1
Badanie tranzystora bipolarnego
Symulacja komputerowa PSPICE 9.1
www.pspice.com
Spis
ć
wicze
ń
:
1. Charakterystyka wej
ś
ciowa tranzystora bipolarnego
2. Wyznaczanie rezystancji wej
ś
ciowej
3. Rysowanie charakterystyk wyj
ś
ciowych
4. Rysowanie charakterystyki przej
ś
ciowej
1. Charakterystyka wej
ś
ciowa tranzystora bipolarnego
Opis
Tranzystor bipolarny jest trójnikiem i ma trzy ko
ń
cówki: emiter E, baz
ę
B oraz
kolektor C. W układach elektronicznych jedna ko
ń
cówka jest wspólna i dlatego
rozró
ż
niamy trzy ró
ż
ne konfiguracje układowe, czyli układy wspólnego emitera
WE, wspólnej bazy WB i wspólnego kolektora WC (inne oznaczenia: OE, OB i OC
In CE, CB i CC). Najcz
ęś
ciej wykorzystywany jest układ wspólnego emitera i
dlatego charakterystyki i podstawowe parametry tranzystora bipolarnego NPN
wyznaczmy dla tranzystora Q2N2222 pracuj
ą
cego w układzie WE. Tranzystor
bipolarny b
ę
dzie pracował w obszarze pracy aktywnej wówczas, gdy zł
ą
cze
emiterowe spolaryzujemy w kierunku przewodzenia napi
ę
ciem U
BE
> U
(TO)
, za
ś
zł
ą
cze kolektorowe spolaryzujemy w kierunku wstecznym, czyli U
CB
> 0. Warunek
ten jest spełniony, gdy napi
ę
cie kolektor-emiter jest dodatnie i ma warto
ść
wi
ę
ksz
ą
od napi
ę
cia nasycenia U
Cesat
. Poniewa
ż
oznaczenia poszczególnych
pr
ą
dów i napiec w układzie symulacyjnym inne ni
ż
w katalogach, w tabeli 1
podano zestawienie oznacze
ń
.
Tabela 1. Zestawienie oznacze
ń
dla obwodu wej
ś
ciowego tranzystora
bipolarnego w układzie wspólnego emitera
Oznaczenia
L.p.
Wielko
ść
fizyczna, parametr
Katalogowe
W prog. Probe
1
Napi
ę
cie baza – emiter , napi
ę
cie
wej
ś
ciowe
U
BE
V_V1
2
Pr
ą
d bazy, pr
ą
d wej
ś
ciowy
I
B
Ib(Q1)
3
Napi
ę
cie kolektor – emiter, napi
ę
cie
wyj
ś
ciowe
U
CE
V(Q1:c)
Sposób post
ę
powania przy rysowaniu charakterystyk wej
ś
ciowych tranzystorów
bipolarnych jest bardzo podobny do rysowania charakterystyk statycznych diod
konwencjonalnych, ale w układzie wyst
ę
puje dodatkowo napi
ę
cie zasilaj
ą
ce
obwód kolektor – emiter: podstawowe ustawienia dla analizy DC Sweep:
•
Ź
ródło V1: od –1 do 1 co 0.01,
•
Ź
ródło V2 (analiza Nested Sweep): od 5 do 20 co 5.
2
Rysunek nr 1. Schemat układu
Ć
wiczenia:
1. Narysuj charakterystyk
ę
wej
ś
ciow
ą
tranzystora Q2N2222 dla U
CE
= 0.
2. Narysuj charakterystyk
ę
wej
ś
ciow
ą
dowolnego innego tranzystora
bipolarnego.
3. Na podstawie charakterystyki wej
ś
ciowej tranzystora Q2N2222 dla I
B
= 2.5 mA
wyznacz warto
ść
temperaturowego współczynnika napi
ę
cia (jest ot zmiana
napi
ę
cia baza – emiter przypadaj
ą
ca na 1 stopie
ń
zmiany temperatury).
Porównaj j
ą
z danymi katalogowymi typowych tranzystorów małej mocy.
