Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу Твердотіла електроніка, ДДТУ

Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний університет

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу Твердотіла електроніка

для студентів напряму

6.050801 «Мікро- та наноелектроніка»;

6.050802 «Електронні пристрої та системи»

Дніпродзержинськ 2015

Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинського державного технічного університету заборонено

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Твердотіла електроніка» для студентів напряму 6.050802 «Електронні пристрої та системи» та 6.050801 «Мікро та наноелектроніка» / укл. Багрій В. В., Дніпродзержинськ; ДДТУ, 2015 р - 31 с

Коротка анотація: Приведена методика розрахунку та аналізу статичних характеристик транзисторного ключа в різноманітних режимах роботи на основі використання нелінійної інжекційної моделі Еберса-Мола.

ЗМІСТ

Вступ. 4

1. Загальні відомості 5

2 Аналіз статичних характеристик транзисторного ключа. 10

2.1. Побудова передатної і вхідної характеристик. 10

2.1.1. Розрахунок додаткових параметрів транзисторів. 10

2.1.2. Визначення координат характерних точок. 12

2.2. Побудова вихідної характеристики. 16

2.3. Вплив температури на статичні характеристики транзисторів. 21

Перелік посилань. 23

ДОДАТКИ.. 24

Вступ

Курсова робота призначена для одержання студентами навичок проведення розрахунків та дослідження особливостей транзистора при його роботі в різноманітних режимах за допомогою встановлення зв'язку між напругами на зовнішніх виводах транзистора і струмами бази емітера та колектора. При побудові еквівалентної схеми транзисторів використовується нелінійна інжекційна модель Еберса-Молла. Дослідженню піддасться транзисторний ключ із спільним емітером, що являється основою всіх інтегральних схем на біполярних транзисторах.

Для побудови статичних характеристик використовується метод характерних точок, сутність якого полягає в тому, що на кожній статичній характеристиці виділяються точки, які визначають принципові зміни схеми, межи відкритого і закритого станів ключа, точки з одиничним диференціальним коефіцієнтом передачі, межа активної зони ключа, межа режиму насичення транзистора і т.д., а також проміжні точки, що уточнюють характер статистичних характеристик на якійсь ділянці. Курсова робота містить розрахункову пояснювальну записку та графічну частину.

Розрахункова пояснювальна записка включає:

Завдання на курсову роботу.

Реферат

Вступ.

1. Основні відомості про транзистори і транзисторні ключі.

2. Аналіз статичних характеристик транзисторного ключа.

2.1. Побудова передатної і вхідної характеристики

2.2. Побудова вихідної характеристики

2.3. Оцінка впливу зміни температури

Висновок.

Перелік посилань.

Графічна частина виконується на аркушах формату А4, А3 і включає принципову схему ключа, вхідну та вихідну характеристики транзисторного ключа, передатну характеристику ключа.

1. Загальні відомості

Транзистор біполярний – монокристалічний напівпровідниковий прилад із двома взаємодіючими електронно-дірковими переходами, у якому використо­вуються ефекти переносу зарядів у твердому тілі для підсилення, генерування і перетворення електричних сигналів.

Статичні вольт - амперні характеристики дозволяють визначити особливості транзистора при його роботі в різноманітних режимах і встановити зв'язок між напругами на зовнішніх виводах транзистора і струмами бази, емітера і колектора

Розрізняють наступні основні режими роботи транзистора, щовизначаютьсяпотенціалами на його переходах:

- нормальний активний (перехід база - емітер зміщений у прямомунапрямку, а перехід база - колектор - в зворотному);

- насичення ( обидва переходи зміщені в прямому напрямку);

- відсічення ( обидва переходи зміщені в зворотному напрямку);

- інверсний активний (перехід база - колектор зміщений у прямому напрямку, а перехід база - емітер - в зворотному).

При побудові еквівалентної схеми транзисторів найбільше широко використовується нелінійна інжекційна модель Еберса-Молла (Рис.1.1.).

