Биполярные транзисторы 5

Московский Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

Исследование полупроводниковых приборов

по теме:

«Биполярные транзисторы»

По научной работе выполнил _______________ Ворончихин Д. Н.

подпись, дата

Руководитель темы проверил ________________ Загидуллин Р. Ш.

подпись, дата

Москва, 2008

Реферат

Отчет 20 с., 3 ч., 30 рис., 1 источник.

Объектом исследования являются биполярные транзисторы.

Цель работы — получение модельных характеристик транзисторов и их занесение в библиотеку МС7, а также установка рабочей точки в промежуточном каскаде УНЧ и настройка УНЧ в заданной полосе частот.

В процессе работы проводились экспериментальные исследования в лаборатории и моделирование экспериментальных исследований в программе МС7.

Содержание

Реферат - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2

Содержание - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -2

Обозначения и сокращения - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3

Введение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3

1. Определение параметров модели транзистора- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3

1.1 Определение параметров модели транзистора из библиотеки МС7- - - - - - - - - 3

1.2 Определение параметров модели транзистора из экспериментального стенда- 8

2. Установка рабочей точки - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13

3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15

Заключение- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19

Список литературы - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19

Приложение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20

Обозначения и сокращения

МС7 – MicroCap7

УНЧ – усилитель низкой частоты

Ib - ток базы

Ik - ток коллектора

Uke - напряжение коллектор эмиттер

Ube - напряжение база эмиттер

Ukb - напряжение коллектор база

Сob - емкость коллекторного перехода

Cjc – барьерная емкость коллекторного перехода

Cje – барьерная емкость эмиттерного перехода

Fгр – граничная частота усиления

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

Введение

В ходе работы мы преследуем несколько целей. В первой части наша задача – создание модели экспериментально-исследованного транзистора и внесение его в библиотеку МС7 для дальнейшего использования. При этом мы используем программу MODEL, адекватность модели создаваемой этой программой мы проверяем, рассчитывая в ней транзистор уже существующий в МС7. Получив его модельные характеристики, сравниваем созданную модель с существующей, критерий оценки – совпадение выходных характеристик в контрольной точке с точностью до 10%. Убедившись в адекватности работы, используем экспериментальные данные и справочные материалы для определения в программе MODEL всех параметров модели (статических и динамических). Заносим рассчитанный транзистор в библиотеку MC7. Критерием адекватности модели вновь является совпадение экспериментальной и модельной выходных характеристик в контрольной точке (5мА, 5В) с точностью до 10%. Во второй части мы устанавливаем рабочую точку и рассчитываем разделительные емкости для УНЧ на биполярном транзисторе. Затем анализируем его при помощи MC7, для, lkализируем его при помощи ЬСнзисторе.ку и рассчитываем разщделительныемодельной зистор уже существующий в МС7. оценки качества усиления рассчитываем коэффициент нелинейных искажений нашего УНЧ.

1.
Определение параметров модели транзистора

1.1 Определение параметров модели транзистора из библиотеки МС7

В соответствии с вариантом исследуемый транзистор КТ315В. Для определение его параметров построим семейство выходных характеристик для тока базы Ib=1, 2, 3, 4, 5 мА, при этом используем следующую схему:

Рис.1

Полученные выходные характеристики:

Рис.2

Также нам необходимы входные характеристики. Здесь достаточно двух характеристик при Uke = 0 В; 5 В. Используем следующую схему измерений:

Рис.3

Полученные характеристики:

Рис.4

Теперь определим статические
параметры модели используя программу MODEL:

Рис.6

Рис.5

Рис.7

Рис.8

Рис.7

Теперь обратимся к динамическим
параметрам модели транзистора, при этом используем справочные данные. Определяем напряжение эмиттер – база и ёмкость коллекторного перехода Ukb = 10 B , Cob = 7 пФ. Данные вносим в соответствующую таблицу программы MODEL и рассчитываем параметры.

Для эмиттерного перехода барьерную ёмкость Cje выбираем на порядок ниже получившейся барьерной емкости коллекторного перехода Cjc, то есть Cje = Cic/10 = .

