Regimul dinamic al tranzistorului bipolar

REGIMUL DINAMIC AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

Se studiaza regimul dinamic, la semnale mici, al tranzistorului bipolar la o frecventa joasa, fixa. Se determina principalii parametri ai circuitului echivalent natural si se demonstreaza dependenta lor de punctul static de functionare. Se utilizeaza acesti parametri pentru calculul unui etaj de amplificare.

1. OBSERVATII TEORETICE

Modelul de regim dinamic liniar

Caracteristicile tranzistorului bipolar sunt neliniare in regiunea activa normala; functionarea sa dinamica este liniara numai la semnale mici. Se considera ca tranzistorul lucreaza la semnale mici atunci cand tensiunea dintre baza interna si emitor verifica inegalitatea:

laT₀ = 300 K (1)

In aceste conditii tranzistorul poate fi inlocuit in curent alternativ, la frecvente joase, prin circuitul echivalent natural de semnal mic prezentat in figura 1.

Fig. 1.

Elementele circuitului natural depind de punctul static de functionare al tranzistorului. La tranzistoarele din siliciu, pentru un curent de ordinul miliamperilor panta tranzistorului g_m are valori de zeci si chiar sute de mA/V, iar ordinul de marime al rezistentelor este: r_bb' - zeci de ohmi,r_b'e - kiloohmi, r_b'c - megohmi, r_ce - zeci de kiloohmi. Efectul rezistentei r_b'c este neglijabil in majoritatea aplicatiilor.

In continuare vom expune, pe scurt, procedeele de determinare ale elementelor circuitului natural. In acest scop se foloseste un tranzistor in conexiunea emitor comun (EC), figura 2.

Fig. 2.

Schema de curent alternativ a etajului este prezentata in figura La intrare se aplica un semnal sinusoidal de joasa frecventa de la sursa V_s cu rezistenta interna R_S. Deoarece circuitul este liniar toate marimile de curent alternativ vor fi sinusoidale. Pe figura s-au marcat prin fazori aceste

marimi. In schimb in formulele de calcul se va opera cu valorile efective ale marimilor de curent alternativ.

Fig. 3

Inlocuind tranzistorul prin circuitul sau echivalent natural, se obtine schema din figura 4. Pe aceasta schema se poate calcula, pornind de la relatiile de definitie, modulul urmatoarelor marimi :

- amplificarea de tensiune:

, (2)

- amplificarea de curent:

, (3)

- rezistenta de intrare:

, (4)

unde:

(5)

este castigul in curent al tranzistorului in regim dinamic, la frecvente joase. V_i, V_o, I_i si I_o sunt valori efective.

         In capitolul introductiv se justifica motivul pentru care se calculeaza modulul marimilor de curent alternativ.

        Deoarece V_o si V_i sunt in antifaza, A_V - A_V (A_V este modulul lui A_V).

Daca rezistenta de sarcina R_L este mult mai mica decat si daca se are in vedere ca << din relatiile (2 - 5) rezulta:

sau, (6)

sau (vezi fig.4), (7)

sau (vezi fig.4), (8)

Pentru masurarea rezistentei se foloseste tot etajul din figura 2. In acest caz semnalul sinusoidal se aplica la iesire prin intermediul rezistentei R" iar intrarea se scurtcircuiteaza, figura 5.a (schema de curent alternativ).

Daca se inlocuieste tranzistorul cu circuitul sau natural, de semnal mic, se obtine schema din figura 5.b pe baza careia se deduce:

(9)

unde:

sau (vezi figura 5.b), (10)

a)

b)

Fig. 5

Fig. 6

Comportarea tranzistorului in afara regiunii active normale

Functionarea dinamica a tranzistorului devine esential neliniara, in cazul cand se depasesc limitele regiunii active normale ale caracteristicilor, intrandu-se in regiunea de saturatie sau in regiunea de taiere (figura 6). Semnalul de iesire va fi distorsionat.