Рис. 1.1 - Еквівалента схема біполярного транзистора по моделі Еберса-Молла

Рівняння Еберса-Молла описують статичний режим ідеалізованого транзистора й отримані при наступних допущеннях:

- величини об'ємних опорів областей бази, емітера і колектора зневажливо малі;

- щільність струмів інжекції мала;

- не враховується ефект модуляції ширини бази від зміни напруги на переході база - колектор;

- при будь-яких напругах на переходах струм через кожний перехід визначається сумою двох складових, одна з яких обумовлена напругою на переході база емітер, а друга - на переході база - колектор.

Перші два допущення означають, що падіння напруги у транзисторі локалізується на р-п - переходах, а ефективність емітера не залежить від його току. З останнього допущення слідує, що розподіл концентрації носіїв у базі насиченого транзистора є сумою розподілів концентрацій носіїв у базі для нормального і інверсного активних режимів включення транзистора.

Цінність нелінійної інжекційної моделі Еберса-Молла в тому, що вона дозволяє «відчути» процеси, що відбуваються в транзисторі. Діоди VD_І і VD₂ моделі відображають переходи база - емітер і база - колектор. Струм I₁- струм, при заданій напрузі база – емітер U_бв, який протікає через перехід база-емітер, при замкненому переході база-колектор U_бк=0. Струм I₂ - струм, при заданій напрузі U_бк база - колектор, який протікає через перехід база-колектор, при замкненому переході база – емітер (U_бв =0). Зв'язок переходів через область бази показана за допомогою керованих джерел струмів aI₁ та  a_i I₂ ( α - інтегральний коефіцієнт передачі струму емітера в колектор для великого сигналу в схемі з спільною базою при нормальному включенні транзистора, α_i - інтегральний коефіцієнт передачі струму колектора в емітер для великого сигналу в схемі з спільною базою при інверсному включенні транзистора). Моделі Еберса-Молла справедливі для усіх режимів роботи транзистора і, незважаючи на наближеність відображення реальних співвідношень у транзисторі, дуже корисні для аналізу статичних режимів. У елементах цифрових пристроїв транзистор найбільше часто включається за схемою з спільним емітером (СЕ). Еквівалентні схеми біполярного транзистора п-р-п- типу в схемі СЕ для кожного з режимів наведені на рис. 1.2.

Рис. 1.2 - Еквівалентні схеми біполярного транзистора n-p-n - типу в схемі СЕ

а - в активному режимі; б - в режимі насичення; в - в режимі насичення при орієнтовних розрахунках; г - в режимі відсічення

Транзисторний ключ із спільним емітером є основою усіх насичених інтегральних схем на біполярних транзисторах. Транзисторний ключ в загальному випадку складається з транзистора VT, базового опору R_б, що забезпечує режим керування по струму, опору колектора R_к і навантаження R_н. У деяких випадках, навантаження підключають між колектором і джерелом живлення або паралельно опору колектора. Варіанти підключення навантаження до транзисторному ключа показані на рис. 1.3.

Рис. 1.3 - Варіанти підключення навантаження до транзисторного ключа

Будь-яка схема ключа характеризується трьома станами: відкритим, переключення, закритим. Для транзисторного ключа закритий і відкритий стан визначаються характером навантаження і способом його підключення до транзисторному ключа. Наприклад, якщо навантаженням являється обмотка реле, то ключ вважається відкритим, коли реле спрацьовує, і закритим, коли реле відпустить.

Стан транзисторного ключа між відкритим і закритим станами називається станом переключення або активною зоною ключа. Закритий і відкритий стан, а також ширина активної зони ключа визначаються характером навантаження, способом його підключення до транзисторного ключа та повинні бути визначені в кожному конкретному випадку. Визначимо указані стани для схеми ключа, показаної на рис. 1.3,а. Якісний аналіз цієї схеми проведемо, застосовуючи термінологію, прийняту для логічних елементів, тому що транзисторний ключ виконує логічну операцію НЕ. При закритому транзисторі, зневажаючи його струмом колектора, можна записати:

U¹_ВИХ= U1=U_ДЖR_H/(R_K+R_H).

