Лабораторная работа № 2 Определение коэффициента усиления транзистора по току

Транзисторы предназначены для решения задач усиления и переключения электрических сигналов. Время бурного развития транзисторов – 50 – 80 годы прошлого столетия. В настоящее время следует признать, что транзисторы как отдельные компоненты используются в схемах не так часто. Массово они применяются только внутри интегральных схем.

Различают транзисторы двух видов: биполярные и униполярные (полевые).

В биполярных транзисторах в создании токов участвуют как электроны (отрицательно заряженные частицы), так и дырки (положительно заряженные частицы). Отсюда название вида транзисторов.

Биполярные транзисторы устроены сложнее полупроводниковых диодов, они имеют два pn-перехода и три вывода, называемых база, эмиттер и коллектор. Различают два вида БТ: NPN и PNP.

Устройство, особенности и схемотехнику будем рассматривать на при-мере NPN-транзисторов – наиболее используемых в современной практике, для PNP-транзисторов рассуждения аналогичны и различия заключаются толь-ко в подключении питающих напряжений.

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Устройство и принцип действия NPN-транзисторов показаны на рисунке 2.19.

NPN-транзистор имеет три микроэлектронные области: две – с N-проводимостью и одну – с P – проводимостью. Каждая область имеет вывод с указанными на рисунке названиями.

Структуру NPN-БТ можно также представить в уже более понятных обозначениях: как два диода, соединённых анодами в области базы.

На рисунке 2.20 показан наиболее распространённый способ использования биполярных транзисторов, когда на базу и коллектор подаются положительные (+) потенциалы по отношению к эмиттеру. При этом положительный потенциал коллектора выше потенциала базы! Другими словами, коллекторный pn-переход смещён в обратном направлении (смотрите, коллекторный диод формально закрыт), а базовый – в прямом.

При этом если в базу задать ток, то в силу структурной особенности кристалла биполярного транзистора, этот базовый ток Iб будет «подсасывать» из коллекторной области электроны и формировать коллекторный ток

Iк= β*Iб , (2.7)

где β> 1 называется коэффициентом усиления тока базы.

Типовые паспортные значения β = 20÷500. Ток эмиттера, таким образом, в соответствии с первым законом Кирхгофа

Iэ = (β +1)*Iб (2.8)

Линейный режим работы биполярных транзисторов

В линейном режиме работы биполярный транзистор усиливает входные сигналы.

Простейшие транзисторные схемы, с помощью которых можно усиливать малые напряжения показаны на рисунке 2.21. Схемы такой конфигурации принято называть схемами (каскадами) с общим эмиттером (схемы ОЭ), т.к. один из выводов БТ – эмиттер, используется для формирования как входного, так и выходного сигнала – является общим для них. Поясним работу такого усилителя.

Пусть усиливаемый сигнал – переменное синусоидальное напряжение, которое подаётся на вход схемы общего эмиттера. Усиленный сигнал снимается с выхода схемы ОЭ. Усиленный сигнал имеет ту же форму синусоиды, но следует в противофазе с входным: когда входная синусоида возрастает, выходная синусоида спадает.

Основная характеристика усилителя – коэффициент усиления входного напряжения, который рассчитывается как

Кус=ΔUвых/ΔUвх ≈ R2/rэ, (2.9)

где rэ – сопротивление эмиттера. Сопротивление эмиттера можно подсчитать по формуле:

rэ= ϕт/Iэ = k*T/q*Iэ ≈ k*T/q*Iк, (2.10)

где k — постоянная Больцмана,

Т – температура в кельвинах,

q – заряд электрона.

При температуре +25ºС (300 К) ϕт = 26 мВ.

Примечания

1. Существует графический способ оценки rэ. Для этого требуется знание входной вольт-амперной характеристики выбранного биполярного транзистора;
2. Коэффициент усиления сигнала по напряжению, как видно из формулы, зависит от температуры. В том случае, когда диапазон работы усилительной схемы широк, применяют чуть более сложные модификации схемы объединенных эмиттеров, более устойчивые к изменению температуры.

Следует иметь в виду, что выражение для Кус приблизительное и оно будет тем более справедливо, чем больше β, хорошо, если β >100.

Расчёт схемы ОЭ по постоянному току

На этом этапе нам необходимо рассчитать значения R1и R2, которые задают режим по постоянному току, а R2кроме того входит в выражение для Кус.

