5. Статические характеристики биполярного транзистора

В учебных курсах электроники обычно подробно рассматриваются входные и выходные статические вольт-амперные характеристики транзистора. Знание этих характеристик особенно важно в практической работе, поскольку любой расчет схемы усилительного каскада на транзисторе основывается на выборе рабочей точки по постоянному току, т. е. в статическом режиме, и лишь потом оцениваются динамические характеристики (параметры) схемы на переменном токе.

Для построения характеристик используется, как правило, линейный масштаб графиков, что не позволяет получить представление о работе транзистора в широком диапазоне изменения значений коллекторного тока. Поэтому при дальнейшем рассмотрении будут широко использоваться логарифмический и полулогарифмический масштабы, позволяющие анализировать работу транзистора при изменении коллекторного тока в пределах двух и более декад. Декадой называется диапазон изменения какого-либо значения в 10 раз, таким образом, две декады соответствуют изменению в 100 раз и т. д.

Определим основные параметры и характеристики биполярного транзистора, необходимые для понимания его работы и расчета устройств на его основе, используя программу схемотехнического моделирования Micro-Cap. Подобное исследование БПТ возможно и с применением реального вспомогательного и контрольно-измерительного оборудования, при этом результаты не будут принципиально отличаться, но временные затраты будут выше.

На рис. 5.1 приведена схема для исследования параметров и характеристик биполярного npn-транзистора типа 2N2222A в программе Micro-Cap. Необходимо отметить, что в программе используются англоязычные обозначения, в частности для БПТ «c» это коллектор, «e» – эмиттер, «b» – база, соответственно Ib – ток базы, be – переход база-эмиттер и т. д.

Генератор постоянного, т. е. не изменяющегося со временем, тока I1 задает значение коллекторного тока I_К транзистора Q1. Входное сопротивление операционного усилителя бесконечно велико по сравнению с сопротивлением коллектор-эмиттер R_КЭ, поэтому значением входного тока ОУ можно пренебречь. Вначале зададим I_К = 1 мА, поскольку для выбранного типа БПТ это значение типично лежит в диапазоне 1…100 мА. В этом можно убедиться, изучив описание данного транзистора, используя справочную информацию, например из Интернета (так называемые datasheets) или возможности программы MC. На рис. 5.2, а представлен график зависимости коэффициента усиления по току β от I_К, т.е. β = f(I_К) для БПТ 2N2222A при U_КЭ = 10 В. На рис. 5.2, б представлена зависимость β = f(I_К) из MC. Следует отметить, что в обоих случаях значение β сохраняет относительное постоянство в диапазоне от 1 до 100 мА, т. е. усиление по току в данном диапазоне составляет от 160 до 210. Задав I_К = 1 мА, получаем β = 160.

Рис. 5.1. Схема для получения параметров и характеристик БПТ

а	б
Рис. 5.2. Зависимость коэффициента усиления по току транзистора 2N2222A, представленная: а – производителем, б – в MC

На схеме (рис. 5.1) значение фиксированного напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ, обозначенное как Uce, относительно «земли» (общего провода с потенциалом, равным нулю) задается источником постоянного напряжения V1 и поддерживается цепью отрицательной обратной связи, включающей операционный усилитель X1 (тип LF155), резистор R1, преобразующий выходное напряжение ОУ в базовый ток I_б (обозначенный на схеме Ib) исследуемого транзистора Q1.

В процессе исследования определяются следующие взаимозависимости параметров транзистора:

– зависимость напряжения база-эмиттер U_БЭ от значения тока коллектора I_К и температуры транзистора t_Т (в градусах Цельсия) при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер, т.е. U_КЭ = const:

UБЭ = f (IК, tТ ºC) при UКЭ = const;

– зависимость тока базы I_Б от значения тока коллектора I_К

IБ = f (IК);

(5.1)

– зависимость сопротивления участка коллектор-эмиттер R_КЭ от тока коллектора I_К и от тока базы I_Б

RКЭ = f (IК) = UКЭ / IК

(5.2)

и

RКЭ = f (IБ) = UКЭ / IБ;

(5.3)

– зависимость значения крутизны S входной характеристики транзистора от тока коллектора I_К

S = IК / UБЭ;

(5.4)

– зависимость статического коэффициента усиления по току β от тока коллектора I_К

β = IК / IБ.