При відкритому транзисторі U⁰_ВИХ =U0=U_к.нас.

Логічний перепадна виході ∆U_Л=U1-U0.

Будемо вважати ключ відкритим (транзистор закритим), коли напруга на виході лежить умежах U1≥ U_ВИХ ≥U1-0,03∆U_Л, і ключ - закритим (транзистор відритим), коли напруга на виході лежить у межах U0≥ U_ВИХ ≤U0+0,03∆U_Л. Ширину активної зони ключа визначимо як діапазон вихідної напруги в межах від (U1-0,1∆U_Л ) до (U0+0,1∆U_Л).

Для побудови статичних характеристик використовується метод характерних точок, сутність якого полягає в тому, що на кожній статичній характеристиці виділяються точки, які визначають принципові зміни схеми, межа відкритого і закритого станів ключа, точки з одиничним диференційним коефіцієнтом передачі, межа активної зони ключа, межа режиму насичення транзистора і т.п., а також проміжні точки, що уточнюють характер статистичних характеристик на якійсь ділянці. Незважаючи на наближені значення вихідних даних, результати розрахунку варто призводити з трьома значущими цифрами, щоб зберегти і виявити принциповий характер отриманих характеристик.

2. Аналіз статичних характеристик транзисторного ключа

2.1. Побудова передатної і вхідної характеристик

Проаналізуємо статичні характеристики схеми для заданих значень компонентів. При аналізі передатної характеристики вихідну схему, подану на рис. 2.1. а, можна замінити більш простою схемою яка зображена на рис. 2.1,б. Об'ємні опори r_б і r_к зображені як зовнішні опори «ідеального» транзистора, а опір r_к буде враховуватися тільки при роботі транзистора в режимі насичення. Для еквівалентної схеми можна записати:

E_екв= U_ДЖR_H/(R_K+R_H) (2.1)

R_екв= R_K R_H/(R_K+R_H) (2.2)

2.1.1. Розрахунок додаткових параметрів транзисторів

Щоб описати вхідну характеристику транзистора в схемі СЕ, необхідно визначити: об'ємний опір бази r_б, співмножник враховуючий вплив струмів відпливу канальних струмів і струмів рекомбінації m, розрахункову напругу (струм) на переході база-емітер U_бЕ^*(І_б^*). Жоден із цих параметрів не є класифікаційним, тому потрібні або додаткові виміри, або додаткові розрахунки. Вимірявши значення U_бЕ при трьох значеннях струму І_б для транзистора, що працює в активному режимі, можна розрахувати перераховані параметри. Прийнявши:

 ( 2.3)

де φ_Т=КТ/q - температурний потенціал (К - стала Больцмана, Т - абсолютна температура, q - заряд електрона.

а) вихідна схема б) еквівалентна схема

Рис. 2.1 - Транзисторний ключ з навантаженням

Якщо немає можливості визначити експериментальне r_б, U*_бЕ, m то їх визначають із вхідної характеристики наведеної в довіднику [2,3]. У якості вхідної характеристики потрібно брати характеристику при U_КЕ=5В, 10В (або іншому значенні, зазначеному в довіднику, але не при U_КЕ=0.). Значення m приймають у межах 1,2¸1,5, а значення r_б, U*_бе, розраховують за допомогою системи (2.3), задавшись значеннями U_БЕ и I_б на вхідній характеристиці.

Наприклад, для транзистора КТ603Б, прийнявши m=1.2 за вхідною характеристикою при U_КЕ=10В отримуємо: U_БЕ1=0.77 В, I_Б1=1мА; U_БЕ2=0.9 В, I_Б2=2мА. Обчислення із застосуванням Matcad дають наступний результат:

За вхідною характеристикою для заданого транзистора:

І_б1:=1*10^-3, U_бэ1:=0,77, U_бэ2:=0,9, І_б2:=2*10^-3.

