Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

Category	Discrete Semiconductor Products
Family	Transistors (BJT) - Single
Series	-
Transistor Type	NPN
Current - Collector (Ic) (Max)	600mA
Voltage - Collector Emitter Breakdown (Max)	40V
Vce Saturation (Max) @ Ib, Ic	1V @ 50mA, 500mA
Current - Collector Cutoff (Max)	10nA
DC Current Gain (hFE) (Min) @ Ic, Vce	100 @ 150mA, 10V
Power - Max	625mW
Frequency - Transition	300MHz
Mounting Type	Through Hole
Package / Case	TO-226-3, TO-92-3 (TO-226AA)
Supplier Device Package	TO-92-3

 

 

2. Формирование токов базы транзистора Q3

Далее приведены графики, поэтапно показывающие, как формируются семь различных токов базы для  исследуемого транзистора Q3.

5. Напряжение на стабилитроне D10 (5 вольт)

 

6. Напряжение на коллекторе транзистора Q1

 

7. Напряжение на коллекторе транзистора Q1 в большем масштабе

 

Транзистор Q1 формирует импульсы, подаваемые на 5й (счетный) вход счётчика 74193.

Напряжения, подаваемые на входы счётчика 74193 

8. Цифровые сигналы на выходе счётчика 74193

 

 

9. Напряжения на резисторах R3, R4, R9.

10. Токи базы транзистора Q3

 

3. Формирование напряжения на коллекторе

Далее приведены графики, поэтапно показывающие, как формируется развёртывающее напряжение коллектора для  исследуемого транзистора Q3. Операционный усилитель U4B формирует прямоугольный сигнал из синусоидального напряжения за счёт большого коэффициента  усиления. ОУ U3A является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал. ОУ U5A является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3.

 

11.   Графики выходных напряжений операционных усилителей U3A, U4B и U5A.

 

 

 

12. Токи коллектора и эмиттера транзистора Q3

 

13.   Напряжение на эмиттере транзистора Q3

 

 

 

График выходной вольт-амперной характеристики транзистора Q3 при разных токах базы 
 

2. Схема на основе аналогового коммутатора К590КН6.

Для транзистора p-n-p следует сформировать базовые токи другого направления (вытекающие из транзистора) и для подобной схемы вместо счётчика К155ИЕ5 (74193) используется аналоговый коммутатор К590КН6 (ADG408B), в прочем работу самого аналогового коммутатора обеспечивает тот же самый счётчик К155ИЕ5. Принципиальная схема данного формирователя представлена на рис. 16.

 

 

14. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе  микросхемы К590КН6

 

1. Описание элементов

Основные параметры и характеристики восьмиканального  аналогового коммутатора с дешифратором К590КН6

Микросхемы К590КН6 (зарубежный аналог ADG408B) представляют собой восьмиканальный аналоговый коммутатор с дешифратором и предназначены для коммутации цифровых и аналоговых сигналов в системах сбора и обработки информации, АЦП и ЦАП. Эти схемы совместимы со схемами ТТЛ.

Содержат 230 интегральных элементов.

Корпус типа 402.16-18, масса не более 2 г.

Напряжение питания: ±15 ±10% В.

Рабочая температура: -60...+85 °С.

Rк=300 Ом; Uк=15 В; Tв=300 нс

 

Основные параметры биполярного p-n-p транзистора BF821

Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si)

Pc max Ucb max Uce max Ueb max Ic max Tj max Ft max Cc tip Hfe

310mW 300V 300V 5V 50mA 150°C 60MHz - 50MIN

Производитель: PHILIPS 

2. Характеристики остальных элементов уже были приведены при описании первой схемы моделирования на основе счётчика К155ИЕ5. 
   Формирование токов базы транзистора Q8

Восьмиканальный  аналоговый коммутатор К590КН6 по очереди коммутирует токи с каждого из 8 своих входов на базу транзистора Q8. Имея постоянное напряжение на всех входах коммутатора и 8 специально подобранных по номиналу резисторов, мы получаем 8 различных уровней тока базы, возрастающих каждый раз в два раза. Индуктивность L1 отфильтровывает часть нежелательных выбросов, возникающих при переключении аналогового коммутатора. Переключение же самого аналогового ключа обеспечено цифровым счётчиком К155ИЕ5, описание которого уже было приведено выше.

 

15. Токи базы транзистора Q8

 

 

3. Формирование напряжения на коллекторе

Часть схемы формирования пилообразного напряжения на коллекторе исследуемого транзистора Q3 идентична соответствующей части схемы с использованием цифрового счётчика К155ИЕ5 и подробно описана выше в пункте 1.1.3.

 

16. График выходной вольт-амперной характеристики транзистора Q8 при разных токах базы 
     
    

2. Моделирование характеристик биполярных транзисторов

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

 

1. Статические характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

17. Схема моделирования биполярного p-n-p транзистора с общей базой

 

1. Входные характеристики

Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 0 10m 0.001m

.STEP V_V1 LIST 0 100

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC"..\SCHEMATIC1.net"

18. Входная характеристика биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

 

Как видно из графика, с ростом коллекторного напряжения уменьшается падение напряжения на эмиттерном переходе, что свидетельствует о наличии отрицательной обратной связи по постоянному напряжению.