Работа биполярного транзистора описывается входными и выходными характеристиками (показано на рисунке 2.22). Входная характеристика Iб=ʄ(Uэ), как и следовало ожидать, аналогична характеристике п/п диода. Однако у транзистора поведение этой характеристики зависит (несильно) ещё и от напряжения Uкэ. Поэтому в технических описаниях на выбранный транзистор даются семейства входных характеристик, где параметром является Uкэ. Выходная характеристика ‒ также семейство зависимостей типа Iк= ʄ (Uкэ), параметром для которых является базовый ток Iб.

Оба семейства имеют принципиально нелинейное поведение, однако, это не мешает их использовать для режима линейного усиления. Для этого надо построить нагрузочную прямую на выходном семействе, рассчитать положение на ней рабочей точки (РТ) и определить из графика начальный ток базы.

Нагрузочная прямая строится, как и раньше для диода, между двумя аналогичными точками:

Iк= Eпит/R2 и Uкэ=Епит. В нашем расчёте мы задались значениями Епит=15 В и Iк = Eпит/R2 =30 мА. Тогда R2=15/0,03 = 500 Ом. Строим прямую и выбираем положение РТ – это середина линейного участка (показано на рисунке 2.22). Линейным участком будем называть участок нагрузочной прямой между напряжением насыщения и напряжением отсечки. Параметры РТ в нашем примере соответствуют следующим значениям (показано на рисунке 2.23):

Uкэ.рт ≈ 7 В, Iк.рт ≈ 16 мА, Iб.рт ≈ 0,3 мА.

Далее: выбираем из семейства входных ту характеристику, которая соответствует найденному значению Uкэ≈ 7,0 В, задаём Iб = 0,3 мА, и определяем Uбэ≈ 0,65 В. Строим актуальный участок входной нагрузочной прямой и рассчитываем R1= (15-0,65) В/ 0,3 мА = 45 кОм.

Примечание – На практике расчёт проводиться несколько сложнее.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада при t°=25 °С.

Кус = Iэ R2/ ϕт = 16 мА × 500 Ом/ 26 мВ ≈ 308.

Важно теперь проверить: не превышает ли мощность, рассеиваемая на коллекторе, номинальное паспортное значение выбранного биполярного транзистора.

Расчёт ведётся в рабочей точке: Uкэ.рт ×Iк.рт = 7 В×16 мА=112 мВт. Это значение постоянно и не меняется в режиме усиления входного сигнала, когда напряжения и токи коллектора меняются в широком диапазоне. Это объясняется тем, что напряжение и ток коллектора меняются в этой схеме в противофазе: когда ток увеличивается, напряжения уменьшается, и наоборот.

Расчёт схемы ОЭ по переменному току

Пример формирования выходных сигналов схемы с ОЭ под воздействием изменения тока базы показан на рисунке 2.23. Под воздействием синусоидально изменяющегося тока базы (синусоида, изображённая пунктиром) РТ смещается вдоль нагрузочной прямой сначала вверх до своего максимума, а затем вниз до своего минимума.

По рисунку видим, что при изменении тока базы в диапазоне от 0,05 до 0,55 мА с амплитудой (0,55-0,05)/2 = 250 мкА, ток коллектора изменяется в диапазоне примерно от 3 мА до 29 мА с амплитудой (29-3)/2 = 13 мА. Имеем отсюда следующее значение коэффициента усиления по току:

Кi= 13 000/250 = 52

Напряжение коллектора изменяется в диапазоне примерно от 0,5 В до 13 В с амплитудой (13-0,5)/2 = 6,25 В. Ещё раз подчеркнём, что изменение напряжения коллектора осуществляется в противофазе с изменением входного (усиливаемого) тока: при увеличении тока базы увеличивается коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение!

Пока мы ничего не говорили о конденсаторах С1и С2. Это так называемые разделительные конденсаторы. Они не пропускают постоянные составляющие усиливаемых напряжений и пропускают только переменные. Их значения должны быть достаточно большими: чем больше значения ёмкостей, тем меньше ʄн – минимальная усиливаемая частота. Обычно эти конденсаторы имеют значения от 1 до 100 мкФ.

Включение от индуктивности истока

Структуры большинства выводных MOSFET – SOIC, DPAK, TO-220 и т.д. – сходны между собой. Высокотемпературный припой соединяет основание устройства с выводной рамкой. Это соединение обладает минимальной проводимостью. Также жесткие проволочки соединяют исток прибора от наружного вывода к внутреннему слою. Иногда от вывода истока идет несколько жестких параллельных проволочек, для этого используется технология соединения die-to-leadframe (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция большинства выводных MOSFET на примере корпуса D2PAK

Затвор соединен с внешним выводом одним миниатюрным жестким проводником. Проблемы возникают из-за наличия индуктивности выводов истока. Через вывод стока протекает мощный ток, а также обратный ток включения/выключения от драйвера затвора.