Вирішуємо систему рівнянь (2.3) методом зворотної матриці;

Відповідно:

U_бэ:=Х₁, U_бэ=0,661.

r_б:=Х₀, r_б=109,006.

Таким чином U*_бЕ =0,66В, r_б = 109 Ом.

Значення об'ємного опору r_k вибирають у межах 5¸10 Ом.

2.1.2. Визначення координат характерних точок

Струм колектора насиченого транзистора визначаємо використовуючи модель подану на. рис 1.2, б при коефіцієнті насичення транзистора К_нас=2, що характеризує відношення фактичного струму бази в режимі насичення до струму бази на межі насичення.

Для спрощення аналізу схем із насиченими транзисторами приймаємо, що динамічний опір по проміжку колектор-емітер постійний іне залежить від струму колектора. У цьому випадку:

U^’_КЕ.ОСТ=mφ_т[lnβ/β_i-2*(β-(1+ β_i)/ β+(1+ β_i)](2.4)

Струм бази знаходимо по наближеному співвідношенню:

І_б=К_насІб_нас=К_нас(Е_Екв-U_Кнас)/βR_Екв (2.5)

де в першому наближенні U_К.нас ≈0,3В.

Динамічний опір на проміжку колектор-емітер:

R_KE=4 mφ_т/[ І_б(1+β+ β_i)]≈ 4 mφ_т/( І_бβ) (2.6)

Тоді струм колектора насиченого транзистора:

I_К.нас=(Е_екв- U^’_КЕ.ОСТ)/( R_Екв+r_к+ r_КЕ) (2.7)

напруга при відкритому транзисторі і закритомуключі:

U⁰= I_К.нас(r_к+ r_КЕ)+ U^’_КЕ.ОСТ (2.8)

напруга при закритому транзисторі і відкритому ключі:

U¹= Е_екв (2.9)

логічний перепад:

∆U_Л= U¹- U⁰ (2.10)

Передатну характеристику будуємо по наступних характерних точках:

А₁¹, А⁰₁ - точки з одиничним диференційним коефіцієнтом передачі відповідно при високому і низькому рівнях вихідної напруги;

В - межа закритого стану транзистора, коли U_ВИХ= U¹ -0,03∆U_Л;

D_a¹, D_a⁰ - межа активної зони ключа;

Е - точка в якій U_ВИХ= U¹ - 0,5∆U_Л або U_ВИХ= U⁰ +0,5∆U_Л.

F - межа насичення транзистора;

G - точка в якій транзистор працює з К_нас=2.

Визначимо координати точки А₁¹ - характерної точки з одиничним ди­ференційним коефіцієнтом передачі при високому рівні вихідної напруги. У точці А₁¹ – похідна d U_ВИХ /d U_вх =- 1, де знак мінус свідчить про те, що при збільшенні напруги U_вх напруга U_ВИХ зменшується. Координати визначимо із співвідношень:

U^’_ВИХА1¹=Е_ЕКВ- mφ_т β R_ЕКВ /[βR_Екв-(R_б+ r_б)](2.11)

I_KА1¹= mφ_т β /[βR_Екв-(R_б+ r_б)] (2.12)

I_бА1¹= I_KА1¹/β= mφ_т β/[βR_Екв-(R_б+ r_б)](2.13)

U^’_ВИХА1¹= I_бА1¹ (R_б+ r_б)+ U^*_бэ+ mφ_тln(I_бА1¹/ I^*_б1) (2.14)

Координати точок B, D¹_a, D⁰_a, G, F визначаються аналогічно, тому що у всіх цих точках транзистор працює в активному режимі (у точці F - на межі активного режиму. Для визначення координат і-ої характерної точки необхідно виконати розрахунки в такій послідовності:

1. Задати числове значення U_ВИХi;

2. Обчислити струм колектора:

I_Ki=( Е_ЕКВ- U_ВИХi)/ R_ЕКВ (2.15)

3. Обчислити струм бази:

I_бі= І_Кі/β (2.16)

4. Обчислити вхідну напругу:

U^’_ВХ.і= I_бі (R_б+ r_б)+ U^*_бЕ+ mφ_тln(I_бі/ I^*_б) (2.17)

Результати розрахунків зводимо в таблицю.