(5.5)

В ходе исследований также получим графики зависимостей по выражениям (5.1)–(5.5) при изменении температуры транзистора в диапазоне от 0 до 50 ºC.

C помощью вкладки «Установки анализа по постоянному току» (DC) зададим параметры моделирования (рис. 5.3). Для этого выбираем переменные параметры, воздействующие на исследуемый транзистор. Таких параметров будет три. Первый варьируемый параметр (переменная 1) – ток коллектора I_К (Ic) будет задавать генератор тока I1.

Диапазон изменения тока составляет 2 декады, т. е. Ic варьируется в диапазоне от 0,1 до 10 мА. Поскольку исследуется большой диапазон изменений коллекторного тока, то выбирается логарифмический масштаб, для чего в окошке «Метод» выбирается параметр Log.

Вторым варьируемым параметром будет напряжение коллектор-эмиттер, задаваемое источником напряжения V1. Исследуем схему при напряжении коллектор-эмиттер 5 и 10 В, следовательно, в окне «Диапазон изменения» второй переменной проставляем значения 10, 5, а метод изменения задаем List, поскольку имеется только 2 значения напряжения.

Третьим варьируемым параметром будет температура транзистора t_Т. В окно «Диапазон» вписываем значения используемых температур, т. е. метод List.

Задание параметров исследования и перечень выводимых графиков анализа иллюстрирует рис. 5.3. Запустив анализ по постоянному току, можно сразу получить напряжения во всех узлах (рис. 5.4) и токи во всех ветвях схемы. Можно одновременно отображать все напряжения и токи в схеме (рис. 5.5) напряжения в узлах показываются в рамках, токи – без.

Рис. 5.3. Задание параметров исследования и ввод перечня графиков исследуемых зависимостей

Рис. 5.4. Напряжения, действующие в узлах схемы

Рис. 5.5. Одновременное отображение значений напряжений и токов с учетом направлений токов в схеме

Можно отметить точность схемотехнического моделирования. Например, если по закону Ома рассчитать значение сопротивления резистора R₁ как разность напряжений в узлах out и Ube, деленную на значение тока через резистор R₁, то получим: (10,843 В – 0,747576 В) / 50,476 мкА = 200004 Ом.

Следует отметить, что все независимые переменные по оси Х для анализа по постоянному току (рис. 5.3) отложены только в логарифмическом масштабе, что видно по типу шкалы в первом столбике слева (логарифмический тип). По оси Y зависимые переменные на первых двух графиках отложены в линейном масштабе, а оставшиеся 4 в логарифмическом (второй столбик слева).

В окошках Выражение по оси Х на графике 4 (столбик «P», что означает Plot, график) используется Ib (Q1), а в остальных позициях с 1 по 3 и в 5, 6 задается ток генератора I1 (DCINPUT1, что соответствует переменной 1 в верхней строчке окна задания параметров для анализа, рис. 5.3). Таким образом, в графиках 3–6 использован двойной логарифмический масштаб, т. е. по осям Х и Y, а в графиках 1, 2 использован полулогарифмический масштаб, так как по оси Y отложен линейный масштаб, а по оси Х – логарифмический.

При параметрах для анализа, показанных на рис. 5.3, все 6 графиков будут выведены на одной вкладке (в одном окне), что не всегда удобно. Для отображения графиков по отдельности необходимо в столбце «P» для ненужных графиков установить значение None, а для активных графиков выбрать соответствующие порядку их отображения номера.

Получим зависимость напряжения база-эмиттер U_БЭ (Ube, на рис. 5.1) от тока коллектора I_К, задаваемого генератором тока I1 при значениях температуры 50, 27 и 0 ºC. Это первый из графиков, выбираемых в окне установки параметров (рис. 5.3). Результаты моделирования представлены на рис. 5.6.