С практической точки зрения невозможно увидеть реальное напряжение на истоке выводного транзистора. Измерив напряжение, мы получим значение лишь на выводе истока, но фактически исток транзистора соединяется с источником напряжения через индуктивность вывода. В абсолютном выражении проводник, расположенный над заземленным проводником в свободном пространстве, обладает индуктивностью 0,8 нГн/мм; таким образом, между источником напряжения и истоком транзистора присутствует индуктивность порядка 3…5 нГн. Большие корпуса транзисторов, например, TO220, как правило, имеют большие значения индуктивности истока.

Индуктивность истока обладает свойством оказывать противодействие как при включении транзистора, так и при его выключении. Процессы, возникающие при выключении, гораздо заметнее из-за больших токов, протекающих через устройство, и большей энергии, запасенной в индуктивности истока.

В момент выключения транзистора индуктивность истока пытается сохранить ток в соответствии с выражением V = -Ldi/dt. Отсюда следует, что полярность напряжения на индуктивности изменяется мгновенно, как только MOSFET прерывает ток, протекающий через него. До выключения транзистора напряжение на индуктивности истока имело положительный потенциал на кристалле и отрицательный потенциал на выводной рамке транзистора. После выключения, в течение непродолжительного времени, потенциалы на концах индуктивности истока меняются местами. На конце индуктивности, присоединенной к выводной рамке, образуется положительный потенциал. В течение этого периода это напряжение добавляется к напряжению управления затвора.

Несмотря на то, что сигнал управления выключением транзистора выбирает путь наименьшего сопротивления, напряжение от индуктивности истока добавляется к низкому напряжению от драйвера, и тем самым создает паразитный сигнал управления состоянием затвора.

Если это паразитное напряжение достаточно высоко, то оно может включить устройство, противодействуя сигналу драйвера затвора (рис. 7)

Рис. 7. Включение транзистора паразитным напряжением, действующим против сигнала драйвера затвора

Для устранения проблем в высокоскоростных схемах применяются безвыводные корпуса, например, корпус PQFN с технологией медной клипсы от International Rectifier, а также корпус DirectFET. MOSFET в этих корпусах обладают минимальными индуктивностями истока. В устройствах, которые требуют применения выводных компонентов, мы можем подавать на затвор отрицательное напряжение запирания. При наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс не способен сместить потенциал VG до порогового значения.

В таблице 1 приведены параметры двух новых MOSFET компании IR – IRF6708S и IRF6728M, которые выполнены в корпусе DirectFET малого и среднего размера, соответственно. Их использование позволяет уменьшить размер печатной платы, а также снизить общую стоимость системы. Технология корпусирования DirectFET позволяет получить минимальные сопротивления контактов и паразитные индуктивности выводов, а также обладает высокой эффективностью отвода тепла от кристалла за счет двустороннего охлаждения и других конструктивных особенностей.

Таблица 1. Параметры новых MOSFET компании International Rectifier

Ранее мы упоминали диод, который образуется в p-n-переходе MOSFET между n- областью стока и p-каналом истока. Как и любой другой диод, он обладает временем обратного восстановления (рис. 8).

Рис. 8. Типовой график времени обратного восстановления внутреннего диода

Основными параметрами этого диода являются tRR и QRR, и условия, при которых они были измерены.

Когда транзистор верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе выключается, индуктивность начинает разряжаться через внутренний диод транзистора нижнего плеча. Это режим потерь, который минимизируют за счет быстрого включения транзистора нижнего плеча. Канал транзистора нижнего плеча открывается и отбирает весь ток на себя, диод закрывается.

Ток обратного восстановления MOSFET течет через канал наряду с током выброса от индуктивности. Суммарный ток может негативно повлиять на область безопасной работы прибора.

Может показаться, что единственным вариантом является выбор MOSFET с наиболее низкими QRR и/или tRR. Это не так.