Таблиця 2.1 - Координати характерних точок

Значення U_ВИХ для точки F виходить заниженим, тому що рівень U⁰ був розрахований для К_нас=2, а в точці F – для К_нас=1. При подальшому підвищенні вхідної напруги U_БЕ на переході база - емітер залишається «постійним» і дорівнює:

U_БЕ.нас= U^*_БЕ+ mφ_тln(I_б.нас/ I^*_б) (2.18)

Тому для вхідної характеристики в режимі насичення:

І_вх=І_б= (U_вх –U_БЕ.нас)/ (R_б+ r_б)

Для точки G, у якій транзистор працює з коефіцієнтом К_нас=2 маємо:

U_ВИХ= U⁰ (2.19)

U_вх=2І_б.нас= (R_б+ r_б)+ U_БЕ.нас (2.20)

Визначимо координати точки А₁⁰, зважаючи, що вони отримані в режимі насичення транзистора. Опускаючи проміжні висновки:

 (2.21)

де: а=- U_БЕ.нас +(1-а) I_К.нас (R_б+ r_б)

b=- U_БЕ.нас - I_К.нас (R_б+ r_б) /β

U_ВИХА1⁰=U₀.

Координати точки A₁⁰ приблизно збігаються з координатами точки F. По отриманим даним будуємо передатну і вхідну характеристики. На рис 2.3 наведений приклад таких графіків.

а - передатна, б - вхідна

Рис. 2.3 - Статичні характеристики ключа

Вхідна характеристика використовується для визначення вхідних струмів і напруг при будь-якім вигляді джерела керуючого сигналу з використанням графічного методу. Користуючись цим методом вибираємо параметри генератора, що забезпечує необхідні умови роботи ключа

Для цього на осі вхідної напруги|напруження| відкладаємо довільно вибране значення E_г|. З|із| отриманої|одержувати| точки проводимо пряму лінію до перетину|пересічення| з|із| вхідною характеристикою ключа|джерела|. Координати точки перетину|пересічення| і дають можливість|спроможність| визначити R_г|.

Наприклад, якщо Е_Г=0,2В, R_Г=0 то І_ВХ≈0, U_ВХ=0,2В, транзистор закритий; якщо Е_Г=2,5В, R_Г=3,9кОм то І_ВХ≈132мкА, U_ВХ=1,98В транзистор насичений при К_нас=1,4 якщо Е_Г=2,5В, R_Г=20кОм то І_ВХ≈62мкА, U_ВХ=1,26В, транзистор працює в активному режимі.

Для надійної роботи ключа точка перетину повинна знаходитись на вхідній характеристиці між точками F (К_нас=1) та G(К_нас=2).

2.2. Побудова вихідної характеристики

Транзисторний ключ може знаходитися у відкритому і закритому стані, тому вихідна характеристика будуються для цих двох станів. Зневажаючи струмом колектора закритого транзистора, розглянемо розрахункову схему, наведену на рис.2.4.а.

Для цієї схеми очевидно співвідношення:

І_ВИХ=(U_ДЖ- U_ВИХ)/ R_К.

Визначимо диференціал цього виразу по І_ВИХ:

1=-(d U_ВИХ/d І_ВХ) (1/ R_К).

відкіля d U_ВИХ/d І_ВХ=R_ВИХ=- R_К.