Для нанесения на выбранный график меток значений изменяемой температуры сначала выделяют его щелчком мыши, подчеркнув выражение, откладываемое по оси Y. Затем используется следующее окно – область графиков Scope, ниспадающее меню «Метки вариантов анализа Stepping», «Метки графиков», окно «User selected location, X», в него вписывается значение параметра Х, относительно которого по вертикали будут помещены значения варьируемого параметра, и нажимается кнопка OK. Результат этих действий иллюстрируется примером на рис. 5.6.

Рис. 5.6. График зависимости напряжения U_БЭ от тока коллектора при различных температурах

Из графиков на рис. 5.6 видно, что изменение температуры в диапазоне от 0 до 50 °С влияет на зависимость U_БЭ = f (I_К) (Ube = F (Ic,) – обозначения в MC). С ростом температуры общий уровень зависимости U_БЭ = f (I_К) снижается. Т. е. изменение напряжения U_БЭ при увеличении коллекторного тока в 10 раз зависит от температуры и уменьшается с ее понижением. Так при температуре 0°С изменение составляет 63,7 мВ, при +27 °С 59 мВ, а при +50°С соответственно 53,7 мВ. В среднем понижение составляет примерно 50 мВ на 25 °С, или 2 мВ на 1 °С, это значение является типичным для многих полупроводниковых приборов.

По показаниям маркеров при фиксированном токе 1 мА видно, что напряжение Ube при изменении температуры от 0 до 50 °С уменьшается на 600 мВ – 687 мВ = – 87 мВ.

Следовательно, можно определить точное значение температурного коэффициента напряжения база-эмиттер.

ТКН = (дельта Ube) / (дельта T°C) = – 87 мВ / 50°C = – 1,74 мВ/°С

При увеличении масштаба графика (рис. 5.7) можно обнаружить, слабую зависимость между напряжением U_БЭ и напряжением U_КЭ транзистора. Причем при увеличении напряжения питания с 5 до 10 В и фиксированной температуре происходит незначительное снижение напряжения Ube на 1 мВ. Получение подобных результатов с использованием реального транзистора, тестового блока и измерительных приборов потребует много больших, по сравнению с использованием программ моделирования, затрат времени.

Рис. 5.7. Влияние изменения напряжения Uce на напряжения Ube.

Для остальных параметров воздействие температуры незначительно и практически незаметно.

Важной характеристикой транзистора для работы в усилительном каскаде является зависимость сопротивления R_КЭ от управляющего базового тока (5.3), т.е. Rce = F (Ib) = Vce / Ib (рис. 5.8). Из графика видно, что зависимость Rce в двойном логарифмическом масштабе от Ib практически линейна.

В линейном масштабе график существенно не линеен (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Зависимость значения сопротивления R_КЭ от тока базы

Рис. 5.9. Зависимость значения сопротивления R_КЭ от тока базы в укрупненном линейном масштабе по двум осям (t =27°C)

При напряжении питания 10 В и сопротивлении коллекторной нагрузки R_К = 10 кОм для задания рабочей точки по напряжению на уровне половины напряжения питания, т. е. на уровне 5 В, внутреннее сопротивление транзистора Rce также должно быть равно 10 кОм. Из графика следует, что этого можно достичь при значении базового тока 2,9 мкА.

Поскольку БПТ управляется током, то при заданном напряжении Uce выбором значения тока базы Ib всегда можно получить требуемое значение Rce.

При выборе нагрузочного коллекторного сопротивления R_К = Rce образуется резистивный делитель напряжения, который делит напряжение питания пополам, и напряжение в рабочей точке однотранзисторного усилительного каскада составит половину напряжения питания U_пит / 2.

Таким образом, регулировкой значения базового тока для данного конкретного транзистора можно обеспечить задание рабочей точки по напряжению. Обычно для получения максимально возможного размаха выходного напряжения рабочую точку выбирают на уровне 1/2 U_пит.