Постоянная времени прямого включения TF (определяет среднее время жизни неосновных носителей в базе) может быть определена по граничной частоте Fгр = 5МГц и значению BF = 202.02, рассчитанному выше :

Постоянная времени обратного включения TR для сплавных транзисторов обычно задается 0.5-0.3 TF:

Итак, мы рассчитали все параметры модели исследуемого биполярного транзистора. Внесем его в библиотеку МС7, создав файл с расширением *.lib:

* Q2T208K_NEW.lib

*****

*** Q2T208K_NEW

.MODEL Q2T208K_NEW PNP (IS=9.99992F BF=202.02 NF=1.00012 VAF=46.2499

+ IKF=80.3629M ISE=1.350869e-018 NE=1.52899 BR=4.10679 IKR=999.977 ISC=99.9999P

+ NC=2 RE=367.168M CJE=108.675P VJE=700.002M MJE=499.771M CJC=190.373P VJC=700M

+ MJC=500.069M TF=157.6P XTF=500M VTF=10 ITF=10M TR=78.78P EG=1.11)

Для проверки адекватности модели построим выходную характеристику, используя схему на рис. рассчитанного и внесенного в библиотеку транзистора КТ315Вnew при токе базы Ib = 400 мкА.

Рис.9

Сравнив значения в контрольной точке Uke = 5 В, получаем следующую погрешность в %:

ения в конрольной точке Гсчитанного и внесенного в библиотеку транзисора

1.2 Определение параметров модели транзистора из экспериментального стенда

Нами проводились исследование транзистора МП40 на лабораторном стенде. При этом, используя нижеприведенную схему, мы получили выходные характеристики транзистора при трех токах базы: Ib = 0.18 мА; 0.09 мА; 0.27 мА.

Рис.10

Полученные данные:

И соответственно выходные характеристики:

Рис.11

Также мы получили входные характеристики для исследуемого транзистора при двух значениях выходного напряжения Uke = 0 В; 5 В, используя ниже приведенную схему измерений.

Рис.12

Рис.13 < br />

Используя полученные экспериментальные данные и программу MODEL, определим статические
параметры модели транзистора:

Рис.14

Рис.15

Рис.16

Рис.17

Теперь определим динамические
параметры модели транзистора, при этом используем справочные данные. Определяем напряжение эмиттер – база и ёмкость коллекторного перехода Ukb = 5 B , Cob = 60 пФ. Данные вносим в соответствующую таблицу программы MODEL и рассчитываем параметры.

Аналогично для эмиттерного перехода: ёмкость эмиттерного перехода Cib = 18 пФ при Ubе = 5В.

Постоянная времени прямого включения TF (определяет среднее время жизни не основных носителей в базе) может быть определена по граничной частоте Fгр = 1МГц и величине BF = 44.14:

Постоянная времени обратного включения TR для сплавных транзисторов обычно задается 0.5-0.3 TF:

Итак, мы рассчитали все параметры модели исследуемого биполярного транзистора. Внесем его в библиотеку МС7, создав файл с расширением *.lib:

* MP40.lib

*****

*** MP_40New

.MODEL MP_40New PNP (IS=12.6815F BF=45.8769 NF=293.297M VAF=40.8818 IKF=10M

+ ISE=2.460553e-016 NE=1.31483 BR=888.963M IKR=947.255M ISC=2.71444P NC=2 RE=2

+ CJE=51.3416P VJE=700.001M MJE=499.79M CJC=171.113P VJC=700.003M MJC=499.718M

+ FC=500M TF=3.606N XTF=500M VTF=10 ITF=10M TR=1.803N EG=1.11)

Для проверки адекватности модели, построим выходную характеристику внесенного в библиотеку транзистора МП 40, используя схему для снятия выходных характеристик (рис.), и при токе базы соответственно Ib = 155 мкА. Построим экспериментальную и модельную характеристики ( рис. 18 ) и оценим погрешность в % в контрольной точке Uke = 5B:

Рис.18

2.
Установка рабочей точки

Проведем установку рабочей точки промежуточного каскада УНЧ с помощью делителя напряжения (рис.19)

Рис.19

Нам задан тока покоя (Rk = 1 kOm) в режиме класса А и напряжение коллекторного питания Ек (Ek=12 B). Так как рабочая точка должна лежать посередине нагрузочной прямой,то есть Uke = 6B, а ток коллектора по условию Ik = 6 mA. Отсюда, используя закон Кирхгофа, определяем Rk:

Получаем Rk = 600 Ом, однако в ряде Е12 такой величины нет, поэтому выбираем ближайшее значение Rk = 620 Ом. В этом случае Uke = Ek – IkRk = 5.8 В.

Для расчета остальных сопротивлений нам нужны значения Ib и Ube в рабочей точке. Для определения Ib используем характеристику прямой передачи при Uke = 5.8 В. При получении характеристики прямой передачи используем схему измерений выходных характеристик (рис.1)

Рис.20

Получаем Ib = 76 мкА. Для определения Ube используем входную характеристику при Uke = 5.8 В.