Знак мінус вказує не на те, що вихідний опір негативний а на те, що по­значений на схемі напрямок струму протилежний, тобто для того, щоб прибрати знак мінус, необхідно вважати, що струм, який витікає з входу або виходу схеми, напруга живлення котрого позитивна,негативний. Щоб при розрахунках одержувати струм з урахуванням його істинного знака потрібно притримуватися наступного правила: при обчисленні струму в якомусь колі схеми у виразі для різниці потенціалів необхідно першим писати потенціал точки, із якої витікає (у який втікає) струм.

Рис. 2.4 - Еквівалентні схеми транзисторного ключа

а - транзистор закритий; б, е - транзистор в інверсному активномурежимі; в, ж - транзистор в інверсному активному режимі з врахуванням діода колектор-підложка; г - транзистор в нормальному активному режимі; д - транзистор в режимі насичення

З урахуванням правила І_ВИХ=( U_ВИХ - U_ДЖ)/ R_К тоді d U_ВИХ/d І_ВХ=R_ВИХ= R_К.

Приведене співвідношення являє собою рівняння прямої лінії, тому ділянку характеристики можна задати двома точками, наприклад:

K(U_ВИХ = U_ДЖ, І_ВИХ=0) та

L(U_ВИХ=0, І_ВИХ= U_ДЖ/ R_К ).

Якщо вихідна напруга зменшується від нульового значення то всхемітранзисторного ключа відбудуться, принципові зміни: транзистор перейде з закритого стана в інверсний активний режим роботи. Еквівалентна розрахункова схема для цього випадку приведена на рис 2.4,б. Визначимо, на скільки напруга U_бЕ транзистора, що працює в нормальному активному режимі, більше напруги U_бктранзистора працюючого в інверсному активному режимі, при тому самому струмі бази,

∆u=U^*_БЕ –U ^*_бк =mφ_тln({a[1+β(1-a_i)]}/{a_i[1-β_i(1-a)]} (2.22)

U ^*_бк= U^*_БЕ - ∆u(2.23)

Для струму можна записати, що:

І_ВИХ=I_Rk+I_k= (U_ВИХ - U_ДЖ)/ R_К+(1+ β_i)*( U_ВИХ+U_бк-Е_Г/ R_б+ r_б) (2.24)

Напруга U_бк змінюється незначно, для спрощення аналізу вважаємо її постійною і приблизно рівною напрузі U ^*_бк, тоді очевидно що і для цього випадку вихідна характеристика є прямою лінією, яку задамо двома точками М та N координати знайдемо при двох обраних напругах U_ВИХ1 и U_ВИХ2.

Вихідне коло транзисторного ключа для розглянутої схеми є генератором позитивної ЕРС:

Е= U_ДЖ(R_б+ r_б/ R_б+ r_б+ R_К(1+ β_i))+(Е_Г- U_бк)( R_К(1+ β_i)/ / R_б+ r_б+ R_К(1+ β_i)) (2.25)

з вихідним опором:

R_ВИХ= [R_К(R_б+ r_б)]/ [R_б+ r_б+ (1+ β_i )R_К] (2.26)

Якщо розглянутий транзисторний ключ виконується як частина інтегральної напівпровідникової схеми з ізоляцією компонентів зворотно зміщеним р-п- переходом, то на вихідну характеристику ключа істотний вплив зробить діод колектор - підложка. Еквівалентна розрахункова схема для цього випадку наведена на рис. 2.4,в.

Розглянемо вихідну характеристику ключа для випадку, коли в базу транзистора втікає струм I_Б=К_НАС*І_БНАС ( при прийнятих вище значеннях К_НАС). Це має місце, наприклад, для навантаження, що є джерелом позитивної ЕРС із малим вихідним опором.