La limita intrarii in saturatie:

(11)

iar la limita intrarii in taiere:

sau (12)

unde si sunt amplitudinile tensiunii si respectiv, curentului de iesire (componente alternative).

2. MONTAJUL EXPERIMENTAL - APARATE NECESARE

Figura 7 prezinta montajul experimental. Tehnica de polarizare aleasa permite atat modificarea punctului static de functionare al tranzistorului cat si masurarea precisa a curentului de intrare.

Alimentarea in curent continuu se face prin firele din partea dreapta, conectand firul marcat cu rosu la borna plus. Intre circuitul propriu-zis si sursa de tensiune continua s-a intercalat un limitator de curent pentru protectia tranzistorului T.

Semnalul sinusoidal, de frecventa fixa (10kHz), se aplica prin cablul ecranat. Condensatoarele C₁, C₂ si C₃ sunt scurtcircuit la frecventa de lucru.

Aparate necesare:

- sursa de tensiune continua, reglabila 0-24V;

- sursa de semnal sinusoidal, reglabila;

- multimetru electronic;

- osciloscop.

Fig. 7

DETERMINARI EXPERIMENTALE

Determinarea parametrilor: b_F b₀, g_m, r_b'e

1. Se realizeaza configuratia de circuit din fig. 8 si se fixeaza punctul static de functionare al tranzistorului (p.s.f.) la primul set de valori indicate in tabelul 1: I_C=1mA si V_CE=4V (V_CC=8V). Reglarea p.s.f. se obtine atat din potentiometrul sursei de tensiune continua cat si din potentiometrul P din circuit. Se masoara potentialele continue V_BB si V_BE la capetele rezistentei R_b; valorile se trec in tabelul 1.

2. La intrarea circuitului se aplica un semnal sinusoidal de 10kHz a carui amplitudine se regleaza astfel ca V_i=2mV (vezi fig. 8). Se masoara potentialele alternative V (zeci sau sute de mV) si V_o (zeci de mV) si se trec in tabelul 1.

Se determina:

- factorul de amplificare in curent continuu

, (13)

- factorul de amplificare dinamic cu expresia (7) in care daca se inlocuieste R_b=100k si R_L=0,1 k rezulta:

(14)

- panta de semnal mic cu relatia (6) care avand in vedere ca R_L= 0,1k devine:

(mA/V) (15)

- rezistenta de intrare cu expresia (8) in care daca se tine cont ca R_b= 100 k rezulta:

(k) (16)

Valorile obtinute se trec in tabelul 1.

4. Se reiau masuratorile si determinarile de la punctele 1-3 ale acestei sectiuni pentru toate seturile de valori ale p.s.f. indicate in tabelul 1.

Observatie: Pentru ultimele trei seturi de valori ale p.s.f. (I_C=6,8 si respectiv 10mA,V_CE=1V) trebuie ca in circuitul din figura 8 rezistenta R' sa fie cuplata direct in colectorul tranzistorului (si nu prin condensatorul C₃). Se explica astfel valorile indicate pentru V_CC.

Fig. 8

Se reaminteste ca prin definitie . La tranzistoarele din siliciu I_CE0 << I_C pana la temperaturi relativ mari, ceea ce justifica expresia (13).

Vi = 2mVTabelul 1

Determinarea rezistentei de iesire a tranzistorului, r_ce

5. Se realizeaza circuitul din figura 9. Se fixeaza p.s.f. la valorile Ic=1mA,V_CE=4V (V_CC=8V). Se aplica un semnal sinusoidal de 10kHz a carui amplitudine V_s se regleaza astfel ca V_o=0,5V. Se masoara V' (care are valori putin mai mari de 2V); valorile se trec in tabelul 2.

Fig. 9

V₀ = 0,5 V          Tabelul 2

6. Se determina rezistenta r_ce:

(kW (17)

S-au avut in vedere relatiile (9) - (10) si ca R'' = 4kW. Valorile se trec in tabelul 2.