Параллельно внутреннему диоду можно подключить внешний диод с более низким напряжением VF: таким образом, ток потечет в обход внутреннего диода. MOSFET со встроенным диодом Шоттки, называемые FETky, предполагают наличие внутреннего диода Шоттки, включенного параллельно с внутренним диодом, он выполняет ту же самую роль. Прямое напряжение VF диода Шоттки гораздо меньше, чем у обычного p-n-перехода. Таким образом, Шоттки шунтирует ток выброса. Поэтому быстрый диод Шоттки необходим для уменьшения QRR. В высоковольтных приложениях, для которых FETkeys не производятся, можно включить внешний диод Шоттки необходимого или большего напряжения параллельно с внутренним диодом с минимальной индуктивностью.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Смотрим на выходные характеристики БТ. При подаче большого тока в базу (>0,3 мА) напряжение Uкэ уменьшается до своего минимального значения (типовое значение 0,2 В). Говорят «транзистор переходит в режим насыщения».

С другой стороны, если в базу ток не подавать (Iб ~ 0), то коллекторный ток прерывается и напряжение на выходе каскада будет равно напряжению питания Епит ‒ биполярный транзистор будет находится в «режиме отсечки».

Собственно эти два состояния БТ и описывают ключевой режим его работы: ключ (транзистор) включён или выключен, нагрузка подключена к питанию или отключена. Простейшие ключевые схемы на БТ показаны на рисунке 2.24. На представленных принципиальных схемах показано, что управление схемами осуществляется с помощью цифровых сигналов: логического нуля («0»)и логической единицы («1»). В современной практике такие сигналы формируются чаще всего микроконтроллерами.

Обращаем внимание, что оба вида БТ используется в схемах с плюсовым (положительным) питанием (+Епит) и нагрузка в обоих случаях расположена в коллекторной цепи БТ. При этом: логическая единица в одном из случаев (NPN-транзистор) замыкает ключ, а в другом (PNP-транзистор) – размыкает.

Условие замыкания ключа: Iб * β >Iк.нас ≈ Епит/Rнагр. Ток базы приближённо можно рассчитать для обоих случаев так: Iб= (Епит-0,6)/R1.

Зная напряжение питания, сопротивление нагрузки и коэффициент усиления тока базы β, можно рассчитать по указанным формулам R1.

Лавинный пробой

Самый простой способ объяснить лавинный пробой – использовать flyback-конвертер (рис. 9).

Рис. 9. Схема flyback-преобразователя для демонстрации лавинного процесса

Предположим, что структура цепочки RCD, используемая, чтобы минимизировать выбросы напряжения через переключающийся MOSFET, не является внутрисхемной. Кроме того, узел между стоком MOSFET и индуктивностью первичной обмотки разблокирован.

Когда MOSFET включается, в первичной обмотке начинает нарастать ток в соответствии с выражением V = -Ldi/dt. Когда транзистор выключается, полярность напряжения на катушке мгновенно изменяется, добавляясь к напряжению B+. Катушка перекачивает напряжение обратно, чтобы поддержать ток и разрядить первичную индуктивность.

С разблокированным стоком напряжение VDS близко или немного выше напряжения B+, в этом случае мы наблюдаем лавинный пробой (рис. 10).

Рис. 10. Ограниченный лавинный процесс во Flyback-преобразователе

Лавинный пробой – когда напряжение на MOSFET повышается быстро и затем отсекается на некотором уровне выше напряжения VDS (обычно 110…115% от VDS). Отсечка происходит, когда напряжение пробоя внутреннего диода MOSFET ограничивает увеличение напряжения. Подтверждением является плоская вершина формы всплеска напряжения.

Лавинный пробой происходит из-за наличия индуктивности. Например, соленоид или двигатель испытывают аналогичный скачок напряжения при открытии ключа с разблокированной нагрузкой.

Существует немало статей на тему лавинного пробоя, в которых подробно описаны методики проектирования и расчета подобных цепей.

Важное отступление по сравнению транзисторов по параметрам лавинного пробоя. Раньше для оценки и тестирования старых транзисторов использовали в качестве нагрузки большие значения индуктивности, для тестирования новых транзисторов используют значительно меньшие величины. Данные различия нужно учитывать, когда производится сравнение транзисторов по параметрам лавинного пробоя, так как новые полевые транзисторы на первый взгляд будут выглядеть значительно хуже по характеристикам, чем более старые.

Проверка работоспособности биполярных транзисторов

Многие мультиметры позволяют измерять коэффициент усиления тока базы (β; h21) транзисторов с гибкими выводами. На рисунке 2.26 показано типовое решение этой задачи. В специальный разъём, соблюдая указанный на лицевой панели порядок, подключается транзистор. Значение β высвечивается на дисплее.

Примечания

1. NPN- и PNP-транзисторы имеют раздельные гнёзда для подключения.
2. Для обоих типов транзисторов предусмотрено по два гнезда для подключения эмиттера. Это связано с возможными конструктивными различиями в цоколёвках транзисторов.