 

2. Выходная характеристика

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 -1 20 0.01

.STEP I_I1 LIST 1m 2m 3m 4m 5m

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

19. Выходная ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общей базой

 

Начальный участок графика (V1<0) соответствует режиму насыщения транзистора, а область неизменного тока коллектора - активному режиму работы.

 

2. Статические характеристики биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

20. Схема моделирования выходных ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

 

 

1. Выходная характеристика

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0 20 0.01

.STEP I_I1 LIST 0 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC"..\SCHEMATIC1.net"

21. Выходная ВАХ биполярного p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером

 

Виден заметный наклон характеристик в области активного режима работы транзистора, что связано с зависимостью коэффициента передачи транзистора по току от напряжения на коллекторе из-за модуляции толщины базовой области транзистора коллекторным напряжением.

 

2. Характеристика обратной связи

Параметры моделирования:

.DC LIN V_V1 0.001 400m 0.0001

.STEP I_I1 LIST 0.1m 0.3m 0.5m

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

22. График характеристики обратной связи по напряжению биполярного p-n-p транзистора

 

Из графика видно, что в схеме с общим эмиттером обратная связь по напряжению положительная.

 

 

3. Характеристика прямой передачи

Параметры моделирования:

.DC LIN I_I1 10u 500u 0.01u

.STEP V_V1 LIST 1 10

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

23. График зависимости коэффициента передачи по току от рабочего тока при разных коллекторных потенциалах биполярного p-n-p транзистора

 

3. При малых токах базы коэффициент передачи нарастает с ростом током базы, что связано с появлением электрического поля в базе. Спад же при больших токах базы связан с эффектом Федотова-Кирка (возрастание толщины базы в биполярном транзисторе с ростом тока коллектора при неизменном напряжении на коллекторе, вызванное уменьшением размера области пространственного заряда коллекторного перехода из-за увеличения концентрации неосновных носителей в базе при больших токах коллектора). 
   Частотные характеристики

24. Схема моделирования частотных свойств биполярного p-n-p транзистора

 

Помимо моделирования частотных свойств схемы с общим эмиттером из моделирования этой же схемы можно также получить и частотные свойства схемы с общей базой.

 

 

1. В схеме с общей базой

Параметры моделирования:

.AC LIN 1000 10 20Meg

.STEP I_I1 LIST 10u 20u 50u

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

25. Частотная зависимость коэффициента передачи биполярного p-n-p транзистора при разных токах базы в схеме с общей базой

 

С ростом частоты растёт шунтирующее действие барьерных ёмкостей p-n перехода и в токе эмиттера возрастает не связанная с усилительными свойствами транзистора ёмкостная составляющая тока эмиттера, поэтому усилительные свойства транзистора ухудшаются. С ростом тока базы усиливается действие поля, создаваемого подвижными носителями заряда, ускоряющее движение неосновных носителей заряда. Вследствие этого время пролёта через базу уменьшается, уменьшается рекомбинация в базе и до коллектора доходит большее число неосновных носителей заряда. 
Параметры моделирования:

.AC LIN 1000 10 20Meg

.STEP V_V1 LIST 1 5 20

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

26. Частотная зависимость коэффициента передачи по току биполярного p-n-p транзистора при разных напряжениях коллектора в схеме с общей базой

 

При увеличении напряжения на коллекторе расширяется коллекторный переход, т.е. уменьшается толщина нейтральной базы, что приводит к увеличению коэффициента передачи.

 

2. В схеме с общим эмиттером

Параметры моделирования:

.AC LIN 1000 10 20Meg

.STEP I_I1 LIST 10u 20u 50u

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

27. Частотная зависимость коэффициента передачи тока базы в зависимости от выбора рабочей точки (постоянной составляющей тока базы) в схеме с общим эмиттером

 

В схеме с общим эмиттером проявляются те же эффекты, что и в схеме с общей базой. Поэтому влияние рабочих токов и коллекторного напряжения подобны ранее приведённым.

 

 

Параметры моделирования:

.AC LIN 1000 10 20Meg

.STEP V_V1 LIST 1 5 20

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

28. Частотная зависимость коэффициента передачи при разных напряжениях коллектора в схеме с общим эмиттером

 

 

Параметры моделирования:

.AC LIN 1000 10 20Meg

.STEP V_V1 LIST 1 5 20

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

29. Частотная зависимость коэффициентов передачи в схемах с общей базой и общим эмиттером

 

Из графика видно, что частотные свойства биполярного транзистора хуже в схеме с общим эмиттером. Различия в частотных свойствах связаны с тем, что в отличие от схемы с общей базой схеме с общим эмиттером чувствует фазовый сдвиг между токами, в то время как схема с общей базой чувствительна только к амплитудам токов.

 

4. Импульсные характеристики

1. В схеме с общей базой

30. Схема моделирования работы биполярного транзистора на импульсах

 

 

Параметры моделирования:

.TRAN  0 0.5u 0 0.001u

.STEP PARAM Ie LIST 10m 100m

.TEMP 125

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

 

31. График зависимости тока коллектора как функции времени при разных токах эмиттера

 

С ростом тока эмиттера возрастает количество инжектированных в базу транзистора неосновных носителей заряда, что увеличивает время их рассасывания.