DETERMINAREA PARAMETRILOR HIBRIZI AI TRANZISTORULUI BIPOLAR

DETERMINAREA PARAMETRILOR HIBRIZI AI TRANZISTORULUI BIPOLAR

1.Consideratii teoretice

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv electronic realizat din trei zone semiconductoare, pnp sau npn, dispuse in doua variante, ca in Fig 1. Cele trei zone se numesc emitor (E) , baza (B), colector (C) si sunt legate la trei terminale ce poarta denumirile respective. Baza este mult mai ingusta si mai slab dopata decat emitorul si colectorul. Tranzistorul se numeste bipolar deoarece conductia este asigurata de doua tipuri de purtatori de sarcina cu sarcina de semn diferit: electroni si goluri.

Fig 1. Structura fizica si simbolurile tranzistoarelor pnp si npn

În simbolul tranzistorului sageata de pe emitor corespunde jonctiunii pn emitor-baza, varful sagetii este orientat intotdeauna de la zona p la zona n. Ea arata si sensul normal pozitiv al curentului principal prin tranzistor.

Pentru orice tip de tranzistor se pot defini trei curenti si trei tensiuni, dar pentru descrierea functionarii nu sunt necesare toate aceste marimi. Conform Fig. 1 intre tensiuni si curenti exista relatiile:

(1)

(2)

Din aceste relatii rezulta ca numai doua tensiuni si doi curenti sunt independente. Alegerea marimilor independente care descrie comportarea tranzistorului se poate face in moduri diferite. Pentru aceasta se considera tranzistorul ca un bloc cu doua borne de intrare si doua borne de iesire (cuadripol). Deoarece tranzistorul are numai trei borne, una trebuie sa fie comuna atat intrarii cat si iesirii. Borna comuna defineste conexiunea tranzistorului. Exista deci trei conexiuni ale tranzistorului si anume: cu baza comuna (BC), cu emitor comun (EC) si in colector comun (CC).

În figura 2 este prezentata conexiunea emitor comun (EC) a unui tranzistor bipolar pnp, conexiune cel mai des folosita in circuitele electronice. Pentru functionarea in regiunea activ normala, jonctiunea emitor-baza trebuie polarizata direct iar jonctiunea colector-baza invers (Fig. 2). În cazul tranzistorului de tip npn, cele doua surse E_C si E_B se conecteaza cu polaritati inverse fata de cele din figura 2.

Fig 2. Tranzistor pnp in conexiunea emitor comun (EC)

În conexiunea EC, circuitul care cuprinde emitorul si baza reprezinta circuitul de intrare, iar circuitul care cuprinde emitorul si colectorul se numeste circuitul de iesire. Curentul de baza, I_B, si tensiunea emitor-baza, U_EB, sunt marimile de intrare, iar curentul de colector, I_C, si tensiunea colector - emitor, U_CE, sunt marimile de iesire din cuadripol.

Dependenta dintre curentii prin tranzistor si tensiunile aplicate in regim static determina caracteristicile statice ale tranzistorului in conexiunea respectiva.

Pentru conexiunea EC se definesc trei caracteristici statice si anume:

1. Caracteristica de iesire:

(3)

2. Caracteristica de transfer:

(4)

3. Caracteristica de intrare:

(5)

Caracteristica de iesire este descrisa de relatia:

(6)

unde b reprezinta castigul (amplificarea) in curent in conexiunea EC, iar I_CB0 este curentul rezidual de colector.

În Fig. 3 este reprezentata familia caracteristicilor statice de iesire a unui tranzistor bipolar pnp in conexiunea EC intr-o diagrama cu patru cadrane. Se observa ca exista trei regimuri de functionare:

a) Regiunea activ normala in care jonctiunea emitor-baza este polarizata direct iar jonctiunea colector-baza invers. Curbele pentru I_B=const. nu sunt orizontale in planul caracteristicilor de iesire, deoarece b creste cu crestere tensiunii U_CE si ca urmare I_C creste cu U_CE la I_B=const.

b) Regiunea de saturatie apare la tensiuni U_BE=U_CE, situatie in care ambele jonctiuni ale tranzistorului sunt polarizate direct. Polarizarea directa a colectorului conduce la o dependenta exponentiala a lui I_C cu U_CE.

c) Regiunea de blocare este cuprinsa intre caracteristica I_B=0 si abscisa. Curentul care strabate tranzistorul este:

(7)

La tranzistoarele de siliciu curentul I_CE0<10^-6 A.