Оскільки при позитивному U_ВИХ перехід база-колектор зміщається в зворотному напрямку, транзистор буде працювати в нормальному активному режимі і коло колектора можна замінити генератором струму I_К+βК_НАС*І_БНАС, а розрахункова схема прийме вигляд, поданий на рис. 2.4.г. Для схеми справедливо співвідношення:

І_ВИХ=І_К-І_RK= βК_НАС*І_БНАС – (U_ДЖ - U_ВИХ)/ R_К (2.27)

Ця ділянка вихідної характеристики є прямою лінією, яку задамо двома точками O(U_ВИХ0, I _ВИХ0) та P(U_ВИХP, I _ВИХP). Значення вихідних струмів I _ВИХ0 та I _ВИХP знаходяться з виразу (2.27) при прийнятих відповідно значеннях U_ВИХ0 і U_ВИХP.

Продиференціюємо (2.27) по I _ВИХ:I=d U _ВИХ/d I _ВИХ)(I/ R_К ) звідки R_ВИХ = R_К. Вихідне коло транзисторного ключа для аналізованоїсхеми є генератором негативної ЕРС:

E= U_ДЖ - βК_НАС*І_БНАС R_К (2.28)

із вихідним опором R_К.

У процесі зменшення U_ВИХ при якомусь значенні транзистор ввійде в стан насичення і розрахункова схема прийме вигляд, показаний на рис. 2.4 д. Для цієїсхеми справедливо співвідношення:

І_ВИХ=І_К+І_RK= (U_ВИХ – U^’_КЕост) / r_K+r_KE+ ( U_ВИХ -U_ДЖ)/ R_К (2.29)

Тому що по при заданому струмі бази І_б= К_НАС*І_БНАС постійно і визначається вираженням (2.6), то і на цій дільниці вихідна характеристика є прямою лінією, яку задамо двома точками: Q(U_ВИХQ, I _ВИХQ) и R(U_ВИХR, I _ВИХR). Координати точок обчислюються за допомогою (2.29).

Продиференціюємо (2.29) по І_вих:

1=(d U_ВИХ/d І_ВХ)(1/ r_K+r_KE ) +(d U_ВИХ/d І_ВХ ) (1/ R_К).

звідки

R_ВИХ= R_K (r_K+r_KE) /R_К+r_K+r_KE)≈ r_K+r_KE (2.30)

Вихідне коло транзисторного ключа для аналізованоїсхеми є генератором ЕРС:

Е= U_ДЖ (r_K+r_KE) /(R_К+r_K+r_KE)+ R_КЕост R_К/ R_К+r_K+r_KE≈ U_ДЖ (r_K+r_KE) /R_К+ U^’_КЕост з вихідним опором, обумовленим виразом (2.30 )

Подальше зменшення U_ВИХ до негативних величин переведе транзистор із стана насичення в інверсний активний режим, а розрахунковасхема прийме вигляд, показаний на рис. 2.4. е. Для цієї схеми справедливо співвідношення:

І_ВИХ=І_RK+І_К= ( U_ВИХ -U_ДЖ)/ R_К +(I+β_i) І_б де

І_б=(E_Г - U_бк- U_ВИХ) / (R_Г +R_б+ r_б).

Тоді

І_ВИХ= ( U_ВИХ -U_ДЖ)/ R_К +(1+ β_i)[( E_Г - U_бк- U_ВИХ)/ (R_Г +R_б+ r_б)] (2.31)

Використовуючи прийняті раніше допущення щодо U_бк і результати аналізу аналогічної розрахункової схеми на рис. 2.4. б, запишемо остаточні результати:

R_ВИХ= [R_К(R_Г +R_б+ r_б)]/ [R_Г +R_б+ r_б (I+ β_i )R_К] (2.32)

Координати точок S(U_ВИХS, I _ВИХS) и U(U_ВИХU, I _ВИХU) що визначають ділянку вихідної характеристики для схеми на рис. 2.4,е, обчислюються за допомогою виразу (2.31).

Вихідне коло транзисторного ключа для аналізованої схеми є генератором ЕРС:

Е=U_ДЖ(R_Г +R_б +r_б )/( R_Г +R_б +r_б+R_K(I+β_i)+(E_Г –U_БК)* R_K(I+β_i)/ ( R_Г +R_б +r_б+R_K(I+β_i) із вихідним опором, обумовленим виразом (2.32).