Рис.21

Получаем Ube = 0.72 В. Далее для расчета R1, R2 зададимся током делителя: Id = 10..100Ib (т.е в пределах 0.76 – 7.6 мА). Мы определим его так, чтобы R2 = Ube/Id лежало как можно ближе к значениям ряда Е24. Пусть R2 = 130 Ом. Тогда Id = Ube/R2 = 5.54 мА, этот ток лежит в пределах допустимых значений. Далее по закону Кирхгофа:

Получаем R1 = 2036 Ом. Из ряда Е24 находим R1 = 2000 Ом. Убедимся в правильности расчетов проведя моделирование схемы в MC7 , используя режим Dynamic DC:

Рис.22

3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Схема УНЧ имеет следующий вид:

Рис.233

Сначала проведем расчет разделительных конденсаторов C1 и С2 для заданной полосы рабочих частот, емкости нагрузки и сопротивления нагрузки. По условию имеем:

F = 1 кГц, Rн = 10 кОм, Cн = 100 пФ

В области нижних частот сопротивления конденсаторов С1 и С2 увеличиваются и становятся соизмеримыми с эквивалентными сопротивлениями входа и выхода УНЧ. Амплитудно-частотные искажения в этой области зависят от низкочастотных постоянных времени t1 и t2 цепей разделительных конденсаторов C1 и C2 соответственно. Результирующая постоянная времени каскада t на некоторой частоте w оценивается через коэффициент частотных искажений M:

Сам же коэффициент частотных искажений на частоте w определяется так:

M(w) = K(wср
)/K(w)

где K(wср
) - коэффициент усиления на средней частоте, а K(w) - коэффициент усиления на данной частоте. Тогда на граничных частотах по определению M = . Отсюда постоянная времени каскада на граничных частотах t =1/w. Определим постоянную времени каскада tн на нижней частоте (она заведомо больше постоянной времени на верхней частоте):

Постоянная времени каскада сложно зависит от постоянных времени отдельных цепей однако, если в каскаде постоянная времени некоторой ветви существенно меньше постоянных времени остальных ветвей, то можно считать, что постоянная времени всего каскада определяется именно ей. Поэтому положим t1 = tн, а t2 = 10 tн.

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи с разделительным конденсатором С1:

Рис.24

Для определения сопротивления Rbe (входное сопротивление транзистора в рабочей точке) используем входную характеристику при Uke = 5.6В:

Рис.25

Получаем:

Для этой цепи t1 = tн = 0.0008c. В то же время t1 = RC1, где R – суммарное сопротивление ветви определяется:

Отсюда находим и С1:

Итак, полученный результат C1 = 4.2 мкФ, или если использовать стандартный ряд значений емкостей электролитических конденсаторов С1 = 5мкФ.

Аналогично действуем при определении второй разделительной емкости. Рассмотрим эквивалентную схему выходной цепи с разделительным конденсатором С2:

Рис.26

Для определения сопротивления Rke (выходное сопротивление транзистора в рабочей точке) используем выходную характеристику при Ib = 78 мкА:

Рис.27

Получаем:

В данном случае t2 = 10tн. В то же время t2 = RC1, где R – суммарное сопротивление ветви определяется:

Отсюда:

Получаем результат С2 = 758нФ, или по стандартной линейке С2=1мкФ.

Теперь проанализируем полученный УНЧ в МС7.

Амплитудно-частотный анализ (АЧХ):

Рис.28

Амплитудно-временной анализ:

Рис.29

Для оценки качества усиления проведем спектральный анализ выходного сигнала в заданной полосе частот ( входной сигнал имеет частоту Fвх = 1000Гц ):

Рис.30

Оценим коэффициент нелинейных искажений y в %:

Заключение

Итак, в результате проделанной работы были определены параметры модели экспериментально исследованного транзистора МП 40, после чего этот транзистор был добавлен в библиотеку МС7. Во второй части работы также были достигнуты положительные результаты: с помощью делителя в промежуточном каскаде УНЧ на биполярном транзисторе установлена рабочая точка, соответствующая середине нагрузочной прямой. Рассчитаны значения минимальные значения разделительных емкостей, вносящих наименьшие искажения в выходной сигнал. Также для УНЧ на исследуемом транзисторе была построена АЧХ и рассчитан коэффициент нелинейных искажений.

Список литературы

1. Григоров О.П., Замятин В.Я. «Транзисторы». Москва, Радио и связь, 1989