7. Masuratorile si determinarile de la punctele 5 si 6 ale acestei sectiuni se repeta pentru toate seturile de valori ale p.s.f.-ului indicate in tabelul 2.

Amplificator cu tranzistorul in conexiunea EC

8. Se realizeaza configuratia din figura 10. Se fixeaza p.s.f la valorile: Ic=1mA, V_CE=4V. Se cupleaza la iesire R=1,3kW pentru a avea rezistenta de sarcina R_L=1kW (R_L=R_C||R).

9. Se aplica la intrare un semnal de 10kHz a carui amplitudine se regleaza astfel ca V_i=2mV. Se masoara V (sute mV) si valorile se trec in tabelul Se reiau masuratorile si pentru celelalte valori ale sarcinii precizate in tabelul 3: R_L=2kW (pentru care trebuie R=4kW) si R_L=4kW (R=

10. Se determina :

- amplificarea de tensiune :

(18)

- amplificarea de curent :

                      (19)

- rezistenta de intrare cu relatia (16). Valorile se trec in tabelul

11. Masuratorile si determinarile de la punctele 8 - 10 ale acestei sectiuni se repeta pentru toate seturile de valori ale p.s.f. date in tabloul Se completeaza tabelul

Tabelul 3

Comportarea neliniara a tranzistorului

12. Se foloseste tot configuratia din figura 10 pe care se fixeaza I_C=3mA, V_CE=8V (V_CC=20V). Se cupleaza sonda osciloscopului la iesire.

1 Se vizualizeaza pe osciloscop efectul maririi semnalului de iesire pentru doua valori ale sarcinii R_L=1kW ( pentru care trebuie conectat R=1,3kW). Se va observa limitarea semnalului de iesire (V_o); pentru R_L=4kW limitarea apare mai intai prin intrarea tranzistorului in saturatie, figura 6a (pe osciloscop semnalul se va limita inferior), iar pentru R_L=1kW limitarea apare mai intai prin intrarea tranzistorului in taiere, figura 6b (pe osciloscop semnalul se va limita superior). Se vor desena in fiecare caz oscilogramele cu limitarea.

14. Se masoara valorile tensiunii V_o la care apare limitarea in cele doua situatii mentionate la punctul anterior si valorile se trec in tabelul 4.

Tabelul 4

4. PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE . CONCLUZII

1. Se va reprezenta pe baza datelor din tabelul 1 variatia in functie de curentul I_C (pentru V_CE=4 V) a marimilor b_F si b₀ pe un grafic si respectiv a rezistentelor r_b'e si pe un alt grafic.

2. Se va comenta diferenta intre valorile factorului de amplificare in curent continuu b_F si factorului de amplificare dinamic b₀

In tabelul 5 se vor compara valorile experimentale ale pantei tranzistorului (extrase din tabelul 1) cu cele calculate cu relatia . Cum explicati diferentele teorie-experiment obtinute in acest caz ?

Tabelul 5

4. Cum se justifica cresterea factorilor de amplificare b_F (respectiv b₀) cu tensiunea V_CE (I_C=2 mA), ( vezi tabelul 1).

5. Se va reprezenta pe baza datelor din tabelul 2 variatia rezistentei r_ce cu I_C (pentru V_CE=4V).

6. Cu formulele (2)-(4) se vor calcula A_v, A_i si R_i. Se vor folosi valorile marimilor b₀, r_b'e si r_ce din tabelele 1-2 (se presupune ). Valorile calculate se trec in tabelul 3 unde se compara cu cele experimentale.

7. Se va compara in tabelul 4 amplitudinea calculata cu (11) cu cea masurata pentru R_L=4kW la limita intrarii in saturatie. De asemenea se va compara amplitudinea calculata cu (12) cu cea determinata pentru R_L=1kW la limita intrarii in taiere a tranzistorului. Se are in vedere ca valorile efective masurate (V_o) sunt legate de amplitudinea () prin relatia .