Fig. 3. Diagrama cu patru cadrane pentru caracteristicile statice in conexiunea emitor comun ale unui tranzistor pnp.

Pentru < 0,1 V, si avand in vedere relatia (7) curentul de colector este dat de relatia:

(8)

O forma mai generala de descriere a dependentei marimilor de iesire in functie de cele de intrare, se poate face considerand tranzistorul ca un cuadripol reprezentat in Fig. 4, pentru un tranzistor npn.

Fig. 4. Modelarea tranzistorului cu un cuadripol.

Parametrii hibrizi "h_ij" se definesc conform Fig. 4, pe baza urmatoarelor relatii:

(9)

Relatiile de definitie ale parametrilor hibrizi rezulta din relatiile (9), scrise pentru anumite conditii particulare si anume la functionarea tranzistorului in gol (I₁=0) sau la functionarea tranzistorului cu iesirea in scurtcircuit (U₂=0).

Daca se tine seama ca I₁=I_B, I₂=I_C, U₁=U_BE si U₂=U_CE, atunci parametri hibrizi au urmatoarele relatii de definitie si semnificatii:

h₁₁ - impedanta de intrare cu iesirea in scurtcircuit si este egala cu panta caracteristicilor din cadranul III (Fig. 3):

(10)

h₁₂ - coeficientul de transfer invers cu intrarea in gol si este egal cu panta caracteristicii din cadranul IV:

(11)

h₂₁ - factor de amplificare in curent cu iesirea in scurtcircuit si este egal cu panta caracteristicii din cadranul II:

(11)

h₂₂ - admitanta de iesire cu intrarea in gol si este egala cu panta caracteristicii din cadranul I:

(12)

Din relatiile de definitie se observa ca parametrii h au semnificatii fizice diferite. De aici, rezulta si denumirea de parametri hibrizi iar circuitul echivalent reprezentat in Fig. 5 si poarta denumirea de circuitul echivalent al tranzistorului cu parametrii hibrizi.

Fig. 5. Circuitul echivalent al tranzistorului cu parametrii hibrizi

Circuitul echivalent al tranzistorului cu parametri hibrizi prezinta o importanta deosebita in analiza functionarii la semnal mic al circuitelor de amplificare cu tranzistoare. Modelarea cu parametrii hibrizi se aplica tranzistorului in orice conexiune, de aceea este foarte important sa se determine experimental acesti parametrii. La frecvente mai mari de 100 Mhz determinarea experimentala a parametrilor hibrizi devine dificila din cauza ca la aceste frecvente este greu sa se realizeze conditiile de mers in gol sau de scurtcircuit necesare masurarii acestor parametri.

Dupa cum se observa din Fig 3 caracteristicile nu sunt liniare in tot domeniul de lucru al tranzistorului, astfel ca pantele acestora si respectiv parametrii h_ij depind de alegerea punctului de functionare pe aceste caracteristici. Doar panta caracteristicii din cadranul II este constanta pe intreg domeniul, adica h₂₁ = β = const .

Parametrii h_ij determinati in montajul cu emitorul comun (EC), din Fig 2 sunt notati in cataloage cu indice e (h_ije), cei determinati in montaj cu baza comuna (BC) cu indicele b (h_ijb) si cei determinati in montajul cu colector comun (CC) cu indicele c (h_ijc), pentru a scoate in evidenta modul cum au fost determinati.

2. Modul de lucru

1.Se realizeaza schema din figura 6 unde s-a prevazut o singura sursa (Ec) pentru alimentarea circuitului de intrare si de iesire folosind potentiometre pentru reglarea bruta (P2, P3) si fina (P1, P4) a tensiunilor si curentilor .

Fig. 6. Schema montajului experimental.

2. Datele citite la aparatele de masura se trec in tabelul de date prezentat mai jos, unde au fost trecute valorile recomandate pentru I_B si U_ce.

3. Parametrii h_ij se determina cu relatiile (10)-(13) luand variatiile de tensiune si de curent in jurul unui punct de functionare M ales prin valorile U_ce0, I_c0, I_b0.

Tabel de date experimentale