3
2. Wyznaczanie rezystancji wej
ś
ciowej
Rezystancja statyczna diody emiterowej w dowolnym punkcie mo
ż
e by
ć
obliczona ze stosunku warto
ś
ci napi
ę
cia baza-emiter do warto
ś
ci pr
ą
du bazy przy
stałym napi
ę
ciu kolektor-emiter:
R
BE
=
U
BE
I
B
(1)
gdzie: U
CE
= const
W katalogach rezystancja statyczna oznaczana jest przez h
11E
. W celu
narysowania wykresu zale
ż
no
ś
ci statycznej rezystancji wej
ś
ciowej od napi
ę
cia
baza-emiter po uruchomieniu symulacji w programie Probe klikamy kolejno:
Trace
→
→
→
→
Add... i w okienku Trace Expression wpisujemy V(V1:+)/IB(Q1).
Klikamy OK i otrzymujemy wykres zale
ż
no
ś
ci rezystancji statycznej diody
emiterowej do napi
ę
cia baza – emiter.
Rezystancja statyczna mo
ż
e zmienia
ć
si
ę
w bardzo du
ż
ym zakresie w
zale
ż
no
ś
ci od poło
ż
enia punktu pracy na charakterystyce, dlatego w celu
zwi
ę
kszenia dokładno
ś
ci odczytu nale
ż
y zaw
ę
zi
ć
zakres zmian napi
ę
cia baza-
emiter.
Rysunek nr 2 Schemat układu do wyznaczania rezystancji wej
ś
ciowej
Rezystancja dynamiczna diody emiterowej w pobli
ż
u pewnego punktu mo
ż
e
by
ć
obliczona ze stosunku przyrostu napi
ę
cia baza – emiter od przyrostu pr
ą
du
bazy:
r
be
= h
11e
=
∆
U
BE
∆
I
B
(2)
gdzie: U
CE
= const
4
w programie Probe klikamy kolejno: Trace
→
→
→
→
Add... i w okienku Trace
Expression wpisujemy: 1/D((IB(Q1)), co odpowiada odwrotno
ś
ci pochodnej
pr
ą
du bazy.
Zarówno rezystancja statyczna, jak i dynamiczna zale
żą
od poło
ż
enia punktu
pracy na charakterystyce i mog
ą
zmienia
ć
si
ę
w bardzo du
ż
ych granicach.
Zwi
ę
kszenie dokładno
ś
ci odczytu mo
ż
liwe jest po zaw
ęż
eniu zakresu zmian
napi
ę
cia baza – emiter.
Ć
wiczenia:
1.
Narysuj wykres zale
ż
no
ś
ci statycznej rezystancji wej
ś
ciowej tranzystora
od napi
ę
cia baza – emiter dla napi
ęć
baza – emiter zmieniaj
ą
cych si
ę
w
granicach od 300mV do 500mV
2.
Narysuj wykres zale
ż
no
ś
ci dynamicznej rezystancji wej
ś
ciowej
tranzystora od napi
ę
cia baza – emiter dla napi
ęć
baza – emiter
zmieniaj
ą
cych si
ę
w granicach od 300mV do 500mV
3.
Narysuj wykres zale
ż
no
ś
ci statycznej rezystancji wej
ś
ciowej tranzystora
od napi
ę
cia baza – emiter dla napi
ęć
baza – emiter zmieniaj
ą
cych si
ę
w
granicach od 100mV do 200mV
3. Rysowanie charakterystyk wyj
ś
ciowych
Rodzina charakterystyk wyj
ś
ciowych tranzystora bipolarnego w układzie
wspólnego emitera nazywamy zale
ż
no
ść
pr
ą
du wyj
ś
ciowego od napi
ę
cia kolektor
– emiter przy stałej warto
ś
ci pr
ą
du wej
ś
ciowego:
I
C
= f(U
CE
) | I
B
= const
(3)
Oznaczenia:
U
BE
– napi
ę
cie baza-emiter, czyli napi
ę
cie wej
ś
ciowe;
I
B
– pr
ą
d bazy, czyli pr
ą
d wej
ś
ciowy;
U
CE
– napi
ę
cie kolektor-emiter, czyli napi
ę
cie wyj
ś
ciowe;
I
C
– pr
ą
d kolektorowy, czyli pr
ą
d wyj
ś
ciowy.
Tabela nr 2. Zestawienie oznacze
ń
dla tranzystora bipolarnego w układzie
wspólnego
Emitera.
Oznaczenia
L.p.