Еквівалентна розрахункова схема при урахуванні паразитного діодаколектор - підложка має вигляд, поданий на рис. 2.4,ж. Аналіз цієїсхеми аналогічний аналізу, приведеному для схеми, показаної на рис.2.4.в.

Вихідні характеристики використовуються для визначення вихідних струмів і напруг при будь-якому вигляді навантаження з використанням графічного методу. Наприклад, якщо навантаження R_H=2.7кОм, то, провівши на рис. 2.5 лінію навантаження, знаходимо, що U_ВИХ=3,65 В Івих=1,35мА.

Рис. 2.5 - Вихідні характеристики транзисторного ключа

Приведений вище аналіз статичних характеристик простого транзисторного ключа дозволить надалі проаналізувати статичні характеристики всіх логічних елементів.

2.3. Вплив температури на статичні характеристики транзисторів

Зміна температури різною мірою впливає на всі параметри транзистора. Найбільший вплив на статичні характеристики має зміна від температури струмів I_КБO, I_EБ0, температурного потенціалу j_T і коефіцієнта посилення b. Серед перерахованих параметрів струми I_КБO і I_EБ0 найсильніше залежать від температури.

Збільшення I_КБO з підвищенням температури приводить до зсуву вихідних характеристик транзистора, що працює в схемі CE, в активному режимі і до істотної зміни струмів бази і колектора при роботі транзистора в режимі відсічення. Якщо зсувом вихідних характеристик в більшості випадків можна нехтувати, то зміна струму бази транзистора, що працює в режимі відсічення, завжди треба враховувати, оскільки при великих значеннях номіналів резисторів в колі бази при збільшенні температури транзистор може перейти з режиму насичення в активний режим і тим самим істотно змінити роботу схеми.

При роботі транзистора в активному режимі і режимі насичення, зміни струму I_EБ0, а також температурного потенціалу j_T залежно від температури приводять до зміни напруги на переході база — емітер при постійному струмі бази.

При орієнтовних розрахунках в діапазоні температур від -10 до +50°С зміну напруги U_БЕ (мВ) можна оцінити по формулі:

DU_БЕ=S×Dt.

Експериментально знайдені значення температурного коефіцієнта S лежать в діапазоні - (1,8—2,2) мВ/°С. Знак мінус в говорить про те, що напруга UБЕ зменшується із збільшенням температури.

При зміні температур в ширшому діапазоні (наприклад, від -60 до +125°С) використовується формула:

DU_БЕ= -{1,88+(t₁ - t₂)+ 0,0034[(t₂)² - (t₁)²]}.

Перелік посилань

1. Твердотільна електроніка. Навчальний посібник для студентів вузів. / Бойко В. І. Багрій В. В., - К.: НМЦВО, 2003. - 303 с.

2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. / И. И. Степаненко. - М.: Энергия. 1977. – 67 с.

3. Гурлев Д. С. Справочник по электронным приборам. / Д. С. Гурлев. - К: Техника. 1979. – 464 с.

4. Транзисторы. Справочник. / Под редакцией Чернышева А. А. - М.: Энергия. 1984. - 642 с.

5. Преснухин Л. Н., Воробьев Н. В., Шишкевич А. А Расчет элементов цифровых устройств. / Л. Н. Преснухин, Н. В. Воробьев, А. А. Шишкевич. - М.; Высшая школа, 1982. – 384 с.

6. Полупроводниковые приборы. Справочник. / Под редакцией Горюнова Н. Н. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560 с.

7. Жеребцов И. П. Основы электроники. / И. П. Жеребцов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

ДОДАТКИ

Додаток А

Варіанти вихідних даних

Додаток Б

Умовні графічні позначення напівпровідникових біполярних транзисторів

Додаток В

Вхідні характеристики біполярних транзисторів

З повагою ІЦ "KURSOVIKS"!