj EC
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
81
Fig.10 a.-tensiunea de saturaţie colector-emitor în funcţie de
curentul de colector (hfe= 20, tamb= 250C) b.- tensiunea bază-
emitor în funcţie de curentul de colector (UCE= 5V, tamb= 250C)
7.Tranzistorul bipolar ca element de circuit
( Studiu suplimentar)
Pentru a putea realiza cu ajutorul TB diferite funcţii trebuie
ca acesta să fie polarizat într-un anumit mod specific. Alegerea
punctui static caracterizat printr-un curent de bază IBQ , o tensiune
de colector VCQ şi un curent de colector ICQ , se face pe baza unor
criterii impuse de funcţia dorită.
Punctul de funcţionare trebuie plasat într-o regiune bine
definită, delimitată pe familia caracteristicilor de ieşire de: puterea
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
82
Fig.11 Parametrii h in montaj EC pentru tranzistorul BC413
disipată maximă, tensiunea maximă admisă şi curentul maxim
admis.
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
83
Condiţia ca puterea disipată de tranzistor să nu crească peste
limita admisă dictează o graniţă sub formă de hiperbolă în planul
caracteristicilor de ieşire:
Limitarea tensiunii colector-emitor la o valoare VCmax, este
impusă de multiplicarea în avalanşă a purtătorilor în regiunile de
trecere , fapt care conduce la străpungerea electrică a joncţiunii
bază-colector. Curentul de colector trebuie să fie sub o valoare
ICmax pentru a preveni distrugerea tranzistorului sau scăderea
pronunţată a factorului 0. La tensiuni mici domeniul de
funcţionare este limitat de graniţa dintre regiunea activă şi cea de
saturaţie,iar la curenţi mici de cea între regiunea activă şi regiunea
de blocare.
P = vi DmaxCC (25)
Fig.12 Domeniul de funcţionare admis pentru TB
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
84
Schema unui amplificator de semnal mic cu TB npn în montaj
EC este prezentată în fig.13
IC
I CQ
Q
Fig.13 Schema unui amplificator de semnal mic cu tranzistor
bipolar
TB fiind un dispozitiv cu comandă în curent în circuitul de intrare
se conectează în serie cu tensiunea de polarizare VBB şi cu sursa
de semnal un rezistor Rb de valoare ridicată. Mărimile care
intervin în analiză sunt vB, iB, vC, iC, iniţial necunoscute şi care au
expresiile:
v + V = v
i + I = i
i + I = i
v + V = v
cCQC
cCQC
bBQB
bBQB
(26)
(14)
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici
statice, circuite de polarizare
85
Se presupun cunoscute vb (vbvs).
Pentru circuitul de colector se poate scrie legea a II-a a lui
Kirchhoff (în regim lent variabil)
Această relaţie reprezintă ecuaţia dreptei de sarcină pentru
circuitul de ieşire trasată în familia caracteristicilor de colector
(fig.13b). Dreapta intersectează axele de coordonate în punctele
(0,VCC), (VCC/RC,0) şi are panta -1/RC. Punctul static este
determinat de IBQ, ICQ şi VCQ.
Pentru circuitul de bază se poate scrie:
relaţie care reprezintă ecuaţia dreptei de sarcină pentru circuitul de
intrare (fig.13c). Ea intersectează axele de coordonate în punctele
(0,VBB), (VBB/Rb). Rb are valori mari, panta dreptei are valori mici
şi se poate aproxima ca fiind paralelă cu axa VB. Se admite astfel
că iB este slab influenţat de tipul tranzistorului şi regimul său de
funcţionare.
În montajele practice se utilizează o singură sursă de ten-
siune pentru polarizarea tranzistorului, iar circuitul se realizează
astfel încât să asigure stabilizarea punctului de funcţionare.
Variaţia temperaturii influenţează regimul de curent continuu al
tranzistorului. Dacă temperatura creşte, punctul de funcţionare se
deplasează spre curenţi mari în regiunea de saturaţie, iar la
scăderea temperaturii spre regiunea de blocare.
Punctul static de funcţionare trebuie menţinut constant la
modificarea temperaturii. Circuitul simplu din fig.13a nu poate
asigura protecţia la fenomenul de ambalare termică. Dacă
temperatura creşte, curentul de colector creşte datorită creşterii
valorii lui 0 cu temperatura. Un astfel de circuit poate fi utilizat
doar la puteri disipate reduse şi la temperaturi ambiante apropiate
Ri + V = v CCCCC (27)
Ri - V = v BBBBB (28)
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ
LUCRĂRI PRACTICE
86
de 20C. În fig.14 se prezintă o variantă de polarizare cu o singură
sursă de tensiune care asigură totodată şi stabilizarea termică a
punctului de funcţionare.
Fig.14 Schema unui amplificator de semnal mic cu TB
Tensiunea continuă VBQ şi curentul IBQ se fixează prin ale-
gerea elementelor divizorului rezistiv R1 şi R2 şi a valorii
rezistorului din emitor RE. Condensatorul CE constituie drumul de
închidere la masă a componentei alternative de semnal. Tensiunea
vBE în absenţa semnalului, va fi dată de diferenţa dintre tensiunea
în punctul B asigurată prin divizorul R1, R2 şi căderea de tensiune
pe rezistorul RE. O creştere a curentului de colector provocată de
ridicarea temperaturii produce o cădere mai mare de tensiune la
bornele rezistorului RE, ducând la micşorarea tensiunii vBE şi deci
a curentului iB; curentul de colector este menţinut astfel la o
valoare constantă. Punctul static de funcţionare este stabilizat.