Wielko
ść
fizyczna, parametr
Katalogowe
w prog. Probe
1
Napi
ę
cie baza-emiter, napi
ę
cie wej
ś
ciowe
U
BE
V(Ql:b)
2
Pr
ą
d bazy, pr
ą
d wej
ś
ciowy
I
B
I_I1
3
Napi
ę
cie kolektor-emiter, napi
ę
cie
wyj
ś
ciowe
U
CE
U_U1
4
Pr
ą
d kolektorowy, pr
ą
d wyj
ś
ciowy
I
c
Ic(Q1) lub
IC(Q1)
5
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia
pr
ą
dowego
h
21E
IC(Q1)/IB(Q1)
6
Konduktancja wyj
ś
ciowa
h
22E
IC(Q1)/V(Q1:C)
5
Rysowanie rodziny charakterystyk wyj
ś
ciowych tranzystora bipolarnego
metod
ą
krok po kroku
1. Rysujemy schemat symulowanego układu zgodnie z rysunkiem nr .... W
bibliotece
ź
ródeł
ź
ródło pr
ą
dowe I1 nosi nazw
ę
ISRC, za
ś
ź
ródło napi
ę
ciowe
V1 nosi nazw
ę
VSRC.
2. Po podwójnym klikni
ę
ciu symbolu ka
ż
dego ze
ź
ródeł deklarujemy i zapisujemy
ich parametry. Dla
ź
ródła V1 przykładow
ą
warto
ść
DC = 20 V; dla
ź
ródeł
przyjmujemy DC = 10 pA.
3. Wydajemy polecenia: Analysis
→
Setup
→
DC Sweep..., a nast
ę
pnie
deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep. W tym celu w okienku DC Swep
zaznaczamy Voltage Source i Linear, w polu Name wpisujemy V1 i
deklarujemy:
•
Start Value: 0,
•
End Value: 20,
•
Increment: 0.01.
4. Klikamy Nested Sweep... i otwiera sie okno DC Nested Sweep, w którym
zaznaczamy Current Source i Linear, wpisujemy Name: I1 oraz:
•
Start Value: 0,
•
End Value: 50
µ
,
•
Increment: lO
µ
.
Zaznaczamy Enable Nested Sweep i klikamy OK. Zamykamy okno Analyst
Setup.
5. Zapisujemy schemat i klikamy przycisk uruchamiaj
ą
cy symulacje Simulate
Uwagi:
•
Nale
ż
y zwróci
ć
uwag
ę
na strzałk
ę
w symbolu pr
ą
du - przy pobieraniu
symbolu
ź
ródła pr
ą
dowego z biblioteki strzałka skierowana jest w dół, a
wiec nale
ż
y j
ą
odwróci
ć
(po zaznaczeniu symbolu
ź
ródła dwukrotnie
wykorzystujemy klawisze Ctrl+R).
•
Umieszczenie na schemacie rezystora R1 o warto
ś
ci 1 m
Ω
nie zmienia
wyników, a umo
ż
liwia obliczanie parametrów dla napi
ęć
zmieniaj
ą
cych
si
ę
od 0 V.
6
Rysunek nr 3. Schemat układu do wyznaczania rodziny charakterystyk wyj
ś
ciowych
Do rodziny charakterystyk wyj
ś
ciowych mo
ż
emy dorysowa
ć
proste obci
ąż
enia
W tym celu w programie Probe wydajemy polecenia: Trace
→
→
→
→
Add.... W okienku
Trace Expression wpisujemy: (20-V(Q1:c))/R1, gdzie R1 oznacza warto
ść
rezystancji kolektorowej oznaczanej tradycyjnie przez Rc. Proste obci
ąż
enia
narysowa
ć
dla konkretnych rezystancji o warto
ś
ciach 1 k
Ω
, 2 k
Ω
i 5 k
Ω
.
Rysowanie hiperboli mocy dopuszczalnej
W celu narysowania hiperboli mocy dopuszczalnej w polu charakterystyk
wyj
ś
ciowych tranzystora rysujemy dodatkowy wykres opisany równaniem: P/V(Q1:c),
gdzie P oznacza moc dopuszczaln
ą
wyra
ż
on
ą
w watach [W].
Ustaw Trace
→
→
→
→
Add...
→
→
→
→
Trace Expression: 0.1/V(Q1:c).
Ć
wiczenia:
1. Narysuj rodzin
ę
charakterystyk wyj
ś
ciowych tranzystora dla pr
ą
dów bazy
zmieniaj
ą
cych si
ę
w granicach od 1 do 5
µ
A
2. Narysuj rodzin
ę
charakterystyk wyj
ś
ciowych tranzystora dla napi
ęć
kolektor –
emiter zmieniaj
ą
cych si
ę
od 0V do 5V